轧辊材料及热处理

轧辊材料及热处理工艺轧辊的寿命主要取决于轧辊的内在性能和工作受力，内在性能包括强度和硬度等方面。要使轧辊具有足够的强度，主要从轧辊材料方面来考虑；硬度通常是指轧辊工作表面的硬度，它决定轧辊的耐磨性，在一定程度上也决定轧辊的使用寿命，通过合理的材料选用和热处理方式可以满足轧辊的硬度要求。概述了传统的轧辊选材及其热处理工艺，同时，对轧辊材料及其热处理工艺的发展进行了展望。传统冷轧辊材料及其热处理方式冷轧辊在工作过程中要承受很大的轧制压力，加上轧件的焊缝、夹杂、边裂等问题，容易导致瞬间高温，使工作辊受到强烈热冲击造成裂纹、粘辊甚至剥落而报废。因此，冷轧辊要有抵抗因弯曲、扭转、剪切应力引起的开裂和剥落的能力，同时也要有高的耐磨性、接触疲劳强度、断裂韧性和热冲击强度等。国内外冷轧工作辊一般使用的材质有ＧＣｒ15、9Ｃｒ2、9Ｃｒ、9ＣｒＶ、9Ｃｒ2Ｗ、9Ｃｒ2Ｍｏ、60ＣｒＭｏＶ、80ＣｒＮｉ3Ｗ、8ＣｒＭｏＶ、86ＣｒＭｏＶ7、Ｍｏ3Ａ等。20世纪50～60年代，这一时期的轧件多为碳素结构钢，强度和硬度不高，所以轧辊一般采用1.5%～2%Ｃｒ锻钢。此类钢的最终热处理通常采用淬火加低温回火，常见的淬火方式有感应表面淬火和整体加热淬火。其主要任务是考虑如何提高轧辊的耐磨性能、抗剥落性能，并提高淬硬层深度，尽量保证轧辊表面组织均匀，改善轧辊表层金属组织的稳定性。从20世纪70年代开始，随着轧件合金化程度的提高，高强度低合金结构钢(ＨＳＬＡ)的广泛应用，轧件的强度和硬度也随之增加，对轧辊材料的强度和硬度也提出了更高的要求，国际上普遍开始采用铬含量约2%的Ｃｒ-Ｍｏ型或Ｃｒ-Ｍｏ-Ｖ型钢工作辊，如我国一直使用的9Ｃｒ2Ｍｏ、9Ｃｒ2ＭｏＶ和86ＣｒＭｏＶ7、俄罗斯的9Ｘ2ＭΦ、西德的86Ｃｒ2ＭｏＶ7、日本的ＭＣ2等。这类材质的合金化程度较低，在经过最终热处理后，其淬硬层深度一般为12～15ｍｍ(半径)，仅能满足一般要求，而且使用中剥落和裂纹倾向严重，轧制寿命低。通过改进热处理方式，即进行重淬1～2次，提高了该类轧辊的淬硬层，但每次重淬不仅需要一定的热处理费用，而且会使轧辊直径都要损失5ｍｍ左右，同时轧辊在经过多次热处理后容易变形，难以满足高精度轧辊的形位公差要求。因此，研制深淬硬层冷轧辊不仅可以大幅度地降低冷轧辊的消耗，减少轧辊在使用过程中的重新淬火次数，延长轧辊寿命，具有重大的经济效益。为了减少重淬消耗，提高轧辊的淬硬层深度、接触疲劳强度、韧性，延长其使用寿命，从20世纪70年代后期到80年代中期，国内外开始研究使用铬含量在3%～5%的深淬硬层冷轧工作辊钢。3%铬冷轧辊不需重淬，且有效淬硬层深度可达到25～30ｍｍ，5%Ｃｒ冷轧辊有效淬硬层深度则达到40ｍｍ，其耐磨性和抗事故性能也有显著提高。在这一阶段，国内试制了9Ｃｒ3ＭｏＶ钢，国外一些制造厂也先后开发推广了深淬硬层冷轧辊，如美国的3.25%Ｃｒ钢和5%Ｃｒ钢，日本的ＫａｎｔｏｃＲＰ53、ＦＨ13、ＭｎＭＣ3和ＭＣ5等。这些钢都采用高碳高合金材料，具有良好的硬度和耐磨性，但轧辊淬硬表面脆性大，接触疲劳寿命低，质量不稳定。为提高淬硬层深及接触疲劳寿命，降低淬硬层脆性及过热敏感性，同时也为满足轧件对冷轧工作辊力学性能和使用性能的进一步要求，自20世纪80年代中、后期，国外轧辊生产厂对5%Ｃｒ冷轧辊钢进行了化学成分的优化工作，主要是在5%Ｃｒ钢中增加钼、钒的含量或加入钛、镍等元素。