（材料加工工程专业论文）复合轧辊用高速钢显微组织及性能的研究.pdf

， 硒互2 8 9 5 7 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，恫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，将高速钢用于制造新一代复合轧辊方面取得了突破性进展，高速 钢复合轧辊的综合使用寿命可以比传统用高铬铸铁轧辊提高数倍以 上，目前被广泛采用的高铬铸铁复合轧辊，有可能在十年之内被高速 钢复合轧辊取代。当前正处于复合轧辊用高速钢材料的研制、开发和 生产应用的热点阶段。y 本文利用金相法( 包括黑白金相和彩色金相) 、x 射线衍射( x r d ) 、 扫描电子显微镜( s e m ) 、能谱( e d s ) 及洛氏硬度分析仪等手段，对 复合轧辊用高速钢f e 2 c 一4 v - 4 m o 5 c 卜x w ( 其它部分如未作 特殊注明均为质量分数) 合金系的显微组织、热处理工艺及性能进行 了系统地分析。复合轧辊用高速钢具有高碳和高合金的特征，容易形 成大量网状碳化物，这些网状碳化物又硬又脆，会严重降低高速钢的 性能，且难以用热处理的方法予以消除。采取必要的措施，预先改善 铸态高速钢中原始碳化物的大小和分布在复合轧辊用高速钢中是很为 关键的。在对化学成分研究的基础上，重点研究了利用r e 、t i 、m g 、 r e - t i m g 进行变质处理对复合轧辊用高速铜显微组织的影响。 结果表明：经金相组织观察、x 射线衍射和扫描电镜分析，f e 2 c 一 4 v - 4 m o 一5 c r - x w 合金系高速钢凝固组织包含马氏体基体、残余 奥氏体及各种类型的碳化物如m e 型碳化物、m 2 c 型碳化物、m 6 c 型 碳化物和m c m 2 c 类型复杂碳化物，大部分m c 型碳化物分布于晶粒 内部，其它类型碳化物则沿晶界呈网状分布。对f e - 2 c 一4 v - 4 m o 一5 c r - 2 w 凝固组织利用扫描电镜和能谱分析发现，组织中颗 粒状的m c 型碳化物主要含( 原子百分比) v ( 3 1 7 0 ) ，羽毛状的 m 2 c 型碳化物主要含m o ( 6 4 7 ) 和w ( 1 5 7 ) ，鱼骨状的m 6 c 型 碳化物主要含w ( 1 2 0 7 ) 和m o ( 5 0 7 ) ，m c m 2 c 类型复杂碳化 物主要含m o ( 6 1 7 ) 和w ( 1 4 6 ) 。 对f e 2 c 一4 v - 4 m o 一5 c r - x w 合金系高速钢，含0 6 w 的 高速钢热处理过程中的氧化现象较为严重，含2 0 w 的高速钢能较好 地限制网状碳化物的形成以及避免高速钢在热处理时的氧化。随着钨 含量的增加，虽然高速钢抗高温氧化性增强，但从金相观察、x 射线衍 射分析和利用网格法计算碳化物体积分数的结果可知，高速钢晶界处 碳化物数量明显增加，碳化物网更趋严重；当w 含量达到4 或6 时， 凝固组织在以羽毛状的m 2 c 型碳化物和m c m 2 c 复杂类型碳化物为主 的碳化物网中还出现了较多的鱼骨状的m 6 c 型碳化物。经x 射线衍射 分析和扫描电镜分析，n b 可以促进高速钢中m c 型碳化物生成，能与 v 形成复合m c 型碳化物，在高速钢f e - 2 c 一5 v - 4 m o 一5 c r - 2 w 中加入少量的n b ( 1 5 ) ，晶粒内部弥散的粒状m c 型碳化物明显增 加。 对于高速钢f e 2 c 4 v 0 4 m o 一5 c r x w ，其淬火峰值硬度出 现在9 5 0 1 1 0 0 温度之间，峰值硬度和达到峰值硬度所需要的温度 随着钨含量的增加而提高；当钨含量为2 时，高速钢回火的二次硬化 温度在5 5 0 。对于高速钢f e 2 c 一4 v - 4 ，m o 5 c r - 2 w ，其合适的 淬火温度可控制在1 0 0 01 0 5 0 之间，保温1 2 m i n ；回火温度可取 5 5 0 。c ，保温2 5 m i n 。为了改善高速钢中网状碳化物的生成和分布及高 速钢后续热处理过程中的抗氧化性，从成分设计方面考虑，则要限制 w 、m o 含量，适当提高v 、n b 含量，可将w 含量控制在2 o ，n b 含量控制在1 5 。 变质处理结果表明，对于高速钢f e 2 c 一5 v - 4 m o 5 c r - 2 w - 1 5 n b 铸态试样经x 射线衍射分析，用i 0 t i 、o 3 r e 变质 和1 4 r e t i m g 复合变质处理对高速钢中碳化物的类型转变影响不 明显；用0 1 m g 变质，m g 可以使碳化物含量显著减少。f e 2 c 5 v - 4 m o - 5 c r - 2 w - 1 5 n b 高速钢未变质试样晶粒粗大，晶粒大小在 8 0 1 2 0 9 m 之间，晶界上分布着粗大的碳化物网，网状碳化物处在 3 0 6 0 ui t i 之间；加入0 3 r e 变质，对高速钢的凝固组织仅有轻度 的细化作用；用1 0 t i 变质时，晶粒和晶界上网状碳化物得到明显细 摘要 化，晶粒大小在2 0 6 0 um 之间，网状碳化物处在1 0 4 0 u m 之间； 用o 1 m g 变质时；晶粒大小在5 0 1 0 0 u m 之间，而网状碳化物明显 细化，网状碳化物处在1 0 3 0 hm 之间；用1 4 r e t i - m g 复合变质后， 晶粒大小在1 0 5 0 u m 之间，网状碳化物处在1 0 2 0 u m 之间，组织 细小而均匀，绝大部分晶界碳化物呈断网状分布。 扫描电镜和能谱分析表明，用1 0 t i 变质处理时，变质剂中的t i 可以和钢液中的c 生成大量弥散的t i c 质点，t i c 作为异质核心促使了 v 、n b 形成m e 型碳化物。