（材料学专业论文）热处理工艺对轧辊用高速钢显微组织和性能的影响.pdf

武汉理丁大学硕七学位论文 摘要 随着工业生产对轧件精度要求的提高，轧辊质量在很大程度上影响轧材质 量。为提高轧辊寿命，改善轧辊质量，开发新的轧辊用钢及改善轧辊生产工艺 是科研工作者的面临的重要课题。因高速钢具有高硬度、很好的红硬性、耐磨 性和淬透性等优点，近年来将高速钢用于制造新一代复合轧辊，高速钢轧辊逐 步在轧钢行业获得了广泛应用。 由于轧辊用高速钢组织中高度弥散于晶粒内部的高硬度碳化物和晶界析出 的共晶碳化物对轧辊的硬度、稳定性和耐磨性起关键作用。故优化高速钢轧辊 的热处理工艺就显得尤为重要。本文设计了不同的高速钢热处理工艺，并通过x 射线衍射，扫描电子显微镜，能谱仪以及硬度测试等方法对不同热处理工艺处 理下的显微组织和性能进行了研究，重点研究了1 0 5 0 c 淬火后的不同回火工艺， 对回火后组织中的残余奥氏体，碳化物等含量进行定量分析，最后通过方差分 析确定最优化回火工艺。 试验结果表明：铸态高速钢在8 4 0 1 2 保温4 h + 7 3 0 c 保温6 h 退火后，其硬度 降至h r c 3 4 2 ，易于切削加工；经1 0 5 0 空淬后，组织细小，硬度较高；轧辊用 高速钢在淬火温度为1 0 5 0 - 1 1 0 0 淬火时，硬度值最高；1 0 5 0 c 空淬、不同回火 工艺下，影响残余奥氏体的主次因素是：回火次数 保温时间 回火温度；影响 碳化物的主次因素也是：回火次数 保温时间 回火温度；而影响晶粒大小的主 次因素是：保温时间 回火温度 回火次数：影响硬度主次因素是：回火温度 回 火次数 保温时间。1 0 5 0 油淬后影响碳化物的主次因素是：回火温度 保温时 间 回火次数。在影响残余奥氏体、晶粒大小和硬度的主次因素规律上完全相同。 研究发现：1 0 5 0 空淬下，最优回火工艺为5 5 0 x 3 h x 3 次；1 0 5 0 油淬下， 最优回火工艺为5 5 0 l h x 3 次。经s e m 分析，1 0 5 0 空淬、4 5 0 回火长时间 保温后，基体中出现大量的羽毛状上贝氏体；油淬下，回火温度升到5 5 0 时， 基体中的上贝氏体更为明显。由能谱分析知：本文所用高速钢组织中，初生团 状或块状碳化物为m c 型碳化物v c ；二次颗粒状碳化物为m c 型或m c m 2 c 复合型碳化物，其主要元素为v 和m o 。该工艺下，高速钢复合轧辊的性能能够 满足轧钢工业的需要，并且其结果分析为工业生产提供了科学依据。 关键词：高速钢，轧辊，热处理，残余奥氏体，微观组织 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o nt ot h ea c c u r a c yo ft h e r e q u i r e m e n t so ft h er o l l e dp i e c e ，t h eq u a l i t yo fr o l l sa f f e c t e dt h eq u a l i t yo fr o l l e d m e t a lt oal a r g ee x t e n t t oe n h a n c et h er o l l i n gl i f ea n dt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f r o l l s ，h o wt od e v e l o pan e w k i n do fs t e e lf o rr o l l sa n di m p r o v et h ep r o d u c t i o np r o c e s s o fr o l l si san e w q u e s t i o nf o rt h ep e r s o n sw h os t u d yo nr o l l s o w i n gt ot h eh i g h s p e e d s t e e lh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hh a r d n e s s ，e s p e c i a l l yb e t t e rr e dh a r d n e s sa n d w e a r - r e s i s t a n c e ，a sw e l la se x c e l l e n th a r d e na b i l i t y i nr e c e n ty e a r s ，t h eh i g h s p e e d s t e e li su s e df o rt h em a n u f a c t u r eo fan e wg e n e r a t i o no fc o m p o u n dr o l la n dw i d e l y u s e di nr o l l i n gi n d u s t r yg r a d u a l l y t h ec a r b i d e so fh i g hh a r d n e s sd i s p e r