（材料加工工程专业论文）轧辊（辊环）用高速钢组织及性能研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 目前，我国钢铁行业使用的轧辊寿命低、质量差，严重地影响产品质量和生 产效率，其原因是绝大多数企业使用的轧辊为同一材质制造而成。轧辊的耐磨性 依靠铸造时辊面的激冷形成激冷层起作用，但对这样的轧辊来说，激冷层厚轧辊 耐磨性好，但韧性差易断辊，反之激冷层薄，生产中企业不得不牺牲耐磨性来保 证不断辊。轧辊寿命成为制约钢铁企业发展的一大难题。目前，连轧生产的推广 对轧辊提出了更高的要求，研究开发质量优良、高寿命的轧辊则是当务之急。 轧辊目前的发展方向是将不同性能的金属材料复合在一起形成轧辊，其特点 是表面为耐磨材料，具有好的耐磨性，而心部是韧性材料使其具有好的韧性，这 一方面解决了单一材质耐磨性和韧性的矛盾，同时还可节约大量贵重材料，降低 生产成本，处于研究前端的就是高速钢复合轧辊。本文针对这一现状研究开发了 高碳、钒高速钢系合金作为轧辊( 辊环) 材质。 在轧辊及辊环用高速钢中添加不同含量的k n a r e 复合变质剂，对试样分别 进行h s v m 及力学性能测试。结果表明，k 、n a 及r e 元素均具有很强的脱氧、脱 硫能力，使得低熔点的硫、氧化物不能在晶界聚集，晶界大大净化，有效减少了 杂质的数量。随着复合变质剂含量的增加，并进行适当的热处理，高速钢中铸态 碳化物趋于断网，而奥氏体晶粒急剧变小，由大的枝晶变为小的等轴晶，且分布 趋于均匀。 一一 。 进一步研究表明，随着k n a _ r e 复合变质剂加入量的增加，高速钢的强度和 韧性明显提高，红硬性显著提高，耐磨性有明显改善。当复合变质剂的加入量为 1 o 时，高速钢的组织及力学性能较好。 关键词：轧辊，辊环， k n a - r e 复合变质，高速钢，组织，力学性能，热处理 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a td r e s e n t t h el o wl o n g e r l t ya n dp o o rq u a l l t yo fr o ii e r ss e r i o u s l y a f f e c tp r o d u c tq u a l i t ya n dt h e i rp r o d u c t i v i t yi nt h ei r o na n ds t e e l i n d u s t r yo fo u rn a t i o n t h a t sb e c a u s et h er o l l e r sa r em a d eu po fo n l y o n ek i n do fm a t e r i a li nm o s te n t e r p r i s e s t h ew e a r r e s i s t a n c ed e p e n d so n c h i l ll a y e ra sc a s t g e n e r a l l y ，t h et h i c k e rt h ec h i l ll a y e ri s ，t h eb e t t e r w e a r r e s i s t a n tt h er o l l e rc a na c h i e v e ，b u ti t st o u g h n e s si sp o o ra n di t i se a s yt ob r e a k t h ee n t e r p r i s e sh a v et os a c r i f i c ew e a r r e s i s t a n c ei n o r d e rt oe n s u r et h er o l l e rn o tt or u p t u r e t h et r e n do fr o l l e rd e v e l o p m e n ti st oc o m p o u n dd i f f e r e n tk i n d so fm e t a l s t o g e t h e rt of o r mr o l l e r s t h es u r f a c eo ft h e s er o l l e r si sm a d eu po f w e a r r e s i s t a n c em a t e r i a l sw h i c he n s u r et h er o l l e r sh a v eh i g hw e a r r e s i s t i n g p r o p e r t y t h ei n s i d eo fr o l l e ri st o u g hm a t e r i a l sw h i c hs e t t l e t h e c o n t r a d i c t i o no fw e a r - r e s i s t a n c ea n dt o u g h n e s s t h i sm a ys a v em o s to f m a t e r i a la n dr e d u c ec o s t t h el a t e s ts t u d y i n gr o l l e ri sh i g hs p e e ds t e e l c o m p o u n dr o l l e r t h ee x p e r i m e n to fh i g hc a r b i d e sa n dv a n a d i u mh i g h s p e e d s t e e li sc a r r i e do u ti n v e s t i g a t i o ni n t ot h ec o m p o u n dm e t a lr o l l e r t h ee f f e c to fd i f f e r e n ta m o u n t so fk n a r ea d d i t i o ni n t oh i g h 。