t i 的变质作用是由于t i c 和m c 型碳化物 均为面心立方晶格，且晶格常数相近，两相之间错合度很小( 小于5 ) ， 符合相位尺寸对应原则，所以t i c 可以作为m c 型碳化物异质核心， 从而极大地促进了非均质形核。由于m g 含量很低，经微区成分分析并 未发现m g 在晶界的富集，然而m g 变质时m g 的存在对凝固过程合金 元素的分布却有较大影响，用扫描电镜对未变质试样和m g 变质试样组 织采用十点微区成分分析，测得高速钢基体组织中元素含量为：w ， 0 4 0 ，0 ，4 9 ；m o ，0 8 9 ，1 0 8 ；v ，2 4 7 ，2 6 5 ；c r ，3 2 4 ，3 5 7 ( 原子 百分比，) 。分析表明，m g 的变质作用的产生是由于m g 影响了合金 元素的偏析，使得基体组织中合金元素含量增加，相当于使合金分配 系数k 更偏离于1 ，从而促进了形成缩颈、晶粒繁殖和成分过冷倾向。 经1 4 r e t i m g 复合变质处理的高速钢f e 一2 c 。5 v - 4 m o 5 c r - 2 w - 1 5 n b ，其热处理组织中分布羞大量细小弥散的粒状碳化 物，碳化物网基本上得到消除。厂1 ， 关键词：复合轧辊，高速钢，显微组织，变质处理，热处理工艺， 性能 垒堕! 型 r e s e a r c ho nm i c r o s t r u e t u r e sa n dp r o p e r t i e so f h i g hs p e e d s t e e lo f c o m p o s i t e r o l l a b s t r a c t w i t ht h e a p p e a r a n c e o fa d v a n c e dr o l lm i l l sa n de f f e c t i v e r o l l i n g t e c h n i q u e s ，t h er o l l i n gi n d u s t r yh a sm a d e ar a p i dd e v e l o p m e n t a tt h es a m e t i m e ，t h em a n u f a c t u r i n go fr o l l i sa c c e l e r a t e dt os t r i d ei n t ot h en e w t 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 l 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 n f 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 p r o l l s d u r i n g t h er e c e n t y e a r s t h e b r e a k t h r o u g h o fm a n u f a c t u r i n gt h en e w t y p e o f c o m p o s i t er o l lh a sb e e nm a d e i ti sp o s s i b l ef o rt h ec o m p o s i t e r o l lo f h i g h c rc a s ti r o nw i d e l yu s e da tp r e s e n tt ob er e p l a c e db yt h ec o m p o s i t er o l lo f h i g hs p e e ds t e e l ( h s s ) i n t h et e ny e a r s t h ec o m p o s i t er o l lo f h i g hs p e e d s t e e lh a st h es y n t h e t i c a ll i f eo fo v e rt e nt i m e sm o r et h a nt r a d i t i o n a lh i g hc r c a s ti r o nr o l l n o wt h er e s e a r c ha n dp r o d u c t i o no ft h eh i g hs p e e ds t e e lf o r r o l la r ev e r yd r a s t i c i nt h i st h e s i s ，t h em i c r o s t r u c t u r e ，h e a tt r e a t m e n ta n dp e r f o r m a n c eo f h i g hs p e e d s t e e l f e 一2 c 4 v - 4 m o 一5 c r _ x w ( w c ) a r e s t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yb yu s i n gm e t a l l o g r a p h ，m e t h o do fl a t t i c e ，x r d ，s e m ，e d s a n dh a r d n e s s t h eh i g hs p e e ds t e e lo f c o m p o s i t er o l l i sc h a r a c t e r i s t i co f h i g hc a r b o na n dh i g ha l l o ye l e m e n t s s oi ti se a s yt of o r ma l o to fn e t l i k e c a r b i d e s t h e s ec a r b i d e sw h i c ha r e v e r yh a