（材料加工工程专业论文）轧辊用高速钢复合变质及热处理工艺研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 铸造高速钢轧辊材料碳含量及合金元素含量都较高，形成的碳化物种类也较 多。在离心铸造过程中，这些碳化物因比重不同会出现偏析，造成轧辊辊身沿径 向的性能不均；同时，有些碳化物沿初生奥氏体晶界析出，从而造成组织中有沿 晶界连续分布的网状碳化物，导致轧辊的使用性能严重下降。因此，消除偏析和 破碎沿晶界连续分布的网状碳化物是提高离心铸造复合高速钢轧辊综合性能的 有效途径对于轧辊高速钢而言，合理选材、采用合适的变质方式及热处理工艺， 可以节约大量辊材，提高轧辊质量，降低轧钢生产成本。 本文在实验室条件下，针对离心铸造高速钢轧辊制造问题，重点研究了化 学成分选择、复合变质及热处理对轧辊用高速钢的显微组织及力学性能的影响 针对钨元素密度较大、相对偏析严重的问题，在高速钢的成分设计中，降低了 钨的含量，设计了高钼高钒高速钢成分。利用金相显微镜及高倍视频显微镜 ( h s v m ) 等手段，研究了采用k n a 、m o 、v 复合变质处理的高速钢的组织 变化。结果表明：高速钢经复合变质处理后，晶粒得到细化，初生奥氏体呈等 轴晶形式，同时碳化物形貌发生显著变化，网状共晶碳化物断裂，产生较多块 状及颗粒状碳化物且分布均匀；1 铀：n a m o - v 复合变质处理后，高速钢的组 织最好。 研究7 淬火温度、冷却方式、回火温度和回火次数等工艺条件对高钼高钒 高速钢组织和性能的影响。发现在油冷、盐冷及空冷淬火条件下，低于1 0 2 5 的范围内，高速钢的硬度随着温度的升高而增加：超过1 0 7 5 c ，随淬火温度升 高硬度降低。高速钢盐冷淬火既有较高的淬透性，又不易出现裂纹。1 0 5 0 1 0 5 盐冷淬火较好，在此条件下，高速钢5 2 5 回火后硬度达最大值，两次回火 可以满足要求，三次回火后，硬度反而降低。最优热处理工艺为：1 0 5 0 1 0 7 5 5 0 m i n ( 三次) ，盐冷+ 5 2 0 5 3 0 3 5 h ( 两次) ，空冷。 力学性能测试结果表明：高速钢经1 0 k n a - m o - v 复合变质和淬火、回火 热处理后，硬度及红硬性变化不明显，但冲击韧性和耐磨性较高，具有优良的 综合性能。 关键词：轧辊用高速钢；k n a - m o v 复合变质；组织；热处理；性能 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e c a s t i n gh ig ：h - s p e e ds t e e l ( h s s ) r o l l sc o n t a i nh i g hc a r b o na n dal a r g ea m o u n t o fa l l o ye l c n l e n t s , w h i c hr e s u l t si nd i f f e r e n tk i n d so fc a r b i d e s d u r i n gc e n t r i f u g a l c a s t i n gp r o c e s s ，t h ec a r b i d e sw o u l ds e g r e g a t ed u et od e n s i t yv a r i a t i o n , s ot h e p r o p e r t i e so ft h er o l l sw o u l db c c o l u cu n h o m o g e n e o mr a d i a l l y m e a n w h i l c , s o m t ： c a r b i d e sd i s t r i b u t ea l o n gt h eb o u n d a r yo f a u s t e n i t eg r a i n sw h i l et h e y a p r e c i p i t a t i n g f r o mt h el i q u i dp h a s e , w h i c hl e a d st ot h eo m e r g e n e oo fc o n t i n u o u sn e t w o r ko f c a r b i d e sa ll o o mt e m p e r a t u r e , a n dt h i sw o u l dc 棚ma8 c v 雠d e c l i n eo fr o l l s p r o p e l t i c s t h u si ti s 锄e t t i e i e n ta p p r o a e l at oi m p r o v er o l l s p r o p e r t i e sb yp r e v e n t i n g s e g r e g a t i o na n db r e a k i n gt h en e t w o r ko fc a r b i d e sd i s t n b u t i n ga l o n gt h