（机械工程专业论文）钒、钛半钢轧辊组织性能的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着先进轧机和高效轧制技术的问世，推动了轧钢工业的迅速发展，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及轧制质量以适应轧 机的需要是轧辊研制者面临的新课题。近年来，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。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，成为半钢轧辊的首选材质。经用户使用反应，钒( v ) 钛( t i ) 系列 合金半钢轧辊效果良好，但国内关于v 、t i 半钢轧辊组织性能的研究甚少。为此， 本文对v 、t i 半钢轧辊化学成分进行了深入的分析，在此基础之上对其化学成分 进行了重新设计，并进行工业试验。得到含v 、t i 半钢轧辊样品经过上机使用表 明：含v 、t i 半钢轧辊具有耐磨性好，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 半钢轧辊具有较好的组织性能和综合使用性能，v 、t i 在基体组织中起固溶强化和析出强化作用。 关键词：钒钛，半钢轧辊，制造 重庆大学硕士论文英文摘要 a b s t r a c t w i t h t h ea p e a r a n e eo f a d v a n c e dr o l l m i l l sa n de f f e c t i v er 0 1 l i n g t e c h n i q u e s ，t h er o l l i n g i n d u s t r y h a sm a d ear a p i dd e v e l o p m e n t a tt h es a n l et i m e ，t h em a n u f a c t u r i n go fr o l li sa c c e l e r a t e dt os t r i d e i n t ot h en e wt e c h n i q u ef i e l d h o wt oe l e v a t et h er o i l i n gl i f ea n dq u a l i t yt os u i tt h em i l l s i san e w q u e s t i o nf o rd i s c u s s i o nf o rt h ep e r s o n sw h od e v e l o pr o l l s s m i l s t e e lr o l l e ri sm a d e u s eo f h o tm i l l r o l li tc a nb ea d a p t e dt od i f f e r e n tr e q u e s to fr o l l i n gm i l lt h r o u g ha 由u s t i n gc h e m i c a le l e m e n t s t h e a l l o ys m i l - s t e e lr o l l e rh o l d sg o o di n t e g r a t e dp e r f o r m a n c ea n di ss u i tf o rm u l t i c o n d i t i o no fr o l l i n g i tt a k e st h ef i r s tp l a c eo f t h em a t e r i a lo f s m i l - s t e e rr o l l e r t h eu s e rr e s p o n s et h es m i l s t e e rw i t hva n d t ii s g o o d b u t ，t h en u m b e ro fa r t i c l e s a b o u tt h et h e o r yo ft h ei n f l u e n c eo fva n dt it ot h e p e r f o r m a n c eo fs m i l - s t e e r r o l l e ra l es m a l l t h e r e f o r e ，t h es m i l - r o l l e r sc h e m i c a lc o m p o s i t i o ni s r e s e a r c h e di nt h ea r t i c l e w eo b t a i n e dv - t js m i l s t e e lr o l l e rt 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 l c o m p o s i t i o n a 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 ev - t is m i l s t e e lr o l l e ru s e dt h es a m e s m e h 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 s h 曲en o tv a n a d i u ma n dt i 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 c l eu s eo f h u tm i l lr 0 1 lt h a ti t sl i f e i 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 