s p e e d s t e e l ( h s s ) u s e df o rr o l l e rw a si n v e s t i g a t e du t i l i z i n gh i s c o p ev i d e o m i c r o s c o p e ( h s v m ) a n dm 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 t t h er e s u l t ss h o w t h a t ，w i t ht h ei n c r e a s eo fk n a r ea d d i t i o na n dp r o p e rh e a tt r e a t m e n tt h e n e to fc a s t i n gc a r b i d e st e n dt ob eb r o k e nu p a f t e rm u l t i p l em o d i f i c a t i o n ， yc r y s t a lg r a i n sh a v eg r e a tc h a n g et h a tt h eb i gd e n d r i t i cc r y s t a l st u r n i n t os m a l le q u i a x e dc r y s t a l sa n dt h ec a r b i d e sa n dc r y s t a lg r a i n so fh s s a r ed i s t r i b u t e dh o m o g e n e o u s l yi nt h em i c r o s t r u c t u r e f u r t h e ra n a l y s i ss h o w st h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fk n a r ea d d i t i o n s t r e n g t h ，t o u g h n e s s ，h o t h a r d n e s sa n dr e s i s t a n tp r o p e r t i e so fh s sh a v e e v i d e n ti m p r o v e m e n t a n dt h eh i g hs p e e ds t e e lh a sb e t t e rm o r p h o l o g ya n d v - 山东大学硕士学位论文 m e c h a n i c a lp r o p e r t yw i t h1 o w t m o d i f i e r k e y w o r d s ：r o l l e r ，r o l lc o l l a r ，k n a r em u l t i p l em o d i f i c a t i o n ，h i g h s p e e d s t e e l ，m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y ，h e a tt r e a t m e n t - v h 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：盗盎羡 日 期：础：王，1 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 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：浩扬复导师签名： 日期：丛弓2 7 f 山东大学硕士学位论文 1 1 选题的目的及意义 第一章绪论 轧辊是轧钢生产中的主要消耗备件，其性能好坏直接影响轧材的表面质量和 轧材的成本，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。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良好的耐磨擦磨损为特征的高速 钢辊正在替代传统的高铬铸铁辊“一 高速钢被广泛的用于制造工具，它具有优良的硬度、耐磨性和高温特性。最 近高速钢被用于轧辊材料，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，从而提高轧制板材的质量和延长轧辊寿命阻” 轧辊的性能主要由制造方法、材料的成分和热处理工艺所决定。由于目前轧 辊成分变化范围相当的宽，而且没有一个统一的标准，再加上技术方面的原因， 国外对热处理工艺很少有详细的报道，所以本文将点放在材料的成分设计和变质 工艺及热处理工艺方面的研究，希望通过试验的方法，找到合理的成分配比和变 质及热处理工艺方案同时，对目前说法不一的高速钢轧辊中的碳化物类型进行 研究，为以后的研究工作提供准确的参考依据。 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，我国在轧制 产品质量和精度方面同一些发达国家( 如日本) 相比，还存在一定差距，而轧制产 品质量的好坏与轧辊技术的发展密切相关州。 2 0 世纪9 0 年代以来，世界轧辊发展取得的最令人瞩目和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。日本是最早使用高速钢轧辊的国家，现在几 乎在所有的热带连轧机精轧前架都使用了高速钢轧辊，欧美各国在这些轧机上也 在大量使用高速钢轧辊。他们经过多年的研制、开发和使用已经积累了丰富的知 识和经验，已经走在了世界的前列“”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。 山东大学硕士学位论文 线材轧制技术的发展对辊环性能提出了更高的要求，为适应这一要求，国内 外开发了用无限冷硬镍铬铸铁、贝氏体球铁、高铬铸铁生产的辊环及硬质合金辊 环“+ 。前者成本低，但使用寿命短；后者具有优良的耐磨性，然而成本太高。 因此，近年来又开发了高速钢辊环“”。高速钢作为热轧辊环材料的应用在1 9 8 8 年始于日本，2 0 世纪9 0 年代初期在北美开始采用，它在提高耐磨性、改善产品 质量和减少更换辊环次数、减轻工人劳动强度等方面体现出了优点。我国高速钢 辊环的研究及应用，与国外先进水平相比，差距较大。近年来我们进行了离心铸 造高速钢辊环研究，研究表明国产高速钢辊环的性能明显超过常用高镍铬无限冷 硬铸铁辊环和高铬铸铁辊环，已接近了硬质合金辊环的水平，但生产成本仅为硬 质合金辊环的2 0 一2 5 ，推广应用高速钢辊环具有较好的经济效益“”。 