（机械工程专业论文）钒钛半钢轧辊的研制.pdf

重庆大学硕上学位论文 中文摘要 摘要 半钢轧辊是目前国内使用最多的热轧连轧机组工作辊，可以通过调整其化学 成分来满足不同工况条件下对轧辊综合使用性能的要求。本文通过对轧辊化学成 分进行设计，新增v 、t i 这两种元素，在与不含v 、t i 半钢轧辊相近似的冶炼、 铸造、热处理、加工工艺条件下得到含v 、t i 半钢轧辊。经过上机使用表明：含 v 、t i 半钢轧辊与不含v 、t i 半钢轧辊比较具有寿命延长1 0 1 2 ，耐磨性好， 抗事故能力强，辊身硬度落差小，抗热裂性强等优点。 为此，本文得出如下结论：v 、t i 在半钢轧辊中起到了析出强化的作用，可 以明显改善轧辊组织性能及其综合使用性能。 关键词：钒钛，半钢轧辊，制造 曼盎查兰堡主堂堡垒苎 墨：墨塑矍 a b s t r a c t s m i l s t e e lr o l l e ri sm a d eu s eo fh o tr a i l lr o l i i tc a r lb ea d a p t e dt od i f f e r e n tr e q u e s t o fr o l l i n gm i l lt h r o u g ha d j u s t i n gc h e m i c a le l e m e n t s w eo b t a i n e dv _ t is m i i s t e e lr o l l e r t h r o u g hr e d e s i g n i n gr o l l e r sc h e m i c a le l e m e n t sa n da d d i n gt ov a n a d i u ma n dt i t a n i u m t h e 弘，7s m i l s t e e lr o l l e ru s e dt h es a r l l es m e l t i n g 、c a s t i n g 、h e a tt r e a t m e n t 、m a c h i n i n g a su s u a l l ys m i l s t e e lr o l l e rt h a ti t sc h e m i c a le l e m e n t sh a v en o tv a n a d i u ma n dt h t a n i u m t h es m i l - s t e e lr o l l e rh a v eb e e nm a d eu s eo f h o tm i l lr o l lt h a ti t sl i f ei sl o n g e r1 0 1 2 a n di t sw e a r a b l ec a p a b i l i t yi sg o o da n di t sr e s i s t i n ga c c i d e n tf a c u l t yi sw e l la n di t s r i g i d i t yf a l li sl i t t l ea n di t sf i g h t i n gb a c kh o tc r a c ki sg o o d s ow eh a v es o m ec o n c l u s i o nt h a tt h ev a n a d i u ma n dt i t a n i u mt a k ee f f e c ti nt h e 弘厅s m i l - s t e e lr o l l e rw i t hs e p a r a t eo u ts t r e n g t h e n i n g i tc a l lb ee v i d e n c ei m p r o v i n g r o l l e r so r g a n i z i n ga n du s i n g k e yw o r d s ：v _ t i ，s m i l s t e e lr o l l e r ，m a n u f a c t u r e i l 重庆大学硕士学位论文1 概述 1概述 轧辊是冶金企业轧机在生产过程中实现各种成材产品的项重要的大宗消耗 工具。随着当代轧制技术不断向着高速、大型、品种多样、连续化方向发展，面 对我国市场经济的不断深入，经济全球化带来的钢材市场的激烈竞争，为适应发 达国家钢材生产的高质量、低消耗、多品种的要求，迫使国内冶金行业采用了低 温、大压下量、双交叉、双重弯辊、小辊径轧制技术，以降低能耗和提高钢材质 量。这些轧制技术迫切要求提高轧辊的耐磨性、抗表面粗糙性和辊芯的韧性与之 配套，而以往的轧辊材质是无法满足这些要求的。因此，研究开发新型轧辊材料 及其制造技术已是势在必行。 