s l 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 ev - t is m i l s t e e l r 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 ne v i d e n c e l yi m p r o v er 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 i 重庆大学硕士学位论文i 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出 随着先进轧机和高效轧制技术的问世，推动了轧钢工业的迅速发展，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及轧制质量以适应轧 机的需要是轧辊研制者面临的新课题。近年来，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。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，成为半锅轧辊的首选材质。攀镪机制公司的钒钛系歹 j 合金半钢轧辊 经用户使用后，其效果良好，为了追赶世界先进轧辊生产水平，本文展开了v 、t i 半钢轧辊组织性能的研究。 1 2 半钢轧辊材质研究现状 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。 攀钢机制公司作为国内特大型企业攀钢( 集团) 公司下属公司，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 大力发展冶金轧辊的生产开发的时候。攀钢机制公司通过技术引进，合作开发等 多种方式生产了各类冶金轧辊，有了钒钛系列半钢轧辊，无限冷硬球墨铸铁轧辊， 高镍铬离心复合轧辊等系列产品。有了多年的轧辊生产经验，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，经冶金工业局评审为 国内领先水平。攀钢机制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l l j 。 半钢轧辊作为机制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，机制公司正在开展热轧板厂r 1 、r 2 粗轧机中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，最大直径中1 11 0 ，在这些大型半钢轧辊的生产研 究过程中，机制公司设计的轧辊成分均加入了钒、钛，以进步验证钒、钛对半 钢轧辊性能的影响。另外，机制公司为了迸一步提高轧辊质量，对半锅轧辊进行 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 了深入研究，通过化学成分的调整，使组织性能、热处理性能、使用性能等都能 有较大的提高和完善。 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镯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。 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，加入一定的钒、钛与碳形成化台 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。 通过攀钢机制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，钒、钛对半钢轧辊组织性能有明显的影响。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( 如 表1 3 ) 。因此，可推测，钒、钛对轧辊的组织性能可能有影响。 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 e1 。1t h e c h e m i s t r ye l e m e n to f s m i l - s t e e lr o l l e ri nc h i n a 化学成分( )辊身抗拉 钒号 硬度强度 cs im np sc tn im o( h s( 皿 d )a j z u b l 41 - 3 0 3 0 7 0 ，8 o 2 3 8 5 9 0 0 c r m oi s 061 10 0 3 50 0 3 01 2 o 64 8 z u b l 4 0 c r n i 1 3 0 3 o 7 0 8 - -0 2 3 5 5 9 0 1 50 6】0 0 3 50 0 3 01 20 2 0o 64 5 m o z u b l 6i ，5 0 3 o 7 0 8 0 2 4 0 5 4 0 0 c r m o】70 61 10 0 3 50 0 3 01 2o 65 0 a 3 9 z u b l 6 1 5 0 3 0 7 0 8 0 2 4 8 0 c r n i 5 4 0 m o 1 70 61 10 0 3 500 3 0l2o 2 0o 6 b 4 8 5 8 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 表1 2 ：邢台冶金机械轧辊股份有限公司半钢轧辊的钢号 t a b l e1 2t h en u m b e r o f s m i l s t e e l m i l e r i n t h e m e t a l l u r g y - m a