高速钢复合轧辊生产工艺

高速钢复合轧辊生产工艺

高速钢复合轧辊是以硬度高、耐磨性好的高速钢作为轧辊的工作层材料，以强度高、韧性好的合金球墨铸铁或铸钢作为轧辊的芯部材料，将两种不同的材料通过离心铸造复合而成。

1高速钢轧辊概况

随着先进轧机和高效轧制技术的问世，推动了轧钢工业迅速发展，同时也促进轧辊制造业迈向新的技术领域，如何提高轧辊的使用寿命以适应轧机的需要是轧辊研制者面临的新课题。近年来，在轧辊研制者努力下，将高速钢材料应用于轧辊制造上，取得了突破性发展。

由于高速钢具有很高的耐磨性和淬透性，尤其是在高温时的红硬性，使高速钢很适合于用作制造轧辊的材料。首先，高速钢轧辊被用在热带钢连轧机精轧前段，后来精轧后段和粗轧机架也开始采用，其使用寿命每次轧钢量约为原先的3～5倍，附带的效果是减少了换辊次数，增加了轧辊使用次数，减少库存量，降低了辊耗和费用。同时，还伴随着轧件精度的提高，可实现无规程轧制等。

现在，高速钢轧辊也向线、棒材轧机上发展，具有广泛的使用领域和应用前景。以往使用的轧辊工作层组织多为基体上分布着M3C 型共晶碳化物，组织粗大，硬度较低，而高速钢轧辊的工作层一般采用高碳高钒类型高速钢，工作层基体上分布着高硬度的MC型和M6C 型碳化物，而且随着钒含量的增加，高速钢铸态组织中的鱼骨状M6C 型碳化物减少，而MC型碳化物增加，淬火后的基体组织为回火马氏体和贝氏体。

2高速钢复合轧辊研制及生产过程

2.1轧辊工作层及芯部化学成分的确定

2.1.1工作层成分的确定

(1)碳

简单地说，高速钢的主要特征就是它能被淬火到高硬度，并能在相对较高的温度下保持其硬度。因此，碳是其最重要的组成元素。高速钢中的碳，一部分固溶在基体中，一部分以化合态存在于合金碳化物中。在高速钢轧辊的成分设计中，碳是这样计算的：基体中需要0.3%的碳，15vol%的合金碳化物约需1.5%的碳，因此，碳含量被选定为1.6%～2.0%。众所周知，高速钢的常规碳含量只有0.8%，而高速钢轧辊的碳含量竟然接近2%。这是因为高速钢轧辊不象一般高速钢工具，首先，它是轧钢工具，在这里它是热轧工具；其次，它是铸件，而且是大型铸件。轧辊内必须有足够的碳化物以维持其高温硬度和减轻与轧件间的粘着；再次，碳高则固相线低，流动性对铸造来说是十分重要的。当然，碳高则奥氏体化温度上不去，这对热处理来说是一种约束。然而，高速钢轧辊体积庞大，并不用盐炉淬火，本来淬火温度就上不去，故不能象普通高速钢那样考虑热处理温度与碳含量间的制约关系。

(2)钒和铌

当外层高速钢金属液在模型中凝固时，首先析出的是钒和铌的碳化物。一般来说，铸态高速钢中的钒和铌，有95%以上是以一次碳

化物(包括共晶碳化物)状态析出的。铸造轧辊一直在大量利用一次碳化物。而一次碳化物中，碳化钒和碳化铌的形态是最有利的，在体积上也是最有利的。当然，钒和铌都很贵，尤其是铌。但出于对轧辊抗热裂性的特殊考虑，同时加钒又加铌，钒和铌的总量控制在4%～6%左右。这样，在成品轧辊中，将有大约7vol%～9vol%的共晶NbC+VC。由于钒铌碳化物的高硬度，以及它们的细化晶粒作用，因此，钒和铌将对高速钢轧辊的耐磨性和强韧性同时作出贡献。