添加0.1%左右钛的5%Ｃｒ钢轧辊中，钛以碳氮化合物(ＴｉＣＮ)形式在基体中微细析出，经过摩擦损耗后ＴｉＣＮ脱落，在轧辊表面形成划痕，使适度的粗度再生。在镀锡板轧机的实际操作中，有效利用粗糙度降低小的优点，从轧制初期就可高速轧制。在最终热处理过程中，对轧辊钢的淬火和加热限制在奥氏体中含碳量不超过0.6%的程度，然后进行尽可能强烈的冷却，这样就可以得到较深的淬硬层。此时，轧辊的淬硬层组织除隐针马氏体(以板条为主)外，尚有约4%的碳化物和10%左右的残留奥氏体。轧辊的表面硬度(包括残余压应力的影响)约为ＨＳ(Ｄ)95～99。最后，用低温回火将轧辊表面硬度调整到规定值，低温回火越充分，硬度偏低时韧性越好，抗热裂能力越高。钼、钒含量的增加导致淬火后钢中含有较多的残余奥氏体，回火后大部分又转变为新马氏体，这样就有助于提高轧辊硬度，增强耐磨性并降低磨损面粗糙度。传统热轧辊材料的选用及热处理工艺热轧辊常工作在700℃～800℃的高温环境，与灼热的钢坯相接触，需要承受强大的轧制力，同时表面要承受轧材的强力磨损，反复被热轧材加热及冷却水冷却，经受温度变化幅度较大的热疲劳作用。这就要求热轧辊材料必须具有高的淬透性、低的热膨胀系数、高的热传导能力和高的高温屈服强度及高的抗氧化性。国内曾经使用过锻钢轧辊和无限冷硬铸铁轧辊，除普通冷硬铸铁外，还有低镍铬钼、中镍铬钼、高镍铬钼铸铁材料，高档次的冷硬铸铁材料为高镍铬钼冷硬铸铁。这类材质轧辊的缺点是硬度低，耐磨性不好。后来采用了球墨复合铸铁轧辊，相对而言，使用寿命提高了几倍，至今仍然在使用。国外则一般采用半钢和高硬度特殊半钢材质，对克服表面粗糙和抗磨损都很有效。为了提高热轧辊的表面耐磨性，热轧辊的材料不断地得到改进，其基本的发展过程是从冷硬铸铁到高铬铸铁到半高速钢和高速钢。高铬铸铁轧辊的化学成分为：2.0%～4.0%Ｃ，10%～30%Ｃｒ，0.15%～1.6%Ｎｉ，0.3%～2.9%Ｍｏ。其本质是一种高耐磨性的高合金白口铁，铬含量一般在10%～15%，其碳化物主要是Ｍ7Ｃ3型，与白口铸铁的连续的Ｍ8Ｃ型碳化物不同，它不但具有良好的耐磨性，还有较高的硬度(ＨＶ可达1800)，基体为奥氏体、马氏体，因而其硬度和韧性结合较好。实际的轧制生产表明，高铬铸铁轧辊有较好的抗热裂性能，原因是轧辊表面生成一层致密且有韧性的铬的氧化膜，能减少热裂纹的数量和深度。因此，高铬铸铁辊在20世纪80年代被非常广泛用于精轧前架。目前，高铬铸铁复合轧辊已广泛用作热轧带(钢)连轧机，粗轧和精轧前段工作辊、宽中厚板；粗轧和精轧工作辊及小型型钢和棒材轧机精轧辊等。高铬铸铁轧辊的热处理有两种形式，一是低于临界转变温度的亚临界热处理，另一种是高于临界点Ａ3的高温热处理。高铬轧辊表面材料的珠光体基体，希望具有极细的片间距，并在基体上有大量弥散分布的二次碳化物，要求有尽量低的残余奥氏体和残余应力，所以一般选用后一种形式的热处理，具体为正火加回火。高速钢作为热轧辊材料的应用在1988年始于日本，20世纪90年代初期美国和欧洲也进行了研制，我国在20世纪90年代后期开始研制和使用高速钢轧辊。