c h i n e m i l e r 化学成分( )辊身 钢号 硬度 cs im nc rn i m o( h s d ) 1 3 0 2 0 8 o 5 0 4 4 0 2 3 5 b u l 4 1 5o 61 11 82 o 0 64 5 1 5 o 2 o 8 0 5 0 4 0 2 4 0 b u l 6 1 70 61 11 82 0 0 65 0 1 7 0 2 0 8 1 8 0 4 0 2 4 5 b u l 8 1 9o 61 12 52 00 66 5 1 9 0 2 0 - 8 0 4 0 2 5 0 b u 2 0 2 10 61 12 00 66 5 2 ，1 o 2 0 8 o 5 0 4 0 2 5 5 b u 2 2 2 - 30 ，61 _ l1 83 o0 66 5 表1 3 ：国外半钢轧辊的钢号简介 t a b l e1 3t h eb r i e fi n l r o d u c t i o nt ot h en u m b e ro fs m i l s t e e lr o l l e ri no t h e rc o u n t r i e s 化学成分( )辊身硬 钢号备注 cs im nc rn im o度( h s ) s a 一41 6 0 3 0 7 0 8 0 2 0 2 4 3 5 3 日本久 1 80 71 01 21 oo 6保田 h s b1 5 0 2 0 8 0 8 ( 0 50 2 3 6 4 0 瑞典 一3 8 d】60 51 1】2o 4 1 5 0 c1 4 0 2 5 o 5 o 9 0 8 o 1 原苏联 3 5 3 r n i m1 60 5o 81 2 51 2o 3 4 4 , 1 h b o b c1 8 0 3 o 7 o 8 0 2 o ，0 5 3 8英国米 2 o0 61 o1 30 60 5德兰 重盎查堂堡主兰垡堡奎 ! 壁笙 1 3 本课题的研究内容和意义 根据查阅有关资料表明，目前国内外生产的半钢轧辊的化学成分还没有含v 、 t i ，半钢轧辊的研究报道也未见含v 、t i 元素的分析。 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。 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，促使生产工艺的进一步 完善，进而指导实际生产，提高产品质量，对促进冶金轧辊行业的发展和国民经 济的发展都有很大的贡献。 表1 4 ：我国现有及拟建热轧宽带钢轧机概s t 2 1 t a b l e1 4t h es u r v e yl oe x i s t i n ga n d c o m i n gb r o a d - b a n dh o t - r o l l i n gm a c h i n e i nc h i n a 投产时轧机规轧机型年产量卷重 厂名带钢尺寸( m m )轧速m s 间格( m m )，l( 万吨)( t ) 鞍钢 1 9 5 71 7 0 0 半连续 2 3 01 8 8 01 5 0 07 51 0 2 上钢 1 9 7 81 2 0 0 半连续 6 02 0 - - 6 0 1 0 5 061 1 5 一广 1 2 1 2 7 武钢 1 9 7 81 7 0 0 3 4 连续 3 5 03 02 3 3 1 5 5 0 1 5 1 0 o 本钢 1 9 8 01 7 0 03 4 连续3 0 01 08 0 1 5 5 0 1 2 2 5 4 宝钢 1 9 9 12 0 3 0 3 4 连续 4 l o4 4 52 5 。l 1 9 0 0 2 o 1 2 0 攀钢 1 9 9 21 4 5 0半连续1 0 097 5 1 3 0 0 15 1 2 7 梅钢1 9 9 4 1 4 4 2 连续 2 0 02 01 5 8 1 3 0 0 1 8 1 2 7 太钢 1 9 9 41 5 4 93 4 连续1 6 01 6 15 2 1 3 2 0 宝钢计划 2 2 5 0半连续4 0 0 f |1 8 o 首钢计划 2 1 6 0半连续4 0 0 、1 5 9 鞍钢计划 1 7 8 0半连续4 0 0| |2 6 6 合计 3 0 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 冶金轧辊技术基础 2 冶金轧辊技术基础 2 1 冶金轧辊材质及应用 2 1 1 无限冷硬铸铁轧辊【3 j 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，我国型钢精轧杌架轧辊选用较为落后，般选用硬度较大的普 通铬钼无限冷硬铸铁轧辊。 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( 6 5 h s ) ；铬钼冷硬( 6 3 h s ) ；中镍铬球墨无限冷硬( 6 5 h s ) ；低镍铬铝球墨无限冷硬( 6 0 h s ) ；铬铝无限冷硬( 6 0 h s ) 等。 2 1 2 高铬复合轧辊【4 】 高铬复合铸造轧辊采用离心浇注工艺生产，高铬自口铸铁作为工作层，在离心 机大高速旋转下凝固，产生精细的枝状结构。形成的碳化物是m 7 c 3 型，显微硬 度h v l2 0 0 1 6 0 0 ，不同于普通铸铁的m 3 c 渗碳体，显微硬度只有h v 8 4 0 1 1 0 0 ， 这种碳化物的轧辊硬度高而且呈间断性形态，所以不但耐磨性好韧性也强轧 辊温度达4 0 0 c 时。硬度没有明显下降。说明高铬铸铁复合轧辊热稳定性也好。 该种轧辊主要用于热轧工作辊 2 1 3 锻钢轧辊 锻钢轧辊由原来的m c 3 型( 含碳0 8 左右，含铬3 0 左右) 发展到m c 5 型 ( 含碳o 8 左右，含铬5 o 左右) ，前几年还出现过m c 7 型( 含碳0 8 左右， 含铬7 o 左右) 。 