r da n df r a g i l ea n da r ev e r y d i f f i c u l tt ob ee l i m i n a t e db yh e a tt r e a t m e n tc a nd e p r e s st h ep r o p e a i e so f h i g hs p e e ds t e e l i ti sp i v o t a lt oi m p r o v et h ef o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o no f c a r b i d e si nt h es o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r eo fc o m p o s i t er o l l so fh i g h s p e e ds t e e l o nt h eb a s eo ft h er e s e a r c ho fc o m p o s i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo f m o d i f i c a t i o nw i t hr e ，t i ，m g ，r e - t i m g ( w t ，) o n h i g hs p e e ds t e e lo f c o m p o s i t er o l li si n v e s t i g a t e de m p h a t i c a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r eo f h i g hs p e e ds t e e l i v 垒堕璺! ! 一 f e 一2 c 一4 v - 4 m o 5 c 卜x wf w t ) c o n t a i n so fm a r t e n s i t e ，r e t a i n e d a u s t e n i t es t r u c t u r e ，a n dm c ，m 6 c ，m 2 cc a r b i d e s ，a n dm c m 2 cc o m p l e x c a r b i d e sb yx r d s e ma n d m e t a l l o g r a p h s m o s to f t h em c c a r b i d e s1 0 c a t e i nt h ec e l la n do t h e rc 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 ft h ec e l l b y s e ma n de d s t h es o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r eo ff e 一2 c 一4 v - 4 m o 一 5 c r - 2 wc o n t a i n s g r a n u l a r m cc a r b i d e sw h i c h m a i n l y i n c l u d ev ( 31 7 0 ，a t o m i cp e r c e n t ) ，f e a t h e r l i k e o rr o d l i k em 2 cc a r b i d e sw h i c h m a i n l yi n c l u d em o ( 6 4 7 ) a n dw ( 1 5 7 ) ，f i s h b o n em 6 c c a r b i d e sw h i c h m a i n l yi n c l u d ew ( 1 2 0 7 ) a n dm o ( 5 0 7 ) a n dc o m p l e xc a r b i d e sm c m 2 cw h i c hm a i n l yi n c l u d em o ( 6 1 7 ) a n dw ( 1 4 6 ) i nt h ef e 一2 c 一4 v - 4 m o 5 c r - x wa l l o ys y s t e m t h er e s i s t a n c e t oo x i d a t i o ni sp o o rw h e nt h ec o n t e n to fwi s0 6 a n dt h ea l l o yw h i c h c o n t a i n s2 wc a nh a v e g o o d r e s i s t a n c et oo x i d a t i o na n dl i m i tt h e f o r m a t i o no fn e t l i k ec a r b i d e s a l t h o u g ht h er e s i s t a n c et oo x i d a t i o ni n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s eo ft u n g s t e n ，t h en e t l i k ec a r b i d e sd i s t r i b u t e d a l o n gt h e c r y s t a lb o u n d a r yi n c l u d i n gm 2 c ，m 6 ca n dc o m p l e xc a r b i d e sm a n i f o l db y m e a n so ft h ea n a l y s i so fo p t i c a lm i c r o s t r u c t u r e x r da n dr e c k o n