1 2 轧辊及辊环的失效形式及材料进展 1 2 1 轧辊的失效形式 轧辊的主是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，这由摩擦粒子的形状和硬度所决定州。此外，由于轧辊 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矧。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s l 锖j j 产品表面质量的恶化溉“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t s l 钼i 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非常硬的碳化物而得到改善，但是碳化物同基体的硬度 不同，引起严重的表面不规则，因此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 高速钢辊环主要用离心铸造方法生产，因高速钢中合金元素密度差较大，在 离心力作用下，高速钢辊环易产生严重偏析，密度大的元素( 如w 、m o ) 富集于辊 环外层，密度小的元素( 如v ) 富集于辊环内层，使其优异的耐磨性能得不到充分 发挥；同时元素的偏析也使得辊环的硬度均匀性降低。 山东大学硕士学位论文 1 2 2 轧辊及辊环材质发展趋势及国内外发展情况 ( 1 ) 材质的发展趋势 在6 0 年代，热轧带钢工作辊材质采用半钢，7 0 年代使用高铬铸铁到8 0 年 代末开始采用高速钢；冷轧带钢工作辊材质由2 铬钢发展到3 铬钢、5 铬钢，9 0 年代以后开始使用半高速钢、高速钢侧。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。 提高轧材的质量、精度和降低成本是当今轧钢技术进步不断努力的方向。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、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 。“删。表1 1 嘶叫示出了轧钢技术进步对轧辊性能要求的变化。 表1 1 轧辊技术进步对轧辊性能要求的变化 t a b l e l 1 t h ec h a n g eo ft h ea d v a n c e m e n ta b o u tt h er o l l i n gt e c h n i c 节能 板 型 低温轧制 ( 大压下轧制 辊颈减小 交叉辊轧制 交叉辊轧制 弯辊轧制 ( 工作辊) 极小直径工件 作辊轧制 辊颈扭转应力增加 5 0 1 0 0 1 0 0 2 0 0 辊身接触应力增加1 0 0 0 2 0 0 02 0 0 0 2 5 0 0 辊颈推力增加 6 0 1 5 0 3 5 0 辊颈弯曲应力增加 5 0 1 0 0 1 5 0 辊颈弯曲应力增加 3 0 0 ( 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偏析等 缺陷影响轧辊的性能嘲因此阻捌，锻造高速钢轧辊的研究和推广应用进展十分 缓慢。高速钢热轧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 山东大学硕士学位论文 轧带钢连轧机上；美国是从9 0 年代初开始引入高速钢轧辊的，欧洲起步较晚o ”。 我国高速钢热轧轧辊的研制和生产还处于起步阶段，一些轧钢企业普遍使用的仍 是传统轧辊，与国外先进水平相比差距较大。目前，国内一些科研机构已经丌始 组织人力物力进行这方面的研究，并取得了可喜的成绩。 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、加拿大d o f a s c o 公 司等数十家钢铁企业己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，预计在 1 0 年内高速钢轧辊将完全取代目前使用的高铬铸铁轧辊。据报道m “，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。 表1 2 新日铁公司各种轧辊的辊耗比较“ t a b l e l 2t h ec o m p a r eo fd i f f e r e n tr o l l s 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 9 6 c 、5 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，s l c 目j 2 0 0 0 根时需进行换 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 $ , 1 2 0 0 0 根钢管。因此，使用高速钢轧辊后，可大幅度提高轧辊使用寿命和降低 轧辊消耗。 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 山东大学硕士学位论文 明显减少，轧机作业率明尽提高，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 高至u 1 9 9 4 年1 1 月的4 9 0 t h ，带钢表面质量提高了2 0 。 至1 9 9 2 年，已有1 5 0 支以上的半高速钢复合轧辊由日本日立公司生产并在轧 机上使用1 ，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 9 6 c r 和含l o 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“”，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，在$ l $ 0 2 1 m m 厚、1 2 0 1 8 3 m m 宽的普碳 钢时，每次轧钢l t 比原来使用的高镍铬钥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1 0 倍以上浙江新安江特种合金 铸造厂采用普通离心铸造方法生产的高速钢辊环，在新余钢铁公司第三型钢厂无 扭高速线材轧机精轧机组卜4 号使用，经多次上机后检测，1 号和3 号轧机( 孔型为 椭圆孔) 每生产千吨钢材磨损0 3 5 o 4 1 m m ，在2 号和4 号轧机( 孔型为圆孔) 每生 产千吨钢材磨损0 2 6 0 3 5 r m 。