高速钢轧辊的铸造技术

2016/2/4 9:47:22

高速钢轧辊的铸造技术

铸造高速钢轧辊是在19世纪80年代末90年代初期开始使用，因其极低的磨损率和出色的轧钢表面质量深受轧钢厂家的青睐。近年来，我国好多轧辊厂家也都相继开发并生产出了高速钢轧辊，并在热轧带钢、线棒材轧机上得以应用，并取得了较好的效果，但在其制造和轧钢过程中产生的一些问题阻碍了高速钢轧辊的普及。问题主要有：制造过程中的轧辊内部高应力导致轧辊断裂，结合层缺陷导致的轧辊工作层剥落、在轧制过程中易产生辊面热裂纹及轧制冲击力造成的辊面破裂，轧制摩擦力增加等。本篇文章将主要描述高速钢轧辊的冶金特性及其在制造和轧钢过程中产生的一些问题及解决办法。

高速钢轧辊的定义
高速钢轧辊与工具钢轧辊在使用上非常相似。高速钢一般定义为高速切削时具有保持硬度能力的工具钢。作为轧辊工作层材质在热轧时具有高的红硬性、高的耐磨性，高速钢轧辊中的碳元素以及其它形成碳化物合金元素的含量一般都大于15％，而在工具钢轧辊中则小于15％。一个更加科学的定义为高速钢轧辊是在热处理回火过程中能表现出显著二次硬化的工具钢。

化学成分及机械性能

高速钢轧辊与其它类型轧辊的化学成分见表一。

表 一

类型	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	W	V	Nb	Co
高速钢	1.4-2.2	0.5-1.5	0.1-1.0	0.3-1.2	4.0-8.0	2.0-6.0	0-5.0	4.0-7.5	0-4.0	0-5.0
高铬铸铁	2.4-2.9	0.3-1.0	0.8-1.5	1.0-2.0	16-22	.0-20	——	——	——	——
高镍铬钼无限冷硬铸铁	3.1-3.5	0.5-1.0	0.5-1.0	4.0-5.0	1.0-2.0	0.2-0.6

高速钢轧辊与其它类型轧辊的主要性能比较，见表二。

表二

轧辊材质	硬度（HSC）	抗拉强度（MP）	抗压强度（MP）	断裂韧性（MP.M-2）	耐磨性比较	弹性模量/×103MP
高速钢	80-90	700-900	2500-3200	25-28	4-5	230
高铬铸铁	70-90	650-800	1700-2200	21-34	1-2	220
高镍铬钼	75-85	400-600	1900-2500	18-25	1	170

碳化物形态

高速钢轧辊中的碳化物强烈影响轧辊性能。其碳化物主要有两种类型：一是一次结晶碳化物，二是热处理回火过程中产生的二次碳化物。一次结晶碳化物的尺寸和分布主要取决于钢水的凝固环境和碳化物形态。一次碳化物的类型主要取决于钢的化学组成，V、Ti、Nb在足够浓度下通常形成MC型碳化物，Mo、W形成M2C和M6C型碳化物，较高的C和V能促进M2C型碳化物的形成，而N、Si能促进M6C型碳化物的形成，Cr和Fe能形成M23C6和M7C3型碳化物，后者多发现在高碳成分的合金中。

热处理正火、回火过程中产生的二次碳化物比一次碳化物更加细小，其对轧辊的耐磨性能和摩擦力方面有显著的影响。

高速钢轧辊的金相组织为回火马氏体+少量贝氏体+大量MC, M2C, M6C, M7C3碳化物。

各类型碳化物的硬度比较见表三：

碳化物类型	碳化物组成	硬度（HV）
M3C	Fe ( Cr, Mo )	1100-1350
M7C3	Cr ( Fe, Mo )	1400-1800
MC	TiC	3000-3400
	VC	2800-3000
	NbC	2200-2500
	TaC	1800-2000
M2C	MO ( W, V, Cr, Fe )	1600-2200
M6C	W ( Mo, Fe, Cr )	1200-1800