i n gt h e v o l u m ef r a c t i o no fc a r b i d e sb yi a t t i c e w h e nt h ec o n t e n to fw i s4 o r6 m 6 cc a r b i d e si n c r e a s ed i s t i n c t l yd e s p i t eo ft h em a j o rc a r b i d e so fm 2 ca n d m c m 2 cd i s t r i b u t e d a l o n g t h e c r y s t a lb o u n d a r y i nt h es o l i d i f i c a t i o n m i c r o s t r u c t u r e t h ee l e m e n to fn i o b i u mc a na c c e l e r a t et h ef o r r n a t i o no fm c c a r b i d e sa n df o i t nt h ec o m p o s i t ec a r b i d e so fva n dn b w h e nt h eh i g h s p e e d s t e e lo ff e 一2 c - 5 v - 4 m o 一5 c r - 2 wi s a d d e dal i a l eo f n i o b i u m ( 1 5 ，v a ) ，m cc a r b i d e si nt h ec r y s t a lc e l l si n c r e a s e s f o rt h ef e 一2 c - 4 v - 4 m o 5 c r - x w a l l o ys y s t e m t h ep e a k v a l u eo f q u e n c h i n ga p p e a r si n9 5 0 1 10 0 。c t h ep e a kv a l u ei n c r e a s e sw i t h t h ei n c r e m e n to fw w h e nt h ec o n t e n to fw i s2 t h et e m p e r a t u r eo f t e m p e rh a r d e n i n gi s5 5 0 。c f o rt h ef e 一2 c 4 v - 4 m o ，5 c r - 2 w a l l o y , t h ea p p r o p r i a t eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ec a nb ec o n t r o l l e di n1 0 0 0 1 0 5 0 a n dt h et i m eo f p r e s e r v i n g h e a ti s1 2 r a i n t h e t e m p e r i n g v 一 垒! ! ! 望! ! t e m p e r a t u r ei sa d a p t i v ea ta b o u t5 5 0 a n dt h et i m eo f p r e s e r v i n gh e a ti s 2 5 r a i n i no r d e rt oi m p r o v et h ef o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fc a r b i d e sa n d t h er e s i s t a n c et oo x i d a t i o no fh i g hs p e e ds t e e ld u r i n gt h ep r o c e s s i o no f h e a t t r e a t m e n t ，t h ec o n t e n to fw a n dm os h o u l db e1 i m i t e da n dt h ec o n t e n to fv a n dn bs h o u l db ee n h a n c e d t h ea p p r o p r i a t ec o n t e n to f e l e m e n t si st h a tw s h o u l db ec o n t r o l l e di n1 5 2 0 a n dn b a ta b o u t1 5 t h ee f f e c to fm o d i f i c a c i o nw i t h1 o t i o 3 r eo r1 4 r e t i m g o nc a r b i d e st r a n s f o r m a t i o nw a s n te v i d e n ti n 也es o l i d i f i c a t i o n m i c r o s t r u c t u r eo ff e 一2 c 一5 v - 4 m o 5 c r - 2 w 1 5 n b a l l o yb y x r d d u r i n gt h ec o u r s eo f r e s e a r c ho fm o d i f i c a t i o n o nt h eo t h e rh a n d t h e c o n t e n to fe u t e c t i cc a r b i d e sd e c r e a s e sd i s t i n c t l yw h e nm o d i f i e dw i t h0 1 m g t h e a s c a s t s a m p l e o ff e - 2 c 5 v - 4 m o 一5 c r - 2 w 一1 5 n b u n m o d i f i e dc o n t a i n sc o a r s eg r a i nw h i c hi sm a i n l yf r o m8 0t o1 2 0 uma n d c a r b i d e sn e t w o r kw h i c hi sf r o m3 0t o6 0um w i t ht h ec o m p o u n do f0 3 r e ，t h ec a r b i d e s d i s t r i b u t i o ni sr e f i n e d l i g h t l y w i t h t h e c o m p o u n d c o n t a i n i n g1 0p e rt it h es o l i d i f i c a t i o nc e l ls t r u c t u r ew h i c hi sm a i n l yf r o m 2 0t o6 0pma n dc a r b i d e sn e t w o r kw h i c hi sf r o m10t o4 0 l - tma r er e f i n e d e v i d e n t l y w i t ht h ec o m p o u n do f0 1 m g ，t h eg r a i ni sm a i n l yf r o m5 0t o 1 0 0 ”mw h e r e a sc a r b i d e sn e t w o r kw h i c hi sf r o m1 0t o3 0 um a r er e f i n e d e v i d e n t l y w h e nm o d i f i e d w i t ht h e1 4 p e rr e t i - m gc o m p o u n d ，t h e s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ew a si m p r o v e ds o e v i d e n t l yt h a tm o s to fc a r b i d e s n e t w o r ki sd i s c o n t i n u o u s t h ee e l ls t r u c t u r ei s m a i n l yf r o m10t o5 0um a n dc a r b i d e sn e t w o r kw h i c hi sf r o m1 0t o2 0 um t h ee l e m e n to ft ii dt h ea l t e r a t i v ea n dt h ec a r b o ni nt h el i q u i do fs t e e l c a nc r e a t eal o t so fd i s p e r s i v e p a r t i c l e so ft i ca tt h eh i g ht e m p e r a t u r e d u r i n gt h es o l i d i f i c a t i o nb yt h ea n a l y s i so fs e ma n de d s t h ep a r t i c l e so f t i cc a na c c e l e r a t et h ef o r m a t i o no fm c c a r b i d e s f r o mt h ec l a s s i c a lt h e o r y o fs o l i d i f i c a t i o n ，t i c ，a n dm cc a r b i d e sh a v et h es a l n e c r y s t a ll a r i c eo f c e n t r o i dc u b ea n dt h ec o n s t a n t so f c r y s t a ll a t t i c ea r es i m i l a r b o t ho ft h e m h a v eas m a l l d i s r e g i s t r y i ta c c o r d st ot h ep r i n c i p l eo ft h ec o r r e s p o n d e n c eo f v i d h a s ed i m e n s i o n t i cc a nb eh e t e r o g e n e o u sn u c l e u so fm c c a r b i d e sa n di t c a na c c e l e r a t et h ef o r r n a t i o no fh o m o g e n i cn u c l e u s b e c a u s e t h ec o n t e n to f m g i sv e r yl o w , t h ee n r i c h m e n to fm gi sn o td e t e c t e da l o n gt h ec r y s t a l b o u n d a r yb ye d s h o w e v e l w h e n m g i sa d d e di tc a ne f f e c tt h ed i s t r i b u t i o n o fe l e m e n t si nt h es o l i d i f i c a t i o n b yt h ea n a l y s i so fu n m o d i f i e ds a m p l ea n d t h es a m p l em o d i f i e dw i t hm gb ys e