s e di nt h eg i a i n sa n dt h ee u t e c t i cc a r b i d e s f r o mt h eg r a i nb o u n d a r yp l a yac r i t i c a lr o l ef o rt h eh a r d n e s s 、s t a b i l i t ya n dw e a l r e s i s t a n c eo fr o l l sf r o mt h eo r g a n i z a t i o n so ft h eh i g h - s p e e ds t e e l s oi ti sv e r y i m p o r t a n tf o rt h ec h o i c eo ft h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so fh i g h - s p e e ds t e e lr o l l t h e t h e s i sd e s i g nt h ed i f f e r e n th e a tt r e a t m e n tp r o c e s so fh i g h - s p e e ds t e e la n ds t u d yt l l e i r m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sb yt h ew a yo fx r d ，s e m ，e d sa n dh a r d n e s s m e a s u r e m e n te t a l ，a n ds t u d ye m p h a t i c a l l yt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h er e s i d u a l a u s t e n i t ea n dt h ec a r b i d e si nt h eo r g a n i z a t i o n su n d e rt h ed i f f e r e n tt e m p e r i n gp r o c e s s a f t e rq u e n c h i n g10 5 0 c f i n a l l y , w ed e t e r m i n e dt h eo p t i m a lt e m p e r i n gp r o c e s s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fv a r i a n c e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec a s th i g h - s p e e ds t e e li se a s ym a c h i n i n ga f t e rt h e a n n e a l i n go f8 4 0 c + 4 ha n d7 3 0 。c + 6 h ，a n dt h eh a r d n e s si sh r c 3 4 2 ；t h eo r g a n i z a t i o n o ft h ea u s t e n i t ei ss m a l lw i t ht h eh i g hh a r d n e s sa f t e r10 5 0 q u e n c h i n gi na i r ；t h e h a r d n e s so ft h eh i g h s p e e ds t e e li st h eh i g h e s tw i t ht h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ea t10 5 0 - ll0 0 c a f t e r10 5 0 q u e n c h i n gi na i ra n dt h ed i f f e r e n tt e m p e r i n gp r o c e s s ，t h e o r d e ro ft h em a i nr e s i d u a la u s t e n i t ei n f l u e n c i n gf a c t o r si sa sf o l l o w s ：t h et e m p e r i n g t i m e s ，h o l d i n gt i m e , t e m p e r i n gt e m p e r a t u r e ；t h e o r d e ro ft h em a i nc a r b i d e s i n f l u e n c i n g f a c t o r si sa sf o l l o w s ：t h et e m p e r i n gt i m e s ，h o l d i n gt i m e ，t e m p e r i n g t e m p e r a t u r e ；t h