半钢轧辊含多种微量合金元素，含碳量通常在1 4 2 3 ，机械性能处于钢、 铁之间，具有硬度降落小、耐磨性能高等特点，广泛用于代替铸钢轧辊和普通低 合金铸铁轧辊，用于型钢轧机初轧和中轧机架、热轧带钢连轧机初轧和精轧前段 工作辊。 攀钢机械制造公司是攀钢( 集团) 公司的分公司，是西南最大的冶金矿山设备、 备件的制造厂商之一，为开展冶金行业新材料、新技术、新工艺的推广应用工作， 为冶金行业调整产品结构，优化生产工艺提供优质可靠的冶金备品备件而努力追 求高起点、高品质。在目前国内大力发展冶金轧辊生产开发的时候，攀钢机械制 造公司也将冶金轧辊系列产品开发研究列入企业“九五”和“十五”企业发展规划 “】，其目的是通过轧辊系列产品开发，努力使攀钢钢材产品生产达到发达国家的 高质量、多品种、低消耗的水平，在提高攀钢市场竞争力的同时，也不断提高攀 钢机械制造公司产品在国内外市场的占有率，适应市场经济对企业竞争提出的新 要求。攀钢机械制造公司从1 9 9 6 年开始通过自主开发、技术引进，合作开发等多 种方式生产了各类冶金轧辊，目前已具有钒钛系列半钢轧辊，无限冷硬球墨铸铁 轧辊，高镍铬离心复合轧辊等系列产品和一系列拥有自主知识产权的科研成果。 多年开发研究和生产积累的轧辊制造经验，钒钛系列半钢轧辊经用户使用后，其 效果良好，可与专业轧辊生产厂家媲美，经国家冶金工业局评审为国内领先水平。 攀钢机械制造公司为了追赶世界先进轧辊生产水平，在调查研究的基础上确定了 冶金轧辊的发展的方向j 。 半钢轧辊作为攀钢机械制造公司生产成功的第一种轧辊材质，并成功用于攀 钢热轧板厂f 1 3 工作辊。现在，攀钢机械制造公司正在开展热轧板厂r l 、r 2 粗 轧机q ) 9 5 0 z u l 5 5 c r n i m o 半钢轧辊的生产研究工作，同时也进行了攀钢轨梁厂的 大型型钢z u l 6 0 c r n i m o 和b g k 4 a b 半钢轧辊的生产研究，最大直径母1 1 1 0 ， 重庆大学硕士学位论文 l 概述 在这些大型半钢轧辊的生产研究过程中，攀钢机械制造公司设计的轧辊成分均加 入了攀枝花独有的资源钒、钛，以进一步验证钒、钛对改善半钢轧辊性能的影响。 另外，攀钢机械制造公司为了进一步提高轧辊质量，对半钢轧辊进行了深入研究， 通过化学成分的调整，使组织性能、热处理性能、使用性能等都有较大的提高和 完善。 随着轧钢生产机械化及自动化水平的提高以及对轧材质量越来越高的要求。 对轧辊的研究，无论是从选择轧辊材质，还是在轧辊制造及轧辊的使用维护等方 面都达到了前所未有的程度。对轧辊要求的诸性能中主要是( 1 ) 不折断性；( 2 ) 良好 的耐磨性：( 3 ) 抗疲劳裂纹性；以减少在使用过程产生龟裂、剥落和断辊等情况。 合金半钢是一个具有优良的综合性能、能适应多种轧制条件的轧辊材质。轧辊制 造厂可以对合金半钢轧辊按照不同用途调整钢中碳和合金元素的含量，以及选用 不同的热处理工艺控制不同的基体组织。口4 1 在钢的成分设计中，随着钒、钛含量的增加，钒、钛在钢中与碳极易形成化 合物，这些化合物在钢中起到细化晶粒，抑制晶粒长大的作用，从而使钢的耐磨 性能提高。而半钢轧辊的碳含量处于钢与铁之间，加入定的钒、钛与碳形成化 合物，将可能明显改善轧辊的使用性能。攀钢的钢铁原材料天然含有钒、钛，这 为生产含钒、钛轧辊创造了条件。 钒、钛对半钢轧辊组织性能有明显的影响。通过攀钢机械制造公司生产的攀 钢热轧板厂f 1 3 精轧机工作辊的实际使用可以得到证明，但深入研究至今还没有 明确的理论依据。我国国标g b l 5 0 3 8 9 中的4 种半钢轧辊钢号( 如表1 1 ) 的化学成 分未列入钒、钛，国内专业生产厂家邢台冶金机械轧辊股份有限公司生产的半钢 轧辊也未含钒、钛合金( 如表1 2 ) ，国外半钢轧辊的化学成分也未列入钒、钛f 如表 1 3 ) 。因此，可推测，钒、钛对轧辊的性能可能有影响。 半钢轧辊的市场前景广阔，仅我国热轧宽带钢轧机的市场就很大( 如表1 ，4 ) 。 研究v 、t i 对半钢轧辊组织性能的影响，寻求理论支持，促使生产工艺的 表1 1 我国半钢轧辊化学成分( g b l 5 0 3 - 8 9 ) t a b l ei it h es m i l - s t e e lr o l l e r sc h e m i c a le l e m e n t si nc h i n a ( g b l 5 0 3 8 9 1 化学成分( 1辊身抗拉 钢号 硬度强度 cs im npsc rn im o ( h s d )( m p a ) i 3 0 3 0 7 0 8 0 2 3 8 z l b 1 4 0 c r m o 曼0 0 3 5郢0 3 0 5 9 0 1 5061 11 2064 8 藿庆大学硕十学位论文1 概述 续前表 1 3 03 0 7 0 8 0 2 3 5 z u b l 4 0 c 订q i m os 0 0 3 5 0 0 3 0 0 25 9 0 1 5o6 l l 12064 5 1 。