m ，t h ec o n t e n to fe l e m e n t si nt h e m a t r i xi sw o 4 0 ，o 4 9 ，m o ，o 8 9 ，1 0 8 ，v ，2 4 7 ，2 6 5a n dc r , 3 2 4 ，3 5 7 ( a t o m i cp e r c e n t ) t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee f f e c to f m o d i f i c a t i o nw i t h m g i sr e l a t i v et h es e g r e g a t i o no fe l e m e n t sb ym g i ti ss i m i l a rt h a tm g a c c e l e r a t e st h ec o e f f i c i e n to fe l e m e n t ss e g r e g a t i o nt od e p a r t u r ef r o mo n e s om ga c c e l e r a t e st h ef o r m a t i o no fn e c k i n gd o w n ，t h ep r o p o g a t i o no f c r y s t a lg r a i na n d t h et r e n do f c o m p o s i t i o no fs u p e r c o o l i n g t h e r ea r el o t so fd i s p e r s ea n dg r a n u l a rc a r b i d e sa n dt h en e t w o r ko f c a r b i d e sa r ee l i m i n a t e do nt h ew h o l ei nt h eh e a t t r e a t e dm i c r o s t m c t u r eo f f e 一2 c 一5 v - 4 m o 一5 c r - 2 w 1 5 n bm o d i f i e db v1 4 r e - t i m g k e yw o r d s ：c o m p o s i t er o l l ，h i g hs p e e ds t e e l ，m i c r o s t r u c t u r e ， m o d i f i c a t i o n ，h e a tt r e a t m e n t ，p e r f o r m a n c e v i i 第一章绪论 1 1 研究意义 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* b f 扫j 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， 在轧辊研制者努力下，将高速钢用于制造新一代复合轧辊方面取得了突 破性进展【卜6 1 。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，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 金方式复合起来的高性能轧辊。通过复合，可以充分发挥两种材料的性 能优势，能够制得其综合使用寿命比传统用高铬铸铁提高十倍以上的高 速钢轧辊【”，因而，加强对高速钢复合轧辊的研制与开发对轧辊的生产 具有重要的现实意义。 目前高速钢轧辊的研制与开发在轧辊尤其是用于热轧带刚轧机上 的轧辊研制与开发中占有主导地位。高速4 ；p q 车l 辊用在热带n f j c b 机上，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 伴着轧件精度的提高，可实现无规则轧制等。高速钢轧辊也在向线、棒 材轧机上发展，具有广泛的使用领域和应用前景，无论在国外还是国内， 轧辊用高速钢正处于研制、开发和生产应用的热点阶段。 高速钢复合轧辊的正式采用是从1 9 8 8 年开始的，当时是用在日本 一家热轧带钢连轧机上，美国是9 0 年代初开始引入高速钢轧辊，欧洲 起步较晚。我国基本上处于研制开发阶段，还未能广泛应用于生产。国 外有人预言，目前广泛采用的高铬铸铁( 钢) 复合轧辊，有可能十年之 内被淘汰【8 一刚。综上所述，尽快研制开发我国高速钢复合轧辊已成为迫 切需要。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 国内外研究现状 ( 1 ) 高速钢复合轧辊的特点 釜二童堑丝一 同传统的高铬铸铁( 钢) 轧辊、高合金无限冷硬铸铁轧辊相比， 高速钢复合轧辊具有以下特点：由于高速钢是由大量合金元素w 、 m o 、c f 、v 、c o 、n b 等合金元素组成的高合金钢，因此它具有很高的 常温硬度，尤为可贵的是，与普通材料相比，高速钢具有良好的红硬性， 5 0 0 。c 仍保持在h r c 5 5 以上，各种材料保持在h r c 5 5 以上所能得到的 硬度见表1 1 。因此它具有良好的高温耐磨性，特别适合于制造热扎工 作辊；高速钢复合轧辊辊芯选用球铁或锻钢材料。因此辊芯具有较高 的强度和韧性，没有断裂的危险，并且提高了轧辊的弯曲负载，从而可 使轧材获得较好的板型；高速钢复合轧辊外层具有很高的残余应力， 可防止轧辊表面裂纹向心部渗入而导致轧辊剥落。高速钢轧辊和常规轧 辊的力学性能见表1 2 。高速钢复合轧辊材料之所以具有很好的红硬性 和高的耐磨性，其中很重要的一点就是因为在轧辊工作层组织中弥散分 布着大量细小的高硬度碳化物，轧辊用高速钢通过加入强碳化物形成元 素如v 、w 、m o 、c r 等形成高硬度m c 、m 2 c 、m 6 c 、m 7 c 3 “州型碳 化物具有比传统高铬铸铁轧辊更高的硬度和更好的耐磨性。