eo r d e ro ft h em a i ng r a i ns i z ei n f l u e n c i n gf a c t o r si s a sf o l l o w s ： i l 武汉理工大学硕士学位论文 h o l d i n gt i m e ，t e m p e r i n gt e m p e r a t u r e , t h et e m p e r i n gt i m e s ；t h eo r d e ro ft h em a i n h a r d n e s si n f l u e n c i n gf a c t o r si sa sf o l l o w s ：t e m p e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h et e m p e r i n g t i m e s ，h o l d i n gt i m e a f t e r10 5 0 cq u e n c h i n g i no i la n dt h ed i f f e r e n tt e m p e r i n gp r o c e s s ， t h eo r d e ro ft h em a i nc a r b i d e si n f l u e n c i n gf a c t o r si s 嬲f o l l o w s ：t e m p e r i n g t e m p e r a t u r e ，h o l d i n gt i m e ，t h et e m p e r i n gt i m e s ；t h eo r d e ro ft h e m a i nr e s i d u a l a u s t e n i t e ，g r a i ns i z ea n dh a r d n e s si n f l u e n c i n gf a c t o r si st h es a m ee x a c t l y t h es t u d yf o u n dt h a tu n d e r10 5 0 cq u e n c h i n gi na i r , t h eo p t i m a lh e a tt r e a t m e n t p r o c e s si s5 5 0 * cx 3 h x 3 ；u n d e r1 0 5 0 cq u e n c h i n gi no i l ，t h eo p t i m a lh e a tt r e a t m e n t p r o c e s si s5 5 0 * c x l h x 3 b ys e m ，a f t e r1 0 5 0 。cq u e n c h i n gi na i r a n dt e m p e r i n g t e m p e r a t u r ea t4 5 0 c ，t h e r ea leal a r g en u m b e ro ff e a t h e r e du p p e rb a i n i t ei nt h e m a t r i xs t r u c t u r e a f t e r1 0 5 0 cq u e n c h i n gi no i la n dt e m p e r i n gt e m p e r a t u r ea t5 5 0 c ， t h e r ea lem o r eb a i n i t e d u s t e r - s h a p e do rb l o c kp r i m a r yc a r b i d ei sm cc a r b i d ev c ； s e c o n dg r a n u l a rc a r b i d ei sm co rm c m 2 cc a r b i d e ，w h i c hm a i n l yc o n t a i nva n dn b u n d e rt h ep r o c e s s ，t h ep r o p e r t i e so ft h eh i g h - s p e e ds t e e lr o l l e rm e e tt h en e e d so f i n d u s t r ya n dp r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o ri n d u s t r i a lp r o d u c t i o nb ya na n a l y s i so ft h e r e s u l t s k e y w o r d s ：h i g hs p e e ds t e e l , r o l l s ，h e a tt r e a t m e n t s ，r e s i d u a la u s t e n i t e ， m i e r o s t r u e t u r e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期： 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 高速钢轧辊的研究和发展概况及发展趋势 1 1 1 高速钢轧辊国外发展概况 上世纪8 0 年代以前，标准类型钨钼锻造高速钢己用于多辊轧机的工作辊和 中间辊，如美国m 2 、m 4 以及高碳类型t 1 5 【1 1 等，但高速钢大型铸锭锻造和热处 理难度极大，而且因组织不均匀、成分偏析和疏松等缺陷影响轧辊的使用性能。 