5 0 3 0 7 o8 0 2 4 0 z u b l 6 0 c r m o三，o 0 3 5 0 0 3 05 4 0 17o 6 1 1 一 1 20 65 0 a 3 8 15 0 3 0 7 0 8 o2 4 8 z u b16 0 c r n i m o郢0 3 5 7 5 04 0 士5 m o 1 02 5 o 6 00 4 0 1 5 50 4 015 0 表2 4 国内用于大型型钢轧机中间机架合金半钢轧辊化学成分及性能 t a b l e2 4t h ec h e m i c a le l e m e n t sa n dc a p a b i l i t yo fa l l o yh a l f - s t e e lr o l l e ri nl a r g e s c a l e 材质代号化学成分( ) 硬度 cs im np sc rn im o ( h s d ) 2 s a1 7 0 6 o 6 ! 抑0 65 0 0 6 0 8 s l0 0 3 3 9 半钢 1 91 01 o1 20 54 2 高碳b g k 41 9 o 6 o _ 8 1 抑0 3 如0 31 0 2 0 0 4 5 0 半钢 2 00 81 0 1 322 0 6 6 0 精轧机架 国外对于大型型钢、轨梁轧机精轧机架几乎都选用耐磨性高的珠光体或针状 组织合金球墨铸铁轧辊，也有使用硬度降小的高碳合金半钢轧辊。 我国型钢精轧机架轧辊选用较为落后，一般选用硬度降大的普通铬钼无限冷 硬铸铁轧辊。 因此，我国要在总结合金半钢或高碳半钢轧辊在中间机架的应用经验基础上， 大力推广合金半钢、高碳半钢或合金球墨铸铁轧辊在精轧机架上的应用。 2 1 4 线材轧机轧辊材质的选择p 。j 线材轧机经历了一个由人工送钢一半连续一全连续一4 5 。无扭高速轧制的技 术改造过程。不同架次的轧制特性，轧辊材质的选择也不同。 粗轧机组轧辊材质的选择 由于进入粗轧机的钢坯温度较高，截面大，轧机孔型较深，因此，用于粗轧 机架的轧辊应具有良好的抗断、抗热裂纹、耐磨损和良好的咬入性能。 国外5 0 年代使用低硬度的低合金铸钢轧辊，随后的低硬度的合金半钢轧辊或 重庆大学硕士学位论文 2 文献综述 经热处理后的珠光体球墨铸铁轧辊使用了较长一段时问，大多采用合金半钢轧辊。 近年来，日本一些线材粗轧机开始使用锻造白口铁轧辊。 我国线材粗轧机一般使用铸钢轧辊或球墨半冷硬铸铁轧辊，目前使用国产的 低硬度( 4 0 4 5 h s d ) 的合金半钢轧辊也是合适的。随着架次的增加，可适当选用 高硬度的高碳合金半钢轧辊或珠光体合金球墨铸铁轧辊。 中间机组轧辊材质的选择 中间机组的轧辊要求具有良好的耐磨性和抗表面粗糙性能。 国外从6 0 年代就开始选用高碳合金半钢或珠光体球墨铸铁轧辊，目前选用较 高硬度( 6 5 7 5 h s d ) 的中合金无限冷硬铸铁轧辊和硬度为7 0 h s d 左右的中镍铬合 金冷硬铸铁轧辊，近年来也有开始选择锻造白口铁轧辊的趋势。 我国线材中轧机组轧辊材质的选用差别大，可分为以下几种：中镍铬冷硬 ( 6 8 h s ) ；低镍铬冷硬仑6 5 h s ) ；铬钼冷硬( 6 3 h s ) ；中镍铬球墨无限冷硬眨6 5 h s ) ； 低镍铬钼球墨无限冷硬( 6 0 h s ) ；铬钼无限冷硬( 6 0 h s ) 等。 预精轧机组轧辊材质的选择 多数预精轧机组轧辊是组合式结构，用辊芯和辊环组成。 国外一般采用硬度为7 0 h s d 以上的轧辊，如台金球墨铸铁、高铬铸铁、高钨 铬合金铸铁、高钒合金铸铁、合金工具钢锻造辊环、w c 合金铸铁辊环、高速钢 等。 1 3 1 3 1 1 我国线材预精轧机组轧辊材质的选用和国外相当，一般为高镍铬无限冷硬离 心复合辊环，w c 辊环等，近年来也正在逐步推广使用高速钢辊环。 精轧机组轧辊材质的选择 精轧机组轧辊的选择主要着眼于轧辊或辊环的耐磨性能。 国外从7 0 年代起，大多选用高合金冷硬铸铁轧辊，少数选用中镍铬冷硬铸铁 轧辊。目前，我国的高速线材精轧机组已全部采用碳化钨硬质合金辊环组合式轧 辊，其性能如表2 5 。 表2 5 w c 辊环物理性能 化学成分( ) 物理性能 w cc o 其它硬度( h s )抗拉强度 比重 ( m p a ) 7 5 8 61 4 2 5 0 5 8 2 9 01 9 6 0 2 9 4 0 1 3 8 1 4 2 重庆犬学硕士学位论文 2 2 冶金轧辊的制造工艺的选择与发展趋势 冶金轧辊的制造方法有多种多样，主要为铸造轧辊、锻造轧辊、复合轧辊。 轧辊牛产的进步，f 始丰要通过提高冶炼工艺、优化选择控制化学成分、控制轧 辊组织达到预期性能来实现。随着轧制工艺的进步，轧钢产品质量的提高，要求 轧辊要有更高的耐磨性、强韧性、抗表面粗糙性，从而迫使轧辊的带4 造方法要有 j _ | ! 本的突破。复合轧辊改变了轧辊单一材质的历史，对轧辊的生产制造作了根本 的改变，堆焊复合轧辊、离心复合轧辊、电渣蕈熔复合轧辊等复合技术在轧辊制 造中得以实现。 