现在世界各国大量使用的m c 5 型锻钢轧辊，在使用状态下，轧辊表面的金相 组织以回火马氏体基体上分布有弥散状的m 7 c 3 型碳化物为主。 研究表明：当钢中含碳量在0 8 左右，含铬量大于4 5 时，铬的碳化物以 m ，c 3 型存在，从表2 1 可以看出，这类碳化物的硬度较高。当含铬量再继续提高 时碳化物的形态不变，但过多的合金含量反而会对金相组织、成分偏析等带来 不利影响。m c 7 型的锻钢冷轧工作辊不能大量推广应用可能与成分中台金含量过 多，导致显微组织不利变化有关。 锻钢轧辊主要用于冷轧工作辊。 2 1 4 半钢轧辊1 5 】 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 重庆大学硕士学位论文2 冶金轧辊技术基础 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。 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，以次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，辊身基体组织为细珠 光体( 索氏体) ，在基体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。 2 1 5 高速钢轧辊】【7 】【8 9 】 高速钢复合轧辊( h s s - - h i g hs p e e ds t e e l ) 在使用状态下，轧辊表面层的金相 组织为回火马氏体的基体上分布着m c 型先共晶碳化物、m 6 c 共晶碳化物以及在 高温下有较高硬度的基体组织构成。表2 1 为轧辊中常见碳化物的硬度和密度，表 2 - 2 为一些h s s 轧辊表层化学成分和制造方法。 热轧使用高速钢轧辊后，在改善钢板表面质量，降低轧辊消耗和由于减少换辊 次数而增加轧机运转率等几个方面均取得了满意的结果。通常，高速钢复合轧辊 的使用寿命比目前仍在使用的高铬铸铁复合轧辊至少延长2 倍1 9 】【l o l ，有报道表明， 高碳高速钢轧辊( c ：3 0 ，v ：t 0 o ，c r ，m o ，w ) 的使用寿命是高铬铸铁轧 辊的5 倍1 7 j 。在高速钢复合轧辊的制造技术上，目前的主要问题是碳化物较粗大， 甚至出现局部熔化现象，使辊芯强度显著降低，轧辊使用中易出现断辊现象，以 及用离心铸造时容易产生比重偏析。 表2 1 ：轧辊中常见碳化物的硬度和密度8 1 t a b l e2 1t h e r i g i d i t ya n dd e n s i t yo f f a m i l i a rc a r b i d ei nr o l l e r 碳化物硬度( h v )密度( g c m 3 ) t i c3 2 0 04 9 3 v c2 6 0 05 8 1 w c2 4 0 0 1 5 7 7 n b c2 4 0 07 7 6 c r 7 c 3 1 6 0 0 1 8 0 0 6 9 2 m 0 2 c 1 5 0 09 2 0 f e 3 c 1 3 4 07 4 0 重庆大学硕士学位论文2 冶金轧辊技术基础 表2 2 ：一些h s s 轧辊表层化学成分和制造方法【8 】 序 cs im nc rm ow vc on i n 备注 号 b l5 2 2 2 2 连续浇注成 a 2 51 01 01 01 0 1 形 0 9 0 7 0 9 5 2 2 4 0 bf 1 4 机架 1 71 ol ，01 5588 8 1 7 o ，7 0 9 3 2 2 4 0 cf 5 6 机架 2 21 o1 o1 558 88 d262 5 6 离心铸造法 我国高速钢轧辊的研究现状【1 l 】【1 2 】 1 3 】1 1 4 】，“8 6 3 ”高速钢轧辊课题组自9 6 年成立 以来，完成了轧辊用高速钢成分设计，确定了热处理制度，测试了基本性能，进 行了对实验装置及复合工艺参数的数值模拟，改造了复合工艺实验装置，开展了 复合工艺实验研究，采用离心复合铸造工艺法制成2 对高速钢辊环，于9 8 年7 月 在通钢高速线材厂预精轧机上进行试用，取得了良好的效果，耐磨性是目前使用 性能最好的贝氏体球铁辊环的4 6 倍，邢台冶金轧辊集团进行了电渣工艺复合高 速钢轧辊的工业试验研究，取得了一定进展。 2 2 最新冶金轧辊的制造工艺【1 4 j 2 2 1 喷射粘接快速凝固法( o s p r e y p r o c e s s ) 【8 】( 1 2 】【1 3 】 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 2 2 热等静压粉末冶金粘结法( ph o t i s o s t a t i cp r o c e s s ) 1 司渊 将5 0 6 0 | lm 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。 重庆大学硕士学位论文2 冶金轧辊技术基础 2 2 3 自热等静压粉末冶金粘结法( c b c ) 旧【1 3 】 与h i p 法相似，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。 2 2 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 ) i 1 2 】i t 3 】 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。 