此外，高速钢合金元素含量高，制成整体轧辊成本很高，因此锻造高速钢轧辊 的推广应用进展缓慢。 1 9 8 8 年铸造高速钢轧辊首先在日本得到成功应用，多年来在轧辊研制者的 共同努力下，对其的研究和应用取得突破性进展【2 卅。8 0 年代末，日本首次开发 出高速钢复合轧辊制造技术，降低了制造成本。此外，高速钢轧辊具有良好耐 磨性能和耐表面粗糙性能。目前，高速钢轧辊不仅用于热带钢连轧机组上，而 且在冷轧机和型材、线棒材、管材轧机上也显示很好的应用前景。 据报道【5 】，自2 0 世纪9 0 年代以来，日本n k k 京滨制铁所的热带钢连轧机架f 卜 f 2 、f 4 、f 5 不断使用高速钢轧辊，其比例已达至l j f l5 0 ，f 27 0 ，f 46 0 ，f s6 0 ； 同高铬铸铁、半钢、高镍铬无限冷硬铸铁轧辊相比，轧制吨位有大幅度提高， 辊耗大幅度下降。 新日铁用c p c 法生产的高碳高速钢轧辊用于热轧带钢精轧前架，每磨削一次 的最大轧制量为8 1 9 2 t ，为原用轧辊的3 倍。日立制作所的电渣焊高速钢轧辊在热 带钢连轧机f 6 架上使用，其表面磨耗量仅为无限冷硬铸铁轧辊的l 4 。用热等静 压h i p 法制造的粉末高速钢组合轧辊，在线材精轧机组上的使用寿命为冷硬铸铁 轧辊的4 6 倍；在三辊a k e r * l 机上的使用寿命为球墨铸铁的3 9 倍；在窄带钢轧机 上的使用寿命比冷硬铸铁轧辊高4 0 。在h 型钢轧机上使用直径为0 1 0 0 0 m m ，外 层为高速钢、内层为强韧性好的半钢离心复合的组合轧辊，轧制量为高镍铬铸 铁轧辊的2 - - 3 倍。用于连续棒材轧机中间机架的高碳高速钢轧辊，每磨损1h i m 的轧制量为球铁的2 - 4 倍。 从1 9 9 3 年开始，加拿大d o f a s c o 钢厂试用高速钢复合轧辊 6 1 ，试用结果表 武汉理工大学硕士学位论文 明：使用高速钢轧辊可以改善钢板表面质量，降低轧辊消耗，并且因减少换辊 次数而增加轧机运转率等几个方面均取得了满意的效果，高速钢轧辊的使用寿 命是高铬铸铁轧辊的2 倍多。 法国k u r e 热轧厂精轧机架使用的离心铸造高速钢工作辊，结果表明高速钢 轧辊的耐磨性是无限冷硬铸铁轧辊的5 倍，且具有优良的抗表面粗糙性能。过 去每轧18 0 0 t 带钢就需换辊，采用高速钢复合辊后，在精轧前段机架可轧制9 0 0 0 t ， 在后段机架可轧制5 4 0 0 t 。此外采用高速钢复合辊还可减轻磨削量，改善板带表 面质量，降低轧辊消耗 7 1 。 瑞典山得维克厂用o s p r e y 法制造3 c 、6 c r 、4 m o 、7 w 、6 c o 和 8 v 成分的辊环硬度达h r c 6 0 ，用于棒材精轧机架上，轧制量为6 19 0 t m m 【8 】。 1 1 2 高速钢轧辊国内发展概况 目前，与发达国家相比，我国轧辊的生产、研究与使用水平，仍有相当大 差距。以2 0 0 5 年为例【9 】，我国共生产钢材3 5 亿t ，超过全球钢产量的l 4 ，我 国轧辊消耗为2 6k g t 钢，年消耗轧辊近9 0 万t ，年消耗轧辊资金9 0 亿元以上， 而日本同期辊耗仅为1 o 1 4k g t 钢。据文献( 1 0 1 1 1 报道，1 9 9 7 年底，冶金部钢铁 研究总院与唐山联强轧辊有限公司合作研制成功高速钢轧辊，在热连轧窄带钢 轧机上使用后，其综合使用寿命比原来高镍铬铸铁轧辊提高1 0 5 倍，辊耗由 2 3 k g t 降至0 2 2 k g , t 。北京冶金设备研究院f 1 2 1 开发了线材轧机精轧高速钢辊环， 使用结果表明：高速钢辊环不粘钢、不打滑、不开裂，其效果明显优于高铬铸 铁辊环和无限冷硬铸铁辊环，可与硬质合金辊环相媲美，但生产成本比其低6 5 - 7 5 。轧钢厂使用高速钢辊环后，辊环的需求量和费用大幅度降低，减少了换辊 次数，提高了轧机工作率，减轻了工人劳动强度，具有显著的经济效益。 为了提高我国轧辊的使用水平，宝钢1 5 8 0 热轧带钢机组f i f 5 机架工作辊， 已全部采用国外高速钢轧辊，在改善带钢质量，延长轧辊寿命和提高轧机工作 率等方面，取得了较好的效果【l3 1 。并且使用寿命达到高铬铸铁轧辊的2 3 倍， 鞍钢、武钢和太钢等大型钢铁企业，也十分关注高速钢轧辊的发展动态，分别 在不同程度上提出了采用高速钢轧辊的意愿和要求。 1 1 3 高速钢轧辊材质的发展趋势 2 武汉理工大学硕士学位论文 轧辊是轧钢生产的主要消耗备件之一，轧辊消耗约为轧钢生产成本的5 1 5 ，如果考虑因辊耗带来的生产停机，降产和设备维护等因素，则其所占生产 成本的比例会更高。此外，轧辊质量很大程度上影响轧材质量。