吳 軍， 潘勛平

（寶鋼日鐵汽車板有限公司， 上海 200941）

寶鋼日鐵汽車板有限公司（全文簡稱寶鋼）1 800四冷軋酸洗連軋機組由日本三菱日立公司總體設(shè)計并提供主要設(shè)備的具有世界先進(jìn)水平的機組，其產(chǎn)品主要有低碳鋼和60 K 級的高強鋼，年產(chǎn)量為176萬t，但隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整調(diào)整，產(chǎn)品規(guī)格最大拓展到1180 MPa 超高強鋼等級。隨著酸軋機組超高強鋼比例不斷提升、軋制負(fù)荷不斷加重，使得出口滾筒剪使用壽命不斷縮減，并發(fā)生多次崩刀情況，嚴(yán)重影響機組連續(xù)性生產(chǎn)，因此嘗試對剪切刀片進(jìn)行改進(jìn)研究。

1 產(chǎn)線刀片失效分析

1.1 概述

寶鋼1 800 四冷軋酸洗連軋機滾筒剪刀片發(fā)生嚴(yán)重崩落，導(dǎo)致機組停機101 min。期間生產(chǎn)14 卷780 MPa 和3 卷1 180 MPa 高強鋼。該滾筒剪刀片為日本進(jìn)口，廠家為NippaTech（代號NT），上機使用2 個月左右，而一般正常的使用壽命應(yīng)該在4 個月左右。

1.2 斷口觀察

取刀片崩刃中部區(qū)域進(jìn)行斷口觀察。體式顯微鏡下的斷口低倍照片，可見開裂形貌平整，無明顯的疲勞擴(kuò)展痕跡，也無明顯塑性變形痕跡，初步判斷為脆性開裂。掃描電鏡下的斷口高倍形貌，為河流狀花樣的解理斷口，斷口上可見殘留的大塊碳化物。

1.3 微觀組織分析

取斷口處截面進(jìn)行微觀組織觀察?；w組織為高碳的針狀馬氏體，晶粒尺度較細(xì)（10～20 μm），有大量一次碳化物（直徑約10～40 μm）和二次碳化物（直徑約納米到微米級）。

微觀組織及裂紋形貌，可見斷口處有大塊碳化物，及碳化物剝落形成的孔洞。大塊碳化物的存在會降低刀片的沖擊韌性及裂紋擴(kuò)展抗力。

1.4 化學(xué)成分分析

表1 列出該失效刀片實測化學(xué)成分及Cr8 材質(zhì)的化學(xué)成分范圍。可見NT 刀片材質(zhì)應(yīng)該屬于Cr8 材質(zhì)。

表1 刀片化學(xué)成分 %

1.5 硬度檢測

對刀片截面硬度進(jìn)行測量，該刀片由表及里硬度比較均勻，HRC 保持在59～60 之間。

1.6 強度和韌性檢測

采用螺紋拉伸試樣和無缺口沖擊試樣，得到該刀片的拉伸和沖擊性能?？估瓘姸冗_(dá)到1 420～1 520 MPa，沖擊韌性只有3～16 J。韌性較低。

1.7 失效分析總結(jié)

對于該刀片的失效分析初步結(jié)論如下：

1）該刀片材質(zhì)為Cr8，P、S 等夾雜物含量控制的較好，基體組織為針狀回火馬氏體，有大量的大塊一次碳化物，硬度HRC 較高59～60。

2）失效的主要原因有兩個：一是高強鋼的剪切抗力很高，相較于普通鋼板，其對刀片的損傷更大；二是該刀片材質(zhì)設(shè)計和硬度控制以耐磨性為主，沖擊韌性和抗裂紋能力較弱，不適應(yīng)超高強鋼剪切[1，2]。

2 新材質(zhì)刀片研制

根據(jù)傳統(tǒng)金屬理論表明，鋼鐵材料的高強度、高硬度與優(yōu)良沖擊韌性是相互矛盾的，所以如何使剪刃刀片材料同時滿足高強度、高硬度、優(yōu)秀的熱強性、耐磨性和優(yōu)良沖擊韌性要求正是超高強度剪刃刀片的關(guān)鍵難度所在。

為了滿足上述要求，綜合變質(zhì)及微合金化技術(shù)對化學(xué)成分進(jìn)行優(yōu)化，以及配套對新材質(zhì)刀片冶煉及熱處理工藝優(yōu)化，具體內(nèi)容如下。

2.1 化學(xué)成分優(yōu)化設(shè)計

2.1.1 基礎(chǔ)化學(xué)成分的優(yōu)化

1）降低碳含量，可以顯著提高材料的韌性，但由于碳的減少，會造成材料中碳化物含量降低，會降低材料的耐磨性和硬度。

2）調(diào)整Mo 含量，該元素能夠提高材料的淬透性和熱強性，防止回火脆性，并對回火穩(wěn)定性有重要作用。該元素含量的增加可以保證剪刃的淬硬性和較高的回火溫度。

3）調(diào)整Ni 含量，Ni 元素一方面能夠強烈提高鋼的強度、淬透性，另一方面可以使材料的韌性保持在較高的水平。另外可阻止高溫時晶粒的增長，保持細(xì)晶粒組織。