eg r a i n b o u n d a r i e s a n dr e a s o n a b l es e l e c t i o no fm a t e n i a l s , m o d i f i c a t i o na n dh e a tn a 劬a 嚏 c o u l ds a v eal a r g en u m b e ro fr o l lm a t e r i a l s , r e d u c ep r o d u c t i o nc o s to f r o l l i n ga n d i m p r o v eq u a l i t ya n do u t p u to f r o l l s i nv i e wo ft h ep r o b l e me x i s t i n gi nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fc e n t r i f u g a l c a s t i n gh s sr o l l s ，t h ee f f e c t so fe l a e m i e a lc o m p o s i t i o n , m o d i f i c a t i o nt r e a t m e n ta n d h e a tt r e a t m e n to fh s s0 1 1t h em i e r o s t r u e t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e 犯 i n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s d u et oi t sh i g hd e m i t ya n ds e v e r es e g r e g a t i o n , t h ea m o u n t o ft u n g s t e nw a f tr e d u c e di nc o m p o n e n td e s i g na n dh i g h - s p e ( x ls t e e lc o n t a i n i n gh i g h m o l y l x l c n u ma n dv a n a d i u mh a db e e nd e v e l o p e d t h ee f f e c to fk n a , m oa n dv c o m p o u n dm o d i f i c a t i o no nt h em i e r o s m m u r eo fh s sw a si n v e s t i g a t e du t i l i z i n g o p t i c a lm i c r o s c o p ea n dh i 8 c o p ev i d e om i c r o s c o p ef f i s v m ) t h ei 髓u l t ss h o w e d t h a tt h eg r a i ns i z ow a sr e f i n e d , t h ep r i m a r ya u s t c n i t eb e c a m ee q u i a x e da n dt h e m o r p h o l o g yo fc a r b i d e sw a sc h a n g e dg r e a t l ya f t e re o m p o t m dm o d i f i c a t i o n t h e n e t w o r ko f o u t c e t i cc a r b i d e sw a sb r o k e n , m a n ym a s s i v ea n d g r a n u l a rc a r b i d e s 、m e p r o d u c e da n dd i s t r i b u t e dh o m o g e n e o u s l y t h eh i g h s p 吧e ds t e e lm o d i f i e db y 1 o k ，n a m o vh a st h eb e s ts t r u c t u r e i nt h i st h e s i s ，t h ee f f e c t so fq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e , c o o l i n gp a t t e r n , t e m p e r i n b s n c c i t e m p e r a t u r ea n dt i m e sh a v ea l s ob e e nr e s e a r c h e d i nc o n d i t i o n so fo i lc o o l i n g , s a l t b a t ha n da i rc o o l i n g , t h eh a r d n e s so fh i