(3)钨

有几种合金元素可以促进高速钢的抗回火性或红硬性。历史上，钨是首选元素，所以其它元素的贡献都要折算成钨当量。钨主要生成Fe4W2C型碳化物。共晶的M6C型碳化物在形貌上呈鱼骨状，轧辊淬火温度低，它不易变成分散态。此外，W2C型碳化物的理论密度高达17.2，在离心力的作用下，铸造时容易发生偏析。当然，从碳化物的体积百分数来说，用钨也是不合算的。

但是钨提高钢的抗氧化性，因为高速钢轧辊淬火前在空气炉中加热，所以在成分设计时仍然把钨作为保留元素。按2%的钨计算，只生成不到1vol%的碳化物。

(4)钼

高速钢中钼和钨的作用相近，但是1%的钼可以取代1.8%的钨，即钼的钨当量为1.8。共晶的Mo2C型碳化物形貌上呈棒状或羽毛状，易于处理成分散态。Mo2C的理论密度为9.18，从碳化物的量和偏析来考虑，都比钨有利。但若完全用钼取代钨，轧辊热处理时因在空气

炉中加热，氧化脱碳都会加剧。所以，在成分中含2%钨和5%钼。就是说，单是钨和钼的钨当量就达到了11。

(5)铬

高速钢的淬透性主要依靠铬，因为80%以上的铬位于基体内。铬控制着基体中的碳平衡，所以高速钢中历来含铬4%。此外，它也是保证抗氧化性的基本元素，所以其成分中铬高于4%。

(6)镍

镍改善钢的力学性能，增加钢的淬透性，是非常好的合金元素。但是高速钢中从来不用镍，因为它增加残余奥氏体量。不过，有长期处理高镍铬轧辊的经验，可以减少镍在铸造轧辊中所引起的残余奥氏体量。因此在高速钢轧辊的成分设计中，添加了2%以下的镍，从而使轧辊的力学性能进一步得到改善。

2.1.2芯部成分的确定

从强度考虑，轧辊芯部也添加有合金元素。但并不需要很多的合金，有合金元素和热处理的双重作用，可以保证从精轧到粗轧对辊芯和辊颈部的各种强度要求。

2.1.3成分列表

根据轧辊的特定工作条件(热轧机)和特定的制造条件(离心铸造)，确定高速钢复合轧辊工作层及芯部的化学成分。

2.2高速钢复合轧辊生产方法的确定

所谓高速钢复合轧辊是利用具有硬度高、耐磨性和红硬性好的高速钢作为轧辊的工作层材料，利用强度和韧性满足轧机要求的锻钢、

铸钢、球铁或灰铸铁作为轧辊的芯部材料，把工作层材料和芯部材料以冶金结合方式复合起来的高性能轧辊。

高速钢复合轧辊的生产方法主要有四种。

(1)离心铸造法(CF)

轧辊工作层采用高速钢，轧辊的芯部采用球铁或铸钢，两种不同材质通过离心铸造复合而成。

(2)连续铸造复合法(CPC)

CPC法基本原理是向垂直竖立的芯棒(铸钢或锻钢)与环形水冷结晶器的间隙浇入用作工作层的高速钢金属液(辊身部分)，一边凝固，一边从结晶器下部以间歇的方式抽出复合轧辊铸件。目前，对CPC 方法的褒贬不一，但从技术上来说，还是一个很好的构思。

(3)电渣重熔法(ESR)

将已制造的作为轧辊辊颈的芯棒置于与其同心的环形水冷铸型中，以高速钢制成的消耗电极重熔后连续地与芯棒熔接成复合轧辊。这是电渣重溶各种形式中的一种较普遍的方法之一。

(4)热等静压法(HIP)

热等静压法生产的粉末冶金复合轧辊，一般用铸钢或锻钢等材料制成芯棒，在芯棒外填充好辊身外层所用的高速钢冶金粉末，抽真空在1000℃以上高温和100MPa以上压力下烧结成复合轧辊。该方法只适应于生产较小型轧辊。