一般高速钢的成分为1%～2%Ｃ，0%～5%Ｃｏ，0%～5%Ｎｂ，3%～10%Ｃｒ，2%～7%Ｍｏ，2%～7%Ｖ，1%～5%Ｗ。因为拥有大量可形成强碳化物的合金元素如Ｗ和Ｖ，其最终的显微组织含有大约10%～15%具有极高硬度和高温稳定性的碳化物，所以在高温下工作能保持较高的强度和硬度。其工作层硬度高，可达到80～85ＨＳ，具有较好的耐磨性和抗热裂性，轧辊表面没有出现热裂纹，一般没有剥落现象。近年来国外在热轧薄板粗轧机架采用半高速钢轧辊也获成功，其耐磨性是高铬钢轧辊的2倍，且咬入性能和抗热疲劳性能好，因而成为热轧薄板粗轧机架和线棒材中轧机架轧辊的理想选择，半高速钢的化学成分范围为：1.5%～2.5%Ｃ，0.5%～1.5%Ｓｉ，0.4%～1.0%Ｍｎ，1.0%～6.0%Ｃｒ，0.1%～4.0%Ｍｏ，0.1%～3.0%Ｖ，0.1%～4.0%Ｗ。高速钢热轧辊的热处理方式一般采用淬火加回火，在加热到高温时，钢中的二次碳化物充分溶解，一次共晶碳化物部分溶解。这些碳化物所含有的碳和合金元素溶入奥氏体中，增加了奥氏体中碳和合金元素的含量。在淬火时它们固溶于贝氏体和马氏体中，而在回火时析出了弥散的碳化物，使钢呈现出比淬火时硬度还要高的二次硬度。因此为了增加基体的硬度，应提高淬火温度，同时，为了防止基体中出现块状粗大的碳化物，应尽量降低淬火温度，一般确定最佳淬火温度为1050℃～1150℃，同时回火温度为550℃～600℃。为了保证基体中含有大量弥散分布的球状ＭＣ型碳化物，应增加Ｖ含量，但Ｖ不宜过高，因为Ｖ会降低淬透性，凝固时生成粗大的一次碳化物，淬火时不能完全溶入奥氏体，从而降低了断裂韧性，同时还会降低轧辊的表面粗糙度。轧辊材料及热处理工艺的发展趋势冷轧辊的发展方向将是在进一步提高强度硬度和淬硬层深度的同时，保证一定的韧性。大型冷轧工作辊将普遍采用含钒、铣、镍等元素的改进型5%Ｃｒ钢制造。为提高材料的淬透性，Ｃｒ的含量将进一步增加，如8%～10%Ｃｒ及更高铬的锻钢已开始用于实际生产，但含Ｃｒ量的增加会导致较差的韧性，因此需要适当平衡Ｃ和Ｃｒ含量，在较低的温度下淬火获得所需要的冷轧辊硬度，从而减少轧辊的断裂和降低其断裂敏感性。另外，随着锻件制造技术的进一步完善，高铬钢工作辊将更多地应用于大型冷连轧机。5%Ｃｒ及其含钒的改进型钢广泛用于大型支承辊锻件，高铬含量的大型锻钢支承辊进入实用阶段。大型冷轧工作辊要求采用电渣重熔锭锻制，而大型支承辊锻件用钢则被广泛采用钢包精炼并真空除气的冶铸工艺生产，钢水的纯净度均达到较高水平。热轧辊工作在交变的高温和力的作用下，其表面反复受到摩擦，会产生强烈的磨损，因此热轧辊的发展主要在于进一步提高其耐磨性。在实际的轧制生产中，表面淬火和渗碳强化处理的热轧辊己不能满足对其高耐磨性的要求，但整体的高速钢或硬质合金轧辊成本极高，对于轧辊芯部材料将造成浪费。因此，轧辊的生产迫切需要进行表面处理，将硬质合金或陶瓷材料熔覆在轧辊的表面作为轧辊的工作表层。表面镀铬、火焰喷涂、等离子喷涂以及激光毛化都是工具表面合金强化技术，将进一步用于提高的轧辊的性能。总之，合理选材及采用合适的热处理方式高质量地制造轧辊，可以节约大量的辊材，降低轧钢生产成本，同时提高轧辊的质量和产量。因此，应重视轧辊选材的新动向，从轧钢的实际条件出发.开发轧辊的新材质，提高轧辊的制造质量。