g h - 印e e ds t e e li n c r e a s e da l o n gw i t ht h e i n c r e a s i n go f q u e n c h i n gt e m p e r a t u r eu n d e r1 0 2 5 a n dt h ev a r i a t i o na b o v e1 0 7 5 h a da no p p o s i t et e n d e n c y i nc o n d i t i o no fs a l tb a t h , t h eh i g h s p e e ds t e e lh a dh i g h h a r d e n a b i l i t ya n dw a sn o tp r o n et oc r a c k i n g a n dt h eo p t i m a lq u e n c h i n gw a ss a l t b a t hh a r d e n i n gf r o m1 0 5 0 1 0 7 5 c i nt h i sc o n d i t i o n , t h em a x i n l u mt e m p e r i n g h a r d n e s sw a so b t a i n e da t5 2 5 c s e c o n dt e m p e rw a sa b l et os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t o fh s sr o l l ，w h i l et h eh a r d n e s sd e c r e a s e da f t e rt h i r dt e m p e r i tw a sf o u n dt h a tt h e o p t i m u mh e a tt r e a t m e n tw a s s a l tb a t hh a r d e n i n gt h r i c ef r o m1 0 5 0 1 0 7 5 f o r5 0 m i n u t e sa n dt e m p e r i n gt w i c ea t5 2 0 5 3 0 cf o r3t o5h o u r s ，t h e na i r - c o o l i n & 皿er e s u l t so fm e c h a n i c a lp r o p e r t ym e a s u r e m e n ts h o w e dt h a t , a f t e rq u e n c h i n g a n dt e m p e r i n g , t h eh a r d n e s sa n dr e d - h a r d n e s so ft h eh i g h s p e e ds t e e lm o d i f i e db y 1 i n a - m o vc h a n g e dal i t t l e , b u tt h ei m p a c tt o u g h n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c ew o l f l a r g e l yi m p r o v e d , a n dt h eg o o dp e r f o r m a n c e sw o r eg a i n e 正 k e yw o r d s ：h i g h - s p e e ds t e e l ( h s s ) u s e df o rr o l l s ；k n a - m o - vc o m p o u n d m o d i f i c a t i o n ；s t r u c t u r e ；h e a tl r e a t m e n t ；p e r f o r m a n c e t v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：堡盆丝日期： 训7 堂2 多 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：焦坌丛导师签名：日期：丛互! ：，； 山东大学硕士学位论文 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 当前，在钢材生产中，板带钢的产量占据首位。钢板( 钢带) 是一种宽厚比 和表面积都很大的矩形截面钢材。通常成张交货的称为钢板。也称平板；长度很 长、成卷交货的称为钢带，也称卷板。钢板成张交货，钢带成卷交货。钢板有很 大的覆盖和包容能力，可作屋面板、苫盖材料以及制造容器、储油罐、包装箱、 火车车厢、汽车外壳及工业炉窑壳体等：可按使用要求进行剪裁与组合，制成各 种结构件和机械零件，还可制成焊接型钢，进一步扩大钢板的使用范围；可以进 行弯曲和冲压成型，制成锅炉、容器、冲制外壳、民用器皿及器具，还可用作焊 接钢管及冷弯型钢坯料等。