以上四种高速钢复合轧辊生产方法中，后三种方法尽管产品质量稳定，但设备投资大，生产成本高；第一种离心铸造法虽然工艺操

作复杂，但设备投资少，生产成本低。

这种生产方法，首先是将用作轧辊工作层的高速钢钢水浇到具有一定旋转速度的离心机铸型内，然后在工作层的内表面加入特殊的保护渣保护，防止内表面氧化。

当外层钢水刚刚凝固时，停止旋转，将冷型及已形成外壳的轧辊工作层部分一同吊起与上、下辊颈部分的砂箱配套，再浇入芯部的合金球墨铸铁铁水或钢水，使两种不同性能的材料达到完全的冶金结合。对于芯部铁水或钢水的浇注，一方面要保证与已凝固的工作层达到全部的冶金结合；另一方面要尽可能减少对已凝固工作层的熔化，以防止最终芯部合金含量超差。

同时在复合工艺上要进行特别的控制，以减少结合层合金的扩散而造成结合层强度的降低。

2.3高速钢复合轧辊热处理工艺的研究

高速钢能够具有高的硬度和耐磨性，特别是很好的热稳定性，其主要原因除含有大量的能形成碳化物的合金元素外，还取决于高速钢的高温淬火。通常高速钢的热处理是淬火+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，增加了奥氏体中的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状的碳化物，使钢呈现出比淬火时硬度还要高的“二次硬度”。因此，高速钢淬火时的加热，可在保证晶粒不长大的原则下，尽可能提高加热温度。但是对于高速钢离心复合

轧辊，当轧辊芯部采用合金球墨铸铁时，淬火加热温度太高芯部材料将变形甚至熔化，所以高速钢离心复合轧辊的热处理，既要保证轧辊工作层高速钢的淬火效果，又要兼顾轧辊芯部材料。

3试制结果

当淬火温度为1150℃，回火温度为550℃时，高速钢有二次硬化现象，回火后硬度比淬火后硬度提高3HS。其它无论采用何种温度淬火和回火，硬度均有所下降，特别是600℃回火，硬度降落幅度很大，在950℃淬火+500℃回火时，尽管硬度也在降低，但最终硬度仍然可达到83HS。

根据上述试验结果，出现两种热处理方案，第一种是1150℃淬火+550℃回火；第二种是950℃淬火+500℃回火。

3.1硬度

轧辊的硬度既是技术要求的主要指标，又是轧辊耐磨性的重要保证。因此，对每支轧辊都必须做硬度检测，以保证轧辊的使用寿命。

3.2金相组织

轧辊的组织是关系到轧辊使用性能的重要因素，对于高速钢复合轧辊工作层组织中不仅要有极细的回火马氏体，而且碳化物要均匀地分布。因此，对轧辊工作层进行金相检验是必要的。但是，由于高速钢组织极细，在现场用工件显微镜无法鉴别，必须取样在实验室做高倍观察，以便掌握基体组织和碳化物的类型及分布状态。通过扫描电镜观察，发现组织中有大量的MC型碳化物。该种MC型碳化物是游离的颗粒状态，其尺寸较小，而且在组织中分布较均，具有较高的

硬度(HV3000)和很好的耐磨性。

3.3轧辊辊颈强度

轧辊辊颈的抗拉强度既是技术要求的重要指标，又是轧辊上机考核的重要保证。因此，对每批轧辊必须进行抽样检验，以便为轧辊上机使用提供必要的依据。当轧辊芯部材料采用合金球墨铸铁时，其辊颈抗拉强度可达到550MPa以上，当轧辊芯部材料采用铸钢时，辊颈抗拉强度可达到800MPa。

3.4轧辊使用

对所试制的高速钢复合轧辊通过在热轧窄带钢轧机成品机架上使用，每次轧钢量比原来的高镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊提高 2.5～3倍，修磨量仅为原来的1/4，其综合使用寿命比原来提高10倍以上。

4结论

以高速钢作为轧辊的工作层材料，以合金球墨铸铁或铸钢作为轧辊的芯部材料，将两种不同的材料通过离心铸造制成高速钢复合轧辊，其辊身硬度高、耐磨性好，同时轧辊芯部强度亦高、不易断辊，该种轧辊用于热轧窄带钢成品机架实践表明综合使用寿命可提高10倍以上。