2 2 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 g p r o c e s sf o r c l a d d i n g ) t 1 】【1 2 1 3 】【1 4 】【2 踟 将轧辊芯垂直安放在水冷铸型中心，向配置在铸型上的耐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挝拔，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。为保证内外层熔附良好，轧辊芯上要用预热线圈进行适当女a 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，能得到高的结台强度，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 属化合物上浮：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，电可 修复i e i 车l 辊；生产成本低，比电渣重熔堆焊减少i 倍，比埋弧焊堆焊法少2 倍。 2 2 6 粉末冶金环铸造辊芯法( c i c ) t 1 2 】【1 3 1 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 3 小结 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。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。 复合技术是当今世界流行的轧辊制造技术，轧辊制造技术还将不断发展。 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 4 本文的创新点 通过有关文献对v 、t i 在钢中的作用机理分析，v 、t i 在锶中主要以碳化物、 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 重庆大学硕士学位论文2 冶金轧辊技术基础 时起到抑制奥氏体晶粒长大的作用，达到细化晶粒的固溶强化作用，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v 、t i 半钢轧辊在工业生产中的开发与应用，对“v 、 t i 半钢轧辊组织性能”进行初步的研究，寻求这种轧辊材质的理论支持。 重庆大学硕士学位论文 3 钒、钛半钢轧辊组织性能的理论研究 3 钒、钛半钢轧辊组织性能的理论研究 3 。lv 、t i 对半钢轧辊组织性能的作用 3 1 1v 、t i 在铸钢中的作用机理【2 9 】3 1 】 v 、t i 元素的析出相和国溶是强化铸钢的主要原因。v 主要以析出相和固溶 方式存在于铸钢中，并有少量钒铁块状化合物；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 s ；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t i c ，t i n ，t i ( c ，n ) 存在于铸锅基体之中。 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0 1 o 5 时，其析出相颗粒直径大多数为1 0 2 0 r i 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 主要为圆形、近圆形和椭圆形。 v 的析出相以钉扎一样沉淀在铸钢的铁素体晶内、晶界上和珠光体中的铁 素体上。析出相和固溶作用细化铸钢的铁索体、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 。 v 促进珠光体的形成，当v 在o 3 时，珠光体的增加2 0 ；当v 在0 5 以上时，珠光体量从原来的5 增加到2 0 一- 4 0 ，并强化和细化珠光体，且能细 化a 型石墨，促进过冷而形成d 型石墨。v 是强化铸钢的元素，随v 含量的增加， 铸钢的抗拉强度也随之增加。在普通铸钢中，每增加0 1 v ，强度提高1 0 - - 2 0 m p 。 在小于0 5 v 的铸钢中，钒不易形成块状化合物。当含钒铸钢中加入o 0 1 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化合物。 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。 含钒铸钢具有强度高、耐磨、耐热的特点，o ；和o 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。 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合金元素来看，钛与碱、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士，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 1 0 重庆大学硕士学位论文 3 钒、钛半钢轧辊组织性能的理论研究 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 在冷却速度低的大线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 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，其熔点高达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。 n 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 小i 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。 