从近二十多年来带钢的发展看，在钢铁生产中，板带 钢具有经济上和技术上的重要性【在世界范围内，各工业化国家板带钢不仅在 产量上不断增加，而且对质量的要求也在不断提高。这表明，板带钢的生产无论 对钢铁工业还是对钢材加工业都有越来越重要的意义。 我国是一个钢铁大国，而轧钢又是钢铁生产中的一个重要领域，轧制产品质 量的优劣直接影响到我国同其它国家在国际市场上的竞争力。目前，我国的板带 钢产量及其在钢材生产中所占比例远远低于世界上发达工业化国家的平均水平， 在轧制产品质量和精度方面也存在一定差距，而轧制产品质量的好坏与轧辊技术 的发展密切相关。 轧辊是钢铁厂轧制钢板( 钢带) 的重要工具，也是轧制生产中的主要消耗备 件之一，其性能好坏直接影响轧材的表面质量和生产的成本，在轧钢生产中占有 重要地位在热轧厂中由于薄板和高强钢板量的增加，轧制条件变得更加复杂苛 刻。并且，人们已经越来越多地认识到钢板表面状况对钢板性能的重要性。这些 条件要求轧辊具有高硬度、优良的耐磨性和低表面粗糙度因此，以提高热疲劳 特性和耐磨性为特征的高速钢轧辊正在替代传统的高铬铸铁辊【2 捌 高速钢是一种富含碳( c ) 、钨( w ) 、铝( m o ) 、铬( c r ) 、钒( v ) 等元 素的高合金钢，热处理后具有高热硬性。当切削温度高达6 0 0 1 2 以上时，硬度 仍无明显下降，用其制造的刀具切削速度可达每分钟6 0 米以上，因此得名。高 第一章绪论 速钢按化学成分可分为普通高速钢及高性能高速钢，按制造工艺可分为铸造高 速钢、锻造高速钢及粉末冶金高速钢等高速钢用作轧辊材料，目的是在热轧 过程中使轧制的板材具有均匀的厚度和一致的表面形状，从而提高轧制板材的 质量和延长轧辊寿命m 2 0 世纪9 0 年代以来，世界轧辊发展取得的最令人瞩目并产生巨大经济效 益的项目是铸造高速钢系列轧辊的研制成功。铸造高速钢轧辊在热带连轧机精 轧前架上使用，其寿命是高铬铸铁轧辊的3 倍，它在组织和性能方面都显示出 明显的优势。 尽管高速钢轧辊正式用于工业生产仅有十多年的时间，但国外发展迅速。 目前己在热轧和冷轧生产中获得了广泛的应用日本是最早使用高速钢轧辊的 国家，现在几乎所有的热带连轧机精轧前架都使用了高速钢轧辊；欧美各国也 在这些轧机上大量使用高速钢轧辊。经过多年的研制、开发和使用，他们已经 积累了丰富的知识和经验，走在了世界的前列 相比之下，我国高速钢轧辊的研究还刚刚起步，国产高速钢轧辊的品种、 规格、性能和制造方法与国外先进水平相比，还存在相当大的差距。而且，由 于高速钢轧辊成本高、生产工艺复杂及使用技术尚待完善，在推广时受到轧机 形式、轧制产品种类、成本及使用条件等因素的影响，限制了它的应用。 复合轧辊正逐步向高速钢复合轧辊发展，预计高速钢轧辊将会完全取代目 前广泛使用的高铬铸铁轧辊。为了在轧辊技术上赶超世界先进水平，必须加快 我国高速钢轧辊的研制与开发。 提高高速钢轧辊的使用寿命和降低生产成本是当今轧钢领域的重要研究课 题。影响轧辊使用寿命的因素很多，轧辊的消耗不仅与钢材产品品种、轧制工 艺技术、轧机设备状况、轧辊选材及轧辊管理水平有关，还与轧辊的制造技术， 尤其是轧辊新材料的开发应用等因素有关。因此，研究高速钢轧辊材料的化学 成分、组织结构及性能具有重要的理论价值和工程应用价值。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 轧辊的发展及研究现状 1 2 1 轧辊材质的发展趋势 在6 0 年代之前，热轧带钢工作辊材质采用无限冷硬铸铁，6 0 年代使用半 钢，7 0 年代使用高铬铸铁，到8 0 年代末开始采用高速钢。从总的发展趋势看， 轧辊材质的合金含量逐渐增加，合金化程度越来越高。图1 1 为轧辊的工作示 意图。 图1 i 轧辊工作示意图 f i 9 1 iw o r k i n gd i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t h er o l l 轧辊材料的发展和选用，主要着眼于提高辊身的耐磨性能，在轧辊辊身表 面的组织中形成硬度较大的碳化物。早期使用的轧辊以m 3 c 型碳化物为主， 如f e 3 c 等后来加入合金元素铬、镍等，碳化物形态有所变化，以m t c 3 型为 主，如c r ? c 3 等。目前正在研制及迅速推广的高速钢( h s s ) 复合轧辊，在使 用状态下，轧辊表面层的金相组织主要由m c 型先共晶碳化物、m 6 c 型共晶碳 化物以及在高温下有较高硬度的基体组织构成。表1 1 列出了轧辊中常见的碳 化物的硬度和密度的数值。 提高轧材的质量、精度和降低成本是当今轧钢技术不断努力的方向。以带 钢轧制为例，交叉轧制( p c 轧机) 、弯辊技术、多辊轧机、低温及大压下量轧 制及连铸连轧短流程等技术对轧辊耐磨性、强度及韧性等性能提出了更高的要 求1 6 , 7 。 第一章绪论 表1 1 轧辊中常见碳化物的硬度和密度 t a b l e l 1 h a r d n e s sa n dd e n s i t yo f c o m m o nc a r b i d e si nr o i l s 1 2 2 国内外发展情况 8 0 年代以前，锻造高速钢轧辊已经开始用于多辊轧机的中间辊和工作辊， 但高速钢大型铸锭不但锻造和热处理难度极大，而且极易因组织的不均匀等缺 陷影响轧辊的性能嘲。