本发明涉及一种支承辊及其制造工艺，具体涉及一种4200mm以上宽厚板轧机支承辊及其制造工艺，属于锻造技术领域。
背景技术：
宽厚板是重要的战略物资，广泛用于10万吨以上大型船舶、大口径油气直缝焊管，以及武器装甲、巨型桥梁结构钢、海上钻井平台结构钢、核电站安全壳、大型水坝闸门、高压锅炉钢板、炼钢高炉炉壳、大型油气储罐、大型机械结构钢、模具钢、超高层建筑等领域，尤其在军用造船领域，大单重宽厚板更是不可或缺。
支承辊是宽厚板轧机上关键受力件和消耗性备件，每个机架上装配一对支承辊用以支撑工作辊，其体积庞大，交货重量达200多吨，所采用的钢锭重达450余吨。该支承辊性能要求高、生产环节多、技术难度大，是世界上重机行业目前几何尺寸和规格等级最高的整体锻钢件产品之一，如图1所示。
制造这样的超大锻钢支承辊产品不仅需要能力很强的重大技术装备和生产手段，更需要设计合理、优质可靠的材料。此前，我国4200～5500mm特宽厚板轧机支承辊几乎全靠进口。
目前国际上特大型支承辊生产厂家很少，所用传统钢质材料中碳含量在0.70％～1％，铬含量为0.9～1.6，并且不含钒元素，对钢中的氢含量未作要求，故而有如下缺陷：(1)由于特大型支承辊所用钢锭为340t～450t，该材料的碳含量很高，随着钢锭大型化，碳元素的偏析相当严重，在支承辊冒口端心部，碳含量可达到1.5％以上，在材料中形成大块状碳化物和严重网状碳化物，不易消除，使支承辊在热处理和使用过程中常发生断裂；(2)由于材料中合金元素含量少，显微组织为珠光体，辊身表面及工作层硬度低，hs45～hs50，耐磨性差，辊面常出现凹坑和早期剥落，支承辊消耗量大，使用寿命短；(3)由于材料中形成大块状碳化物和严重网状碳化物，韧性差，使用过程中表面常萌生疲劳裂纹；(4)由于珠光体材料强度和硬度相对较低，在性能热处理时为保证硬度必须采用较低的温度回火，使支承辊的残余应力增大，加之对钢中的氢含量未作要求，往往因应力过大和氢含量高导致支承辊中产生白点或断裂。
王丽娣.浅析宽厚板轧机支承辊制造[j].一重技术,2008(4):56-58公开了材料70cr3mo、70cr3nimo钢锭偏析严重，使支撑辊心部韧性降低，抗事故能力下降。
技术实现要素：
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种4200mm以上宽厚板轧机支承辊，所述支承辊强韧性好的同时凝固偏析少。
为解决上述技术问题，本发明的4200mm以上宽厚板轧机支承辊的化学成份按质量百分比为：c：0.50～0.65、si：0.17～0.50，mn：0.80～2.0，ni0.30～0.70，cr：1.60～2.5，mo：0.30～1.00，v：0.10～0.35，p≤0.020，s≤0.010，cu≤0.15，h≤1.0ppm，余量为铁和不可避免的杂质。
优选的，所述支承辊的化学成份按质量百分比为：c：0.50～0.64、si：0.17～0.39，mn：0.81～2.0，ni0.30～0.70，cr：1.60～2.5，mo：0.61～1.00，v：0.16～0.35，p≤0.020，s≤0.010，cu≤0.15，h≤1.0ppm，余量为铁和不可避免的杂质，优选的v：0.16～0.29。
进一步地，所述支承辊的辊身硬度hs53～hs65，辊身硬度均匀性δhs≤4hs，辊身淬硬层深度≥100mm；冲击功ak≧39j；辊颈硬度为hs37～hs40；辊身表面金相组织为贝氏体，工作层为贝氏体和珠光体回火组织，晶粒度不粗于5级，材料中的碳化物呈球形弥散分布。
进一步地，所述支承辊的制备方法包括如下步骤：
(1)冶炼、铸锭：钢水粗炼、精炼、合金化、真空浇注成钢锭；其中，所述钢的化学成份如上所述。
进一步地，所述支承辊的制备方法还包括如下步骤：
(2)锻造：将所述真空钢锭加热，切除锭尾有害部分，经镦粗、拔长，切除冒口有害部分，锻造出支承辊坯料；
(3)锻后热处理：正火+球化退火+回火；