随着轧钢技术 的发展，轧机速度和自动化程度不断提高，对轧辊耐磨性，强度和韧性等要求 更高 1 4 , 1 5 1 。目前生产中常用的高铬铸铁轧辊，无限冷硬铸铁轧辊，硬质合金轧辊 都存在着许多不足，限制使用范围f 1 6 1 刀。如高铬铸铁轧辊塑性韧性以及抗疲劳和 抗粗糙性差，而硬质合金轧辊的生产成本过高等。为改善轧辊质量，延长轧辊 寿命，提高轧机工作效率，降低轧钢成本等，开发新的轧辊材料以及新的轧辊 制造工艺意义重大。 为提高轧制型材质量，生产效率和延长使用寿命以满足生产需求，人们对 轧辊材质不断改进。轧辊材质总的发展趋势是广泛使用合金元素且逐渐提高合 金化程度。日本和欧洲率先开发了高速工具钢轧辊，其特点是在离心铸造条件 下，碳化物分离，相当于铸造状态，基体上有二次析出相，与粉末冶金相似， 硬度7 5 8 5 h s ，其使用效果达到高铬铸铁的3 倍以上。棒线材和型材轧机轧辊 材质也由普通冷硬铸铁，合金球墨铸铁，高镍铬无限冷硬铸铁，高铬铸铁，锻 造合金工具钢发展到硬质合金。目前，高速线材轧机和棒材轧机上试用高速钢 轧辊也获得了满意的效果。 1 2 高速钢轧辊材料的特点及性能 1 2 1 高速钢轧辊材料的特点 利用高速钢复合轧辊的高硬度，尤其是具有很好的红硬性、耐磨性和淬透 性作为轧辊的工作层，用韧性满足要求的锻钢、灰铸铁或高强度球墨铸铁作为 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。 同传统的高铬铸铁轧辊、高合金无限冷硬铸铁轧辊相比，其主要特点是： ( 1 ) 高硬度和耐磨性。高速钢轧辊一般采用高c 高v 型高速钢制作，并含有 较多c r 、m o 、w 、n b 和c o 等合金元素，在凝固和热处理过程中回火马氏体和贝 氏体基体上均匀弥散着较多m c 、m 2 c 和m 6 c 等类型的一次和二次高硬度碳化物 1 s l ，几种碳化物硬度的比较见表1 。随着v 含量的增加，呈骨骼状的m 6 c 型碳化 物向呈粒状的v c 型转化。根据检测，高速钢轧辊辊身硬度为6 4 h r c ，耐磨性约 3 武汉理工大学硕士学位论文 为高铬铸铁轧辊和高镍铬轧辊的3 1 1 倍。 表1 几种碳化物硬度 ( 2 ) 较高的红硬性和热稳定性。高速钢轧辊外层的钨、钼、铬、钒等元素 使其具有较好的热稳定性和红硬性。根据文献【l9 】和实际检测，高速钢轧辊在2 0 0 以下硬度为h r c6 4 ，4 0 0 时为h r c6 2 ，6 0 0 时硬度仍保持为h r c6 3 。尤其在 添加了分布于基体组织的c o 元素时，这种倾向更加明显，从而大大提高了轧辊 的耐磨性。 ( 3 ) 良好的淬透性。在室温下检测高速钢轧辊工作层，从表面到芯部的硬 度降不超过h r c2 。良好的淬透性可确保轧辊从外到内具有均匀的耐磨性。 ( 4 ) 良好的氧化膜形成能力。轧制过程中如果在轧辊表面形成连续、致密、 均匀、粘结性好的氧化膜，不但可降低轧辊与轧材间的摩擦系数，而且还提高 轧材尺寸精度和表面质量。普通轧辊使用初期由于无氧化膜保护而磨损较大。 但高速钢轧辊在使用中能很快形成氧化膜( 2 0 j ，因而其使用初期磨损较低，提高了 轧辊的耐磨性。 ( 5 ) 良好的力学性能。高速钢特有的组织能有效地抑制裂纹的形成和扩展， 因此其比高铬铸铁轧辊具有更好的抗热裂性。高速钢复合轧辊芯部材料选用球 铁或锻钢，因而辊芯具有较高的强度和韧性，没有断裂危险，且提高了轧辊的 弯曲载荷，可使轧材获得良好的板型，同时高速钢复合轧辊外层具有很高的残 余应力，可防止轧辊表面的裂纹向芯部扩展导致轧辊失效。 1 2 1 高速钢轧辊材料的性能 4 武汉理t 大学硕士学位论文 与无限冷硬铸铁轧辊和高铬铸铁轧辊相比，高速钢轧辊具有高强度、高硬 度和韧性好等优点。高速钢轧辊的主要力学性能见表2 ，主要物理性能见表3 。 表2 高速刚轧辊的主要力学性能比较【2 1 1 表3 5 l 辊的主要物理性能 与常规轧辊相比，高速钢轧辊组织内的碳化物主要为m 6 c 和m c 型碳化物。 m c 型碳化物主要是v 的先共晶碳化物，而m 6 c 型碳化物是分布于晶界的w 、 m o 、c r 、f e 共晶碳化物，淬火后的基体组织为淬火马氏体、贝氏体和残余奥氏 体。高速钢的抗拉强度最高，而断裂韧性与常规轧辊材料相当。 高速钢的高温硬度随温度升高而下降，因v 、c 元素含量高，碳化物数量多， 高温时支撑的力量大，使高温硬度降低缓慢。c 含量和温度相同时，6 v 的高速 5 武汉理工大学硕士学位论文 钢的高温硬度较3 5 v 的高出约8 0 - 1 5 0 h v t 2 2 1 。 1 3 高速钢轧辊的制造工艺 1 3 1 离心铸造法( c f ) 离心铸造【2 3 】是将液体金属浇入旋转着的铸型，并在离心力的作用下凝固而获 得铸件的铸造方法。常用的离心铸造法有立式离心浇铸法、卧式离心浇铸法和 倾斜式离心浇铸法3 种。铸型绕垂直轴旋转的称为立式离心铸造，适合浇注各种 盘、环类铸件，铸型绕水平轴旋转的称为卧式离心铸造，它适合浇注长劲比较 大的各种管件。 金属离心铸造法的主要特点是将外层材料和芯部材料的金属液体在离心力 作用下浇入铸型内冷凝结晶，组织紧密，铸件质量好。