3 1 2v 、t i 对半钢轧辊组织性能影响的理论研究 半钢轧辊性能介于钢与铁之间，但更倾向于钢，综合上述分析，可推断v 、t i 在半钢轧辊中的作用与在钢中相似。于是本文提出以下观点：v 、t i 半钢轧辊的组 织性能优于不含v 、t i 合金半钢轧辊，v 、t i 在半钢中起固溶强化和析出强化作用， 含v 、t i 半钢轧辊比不含v 、t i 半钢轧辊具有更好的耐磨性和抗热裂性能，含v 、 t i 半钢轧辊的抗事故能力比不含v 、t i 半钢轧辊强。 3 2v 、t i 半钢轧辊的常见化学成分2 7 】 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， 重庆大学硕士学位论文 3 钒、钛半钢轧辊组织性能的理论研究 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 1 5 、n i 2 o 2 5 、 m o o 6 0 8 ) 半钢轧辊，辊身工作层基体组织中的碳化物( 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 t 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： = 5 8 3 + 5 4 9 s i + 5 0 p + 0 4 1 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 点向左移向含碳量低的一方。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 在合金半锶轧辊铸态组织中存在有严重的铬元素的偏析，因雨随着铬含量的增加， 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。 重庆大学硕士学位论文 3 钒、钛半钢轧辊组织性能的理论研究 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 t 曲线大大的右移，位置也尉烈下降。因此，在制造耐磨 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量。 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秘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0 1 2 0 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 半钢轧辊基体组织为珠光体时，通常含镍量在0 2 以上。 钼 铝是缩小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0 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铝量控制在 0 6 0 8 范围内。 3 3 钒钛半钢轧辊的热处理工艺研究【2 7 】 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 使合金元素的原予充分扩散。所以，扩散退火的特点是温度高、时间长。 台金半钢轧辊化学成分中通常含有1 4 2 3 碳和0 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，锣 碳相图上的s 点、e 点左移，馊发生共晶 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，将析出典型的莱氏体组织) 。当继续冷却达至0 a r c m 重庆大学硕士学位论文 3 钒、钛半钢轧辊组织性能的理论研究 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”析出， 使一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 析出易于在晶界形核，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一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 。c 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 0 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，一次碳化物中部分粗大块状碳化物的面积有所减小，这一现象可以 解释为，那些以一次碳化物为“靠背”依附在一次碳化物上析出的二次碳化物可 能溶解掉了。 根据以上分析，合金半钢轧辊在1 0 4 0 1 0 6 0 。c 温度下进行高温扩散退火时，不 仅可以改善化学成分的偏析程度，而且改善了碳化物的形态及其分布特征，有助 于提高合金半钢轧辊的综合使用性能。 球化退火 对合金半钢轧辊迸行球化退火，目的是降低辊身硬度，便于机加工。球化退火 后辊身工作层的基体组织是球化体( 粒状珠光体) 。生产实践表明，球化退火的关 键工序是奥氏体化的加热工艺，其工艺特点是低温、长时间加热，球化退火加热 温度t = a c l + 2 0 5 0 。c ，即在a l a c m 之间的两相区加热。因此，球化退火很难 改变碳化物的形态及其分布特征。 正火和回火 正火热处理是完全奥氏体化加共析转变的过程。其工艺制度就是将合金半钢轧 辊加热到临界点以上( a c m + 3 0 5 0 。c ) 温度进行保温，充分奥氏体化，然后进行 喷雾淬火或吹风冷却。