(4)粗加工：将锻件毛坯粗加工成型；
(5)最终热处理：工艺形式为淬火+回火。
优选的，步骤(1)所述钢水粗炼采用电炉、所述钢水合金化和精炼采用钢包精炼炉、所述真空浇注采用真空室滴流除气浇注；步骤(2)所述镦粗、拔长在压力机上进行。
优选的，所述真空浇注得到的钢锭340t～450t大型钢锭，氢含量1ppm以下。
优选的，所述步骤(4)还包括将粗加工成型的锻件进行超声波探伤，检测锻件毛坯内部质量情况。
优选的，步骤(5)所述淬火加热到850℃以上，优选加热到850℃～1010℃，冷却方式为鼓风+喷雾冷却。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种4200mm以上宽厚板轧机支承辊的制造工艺，所述工艺包括：
(1)冶炼、铸锭：钢水粗炼、精炼、合金化、真空浇注成钢锭；其中，所述钢的化学成份如上所述；
(2)锻造：将所述真空钢锭加热，切除锭尾有害部分，经镦粗、拔长，切除冒口有害部分，锻造出支承辊坯料；
(3)锻后热处理：正火+球化退火+回火；
(4)粗加工：将锻件毛坯粗加工成型；
(5)最终热处理：工艺形式为淬火+回火，所述淬火优选加热到850℃以上，优选加热到850℃～1010℃，所述冷却方式优选为鼓风+喷雾冷却。
有益效果：
本发明设计的新材料，与传统材料相比具有如下优势：
1、本发明支撑辊的显微组织为辊身表面贝氏体，工作层为贝氏体加珠光体；在提高材料硬度的同时提高材料的韧性；减少大型钢锭的凝固偏析，消除材料中大块状碳化物和严重网状碳化物，经检验材料中的碳化物呈球形弥散分布，不但强化了材料基体，提高了耐磨性，又防止了热处理开裂和使用时断辊，防止了传统材料常出现的粗晶混晶现象，进一步提高了韧性，显著降低了辊身表面疲劳剥落的风险，减少轧钢过程中辊面出现凹坑、裂纹萌生与剥落，提高支承辊使用寿命。
2、本发明支承辊的工作层深度大于100mm，比传统材料增加了50mm；硬度为hs53～hs56，比传统材料提高了hs6～hs8，如果采用与传统材料相同的回火温度，硬度提高hs15，大幅减少了使用时辊身表面凹坑的出现，具有更好的耐磨性和抗疲劳性能，更长的使用寿命。
3、由于化学元素的改进，防止了锻造过程中锻件的热裂风险，提高了工艺的可行性，本发明制造工艺能制造出满足技术要求，使用质量优良的支承辊。使材料晶粒得到细化，并提高了淬透性，支承辊力学性能和硬度均匀性。通过冶炼、锻造和适当的热处理，生产的支承辊能达到如下技术要求：
(1)辊身硬度hs53～hs65，辊身硬度均匀性δhs≤4hs，辊身淬硬层深度≥100mm；冲击功ak≧39j；
(2)辊颈硬度为hs37～hs40；
(3)辊身表面金相组织为贝氏体，工作层为贝氏体和珠光体回火组织，晶粒度不粗于5级，材料中的碳化物呈球形弥散分布。
附图说明
图1为特大型支承辊示意图；
图2为实施例的粗加工图。
1-辊身；2-辊颈；3-辊身工作层。
具体实施方式
一种4200mm以上宽厚板轧机支承辊，所述支承辊的化学成份按质量百分比为：c：0.50～0.65、si：0.17～0.50，mn：0.80～2.0，ni0.30～0.70，cr：1.60～2.5，mo：0.30～1.00，v：0.10～0.35，p≤0.020，s≤0.010，cu≤0.15，h≤1.0ppm，余量为铁和不可避免的杂质。
材料化学成分是决定锻钢支承辊使用性能的关键，根据特大型锻钢支承辊使用要求和研究结果，各合金元素选择原则如下：
(1)c
碳是轧辊材料的主要成分之一，对轧辊的硬度和耐磨性、接触疲劳性能影响较大。钢淬火后的硬度主要取决于钢的含c量，材料淬火后钢的硬度值随含c量增加几乎呈上升趋势。由于支承辊截面直径很大，淬火后存在很大的残余应力，过高的残余应力是导致轧辊剥落和断辊的主要原因之一。为避免这种影响，轧辊淬火后都应在较高温度回火，可有效地消除残余应力。实践表明，在轧辊淬火后回火，含c量高的轧辊由于淬火硬度高，回火后硬度也高于含c量低的轧辊。由此可知，轧辊材料选择适当的含c量是降低残余应力、防止剥落的措施之一。