熔渣、气体等集中在铸 件内壁，经切削加工后去除；铸造套、管型铸件，不用型芯和浇注系统，金属 利用率提高，简化了工艺。离心铸造法生产的高速钢轧辊，其外层材质多为高 碳高钒型。芯部材质可分别用灰铸铁、球铁、石墨钢或铸钢。 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。在普通离心铸造条件下， 合金元素偏析严重。为防止v c 偏析，选择基本成分阱】为2 0 c 、6 0 v 、7 0 c r 、 2 5 m o ，添加1 o 1 5 n b 以提高m c 型碳化物密度，限制添加偏析元素w 和 m o 。此外，在离心铸造过程中，随着离心机转速的增加，轧辊组织致密，硬度 提高，磨损量减少，耐磨性不断改善，但转速过高会适得其反。 为了改善高速钢复合轧辊的结合层质量，我国的科研工作者也有多项发明： 如高速钢复合轧辊多层浇注工艺【2 5 1 ，电磁离心铸造高速钢复合轧辊方法【2 们，在高 速钢离心浇注中加入磁场，明显减轻了钨、钒等元素的偏析1 2 7 1 。 本文所用铸件是通过卧式离心铸造法浇注而成。下文是其它高速钢轧辊的 铸造工艺。 1 3 2 连续浇注复合法( c p c ) 连续浇注复合法可防止离心铸造高速钢轧辊产生的偏析。此工艺由日本新 6 武汉理工大学硕士学位论文 日铁公司【2 玷9 1 开发。其基本原理是：在垂直放置的芯材和环形的结晶器之间浇入 熔化的外层金属，外层金属和芯材熔合并沿芯材轴向顺序凝固，制成复合轧辊。 其优点是：轧辊组织细小、均匀、夹杂物少，几乎没有缩孔、偏析、疏松等缺陷， 综合性能明显优于普通离心铸造高速钢轧辊。轧辊芯部可采用高强度锻钢，使 辊芯具有较高的强度，这是普通离心铸造工艺无法做到的。 我国发明了一种高速钢复合轧辊的连续铸造装置，目前应用该技术已生产 了w 、v 含量高、偏析少、耐磨性好的高速钢复合轧辊，从而可降低轧制中的换 辊频率，大幅度提高轧机作业率，降低成本，提高经济效益【3 们。 1 3 3 电渣重熔法( e s r ) 电渣重熔【3 l l 是一种广泛应用于优质钢生产的重熔工艺，最初该工艺主要用于 脱氧、脱硫，通过控制凝固，使非金属夹杂物的分布特性大为改善。在制造轧 辊时，在作为辊颈和辊芯部分的芯棒四周装有同心的环形水冷铸型，芯棒和铸 型之间的型腔为轧辊辊身的外层部分。用外层材质做成的消耗电极在电渣过程 中溶入铸型型腔内并连续的焊接在芯棒上。焊接时铸型和芯棒按一定方向旋转， 外层凝固后得到辊身组织致密、均匀、偏析小、洁净度高、内外层融合良好的 复合轧辊。 我国科研工作者发明了电渣熔铸制造复合轧辊方法f 3 2 】。以制造好的辊芯为电 渣熔铸的内结晶器，以需复合的轧辊外层材料为电渣熔铸的消耗电极。该方法 可使复合轧辊获得较窄的过渡层和良好的复合性能。 1 3 4 用热等静压法( h i p ) 应用喷雾制粒与热等静压配合的工艺生产的高速钢具有优良的机加工性、 韧性、硬度和热处理后的稳定性。用h i p 工艺生产高速钢轧辊时，一般是用铸钢 或锻钢材料制成辊芯，在辊芯外填充辊身外层所用的高速钢粉末，抽真空后在 1 0 0 0 以上高温和1 0 0 m p a 以上压力下烧结成轧辊。与相同成分的铸造高速钢轧 辊相比，h i p t 艺生产的高速钢复合轧辊，其碳化物更细小、均匀。碳化物的形 貌及分布对轧辊的热疲劳性能、抗剥落性能及韧性起决定性作用，因此用该工 艺生产的高速钢轧辊的综合性能明显优于铸造轧辊【3 3 1 。此外，h i p t 艺采用更高 的碳含量和合金含量，保持良好的碳化物形貌进一步提高耐磨性。因h i p 工艺设 7 武汉理工大学硕士学位论文 备需耐高压，受其限制，该工艺还只能生产小直径高速钢轧辊。 1 3 5 喷射沉积法( o s p r a y ) 喷射沉积( o s p r a y ) 法是在粉末冶金惰性气体雾化制粉的基础上发展起来的 一种近终成形技术，其原理是：轧辊外层金属在雾化器中被惰性气体雾化成液 滴，液滴快速冷却并沉积在旋转移动的收集器( 轧辊芯轴) 上。所获得的半成品具 有以下特征 3 4 1 ：没有宏观偏析，各向同性，初始晶粒弥散析出，组织均匀，含氧 量低，热加工性能得到改善。该工艺生产的轧辊力学性能也高于普通和离心铸 造轧辊。 我国也研究了喷射成形高速钢轧辊的组织和性能【3 5 】。在对其金相组织的观察 中，未发现明显的碳化物，且晶粒明显细化。在扫描电镜下观察到晶界上存在 不连续分布的碳化物粒子。 1 3 6 液态金属电渣熔接法( e s s l m ) 液态金属电渣熔接法是在c p c 法基础上，加上电渣净化的一种新的轧辊制 造方法1 3 6 j 。其外层是在特殊设计的导电水冷铜结晶器中凝固形成，结晶器不仅使 浇入的外层钢水凝固而且也可以保持电渣过程中不消耗电极。过程开始时，先 将作为复合辊芯部的芯轴插入，并与结晶器同轴，然后将熔化渣液浇入结晶器 和芯轴的空隙中，其热量将芯轴表面预热，随后再浇入外层所需成分的钢液， 可连续浇入也可按预先设定的程序浇入。钢液与已经预热的芯轴表面熔合，并 凝固形成复合层，借助移动装置不断从结晶器中拉出己凝固部分，直至达到预 定的复合辊长度为止。采用该工艺生产的高速钢复合轧辊外层致密，无缩孔、 裂纹、疏松等缺陷，外层金属与芯轴熔合良好，主要合金元素、硬度及显微组 织在轧辊中分布均匀。 