因此，锻造高速钢轧辊的研究和推广应用进展十分缓慢 【9 1 0 ，l 。 铸造高速钢热轧轧辊最早是在1 9 8 8 年由日本人研制成功并在热带连轧机 上使用的，美国在2 0 世纪9 0 年代初开始引入高速钢轧辊，欧洲起步相对较晚 忉。目前，世界上包括日本新日铁公司、美国i n l a n d 钢公司及加拿大d o f a s c o 公司等数十家钢铁企业已应用了高速钢复合轧辊，并取得了可喜的成果。 1 9 9 6 年在英国召开的“轧辊2 0 0 0 年”学术交流会，探讨了世界轧辊的现状及 2 l 世纪的发展趋势。会上提供的资料表明，高速钢轧辊是今后一个时期内的发展 方向l 埘。据报道【1 3 1 4 t 嘲，日本新日铁公司用c p c 法生产的高速钢复合轧辊具有极 高的耐磨性，见表1 2 。使用高速钢轧辊后，辊耗明显下降，换辊次数显著减少， 轧辊研磨量减少，轧机能力提高，燃料和动力消耗降低，有助于降低轧制成本和 提高带钢质量。 日本川崎制铁公司知多厂在连续轧管机组上试用了高速钢轧辊，其成分如 下：2 3 c ，5 8 c r ，5 7 v ，1 3 n b 。结果表明，使用球墨铸 铁轧辊时，孔型底部的平均粗糙度( r a ) 随着轧制量的增加而增加，轧制2 0 0 0 根后需换辊；使用高铬铸铁轧辊时，在轧制初期r a 随着轧制量的增加而增加，其 山东大学硕士学位论文 后r a 变化不大；而使用高速钢轧辊后，从轧制初期开始，r a 就稳定在较低值， 可以连续轧制1 2 0 0 0 根钢管。因此，使用高速钢轧辊可大幅度提高轧辊使用寿命 并降低轧辊消耗 表1 2 新日铁公司各种轧辊的辊耗比较| 】 t 曲k i 2 c o m p a r i s o no f r o l l s c o n s u m p t i o ni nn i p p o ns t e e lc o r p 加拿加f a s c o 公司自1 9 9 3 年试用铸造高速钢轧辊以来，使用比例不断提高， 目前f 2 、f 3 和f 4 机架上已全部采用铸造高速钢轧辊，使用高速钢轧辊后，轧辊 消耗明显减少，轧机作业率明显提高，f 4 机架的平均过钢量从1 9 9 2 年6 月的3 6 0 t h 提高到1 9 9 4 年1 1 月的4 9 0 t h ，带钢表面质量提高t 2 0 l 嘲 至1 9 9 2 年，日本日立公司已生产并在轧机上使用1 5 0 支以上的半高速钢复合 轧辊【1 7 】，轧辊直径为2 5 0 6 3 0 m m ，在实际轧制中取得了良好的效果。与常规的 含5 c r 和含1 0 c r 的整体锻钢轧辊相比，半高速钢轧辊的磨损少，疲劳层浅。 因而轧辊消耗显著减少，生产相同数量的冷轧带钢，轧辊消耗量仅为5 c r 钢的 2 1 。 近年来，我国也开展了高速钢轧辊的研究。据报道【埘，钢铁研究总院与河北 唐山联强冶金轧辊有限公司共同开发了高速钢复合轧辊。采用普通离心铸造方法 生产，在热轧窄带钢成品机架上使用，轧制2 1 m m 厚、1 2 0 1 8 3 m m 宽的普碳钢 时，轧钢量比原来使用的高镍铬铝无限冷硬铸铁轧辊提高2 5 3 倍，修磨量仅为 原来的1 4 ，其综合使用效果比原来提高l o 倍以上 宝钢也从国外引进了数根高速钢轧辊，其使用寿命达到高铬铸铁轧辊的2 3 倍，在热带钢连轧机组上进行了试用，取得了较好的效果。 综合考查轧辊材质的发展历史，一个明显的趋势就是合金元素的总含量不断 提高，一般可达1 5 以上【1 9 l 。目前，在轧辊材料高合金化方面进行的大量工作就 第一章绪论 是试图用大量细小弥散分布的高硬度碳化物和高稳定性的基体来提高轧辊的性 能。表1 3 列出了不同材质中碳化物的形态和硬度，其中m c 型碳化物的硬度最高 啪l 。 表1 3 不同轧辊材质中碳化物的形态和硬度 t a b l e l 3m o r p h o l o g y a n d h a r d n e s s o f c a r b i d e s i n d i f f e r e n t r o l l s 轧辊用高速钢的成分设计就是围绕如何获得大量均匀、弥散分布的m c 型碳 化物而展开的。h f f i s h l n e i s t e l l 2 1 l 的研究结果表明，高含量的钒和铌( 强碳化物 形成元素) 及高碳对形成m c 型碳化物是有利的。这就决定了轧辊用高速钢不可 能采用常规高速钢，其成分基础应是高碳高钒( 铌) 系高速钢。表1 4 歹i j 出了目 前几种研制中的高速钢复合轧辊外层材料的成分( 质量分数，以下如未专门注明， 均为质量分数) 。 表1 4 高速钢复合轧辊工作层材料成分( 质量分数胼) t a b l e l 4c o m p o s i t i o n o f w o r k i n g l i n i n g i n m g h - s p e e ds t e e lc o m p o u n d r o i l s ( w l ) 1 2 3 轧辊的失效形式 轧辊的主要磨损机理是摩擦磨损在摩擦过程中，显微切削、表面塑性变 形和初始裂纹同时出现，这些由摩擦粒子的形状和硬度所决定 2 2 2 3 1 。