支承辊在工作中表面承受巨大的周期性接触应力，由此要求轧辊有较高的接触疲劳强度以避免剥落和裂纹产生。钢的含c量对接触疲劳有重要影响，因为接触疲劳强度的大小在很大程度上取决于钢的塑性变形抗力的高低，通过增加第二相质点数量以及弥散度，可提高钢的塑性变形抗力，把含c量控制在适当的水平是必要的。一般情况下含c量高于0.60％时，基体组织中容易析出过剩网状碳化物或粗大块状碳化物，虽然硬度和耐磨性因碳化物数量增加而有所提高，但是塑性和韧性却降低较多。随着合金元素加入，冶炼钢锭锭型的加大，c在钢水凝固过程中，存在很大程度的偏析，这种偏析可达20％～50％，这样大的偏析不仅使热加工难度增大，而且会引起轧辊性能不均匀，局部区域表面发生裂隙，抗热冲击性能大幅度降低，致使支承辊抗剥落和抗事故能力变差。
经过大量实验，本发明特大型支承辊材料的c含量控制在0.55％～0.65％时与本发明其他合金元素结合，有效改善支承辊性能，可减少偏析，同时有利于提高材料的高温塑性和强度，确保高温下的锻造变形顺序。
(2)si
si属于非碳化物形成元素，可强化基体，提高组织的回火稳定性，同时还能提高变形抗力和冲击疲劳抗力，但si含量过多会加重大型钢锭的偏析，使材料的可锻性变差，脱碳倾向增大。本发明的si控制在0.17％～0.50％时与本发明的其它金属成份相互作用，综合性能好。
(3)mn
mn属于扩大奥氏体相的元素，同时也降低过冷奥氏体的分解温度，有利于提高淬透性，但过多的锰加入，会引起碳偏析加剧，引起支承辊心部组织析出网状或大块状碳化物。本发明的材料的mn含量不宜高，将mn含量控制在1.0％～2％时与本发明的其它金属成份相互作用，综合性能好。
(4)cr
cr是支承辊钢中最主要的合金元素，它是强碳化物形成元素，主要以m3c和m7c3型存在，在淬火加热时cr元素绝大部分完全溶解固溶。cr元素显著增加奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性和淬硬性，并提高钢的耐磨性和抗疲劳性能。cr含量过高则含cr碳化物量太多，本发明的cr控制在1.6％～2.5％时与本发明的其它金属成份相互作用，综合性能好。
(5)mo和v
加入mo可以形成m2c型碳化物，可提高轧辊的淬透性和回火稳定性并改善材料的耐磨性。含mo量在1.00％以下时，有利于支承辊工作层获得贝氏体类的细晶组织。mo含量太高，会增加大型钢锭的偏析、降低材料的高温塑性，同时增加热变形抗力，加大锻造裂纹的风险。综合考虑，对于特大支承辊，将mo含量控制在0.3％～1.0％时与本发明的其它金属成份相互作用，综合性能好。
加入v可形成细小的vc质点，既可起强化作用，又可以细化奥氏体晶粒，但v大于0.35％时其效果不是很明显，并且增加脆性风险和裂纹的敏感性。材料v控制在0.35％以下比较合理。
优选的，所述支承辊的化学成份按质量百分比为：c：0.50～0.64、si：0.17～0.39，mn：0.80～2.0，ni：0.30～0.70，cr：1.60～2.5，mo：0.61～1.00，v：0.16～0.35，p≤0.020，s≤0.010，cu≤0.15，h≤1.0ppm，余量为铁和不可避免的杂质。
进一步地，所述支承辊的辊身硬度hs53～hs65，辊身硬度均匀性δhs≤4hs，辊身淬硬层深度≥100mm；冲击功ak≧39j；辊颈硬度为hs37～hs40；辊身表面金相组织为贝氏体，工作层为贝氏体和珠光体回火组织，晶粒度不粗于5级，材料中的碳化物呈球形弥散分布。
进一步地，所述支承辊的制备方法包括如下步骤：
(1)冶炼、铸锭：钢水粗炼、精炼、合金化、真空浇注成钢锭；其中，所述钢的化学成份如上所述。
优选的，所述支承辊的制备方法还包括如下步骤：
(2)锻造：将所述真空钢锭加热，切除锭尾有害部分，经镦粗、拔长，切除冒口有害部分，锻造出支承辊坯料；