复合轧辊技术成为当今世界最为流行的轧辊生产方法。复合轧辊以其芯部的 强韧性，表面材质的高耐磨性_ = f 【1 抗表面糙性正在世界全面推广。可以预见不久的 将来，轧铡机组将是高新材质的复合轧辊一统天下，不会再有单一材质的轧辊。 2 3 最新冶金轧辊的制造工艺【1 ” ( 1 ) 喷射粘接快速凝固法( o s p r c yp r o c e s s ) ” 用惰性气体，如氩气、氮气，将熔融金属液雾化并喷射到旋转移动的轧辊芯 上，被雾化的金属液粘接在轧辊芯上，并快速凝固。 用此方法制造轧辊的优点是：轧辊外层晶粒细小均匀，无宏观偏析和缩孔， 力学性能高于普通铸造的轧辊，轧辊的使用寿命高于普通轧辊。 缺点是：牛产工艺参数控制复杂，生产成本高，效率较低，目前还不能生产 直径较大的轧辊。 ( 2 ) 热等静压粉末冶金粘结法( h i p ：h o ti s o s t a f i cp r o c e s s ) 2 m j 【1 q 1 3 l 】 将5 0 - - 6 0j a m 的令属粉末填充在轧辊芯外层，并密封抽真空，然屙在高温下 均匀的静压粉末。 用此方法制造轧辊的优点是：轧辊外层材料致密，力学性能高，辊芯和外层 结合良好，抗热疲劳性能高，硬度均匀，耐磨性比冷硬铸铁轧辊高约4 倍。 缺点足：生产成本高，能耗高。 ( 3 ) 自热等静压粉末冶金粘结法( c b c ) 【1 6 1 与h i p 法相拟，只是不需要外加热源加热，而是靠所用的粉末中自身化学反 应产生热量。此方法比h i p 法可节约大量能源和设备投资，但外层材料的性能差。 ( 4 ) 电渣重熔堆焊法( e s r ：e l e c t o r - s l a gr e r n c l t i n g ) ”“ 在轧辊芯和水冷铸型问，用高合金电极电渣重熔堆焊在辊芯j _ ，轧辊芯和外 层问能达到良好结合，轧辊内外材质选择范围宽，外层金属洁净，组织致密。 层问能达到良好结合，轧辊内外材质选择范围宽，外层金属洁净，组织致密。 f 5 、复合层连续铸造法( c p c ：c o n t i n u o u sp o u r i n gp r o c e s sf o rc l a d d i n g ) 1 2 1 1 1 5 u 1 6 1 1 1 7 1 d 1 】 重庆大学硕上学位论文 2 文献综述 2 2 冶金轧辊的制造工艺的选择与发展趋势 冶金轧辊的制造方法有多种多样，主要为铸造轧辊、锻造轧辊、复合轧辊。 轧辊生产的进步，开始主要通过提高冶炼工艺、优化选择控制化学成分、控制轧 辊组织达到预期性能来实现。随着轧制工艺的进步，轧钢产品质量的提高，要求 轧辊要有更高的耐磨性、强韧性、抗表面粗糙性，从而迫使轧辊的制造方法要有 根本的突破。复合轧辊改变了轧辊单一材质的历史，对轧辊的生产制造作了根本 的改变，堆焊复合轧辊、离一t l , 复合轧辊、电渣重熔复合轧辊等复合技术在轧辊制 造中得以实现。 复合轧辊技术成为当今世界最为流行的轧辊生产方法。复合轧辊以其芯部的 强韧性，表面材质的高耐磨性和抗表面糙性正在世界全面推广。可以预见不久的 将来，轧钢机组将是高新材质的复合轧辊一统天下，不会再有单材质的轧辊。 2 3 最新冶金轧辊的制造工艺 1 7 】 ( 1 ) 喷射粘接快速凝固法( o s p r e yp r o c e s s ) 1 1 】【1 5 】【1 6 l 用惰性气体，如氩气、氮气，将熔融金属液雾化并喷射到旋转移动的轧辊芯 上，被雾化的金属液粘接在轧辊芯上，并快速凝固。 用此方法制造轧辊的优点是：轧辊外层晶粒细小均匀，无宏观偏析和缩孔， 力学性能高于普通铸造的轧辊，轧辊的使用寿命高于普通轧辊。 缺点是：生产工艺参数控制复杂，生产成本高，效率较低，目前还不能生产 直径较大的轧辊。 ( 2 ) 热等静压粉末冶金粘结法( h i p ：h o ti s o s t a t i cp r o c e s s ) 2 】【1 5 1 1 1 6 1 1 3 1 1 将5 0 6 0 9 m 的金属粉末填充在轧辊芯外层，并密封抽真空，然后在高温下 均匀的静压粉末。 用此方法制造轧辊的优点是：轧辊外层材料致密，力学性能高，辊芯和外层 结合良好，抗热疲劳性能高，硬度均匀，耐磨性比冷硬铸铁轧辊高约4 倍。 缺点是：生产成本高，能耗高。 ( 3 ) 自热等静压粉末冶金粘n 法( c b c ) t 1 5 j 【1 6 】 与h i p 法相拟，只是不需要外加热源加热，而是靠所用的粉末中自身化学反 应产生热量。此方法比h i p 法可节约大量能源和设备投资，但外层材料的性能差。 ( 4 ) 电渣重熔堆焊法( e s r ：e l e c t o r - s l a gr e m e l t i n g ) ”5 j 在轧辊芯和水冷铸型间，用高合金电极电渣重熔堆焊在辊芯上，轧辊芯和外 层间能达到良好结合，轧辊内外材质选择范围宽，外层金属洁净，组织致密。 ( 5 ) 复合层连续铸造法( c p c ：c o n t i n u o u sp o u r i n gp r o c e s sf o rc l a d d i n g ) 2 1 1 1 5 1 1 1 6 1 1 1 7 1 1 3 1 1 重庆大学硕士学位论文 2 文献综述 将轧辊芯垂直安放在水冷铸型中心，向配置在铸型上原州火材料框架和轧辊 芯之间浇注金属液，通过加热线圈对金属液适当地加热，使金属液适当地熔融轧 辊芯，并熔附在轧辊芯上，顺序向上凝固，将凝固的部分连续向下拉拔，实现连 续铸造外层。为防止轧辊芯在高温下被氧化，在轧辊芯上需要预先覆上特殊的玻 璃粉末涂层。为保证内外熔附良好，轧辊芯上要用预热线圈进行适当加热。 c p c 法制造复合轧辊的特点是：辊芯和外层材质可大范围选择组合：将轧辊 芯适当熔融，能得到高的结合强度，结合强度达到5 4 0 6 4 0 m p a ：外层凝固速度 快，组织致密；由下向上的顺序凝固，避免了缩孔，上部保持一定的金属液可使 非金属夹杂物上浮；外层厚度可变，实际生产可达1 5 l o o m m ；可制造新轧辊， 也可修复旧轧辊；生产成本低，比电渣重熔堆焊减少l 倍，比埋弧焊堆焊法少2 倍。 ( 6 ) 粉末冶金环铸造辊芯法( c i c ) 州 先用粉末冶金的方法制造出硬质合金的辊环，然后向环内浇注液态铸铁成辊 芯。 2 4 轧辊文献综述小结 ( 1 ) 高速钢轧辊是目前最好的轧辊材质，轧辊材质的优化选择还将继续进行。 ( 2 ) 复合技术是当今世界流行i 拘s l , 辊制造技术，轧辊制造技术还将不断发展。 ( 3 ) 轧辊表面处理技术主要是毛化和镀铬，以提高轧辊表面的抗粗糙性和耐磨 性。 ( 4 ) 半钢轧辊以其优良的综合性能，将继续在轧钢行业中起到重要作用。 2 5 有关v 、t i 的钢中作用机理的研究文献 2 5 1v 、t i 在铸钢中的作用机理【3 2 】 3 3 【3 4 】 ( 1 1 v 、t i 元素的析出相和固溶是强化铸钢的主要原因。v 主要以析出相的固 溶方式存在于铸钢中，并有少量钒铁块状夹杂物：在中碳铸钢中，v 在析出相中 的分配量为6 4 7 8 ，在固溶体中的分配量为5 3 5 ；在低碳和高碳铸钢中，v 在析出相中的分配量为7 0 9 5 ，在固溶体中的分配量为5 3 0 。铸钢中的微 钛大部分以ti c ，t i n ，t i ( c ，存在于铸钢基体之中。 ( 2 ) 含v 铸钢中的析出相( v c ) 随着温度的变化有一个溶解与析出过程，不同的 温度，其固溶与析出的量是不相同的，它直接影响着铸钢的性能。 ( 3 ) v 在铸钢中的主要形式为v c ，v n ，v ( c ，n ) 和v ，t i ( c ，n ) 等析出相。 当铸钢含v 量为o 1 0 5 时，其析出相颗粒直径大多数为1 0 2 0 9 m ，随着铸钢 中含钒量的增加，其析出颗粒直径在增大。铸钢中v ，t i 析出相粒子的形貌主要 重庆人学硕士学1 ：奇= 论文 2 文献综述 为圆形、近圆形和椭圆形。 ( 4 ) 在小于o 5 v 的铸钢中，钒不易形成块状夹杂物j 当含钒铸钢中加入 0 叭o 0 7 的t i 时，就会出现四边形、三角形、多边形等以钛为主的钒钛块状 夹杂物。 ( 5 ) v 的析出相以钉扎一样沉淀在铸钢的铁素体晶内、晶界上的珠光体中的铁 素体上。析出相和固溶作用细化铸钢的铁素体、珠光体和奥氏体晶粒，使铸钢的 珠光体层间距缩短5 2 3 ，含钒铸钢的铁素体和珠光体显微硬度比相应的普碳 钢提高1 0 4 0 。 ( 6 ) 含钒铸钢具有强度高、耐磨、耐热的特点，g 。和a b 比无钒铸钢提高1 0 以上，韧性有所降低。选择适当的v 量或v ，t i 量，钒钛铸钢的抗压、抗磨、抗 冲击和抗高温的特点将充分显露，并将在实际生产中得到更加广泛的应用。 ( 7 ) 钛在钢中的作用 钛是极为活泼的元素，与氮、碳都有极强的亲和力，和氧及硫的亲和力也大 于铁。从微合金化钢中常用的台金元素来看，钛与碳、氮、氧、硫之间的亲和力 均大于钒和铌；与氧和硫的亲和力虽不及稀土，但与碳和氮的亲和力却大于稀土。 钛作为合金元素加入钢中后，可以以固溶状态、析出状态和化合物状态存在，可 同时产生细化晶粒、析出强化和改变硫化物形态的作用。试验结果表明：在常用 的合金元素当中，钛是阻止加热过程中奥氏体晶粒长大最有效的合金元素，甚至 在冷却速度低的大能量焊接的电渣焊中也是如此。钢中钛的氮化物对奥氏体晶粒 长大的阻止作用主要取决于三个因素：氮化物颗粒大小、氮化物的数量及氮化物 的弥散度。 t i 和n ：钢中的钛和氮存在极强的亲和力，钛在钢中的一个突出特点是在液 态时便可形成粗大的t i n 颗粒，这种颗粒呈立方晶体，其溶点高达2 9 3 0 ；固态 时，不可能熔于奥氏体，往往成为钢的断裂源。 t i 和c ：钛是强碳化物形成元素，在钢中所形成的钛的碳化物或者碳氮化物 稳定而不易分解，只有在高温下( 1 0 0 0 。