此外，由 山东大学硕士学位论文 于轧辊表面受到周期性的加热和冷却产生的热疲劳和氧化磨损、疲劳磨损以及 轧制材料粘着在轧辊表面也会影响轧辊的磨损。在热轧过程中轧辊表面直接和 高温轧制材料接触，由于与轧材、表面碎削和表面粗糙物的摩擦而遭到损坏， 从而导致轧制力的增加和轧制产品表面质量的恶化阱，2 5 】。轧制力的增加归因于 轧辊和轧材间磨擦系数的增加，并且产生了轧制产品尺寸的不精确和一些缺陷。 轧辊的耐磨性可以通过在基体内增加硬度较大的碳化物而得到改善，但是碳化 物同基体的硬度不同，易引起严重的表面不规则，因而恶化了表面粗糙度所 以，合理的基体硬度会同时改善轧辊的耐磨性和表面粗糙度嘲 轧辊在设计寿命期内，除了长期处于法向接触力作用外，还承受切向的摩 擦力的作用轧辊的工作状态是连续转动，这两项荷载为交变荷载摩擦副每 转动一周，轧辊材料微体积上的接触应力和变形就重复一次，这样循环反复作 用，可导致裂纹的产生和扩展，从而可能剥离出微片或者颗粒，这种磨损即疲 劳损伤。疲劳损伤削弱了轧辊的有效截面，刚度退化，其积累到一定程度就有 可能造成疲劳破坏 一般而言，轧辊中常见的失效形式有以下几种： ( 1 ) 裂纹 钢材轧制中轧辊与轧材表面接触而急速加热，同时因水冷又急速冷却的反复 作用，在辊身表面不可避免地产生裂纹。碾压机轧辊在长期使用后或磨削制度不 合理时也会出现微小的疲劳裂纹。 ( 2 ) 辊面剥落 当轧辊产生辊面严重裂纹后未及时清除或轧辊修磨不充分时，极易使辊面裂 纹在高速轧制过程中由外向里发展最终造成剥落。轧辊承受冲击载荷( 尤其热冲 击载荷) 、轧辊工作面压力分布不合理、轧制事故、冷却不充分等因素均可造成 辊面剥落 ( 3 ) 断辊 断辊属于恶性轧制事故，通常由轧机瞬时超载或轧辊冷却条件的突然恶化造 成机械应力或热应力激变引起。 ( 4 ) 表面压痕( 或称辊印) 当轧辊表面硬度低或分布不均匀，再或者轧制时板材表面有硬的质点存在 时，会使轧辊表面形成小的凹痕。 ， 第一章绪论 轧机上所用轧辊根据其类型、质量、服役过程或这些因素的组合等不同原因， 可产生不同的失效方式。轧辊的使用寿命不只取决于轧辊的制造质量本身，与轧 辊的使用、维护也是密不可分的。因此，正确的使用可减少轧辊的非正常损耗， 提高轧机作业率。 1 3 高速钢轧辊的发展及研究现状 1 3 1 高速钢概述 高速钢是高速工具钢的简称在我国冶金工业中一般简称高工钢，民间还称 其为锋钢它虽年产量不大( 近年来，高速钢材世界年产量约2 5 万t ，我国年产 约3 4 万t ) ，但由于成分复杂，合金含量高，生产工艺与性能特殊，价格昂贵， 因此在特殊钢中一直占有独特的地位。高速钢属于高碳高合金莱氏体钢，是特殊 钢中通过特殊热处理获得极高硬度( h r c 6 3 7 0 ) ，并在5 5 0 6 0 0 c 仍可以保持 高硬度( h r c 6 0 以上) 和高耐磨性的耐热耐磨钢类，其主要用于制造各种机床的 切削工具，也部分用于高载荷模具、航空高温轴承及特殊耐热耐磨零部件等 2 7 1 。 1 3 2 高速钢轧辊的特点 高速钢轧辊的特性与碳化物的类型和硬度有至关重要的关系，这些碳化物 包括凝固过程中形成的初晶碳化物和回火过程中从固溶体中析出的二次碳化物 2 8 2 9 , 3 0 , 3 。据报道，在凝固过程中形成的初晶碳化物主要沿晶界分布，并且，甚 至保留到最终的产品中，这会导致轧辊的断裂韧性和热疲劳寿命的降低1 3 2 。 通常高速钢轧辊中含碳大约在1 5 以上，大多数碳与强碳化物形成元素v 、 w 、m o 等结合p 3 j 4 j 5 。剩余的碳大约在o 3 o 6 左右，固溶在基体内，当 碳含量低于0 4 时，形成板条马氏体；当碳含量高于0 4 ，形成片状马氏体p q 2 0 世纪8 0 年代末以前，锻造高速钢轧辊已用于制造多辊轧机的工作辊和 中间辊，使用的是标准类型钨铝高速钢，如美国m 2 、m 4 和高碳类型的t 1 5 等， 其成分见表1 5 7 1 。然而，高速钢大型铸锭不但锻造和热处理难度极大，而且极 易因组织不均匀、偏析和疏松等缺陷影响轧辊性能。此外，高速钢合金含量高， 制成整体轧辊成本高，因此锻造高速钢轧辊的推广使用进展缓慢。 山东大学硕士学位论文 高速钢复合轧辊是利用具有高硬度，尤其是具有很好红硬性、耐磨性和淬 透性的高速钢作为轧辊的工作层，用满足韧性要求的锻钢、铸钢、高强度灰铁 或球铁作为轧辊的芯部材料，把工作层和芯部以冶金结合的方式复合起来的高 性能轧辊。其主要特点如下； ( 1 ) 以往使用的轧辊工作层，其基体上分布的多为m 3 c 型或m 7 c 3 型共晶 碳化物，组织粗大，硬度较低。高速钢轧辊的工作层一般采用高碳、高钒型高 速钢，工作层的基体上分布着高硬度m 6 c 、m c 型碳化物，各种碳化物的形态 和硬度见表1 3 ( 2 ) 高速钢轧辊外层因含有较多的钨、铬、钼、钒等元素，具有较好的热 稳定性( 表1 6 网) ，在高温下具有高的硬度，用作热轧工作辊具有良好的耐磨 性。 表1 6 各种轧辊材料的热稳定性 t a b l e l 6 h e a t - s t a b i l i t yo f a us o r t so f r o l l s ( 3 ) 高速钢轧辊可以采用高强度的锻钢做芯部材料，芯部没有断裂危险， 由此可提高轧辊的弯曲载荷，有利于获得较好的带钢板形。 