轧槽磨损均匀，耐磨性好，使用寿命达到碳化钨 辊环的5 0 ，但其价格仅为碳化钨辊环的1 3 ，性能价格比高，而且该产品具有良 好的韧性和抗热裂性能，解决了碳化钨辊环的裂辊问题，提高了生产率，降低了 生产成本。 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，目前一般可达1 5 以上“”1 。目前，在轧辊材料高合金化方面进行的大量 工作就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“町。 山东大学硕士学位论文 表1 3 不同轧辊材质中碳化物形态和硬度 t a b l e l 3c o n f o r m a t i o na n dh a r d n e s so fd i f f e r e n tr o l l i n gm a t e r i a l 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 m e i s t e r 油1 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 列出了目前几 种研制中的高速钢复合轧辊外层材料的成分( 质量分数，以下如未专门注明者， 均为质量分数) 表1 4 高速钢复合轧辊工作层材料成分( 霄t ) t a b l e l 4c o m p o n e n to fw o r k i n gf l o o ri nr o l l s 1 3 高速钢轧辊的特点 高速钢轧辊的特性主要依靠碳化物的类型和硬度，这些碳化物或者是凝固过 程中形成的初晶碳化物或者是在回火过程中从固溶体中析出的二次碳化物删 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哪 山东大学硕士学位论文 通常高速钢轧辊中含碳大约在1 5 2 o 左右，大多数碳与强碳化物形成元 素v 、w 、m o 等复合“”。剩余的碳大约在0 3 - 0 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“”。 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 口2 1 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。 表1 5 锻造高速钢轧辊成分1 t a b l e l 5c o m p o n e n to ff o r g i n gr o l i s 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，用韧性满足要求的锻钢、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 b c 、m c 型碳化物，而且随着钒含量的增加，高速 钢组织的骨骼状m b c 型碳化物向粒状的v c 型碳化物转化，各种碳化物的形态和 硬度见表1 6 。 山东大学硕士学位论文 表1 6 各种轧辊材质中碳化物形态和硬度 t a b l e l 6c o n f o r m a t i o no ft h ec a r b i d ei nd i f f e r e n tr o l l s ( 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 7 嘲) ，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 7 各种轧辊材料的热稳定性 t a b t e l 7h e a t s t a b i l i t yo fd i f f e r e n tr 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。 ， ( 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 4 高速钢轧辊中的合金元素 ( 1 ) 碳。简单地说删，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 - 3 5 ，成分范围相当的宽。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 0 a ， 山东大学硕士学位论文 甚至更高。这是因为高速钢轧辊不象一般高速钢工具。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，碳高则固相线低，流动性 对铸造来说是十分重要的。当然，碳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，并不用盐炉淬火，本来淬火温度就上 不去，故不能象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。它们是强碳化物形成元素，在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一般来说，铸态高速钢中的钒，有9 5 以上是以一次碳化 物( 包括共晶碳化物) 状态析出的。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。当然，钒很贵， 但出于对轧辊抗热裂性和减少偏析的特殊考虑，由于钒锯碳化物的高硬度，以及 它们的细化晶粒作用，因此，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 易发生聚集长大，所以能有效的防止晶粒长大。 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 ( v c ，) ， 分散粒度大，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，要强烈的影响碳固溶到基体 中的量。所以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当碳 量固定时，随钒量增加，对高速钢淬火硬度的影响如图1 1 所示。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 一铁素体所致。