(3)锻后热处理：正火+球化退火+回火；
(4)粗加工：将锻件毛坯粗加工成型；
(5)最终热处理：工艺形式为淬火+回火。
优选的，步骤(1)所述钢水粗炼采用电炉、所述钢水合金化和精炼采用钢包精炼炉、所述真空浇注采用真空室滴流除气浇注；步骤(2)所述镦粗、拔长在压力机上进行。
优选的，所述真空浇注得到的钢锭340t～450t大型钢锭，氢含量1ppm以下。
优选的，所述步骤(4)还包括将粗加工成型的锻件进行超声波探伤，检测锻件毛坯内部质量情况。
优选的，步骤(5)所述淬火加热到850℃以上，冷却方式为鼓风+喷雾冷却。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种4200mm以上宽厚板轧机支承辊的制造工艺，所述工艺包括：
(1)冶炼、铸锭：钢水粗炼、精炼、合金化、真空浇注成钢锭；其中，所述钢的化学成份如上所述；
(2)锻造：将所述真空钢锭加热，切除锭尾有害部分，经镦粗、拔长，切除冒口有害部分，锻造出支承辊坯料；
(3)锻后热加工成型；
(5)最终热处理：工艺形式为淬火+回火，所述淬火优选加热到850℃以上，所述冷却方式优选为鼓风+喷雾冷却。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
(1)冶炼、铸锭：钢水由电弧炉进行初步熔炼，兑入钢包精炼炉进行精炼与合金化，然后经真空铸锭室滴流除气浇注成450t大型钢锭，并将钢中的氢含量降低到1ppm以下。
其化学成分的质量百分比如下：c＝0.59，si＝0.43，mn＝1.24，ni＝0.34，cr＝2.06，mo＝0.54，v＝0.25，p＝0.15，s＝0.008，cu＝0.10，h＝0.8ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。
(2)锻造：将钢锭加热后切除锭尾有害部分，经镦粗、拔长，切除冒口有害部分，锻造出支承辊坯料；
(3)锻后热处理：正火+球化退火+回火；
(4)粗加工及超声波探伤：将锻件毛坯按粗加工图加工，粗加工图详见图2，并进行超声波探伤以检测锻件毛坯内部质量，完全达到订货技术条件要求。
(5)最终热处理：工艺形式为“淬火+分区回火”，加热到900±20℃淬火，冷却方式为鼓风+喷雾冷，并回火。经最终热处理后得到如图1所示的五米宽厚板轧机用特大型支承辊，其辊身hs53～56，辊身硬度均匀性hs3、辊身淬硬层深度105mm，ak＝39j，辊身表面贝氏体，工作层为贝氏体加珠光体组织，材料中的碳化物呈球形弥散分布，晶粒度为5级，辊颈硬度为hs37～hs40，使用效果良好。
实施例2
(1)冶炼、铸锭：钢水由电弧炉进行初步熔炼，兑入钢包精炼炉进行精炼与合金化，然后经真空铸锭室滴流除气浇注成340t大型钢锭，并将钢中的氢含量降低到1ppm以下，其化学成分(质量百分比)如下：c＝0.62，si＝0.38，mn＝1.18，ni＝0.34，cr＝1.96，mo＝0.49，v＝0.20，p＝0.016，s＝0.006，cu＝0.008，h＝0.9ppm，余量为铁和废钢中的其他微量元素。
(2)锻造：将钢锭加热后切除锭尾有害部分，经镦粗、拔长，切除冒口有害部分，锻造出支承辊坯料；
(3)锻后热处理：正火+球化退火+回火；
(4)粗加工及超声波探伤：将锻件毛坯按粗加工图加工，粗加工图详见图2，并进行超声波探伤以检测锻件毛坯内部质量，完全达到订货技术条件要求。
(5)最终热处理：工艺形式为“淬火+回火”，加热到900±20℃，淬火，冷却方式为鼓风+喷雾冷，并回火。经最终热处理后得到4200mm宽厚板轧机用特大型支承辊的表面硬度为：
辊身hs54～57，辊身硬度均匀性hs3、辊身淬硬层深度为107mm，ak＝41j辊身表面贝氏体，工作层为贝氏体加珠光体组织，材料中的碳化物呈球形弥散分布，晶粒度为6级，辊颈硬度为hs37～hs40，使用效果良好。