4）優(yōu)化V 含量，按照高速工具鋼的成分設(shè)計。V元素的加入可以細(xì)化鋼的組織和晶粒并增加淬火鋼的回火穩(wěn)定性，產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)。利用此特性，可以設(shè)計較高的回火溫度。

2.1.2 復(fù)合變質(zhì)技術(shù)

細(xì)化晶粒是提高材料的強韌性配合的關(guān)鍵。鑒于工模具鋼材料的合金碳化物及基體分布情況。采用變質(zhì)處理實現(xiàn)晶粒細(xì)化是重要方法。

變質(zhì)處理：采用K-RE 復(fù)合變質(zhì)劑。含K 變質(zhì)劑還可以帶給鋼水中可以帶給鋼水中富含合金元素的原子簇團(tuán)分開，利于碳化物及初生奧氏體細(xì)化，最終帶來組織細(xì)化。

2.2 冶煉及熱處理工藝設(shè)計

2.2.1 新材質(zhì)相變點檢測

對新材料采用Thermal master Z 熱模擬試驗機測定它的相變點。剪刃刀片新材質(zhì)的膨脹-溫度曲線，新材質(zhì)的臨界溫度點Ac1、Ac3 分別為700.6 ℃和759.1 ℃。

新材質(zhì)的Thermo-Calc 模擬計算相。新材質(zhì)在熱處理過程中可能形成M7C3、M23C7 兩種碳化物，且這兩種碳化物的溶解溫度預(yù)計分別為637.84 ℃和772.97 ℃。

2.2.2 新材質(zhì)刀片冶煉及熱處理工藝設(shè)計

具體工藝如下：

1）冶煉工藝。采用中頻感應(yīng)爐電渣重溶雙聯(lián)冶煉法，熔化200 kW 送電10 min 升至300 kW 加復(fù)合擴(kuò)散脫氧劑6 kg/t 分3～4 批投入，還原精煉，除去熔化渣另造新渣，鋼液升溫到1 600～1 650 ℃加鋁塊終脫氧，鋼包內(nèi)放入1.3～1.8 kg/t 混合稀土，自耗電極棒錠冷卻后，電渣重溶。

2）鍛造工藝。采用電爐加熱，嚴(yán)格控溫1 180～860 ℃，不少于4 次鍛造加工，成品毛坯抗冷至自然溫度后退火處理。

3）熱處理工藝。機加工半成品經(jīng)超聲波探傷合格后進(jìn)行產(chǎn)品的熱處理，箱式爐第一次預(yù)熱溫度250～300 ℃，恒溫時間2 h，第二次鹽浴爐預(yù)熱溫度350～500 ℃恒溫保持10～15 min，轉(zhuǎn)入鹽浴爐淬火溫度1 080 ℃保持10～15 min 油冷。井式爐第一次回火溫度450～550 ℃保溫4 h，多次回火溫度350～400℃保溫2 h，總回火次數(shù)不少于4 次，各批次回火均會檢測刀片硬度，以保證數(shù)值合格。

2.3 微觀組織分析

取新材質(zhì)進(jìn)行微觀組織觀察?；w組織主要為針狀馬氏體，晶粒尺度較細(xì)（10～20 μm）、二次碳化物和殘余奧氏體，相對于原刀片材質(zhì)，大塊一次碳化物明顯降低，因此大大提高了刀片沖擊韌性及裂紋抗擴(kuò)展能力。

2.4 硬度和韌性檢測

采用螺紋拉伸試樣和無缺口沖擊試樣，得到該刀片的拉伸和沖擊性能，并通過與原刀片材料對比，可以看出新材質(zhì)刀片在不犧牲硬度的條件下，沖擊韌性有大幅度提升[3，4]。

2.5 上機試驗

2018 年改進(jìn)型刀片試制成功后，在寶鋼四冷軋連軋機出口滾筒剪使用，使用履歷如表2 所示。

表2 C402 滾筒飛剪刀片更換履歷

由表2 可見，新材質(zhì)剪刃在線使用平均超過100 d，剪切超過70 萬t 帶鋼，其中高強鋼將近2 萬t，超高強鋼超過1 萬t 的情況下，下機剪刃的外觀基本完好，刀片刃口部分沒有大的崩口現(xiàn)象，仍保持一定的鋒利度。

3 結(jié)論

1）超高強鋼作為未來鋼鐵產(chǎn)業(yè)主要發(fā)展趨勢，相對應(yīng)的剪刃刀片必須要同步適應(yīng)性發(fā)展。原設(shè)計剪切刀片主要以耐磨性為主，沖擊韌性和抗裂紋能力較弱，已無法滿足超高強鋼連續(xù)性生產(chǎn)需求。

2）從組織調(diào)整和韌性優(yōu)化兩方面著手，通過基礎(chǔ)成分優(yōu)化、復(fù)合變質(zhì)技術(shù)對化學(xué)成分優(yōu)化，及配套熱處理工藝優(yōu)化設(shè)計，新材質(zhì)刀片在強度無降低的基礎(chǔ)上，一次碳化物含量得到有效控制，大大提高了刀片耐沖擊韌性，并經(jīng)過現(xiàn)上機試驗，能夠滿足使用要求。