9 第一章绪论 ( 4 ) 普通轧辊使用初期由于无氧化膜保护，因此在一个轧制周期内初期的 磨损较大，而高速钢轧辊使用中氧化膜能很快形成，同普通轧辊相比高速钢 轧辊的初期磨损较小，这对于提高高速钢轧辊耐磨性是非常有利的。 1 3 3 高速钢轧辊中的主要合金元素 ( 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目前，在高 速钢轧辊的成分设计中，碳的含量一般在1 5 以上，成分范围宽众所周知， 常规高速钢的碳含量只有0 8 左右，而高速钢轧辊的碳含量竟然接近2 ( p o ， 甚至更高，这是因为高速钢轧辊不像一般高速钢工具：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材间的粘着；再次，碳的含量高则固相 线低，而流动性对铸造来说是十分重要的。当然，碳的含量高则奥氏体化温度 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，本来淬火 温度就不易上去，故不能像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 ) 钒它是强碳化物形成元素，当外层高速钢金属液在模型中凝固时， 首先析出的是钒的碳化物钒在高速钢中能明显提高钢的红硬性、硬度和耐磨 性，降低钢的过热敏感性。铸造轧辊一直在大量利用一次碳化物，而一次碳化 物中，碳化钒的形态是最有利的，在体积上也是最有利的。钒比较贵，但出于 对轧辊抗热裂性和减少偏析的特殊考虑，况且由于钒钛碳化物的高硬度，以及 它们对晶粒的细化作用，钒将对高速钢轧辊的耐磨性和强韧性同时做出贡献。 钒对热处理的影响，主要表现在以下几个方面： 1 ) 能细化钢的组织，提高晶粒粗化温度，从而降低了钢的过热敏感性，并 相应提高了钢的强度和韧性，这主要由于m c 型碳化物不易溶解，并且在高温下 不易聚集长大，所以能有效地防止晶粒长大； 2 ) 能增加高速钢淬火后的回火稳定性溶解的钒在提高热硬性和二次硬化 方面，都要比钨更为强烈。这主要由于溶解的钒在回火时析出的碳化物v c ，分 山东大学硕士学位论文 散粒度大，更不易聚集长大： 3 ) 淬火剩余碳化物，随钢中钒和碳含量的增加而增加，所以，耐磨性也随 之明显增加由于钒和碳的结合力强，因此，淬火加热时，其能强烈地影响碳固 溶到基体中的量。为了得到理想的热处理硬度，必须使钒和碳保持一定的关系。 钒的增加，可显著提高钢的热硬性。但当钒的含量超过一定数量时，则硬度值很 快的下降，这是钢中出现6 铁素体所致。 ( 3 ) 钨有几种合金元素可以提高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f e 4 w 2 c 型碳 化物。而共晶的m 6 c 型碳化物在形貌上呈鱼骨状，轧辊淬火温度低，它不易变成 分散态然而，w 2 c 型碳化物的理论密度高达1 7 2 9 c m - 3 ，在高速钢轧辊离心铸 造过程中极易产生偏析，轧辊外层中钨含量高，内层中钨含量低，严重影响轧辊 的使用性能。 钨在高速钢中的原始( 退火) 状态下形成m 6 c 型碳化物，淬火加热时只能部 分溶解，溶解的钨在回火时多以w 2 c 型析出，产生弥散硬化。部分留在回火后的 q 相中，从而提高其高温硬度和抗回火性，而淬火时剩余的相当多的m 6 c ，又可 起细化晶粒作用所以钨首先是强化高速钢的回火马氏体基体。而淬火时在高速 钢基体中，大约固溶7 左右。正是这部分钨赋予高速钢高温硬度以及二次硬化， 从而给予高速钢优良的性能。钨原子和碳原子的结合力大，提高了马氏体的高温 分解稳定性，钨高速钢在4 5 0 c 以上，马氏体才开始分解，温度高至5 5 0 6 0 0 c ， 还能保持马氏体晶格特性，以维持高的硬度。同时也使钨的碳化物在5 0 0 ( 2 保持 极为细小的尺寸，于是提供了钢的二次硬化能力。据文献【3 8 】报道，含钨量过低的 钢，在加热到高温时，出现粗大晶粒，脆性很大，而且低钨高速钢熔点低，淬火 时又要保证溶入足够的钨，所以淬火温度很窄，热处理时必须严格控制温度，否 则易于发生因过热而报废的事故。 ( 4 ) 钼高速钢中钼和钨的作用相近，f e - m o - c 相图和f e - w - c 相图的铁 角非常相似。钼也形成m 6 c 碳化物，同含钨高速钢中的m 6 c 相比，其晶格相 同，晶格参数几乎一样，只是密度较低共晶的m 0 2 c 型碳化物形貌上里棒状 或羽毛状，易于处理成分散态m 0 2 c 的理论密度为9 1 8g c t l l 3 ，从碳化物的 量和偏析来考虑，都比钨有利。 第一章绪论 钼对高速钢的影响也有与钨不同之处，主要表现在以下几方面： 1 ) 由于共晶体是最后结晶的组分，并且分布在6 ( y ) 相的晶界上，而钼 降低高速钢的凝固温度，细化6 ( y ) 相，因此含钼高速钢的共晶组织细小，而 且铝的分布比钨均匀，对改善高速钢韧性是有利的。 2 ) 回火处理时，含钼高速钢从马氏体中析出特殊碳化物的温度低于含钨高 速钢。 