几种高速钢复合铸造方法技术经济性能的比较见表【3 7 1 2 1 。目前，电渣重熔 法、热等静压法、喷射沉积法、液态金属液电渣熔接法还不成熟，c p c 法的装 备和设备复杂，生产工艺复杂，技术关键难以在短时间内掌握，且设备投入较 大，只有离心铸造法具有设备简单、成本低等优点，最适合应用于大批量工业 生产。 8 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 高速钢轧辊制造方法的技术经济性对比 1 4 高速钢轧辊组织特点 轧辊用高碳高速钢的凝固形式为【3 8 】：l - 丫一( t + m c ) 一( 丫+ - m 2 c ) ，其铸态组 织主要为【3 9 , 4 0 1 ：马氏体基体+ 合金碳化物+ 奥氏体。对于凝固组织中除m c 型碳化 物以外的其它类型碳化物，研究结果各不相同。许多研究都致力于含钒( 铌) m c 型及其它类型碳化物数量及分布的影响以及钨当量( 将其它元素的加入量都折算 成钨含量) 对碳化物类型及形态的影响。由于彼此的工艺方法和成分相差较大， 得出的结论也就不同，但趋势一致，即随v 含量的增加，其碳化物形状由网状向 颗粒状转变，且颗粒变得更加细小弥散，分布在晶粒内部，基体组织为混合着 的层片状马氏体和板条状马氏体【4 1 】。轧辊用高速钢热处理后的显微组织为回火马 氏体的基体上分布着m c 型和m 6 c 型碳化物【4 2 1 。 如何获得大量细小弥散分布的高硬度碳化物和高稳定性的基体是提高轧辊 性能的关键。由于高速钢轧辊中碳化物m c 型的硬度最高，故高速钢轧辊的成分 9 武汉理工大学硕士学位论文 设计就是围绕如何获得大量均匀细小弥散分布的m c 型碳化物而展开。h f f i s h m e i s t 0 4 3 1 的研究结果表明：高含量的钒和铌及高碳对形成m c 型碳化物是有 利的。且随钒含量的增加，m c 型碳化物增多，颗粒在晶粒内部分布均匀。基体 组织为混合着的层片状马氏体和板条状马氏体。另有研究表明】：不同类型的碳 化物的形成取决于强碳化物形成元素，当含碳量较高时，组织中主要形成位于 晶粒内部的m c 型碳化物和沿晶界分布的m 7 c 3 型碳化物，而当钨和铝含量较高 时，组织中主要形成位于晶粒内部的m c 型碳化物和沿晶界分布的m 2 c 型碳化物。 对轧辊的整体硬度影响最为关键的微观组织结构是位于晶界的碳化物的种类和 分布。一些研究1 4 5 删认为：高碳高钒型高速钢中，m c 型碳化物的形态可以分为 三类：一是在亚共晶中从奥氏体中结晶析出的分散块状、条状及共晶析出的鱼 骨状m c 型碳化物；二是加铌后自液态直接析出的孤立的大块状m c 型碳化物； 三是过共晶中析出的细小弥散分布的m c 型碳化物。另外，高速钢中还出现 m 2 c m c ，m c m 6 c 型等复合类型碳化物。表2 2 ( 4 n 列出了不同材质中碳化物的形 态： 表2 2 轧辊材质中碳化物的形态和硬度 1 5 高速钢中主要碳化物类型及特性 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 高速钢主要有六种类型的碳化物陋2 1 ： m c 型是合金元素绝大多数为v 的碳化物，具有面心立方晶格结构，可在 共晶转变时析出，或从奥氏体中析出。成分从m c 到m 4 c 3 之间变化。可溶解一 定量的m o 和w ，c r 、f e 极少溶入m c 中，n b 、t i 、z r 是m c 型碳化物形成元 素，n 能溶入m c 型碳化物中，成为m ( c ，n ) 型复合碳化物。m c 型碳化物固溶 温度高，在1 1 5 0 以上，v c 颗粒细小且分布均匀。5 0 0 - 6 0 0 c 高温回火冷却过 程中析出，弥散度大，产生二次硬化效应，增加硬度与耐磨性，提高回火稳定 性。一 m 2 c 型碳化物一般以亚稳定状态存在于高速钢中，具有密排六方晶格结构。 m 2 c 中的主要合金元素是m o 、v 、w ，还溶解有少量c r 和f e 。经退火、回火等热 处理后会转变为稳定的m 6c 型碳化物，其反应为： m 2c 竹- f e - m 6c + m c m 3 c 即渗碳体( f e 3 c ) ，洛氏硬度为h r c 6 5 - - 6 8 ，略高于马氏体硬度。m n 元 素可无限固溶于f e 3 c 中，直至取代f e ，成为m n 3 c ，c r 元素有限固溶于f e 3 c 中，成为( f e c r ) 3 c ，能使碳化物细化且均匀分布。w 、m o 元素仅微量溶入f e 3 c 中。v 、t i 、n b 等强碳化物形成元素几乎不溶入f e 3 c 、m 3 c 回火稳定性较高。 ( f e c 0 3 c 在1 0 5 0 1 2 0 0 的温度才能完全固溶于奥氏体中。 m 6 c 是w 和m o 元素的碳化物，是共晶碳化物或由奥氏体中析出的二次碳 化物。具有复杂立方晶格结构，化学式在f e 3 w ( m o ) 3 c 至f e 4 w ( m o ) 2 c 之间变动。 c r 、v 、t i 、n b 等元素能溶入m 6 c 中，在晶格中分别取代f e 、w 和m o 的位置。 