文献认为 【”】，轧辊用高速钢热处理后的组织为回火马氏体的基体上分布着 ( m c + m 6 c ) 碳化物。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。 表1 1 各种材料保持在h r c 5 5 以上所能达到的温度1 5 t a b l e1 1 t e m p e r a t u r e so f d i f f e r e n tm a t e r i a l so v e rh r c 5 5 碳素普通 高速钢 材硬质陶瓷高铬冷硬 工具舍c o含c o 料材料铸铁铸铁普通 钢钢8 1 2 温 慑 3 5 04 0 01 0 2 01 2 0 04 5 04 3 05 1 05 3 05 9 5 ( 2 ) 复合轧辊用高速钢材料的生产制备特点 复合轧辊用高速钢材料的生产制各方法主要有以下几种：离心铸 造法( c f ) 、连续浇注复合铸造法( c p c ) 、喷射沉积法( o s p r e y ) 、热等 第一章绪论 表1 2 高速钢轧辊和常规轧辊的力学性能比较1 ”】 轧辊外层材料 部位项目单位合金冷硬 高速钢高铬铸铁 铸铁 硬度h s c 7 0 9 07 0 8 07 5 8 5 抗拉强度m p a 7 0 0 1 0 0 07 0 0 9 0 04 0 0 6 0 0 外层1 7 0 0 1 9 0 0 抗压强度 ，i p a2 5 0 0 3 0 0 0 2 2 0 02 5 0 0 破坏韧性值m p a * m 1 22 5 2 82 1 2 31 8 2 5 辊芯抗拉强度m p a7 0 0 】0 0 04 0 0 5 0 03 0 0 5 0 0 结合层抗拉强度m p a5 0 0 7 0 03 0 0 4 0 03 0 0 5 0 0 1 3 各种材质轧辊中碳化物的形态和硬度 t a b l e1 3 s h a p e sa n dh a r d n e s so f c a r b i d e si nr o l lm a t e r i a l s 轧辊材质碳化物形态形态硬度( h v ) 高镍铬轧辊f e 3 c 网状8 4 01 1 0 0 c r 7 c3 菊花状1 2 0 0 1 6 0 0 高铬铸铁轧辊 m 2 3 c6 粒状( 二次)1 2 0 0 m c 粒状3 0 0 0 高速钢 m 2c 棒状和羽毛状2 0 0 0 轧辊 m 6 c 鱼骨状和细板条状1 5 0 0 1 8 0 0 静压法( h i p ) 、电渣重熔法( e s r l 。 其中，采用离心铸造法具有设备简单、成本低，最为适合应用于 大批量工业生产。但由于高速钢材料中含有较多的钨、铬、钼、钒等合 金元素，这些合金元素及其碳化物密度相差很大，采用离心铸造法时， 容易产生偏析而严重影响高速钢材料的质量，因此，离心铸造法对工艺 参数的要求较高。改善偏析的主要方法有采用合适的化学成分设计、控 制工艺参数、采用变质处理及凝固过程中采用电磁搅拌等。九十年代初， 第一章绪论 日本川崎制铁公司采用了加入铌的合金系而使得形成n b ) c 型复合碳 化物改善了偏析。不过，由于离心铸造法具有突出的优点，通过合理的 设计合金成分和工艺参数生产出的高速钢材料可以满足大多数轧机的 需要，因而在相当长的段时间内仍将处于主导地位。 ( 3 ) 复合轧辊用高速钢材料的组织特征 复合轧辊用高速钢材料的性能决定于其微观结构特征：碳化物 的种类、形状、体积分数及分布；马氏体基体的性能特点；晶粒尺 寸大小。复合轧辊用高速钢材料的微观结构与合金设计、工艺条件有关。 各种研究结果因成分和工艺条件相差较大，结论也往往不同。文献】 研究后发现，不同类型碳化物的形成取决于强碳化物形成元素，当含铬 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 ，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，对于轧辊的整体 硬度影响最为关键的微观结构因素位于晶界分布碳化物的种类及其分 布。j o o nw o o dp a r k 等人1 4 5 】认为，当材料中钒含量增加时，m c 型碳化 物增加，并且颗粒变得更加细小且弥散分布在晶粒内部；基体组织为混 合着的片状马氏体和板条状马氏体。文献【2 7 】认为，高碳高钒类型高速钢 中m c 型碳化物的形态可以分为三类：一是在亚共晶成分中自奥氏体中 析出的分散块状、条状及共晶析出的骨架状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；三是过共晶成分中析出 的细小、弥散分布的m c 型碳化物。另外，高速钢中还会出现m 2 c m c 、 m c m 6 c 型复杂类型碳化物。 ( 4 ) 高速钢轧辊的应用 目前，世界上包括目本新日铁公司、美国i n l a n d 钢公司、加拿大 d o f a s c o 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。据报道，日本新目铁公司用c p c 法生产的高速钢复合轧辊具有 极高的耐磨性。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 的c ，5 8 的c r ，5 - 7 的v ，1 3 的n b 。 在使用高速钢轧辊后，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，可大幅度提高轧辊使用寿命和降低轧辊消耗。 - 4 - 第一章绪论 加拿大d o f a s c o 公司自1 9 9 3 年试用铸造高速钢复合轧辊以来，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 h t ， 带钢