c 以上) 才能慢慢地溶入基体，因而t i c 的 析出强化作用并不比v c 差。 t i 和o ：钛在液态下便可以和氧结合生成t i 0 2 ，因此，钛常常用来作为控制 钢中氧含量的一种脱氧剂。 t i 和s ：钛和硫的亲和力是强的，其硫化物的硬度约为3 0 0 4 0 0 h v 。在高 温轧制时，其热变形能力小，被碾碎成棒状或短条状，避免了沿轧制方向呈长条 状分布的硫化锰的有害作用，改善了钢板的横向及板厚方向的韧性。 t i 和h ：钢中的钛对钢中的氢有着重要影响，它不仅提高对氢的吸附作用， 而且影响它在钢中的流动性。其作用是：一方面阻碍氢原子的流动，妨碍氢在钢 重庆大学硕士学位论文 2 文献综述 中的扩散并大大提高钢的塑性和冲击韧性；另一方面，由于阻止氢在钢中的流动， 从而能够制止氢在个别微区的聚集，使钢不致于形成白点，亦可避免工业搪瓷钢 冷爆的产生。同时钛还可以提高钢在高温高压氢气中的稳定性。 t i 和b ：当t i n 三3 4 时，钛首先和氮结合，从而防止b 的氧化和氮化，保 证b 的淬透作用。 2 5 2v 、t i 在铸钢中的应用 3 s 】【3 6 j 【3 7 】【3 8 ( 1 ) v 、t i 在碳素铸钢中的应用 碳素铸钢中加入o 】o 2 v ，o 0 2 o 0 6 t i ，可使钢的组织明显细化，6 ： 提高1 5 3 0 ，o b 提高5 1 5 ，耐磨性提高2 0 1 0 0 ，冲击韧性和硬度有所提 高，高温强度和红硬性也有所提高，能明显提高钢的抗热裂性，塑性下降。 f 2 1 v 、t i 在铸钢中的应用 在铸钢中适量加入v 、t i ，巧；提高1 5 3 0 ，哪提高5 2 3 ，耐磨性提高 2 0 1 0 0 ，能明显提高高钢的抗热裂性。 不同铸钢v 、t i 含量可适当调整，比如z g m n l 3 c r v 推荐含v 量为0 1 8 o 3 ， z g c r 3 s i 3 v t i 推荐0 3 o 5 v ，o 0 4 o 0 8 t i 。 ( 3 ) v 、t i 在铸铁轧辊中的应用 3 9 】f 4 0 1 有报道指出，钒钛铸铁轧辊比不含钒钛轧辊在金相、硫印和性能方面均有较 好的效果，能改善轧辊断辊、剥落和掉肉等缺陷。 ( 4 ) 钒对硅锰弹簧钢性能的影响【4 1 1 最近，在国际钒技术委员会召开的第5 6 届项目与出版会议上，攀钢“钒对硅 锰弹簧钢性能影响的研究”课题组向该委员会汇报了如下结论： a 在c 含量为0 5 和o 3 5 的钢中，一定的v 含量对淬透性提高最有效， 且具有较好的抗回火稳定性。对一定的v 钢来说，理想的加热温度为9 2 0 。 b 在o 5 c 钢中，v 含量从定值增加至一定值时，可使a o2 增加1 5 0 m p a ， 吼增加1 3 0 m p a ，而在o 3 5 c 钢中，其增加量g o2 为6 0 m p a ，g b 为5 0 m p a 。现在 正对这一差异进行研究。 2 5 3v 、t i 在微合金钢轧制巾的作用 微合金钢的v 、t i 能与c 、n 强烈形成碳化物、氮化物及碳氮化物，这些化 合物在高温下溶解，低温下析出，形成析出相质点，这些质点在轧钢时可以起到 阻止晶粒长大的作用。 主要表现在： ( 1 ) 加热时阻止原始奥氏体晶粒长大； ( 2 ) 在轧制过程中抑制再结晶及再结晶后晶粒长大； ( 3 ) 在低温时起到析出强化作用。 重庆大学硕士学何论文 2 文献练述 2 6 选择的主攻方向及创新点 根据查阅有关资料表明，目前国内外生产的半钢轧钢的化学成分还没有v 、 t i ，半钢轧辊的研究报道也未见含v 、t i 元素的分析。 在攀钢实际轧辊使用过程中，攀钢热轧板厂r 2 粗轧机架不含v 、t i 半钢轧 辊毫米轧制量为4 4 7 9 5 吨，攀钢机制公司生产的f 1 f 3 机架( p 6 5 0 半钢轧辊( 材质 为1 6 5 c r n i m o v t i ) 经过实际上机使用，其寿命比在同等条件下工作的不含v 、t i 半钢轧辊提高了1 0 1 5 。 通过有关文献对v 、t i 在钢中的作用机理分析，v 、t i 在钢中主要以碳化物、 氮化物和碳氮化物的形式出现，这些化合物在高温下溶入奥氏体中，在温度降低 时起到抑制奥氏体晶粒长大的作用，达到细化晶粒的作用，同时又有部分v 、t i 碳化物析出，起到析出强化的作用。 半钢这种材质含碳量通常在1 4 2 3 范围内，机械性能处于钢和铁之间， 用于轧辊具有硬度降落小、耐磨性能高等特点。通过这种材质的含碳量分析，其 性能倾向于钢的成分要多一些。因此，我们可以认为：v 、t i 在半钢这种材质中 的作用与在钢中的作用相似。 本研究课题的主要内容为含v 、t i 半钢轧辊在工业生产中的开发与应用，对 “v 、t i 对半钢轧辊组织性能的影响”进行初步的研究，寻求这种轧辊材质的理论 支持。 