3 ) 回火处理时，弥散硬化会降低高速钢韧性，但钼可以阻止碳化物沿晶界 析出，因此含铝高速钢韧性高于含钨高速钢韧性。 4 ) 含钼高速钢中残余奥氏体的稳定性低于含钨高速钢，经过一次回火后即 可完全转变，经过两次回火足以完全消除应力，含钼高速钢可以减少回火次数。 5 ) 钼还具有抑制高速钢轧辊热处理时m 2 c + y - f c - - m 6 c + m c + m t c 3 反应的 作用。 ( 5 ) 铬铬在高速钢中部分存在于m 6 c 型碳化物中，也能够形, i 戎1 m 2 3 c 6 型碳 化物，m 2 3 c 6 能在较低的淬火温度下完全溶解，使固溶体达到碳铬饱和，而不影 响晶粒尺寸。铬还能促使奥氏体中的m 6 c 更完全的溶解，从而提高高速钢的淬硬 性和红硬性。此外，高速钢在4 5 0 5 2 5 c 回火时，一部分铬从马氏体中析出，促 进弥散硬化，另一部分铬保留在固溶体中，以阻止加热到较高温度时软化，加入 3 4 铬可以得到稍高的二次硬度。铬在高速钢中还可以减少氧化铬含量过 高，多余的铬参与回火时沉淀析出的碳化物的形成，这种含铬碳化物在较低温度 时容易析出，降低高速钢的热稳定性。含铬量低的轧辊由于基体优先磨损和轧材 粘附在辊表面的缘故，使用中辊表面易变得粗糙，增大了轧制摩擦系数和轧制力。 增加铬含量，使轧辊中含有一定数量的m 7 c 3 型碳化物，对改善辊面抗粗糙性， 降低轧制力是有益的。铬含量提高，还有利于改善高速钢轧辊的抗热冲击能力 1 3 4 高速钢轧辊的翩造方法 目前国内外工业生产中较常见的高速钢热轧轧辊的生产方法有：离心铸造法 ( 简称c f 法) 、连续浇铸复合铸造法( 简称c p c 法) 、旋转电渣熔铸法( 简称e s r 法) 、液态金属电渣熔接法( 简称e s s l m 法) 、热等静压法等，此外也可采用喷 射成型法来生产复合轧辊【3 9 , 4 0 山东大学硕士学位论文 1 3 4 1 离心铸造法 离心铸造法的主要特点是将外层材料和芯部材料以一定时间间隔浇入铸型 内。控制离心旋转时间，芯部铁液浇注间隔时间、浇注温度及防止内层材料和外 层材料之间界面氧化是此类轧辊制造成败的关键。欧洲和北美普遍采用这种方法 生产h s s 轧辊。 采用离心铸造法制造高速钢复合轧辊，其设备简单，成本低，但生产工艺参 数要求较高，存在着相当多未解决的关键技术问题。由于高速钢中含有较多的w 、 m o 、c r 、v 等合金元素，而这些元素及其形成的碳化物密度差别很大( 见表1 7 ) 4 1 1 ，在普通离心铸造条件下，高速钢轧辊合金元素偏析严重，外层v 含量低，而 w 、m o 含量高，内层正好相反。 表1 7 高速钢中常见元素和碳化物密度 t a b l e l 7 d e n s i t yo f c o r m n o n e l e m e n t sa n dc a r b i d e si nk g h - s p e e ds t e e l 由于离心铸造的特殊性，无论如何设计轧辊的外层成分，外层材料总是存在 着一定的不均匀性，虽然采用三层结构能改善界面结合状态和提高芯材强度，但 同时又增加了工艺复杂程度，从提高外层材料耐磨性出发，希望提高淬火温度， 但淬火温度高会使界面烧损，而且芯材所用的铸造材料，其强度己不适应某些轧 机( 如m e 轧机) 的要求。不过由于离心铸造法的优点相当突出，而且生产成本 较低，通过合理设计合金成分和工艺参数所生产的高速钢复合轧辊可以满足大多 数轧机的需要，因而在相当长的一段时间内离心铸造高速钢复合轧辊仍将处于主 要地位 第一章绪论 1 3 4 2 连续浇铸复合铸造法 为克服离心铸造高速钢轧辊的偏析缺陷，日本新日铁公司开发了高速钢 轧辊的连续浇铸复合铸造法( c p c 法) 4 2 1 ，如图1 2 所示。 磕 预热 箨却承出 图1 2c p c 法制造高速钢复合轧辊示意图 f i 9 1 2 c p cm e t h o do f m a n u f a c t u r i n gh i g h - s p e e ds t e e lc o m p o u n dr o l l , 其基本原理是把作为轧辊外层材质的钢水浇铸到垂直竖立的芯棒( 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，连 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更好地熔合，通过 电磁感应加热对钢水和芯棒供热。 用c p c 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。用 c p c 法制造高速钢复合轧辊，不仅克服了常规离心铸造方法所产生的合金元素偏 析，而且新的复合轧辊芯部可采用高强度锻钢，辊芯具有较高的强度，这也是离 心铸造方法所做不到的目前世界上只有日本新日铁公司成功地掌握了c p c 法生 产h s s 辊的制造技术。在日本6 0 7 0 的h s s 轧辊用c p c 方法生产，3 0 4 0 h s s 辊用离心铸造方法生产目前，国外c p c 法已实现了工业化，日本日新制 钢所设计的一套c p c 装置，其设计能