当钢中含有3 - - 4 w 时，一次共晶碳化物m 6 c 具有高硬度、高耐磨性。m 6 c 在 1 1 5 0 - 1 3 0 0 时才能固溶于奥氏体。m 6 c 相当稳定，不易聚集长大，增加硬度 与耐磨性，韧性较低。 m 7 c 3 是c r 的一种形式的碳化物，是一次共晶碳化物或由奥氏体中析出的二 次碳化物，具有复杂六方结构，易在碳量高的高速钢中产生。m 7 c 3 从奥氏体中 析出，呈长条状，长轴尺寸可达5 0 - - - 7 0 i _ t m 。它能溶入w 、m o 、v 等元素，增 加耐磨性，降低摩擦系数。v 元素阻碍m 7 c 3 溶入奥氏体，只有在较高淬火加热 温度时才能使奥氏体固溶较多的v 与c r 。二次m 7 c 3 在9 5 0 - - - 1 1 5 0 c 溶入奥氏体 中，高温回火时析出m 7 c 3 ，增加钢的热稳定性【5 3 】。 m 2 3 c 6 是另一种c r 的碳化物，具有复杂面心立方晶格结构，主要是c r 、f e 元素，f e 元素可取代3 0 - - - 4 0 c r 溶入m 2 3 c 6 中，能少量溶入m o 、w 、v 等元 武汉理工大学硕士学位论文 素。由于c r 在m 2 3 c 6 中的数量比它在m 6 c 及m c 中都多得多，一般仍称其为以 c r 为主形成的碳化物。溶有v 元素的m 2 3 c 6 在温度为1 0 0 0 , - - - , 1 0 2 0 时开始固溶， 完全固溶于奥氏体需1 1 5 0 - 1 2 0 0 的温度。回火时，m 2 3 c 6 形成温度为4 0 0 5 0 0 c ，可由被c r 饱和的f e 3 c 转变而来，或直接从淬火钢基体析出，它不易聚 集长大，在4 0 0 5 0 0 回火硬度略有增加。当钢中含有1 - - - 2 m o 、w 、v 元素 时，弥散度高，会出现沉淀硬化效应。m e 3 c 6 淬火加热时溶入奥氏体，回火时析 出m 2 c 和m c ，引起回火二次硬化效应。 1 6 高速钢轧辊中的合金元素及其作用 1 6 1 碳 轧辊用高速钢与普通高速钢相比碳含量较高，根据不同成分配比一般为 1 0 - 3 7 。它是高速钢中最重要的组成元素，可与高速钢中的强碳化物形成元 素w 、m o 、v 在凝固时分别形成m 6 c 、m 2 c 和m c 型【5 4 】等高硬度和高热稳定性的 碳化物，提高耐磨性和红硬性。当碳与m o 、v 、w 之间达一定比例时，除基体 中含有部分碳外，大部分碳形成上述三种弥散分布的碳化物。当碳含量提高时， 则加大了碳与m o 、v 、w 形成碳化物的能力，碳还会与铬、铁形成显微硬度较 低( h v l l 0 0 左右) 的碳化物，使碳化物总量增加。但碳含量过高易产生碳化物偏 析，降低轧辊使用性能。因此，碳含量应根据强碳化物形成元素的含量确定。 高速钢中含碳量有以下几个特点【8 7 1 ： ( 1 ) 将钢中含碳量提高到“平衡碳”量的水平，则可提高高速钢的硬度、红硬 性、耐磨性能等。但当钢中含碳量超过“平衡碳”量时，则其硬度、红硬性将随碳 量的增多而下降； ( 2 ) 随着含碳量的增高，则钢的韧性、抗弯强度、挠度、热塑性都要下降， 这也就是长期以来人们愿意尽量降低高速钢含碳量的主要原因； ( 3 ) 随着含碳量的增高，钢在加热时奥氏体中含碳量也增高，使马氏体的 m s 点显著降低，从而淬火中残余奥氏体量增加，须多次回火才能消除，获得最 高回火硬度的回火温度也要提高。超过“平衡碳”量过高的含碳量，将使残余奥氏 体的稳定性急剧增加，使回火时的二次硬化困难，影响高速钢的二次硬化峰值； ( 4 ) 随着含碳量的增加，可使高速钢在较低的淬火温度下获得更大的溶解 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 度； ( 5 ) 随着含碳量的增加，固相线降低，晶界熔化的温度下降，因而淬火温度 应调整，晶粒易于粗化； ( 6 ) 碳在熔炼时还可避免铁水被过分氧化【5 5 】； 为了给合金碳化物提供足够的碳，而又不使碳含量过高，国外主要采用高 碳高钒( 铌) 类型的成分设计方案，而我国钨资源十分丰富，c r 、m oc r 、v 则相 对短缺，有人建议国内采用“高钨低铬钒”的成分设计方案。如何确定高速钢的碳 含量是一个相当困难的问题，目前主要是依靠理论和实验相结合的方法来确定 高速钢轧辊的碳含量，平衡碳理论在几种常规高速钢的成分上得到了验证，但 并不具备普遍性。若作为一种理论尚要进一步完善。 gs t e v e n 5 6 】提出的平衡碳公式为：c p = 0 0 3 3 w + 0 0 6 3 m o + 0 0 6 c r + 2 v ，用线 性方程的一般形式可表述为c p = y k m m ，其中m 为某种碳化物形成元素在高速钢 中的含量，k m 为该元素的配碳系数。对于常用合金元素及其可能析出的碳化物， k m 值如表2 3 所示。 表2 3 常用合金元素及k m 5 7 】 我国高速钢研究者将平衡碳c p 与实际碳含量c s 之间的差值作为平衡差值 a c t 5 7 1 ，a c = c s c p 。在热处理后期，