4 重庆人学硕士学位论文 3 理论分析 3 1 不含v 、t i 合金半钢轧辊的理论研究 3 1 1 合金半钢轧辊的组织 合金半钢是个具有优良的综合性能、能适应多种轧制条件的轧辊材质，可 以按照不同用途调整钢中碳和合金元素的含量，以及选用不同的热处理工艺控制 不同的基体组织。 合金半钢轧辊在脱模后，一般经过高温扩散退火、球化退火、正火和回火热 处理，或者在球化退火后，对轧辊辊身工作层进行快速加热充分奥氏体化后，随 即进行喷雾淬火的差温热处理，以便保证轧辊辊身和辊颈及其辊身芯部都具有不 同的使用性能。通过上述热处理工艺制度处理后的半钢轧辊，辊身基本组织为细 珠光体( 索氏体) ，在基本组织内除含有少量的小块状的伪共晶碳化物外，还均匀 分布有大量的颗粒状的二次碳化物和呈棒状或细条状的先共析碳化物的魏氏组 织。 1 0 0 x ) s t e e lr o l l e rs u r f a c e 图3 2 合金半钢轧辊辊身表面金相组织( 5 0 0 x 1 f i g3 1t h em e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r e ( 5 0 0 x ) o f a l l o yh a l f - s t e e lr o l l e rs u r f a c e 图3 1 、3 2 为合金半钢轧辊辊身表面的金相组织照片，通过定量金相分析表 明，合金半钢轧辊辊身工作层基体组织中的碳化物总量按面积百分数计算波动为 一 重庆大学硕士学位论文 5 - - 1 3 ，在这一碳化物含量数值范围内，依其钢中的含碳量及其合金元素的含量 的提高而递增。 对于含碳量偏高( 1 9 ) 且合金元素含量特别是钢中镍、铬、钼合金元素含量 增加到一定数值时，合金半钢轧辊辊身工作层的基体组织将发生明显的变化，可 以转变为贝氏体或贝氏体+ 马氏体组织和少量残余奥氏体。在基体组织中除了分 布有包括颗粒状的二次碳化物、细条和棒状先共析碳化物类型的魏氏组织外，还 含有经高温扩散退火后仍未能溶解的呈较大片状或块状的伪共晶碳化物，碳化物 总量约为9 1 3 ，随着合金半钢轧辊中含碳量的进一步提高，甚至在基体组织 中由于结晶偏析的结果，还能析出少量的共晶莱氏体。 图3 3 、3 4 为高碳合金半钢的金相组织照片。 轧辊基体组织( 1 0 0 x ) w i t hc 1 9 、c r l5 4 、n i 2 o 图3 4 含c 1 9 、c r l 5 4 、n i 2 0 高碳合金半钢轧辊基体组织( 5 0 0 x ) f i g3 4t h em a t r i l ( 5 0 0 。) o f n g h - c a r b o na l l o ys t e e lm i l lr o l lw i t hc 1 9 、c r l 5 4 、n i 2 0 3 1 2 化学成分对合金半钢轧辊组织和性能的影响p 0 j 合金半钢轧辊的化学成分对它的耐磨性、抗热裂性能与机械强度都有十分重 要的影响。 碳 均匀分布在基体组织中的颗粒状碳化物、先共析渗碳体型魏氏组织和伪共晶 碳化物的含量与半钢轧辊中的含碳量密切相关。适当的含碳量就是为了保证合金 半钢轧辊有高的耐磨性和良好的综合性能。随着合金半钢轧辊中含碳量的增加， 嚣o 重庆大学硕士学位论文 不仅轧辊辊身工作层基体组织中渗碳体相对量增加，而且渗碳体的形态和分布状 况也有变化。例如，含碳量为1 9 2 1 的高碳高合金( c r l - 2 i 5 、n i 2 o 2 5 、 m o o 。6 - - 0 8 ) 半钢轧辊，辊身工作层基本组织中的碳化物( 9 1 3 ) 不仅包括颗 粒状碳化物和渗碳型魏氏组织，还包括不均匀分布的伪共晶和共晶碳化物。 应当指出，当含碳量大于2 1 1 时，相应的铁碳合金变得硬而脆，难以加工。 因此，对于含碳量大于2 1 的合金半钢轧辊不宜推广应用。 硅 合金半钢轧辊中硅含量一般波动在o 3 o 6 范围内。当硅含量过高时，将 促进钢石墨化的发展，而且在热处理过程中将使轧辊工作层容易发生脱碳现象。 此外，从过共析钢基体组织热阻计算公式： 拾5 8 3 + 5 4 9 s i + 5 0 p + 0 4 l m n + 1 2 1 n i + 0 0 8 c r + 0 2 2 m o 可以看出，含硅量对基体组织热阻的影响最大。当基体的导热系数较低时， 轧辊在轧钢过程中，由轧材传导过来的热量和金属流动摩擦所产生的热量较难向 轧辊芯部扩散，因此，在轧辊工作层内存在一个较大的温度梯度，致使辊身表面 产生很大的拉伸热应力，这时，轧辊在大的轧制应力和热应力的联合作用下，辊 身表面极易形成热裂纹。此外，硅降低珠光体中的碳浓度和奥氏体中碳的极限溶 解度，使s 点与e 点向左移向碳量低的一方。有研究指出，在高碳钢中，当含硅 量超过o 2 8 时，钢中的共晶碳化物明显增加。生产实践表明，半钢轧辊基体组 织中的共晶或伪共晶碳化物很难在随后的热处理过程中消出，无疑将使轧辊抗热 裂性能降低。 综上可以认为，在保证钢水充分脱氧的前提下，合金半钢轧辊的含硅量应尽 量按硅含量的下限控制。 