热 处 理

热处理过程包括奥氏体化、正火、和至少两次回火过程，有时为减少铸造毛坯的铸造应力，毛坯在正火之前进行高温退火，通常条件下，高速钢奥氏体化温度应比凝固温度低20-40℃，对于含碳量较高的高速钢，奥氏体化温度为1120 -1190℃。然而，实际上高速钢轧辊的实际奥氏体化温度为980-1190℃，这是因为高速钢轧辊的芯部材料通常为球墨铸铁或钢，其熔点较低，且过高的奥氏体化温度会使轧辊辊颈变形。在奥氏体化过程中，一些碳化物溶于基体中，其数量取决于奥氏体化温度。结果，基体中富集了大量的合金元素和碳，在回火过程中二次碳化物的析出和残留奥氏体的转变使高速钢的硬度进一步提高。因为轧辊尺寸的因素，正火速度不可能非常快，因此，在正火过程中就有碳化物析出，这就相当于降低了奥氏体化温度，从而降低了基体硬度。正火的方式要根据轧辊的所需的组织和硬度要求而定，通常采取空冷或喷雾冷却两种方式。实验表明，回火温度低于350℃高速钢硬度变化不明显，超过475℃,随回火温度升高，硬度升高，并在525℃达到峰值，继续提高回火温度，硬度降低。二次回火后硬度变化不大，三次回火后，硬度反而降低。

摩擦系数

有报道指出，当高速钢轧辊替代高铬铸铁轧辊使用时，轧制负荷会增加3-30%，对轧制负荷的影响因厂家各异，一些厂家报道说没有增加任何轧制负荷。在通常情况下，轧制负荷的增加是由于高速钢轧辊的摩擦系数高于高铬铸铁造成的。对于高速钢轧辊的摩擦系数增加的解释有好多种，一种解释为是由于基体的先期磨损和硬质碳化物的分离造成的。已经证实提高高速钢轧辊基体组织的热硬性能可降低摩擦系数，可通过加入钴元素和通过热处理回火过程二次硬化提高基体硬度[4]，也可通过增加结晶过程中M2C和M7C3碳化物含量来提高轧辊表面的光洁度，从而减小轧辊表面的摩擦系数。因轧钢过程环境十分复杂（高温、高变形量、磨损和氧化），有好多不确定因素影响轧辊的使用效果，因此对于轧制负荷的增加很难找到十分确定的原因。

氧化特性

用于轧机前架的高速钢轧辊表面的氧化层是轧辊本身氧化造成的。高速钢的化学成分范围较广，其中各化学元素都有着非常不同的氧化特性。V和Mo的联合使用会显著增加高速钢的氧化倾向，有的情况下后果甚至是非常严重的。

不同化学成分的高速钢的氧化特性可通过其在氧化环境下不同温度下保温恒定的时间，通过测量其重量的增加来评定。高速钢轧辊是唯一可以通过化学成分调整从而改变其氧化特性来适应不同轧机架次的轧辊材质。如热轧带钢轧制过程至少存在三种不同的氧化区域：粗轧架次、F1-F3精轧前架、F4-F6精轧后架，实际生产中要根据轧辊的具体使用架次来选择不同氧化特性的轧辊。

高速钢轧辊与高铬铸铁相比，剥落的轧辊氧化层表面从外观上很相似，但是，高速钢轧辊的氧化层厚度比高铬铸铁轧辊要薄的多，好多轧钢厂家证实高速钢轧辊氧化层表面的光洁度要明显好于高铬铸铁轧辊，高速钢轧辊表面光洁度和耐磨性能的提高改善了轧钢表面质量。

复合高速钢轧辊的结合层质量问题

由于外层高速钢材质与芯部的球墨铸铁或灰铸铁材质的结晶凝固过程存在较大差异，易在结合层部位产生裂纹、夹渣等缺陷，高速钢轧辊生产初期，因结合层质量问题使得离心复合高速钢轧辊的制造非常困难。随着轧辊制造厂家的不断探索和实践，解决结合层凝固问题的新方法不断产生，包括浇入第三层材质作为缓冲层，加强外层钢水的保护、加强停转和填芯温度的控制等使得结合层质量得到了很大提高。

制造方法

目前工业生产中较常见的铸造高速钢轧辊制造方法有：离心铸造法、连续浇注外层成形法（简称CPC法）。其中离心铸造法因其工艺装备简单,国内轧辊厂家多采用此种方法。此方法的弊端就是在离心力作用下碳化物偏析严重，造成轧辊组织的不均匀，生产中可通过调整合金成分及电磁搅拌的方法来加以解决。CPC法生产的高速钢复合轧辊在日本应用比较广泛，其基本原理是把作为轧辊外层材质的钢水浇注到垂直竖立的芯棒铸钢或锻钢和水冷铸型间的空隙里，在钢水逐渐与芯棒熔敷的同时，依次使其凝固，断续向下方拉拔制成复合轧辊。为了使浇铸的外层材质与芯棒完全熔敷，通过电磁感应加热对钢水和芯棒供热。CPC法生产的高速钢复合轧辊辊身组织细小均匀，夹杂物少，几乎没有缩孔、疏松和元素偏析等缺陷发生， 综合性能明显优于普通离心铸造高速钢复合轧辊。在我国CPC法生产高速钢复合轧辊正处于研究开发阶段，还未得到实际应用。

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