锰 锰是碳化物形成元素，在合金半钢轧辊中锰含量较低，一般为o 7 1 1 锰仅对基体组织有一定的强化作用，因为当含锰量过高时，由于增大铸件的线收 缩率和体收缩率，将使轧辊毛坯在铸造过程中发生热裂的倾向性增大。 铬 铬是合金半钢轧辊中重要的合金元素之一，也是碳化物形成元素。在合金半 钢轧辊中含铬量一般为o 8 1 3 ，由于轧辊凝固时是一个非平衡的过程，固溶 体从钢液中结晶是一个选分结晶过程，在不同的温度下析出的固溶体成分不同。 因此在合金半钢轧辊铸态组织中存在有严重的铬元素的偏析，因而随着铬含量的 增加，偏析程度也越大，铬的分布不均匀性是促使生成粗大碳化物的原因之一。 铬是推迟贝氏体转变最有效的元素，尤以当铬和碳的含量增高时，则使贝氏 体转变速度大大降低，t t 曲线大大的右移，位置也剧烈下降。因此，在制造耐磨 重庆大学硕士学位论文 3 理论分析 性高的贝氏体合金半钢轧辊时，应充分注意钢中碳和铬的合适匹配置。 镍 镍固溶于铁素体中，在强化铁素体的同时还增加韧性，镍与铬共存，显著提 高合金半钢轧辊的综合性能。镍提高奥氏体稳定性和减缓奥氏体转变为珠光体的 速度的作用，随钢中碳含量的增加而影响愈显著，所以，在高碳钢中，镍的作用 更大，甚至o 2 o 3 的镍也会明显地延缓奥氏体的分解速度。因此，对于控制 合金半钢轧辊基本组织为珠光体时，通常含镍量在o | 2 以上。 钼 钼是缩小y 相区的元素，有细化晶粒、增加硬化层深度、提高回火稳定性的 作用。钼对过共析钢由奥氏体分解析出先共析产物( 针片状和棒状渗碳体型魏氏组 织) 的速度有抑制作用。因此，当依靠适量析出针片状碳化物，以此保证轧辊具有 良好耐磨性时，合金半钢轧辊的含钼量一般控制在o 2 o 4 较低的范围内。钼 加入量在o 8 以下，随着钼含量的增加而使珠光体弥散度增加；加入大量的钼合 金以后，奥氏体分解受到抑制，将形成贝氏体组织。辊身基体组织为贝氏体的合 金半钢轧辊具有高强度和高耐磨性。通常高碳高合金半钢轧辊中的含钼量控制在 0 6 0 8 范围内。 3 1 3 热处理对合金半钢轧辊组织和性能的影响【3 o 】 高温扩散退火 高温扩散退火的目的是为了消除晶内偏析，使成分均匀化。扩散退火的实质 是使合金元素的原子充分扩散。所以，扩散退火的特点是温度高、时间长。 合金半钢轧辊化学成分中通常含有1 4 2 3 碳和o 8 以上铬，随着含铬量 的增加，会使相变临界点a c m 温度升高，铁一碳相图上的s 点、e 点左移，使发 生共晶转变的含碳量以及出现莱氏体组织的含碳量降低。此外，浇注后的合金半 钢轧辊的凝固过程是一个非平衡过程，由于固溶体的选择性结晶在不同的凝固温 度下析出的固溶体成分不同，在较高温度下先结晶出的奥氏体铁含量高，而铬、碳等 组元含量较低，在较低温度下结晶出的奥氏体，则铬碳含量均高于平均成分。由 于合金半钢轧辊冷凝速度很快，不同温度下析出的不同成分的奥氏体不可能通过 组元的扩散而达到平衡成分，这种组元分布的不均匀性称为显微偏析。在合金半 钢轧辊中，铬的偏析是十分严重的，偏析指数达到2 以上，结晶终了时，生成了 铬、碳成分很不均匀的奥氏体组织和液析碳化物( 在含碳为1 3 1 7 时为伪共晶 碳化物，当碳含量达到1 9 以上时，将析出典型莱氏体组织) 。当继续冷却达到 a r c m 温度，奥氏体就要析出二次渗碳体。合金半钢轧辊基体组织中二次碳化物 析出的数量、形貌、尺寸及其分布状况与铬、碳成分的不均匀性有非常密切的关 系。因为二次渗碳体析出的途径可能有以下三种：一是以已有的渗碳体为“靠背” 重庆大学硕士学位论文 3 理论分折 析出，使次碳化物长得更为粗大；二是由于奥氏体晶界为富铬，富碳区域，且 第二相析易于在晶界形核，所以二次碳化物极易沿奥氏体晶界呈网状析出，半钢 轧辊中含碳、含铬量越高，铬、碳偏析越严重，则沿晶界析出的网状碳化物越多、 越厚，甚至可以布满整个奥氏体晶界；三是二次碳化物沿奥氏体的一定晶面呈针 片状魏氏组织的形式析出，由晶界插入晶粒内部，有时也可以在晶粒内部形成。 由此可见，消除或减轻铬在合金半钢轧辊中的不均匀分布是改善合金半钢轧 辊铸态组织，特别是改善碳化物形态及其分布特征的一个重要途径。因此，对铸 造合金半钢轧辊进行高温扩散退火这热处理过程是非常必要的。 合金半钢轧辊铸态组织中的三种碳化物将在不同的加热温度范围溶入奥氏 体。当轧辊加热到8 0 0 以上，保温一段时间后，网状的和针片状的二次碳化物 开始逐渐溶入奥氏体之中，二次碳化物的溶解要经过一个较宽的温度范围，针片 状碳化物( 渗碳体型魏氏组织) 要比网状碳化物溶解的温度低些，消失得快些；当 加热温度升高到9 8 0 左右时，渗碳体型魏氏组织基本溶解了，而网状碳化物一 直到1 0 6 04 c 左右的温度才全部溶解完毕，此时尚有一次碳化物没有完全溶解。同 时通过观察发现，次碳化物中部分粗大块状碳化物的面积有所减小，这现象 可以解释为，那些以一次碳化物为“靠背”依附在一