有人曾对 6 w 、5 m o 、4 c r 钢中的钒和碳的变化进行了系统的研究，得出这种钢碳和钒的 最佳成分，其变化范围如图1 2 所示，指出在0 5 5 c 、1 v 或0 8 c 、2 v 的基础上， 如果增加1 v ，需要增加0 2 5 9 6 c ，甚至还可多加一些钒的增加，可显著提高钢 的热硬性。从图1 3 可以看出，若含钒量增加，其高温硬度也将随之增加删 山东大学硕士学位论文 图1 1 钒最对高速钢淬火硬度的影响 f i 9 1 1e f f e c to fv a n a d i u mc o n t e n to nt h eh a r d n e s so fh i g h s p e e ds t e e l 2 o i 1 i 1 三l 2 氍i o 0 8 o 6 0 4 o 2 o oi z3 了r 1 厂r 帆， 图1 26 w 、5 涮o 、4 c r 高速钢 f i 9 1 26 w 、5 m o ，4 9 6 c rh i g h s p e e ds t e e l - lo 譬 i 山东大学硕士学位论文 试验温度( f ) 01 8 许、4 e c r 、j v 口1 8 9 饼、4 q 6 c r 删 1 8 哺4 ，6 c r 谢 图1 3 高速中含钒最与高温硬度的关系 f 1 9 1 3e f f e c to fv a n a d i u mc o n t e n to nt h eh i g ht e m p e r a t u r eh a r d n e s so fh i g hs p e e ds t e e l ( 3 ) 钨。有几种合金元素可以促进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 。w 型碳化 物。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。此外，w 2 c 型碳化物的理论密度高达1 7 2 ，在离心力的作用下，铸造时容易 发生偏析。当然，从碳化物的体积百分数来说，用钨也是不合算的。但是钨提高 钢的抗氧化性，因为高速钢轧辊淬火前在空气炉中加热，所以在成分设计时仍然 把钨作为保留元素。按2 的钨计算，只生成不到l v 0 1 的碳化物。 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a 相 中，从而提高其高温硬度和抗回火性，而淬火时剩余的为数相当多的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 以上，马氏体才开始分解，温度高至5 5 0 6 0 0 ， 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 。c 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。”报导，含钨量过低的 铜，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。钨量对高速钢的淬火及回火硬度有很大影响， 山东大学硕士学位论文 图1 4 是淬火及回火硬度随钨变化的曲线。 o 基 铬 薯 j ，、i1 8 1 1 ，i 2 c 冬 i i25 i l t 7 - v ，、 。溅 。3 i ll 、 - ii t ! | l ： f ： 、 町氧 ，艄t 髯 、 警 杉走r 7 1 5 l 口 v 7y i + 睁、一 鼍火m 慝 图1 4 含钨量对高速钢淬火及回火硬度的影响 f i g1 4e f f e c to ft u n g s t e nc o n t e n to nt h eh a r d n e s so fq u e n c ha n dt e m p e ri nh i g h s p e e d s t e e l ( 4 ) 钼。高速钢中钼和钨的作用相近，大约1 的钼可以取代1 8 一2 的钨， 即钼的钨当量为1 8 2 。共晶的m 0 2 c 型碳化物形貌上呈捧状或羽毛状，易于处 理成分散态。m o 。c 的理论密度为9 1 8 ，从碳化物的量和偏析来考虑，都比钨有 利。但若完全用钼取代钨，轧辊热处理时因在空气炉中加热，氧化脱碳都会加剧。 所以，在成分中含2 钨和5 钼。就是说，单是钨和钼的钨当量就达到了1 1 。 ( 5 ) 铬。所有常用高速钢中都含有4 左右的铬( 3 8 - 4 4 ) 。铬在高速钢中的 主要作用是提高淬透性，退火状态下，铬部分溶于铁素体，部分溶于m h c 型碳化 物中。淬火时铬几乎全部溶于奥氏体中，使钢的淬透性增加。此外，铬也是保证 抗氧化性的基本元素，所以高速钢轧辊中铬含量高于4 ，但含铬量过高会显著 增加淬火后残余奥氏体的数量和稳定性，需要增加回火次数“。 1 5 高速钢轧辊的制造方法 1 5 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 山东大学硕士学位论文 层材料之间界面氧化是此类轧辊制造成败的关键。 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 等合会元素，而这些元素及其形成的碳化物密度差别很大( 见表1 8 ) 6 ”， 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。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。 表i 8 高速钢中常见元素和碳化物密度1 t a b l e l 8d e n s i t yo fd a f f e r e n te l e m e n t sa n dc a r b i d e s i 5 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) s 4 jp 如图1 5 所示。 山东大学硕士学位论文 礁 预热 冷却水出 图1 5c p c 法生产高速钢复合轧辊示意图 f i 9 1 5 d e t h o do fc p c 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，国# t 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，其设计能力如下：辊身直径2 5 0 8 5 0 r a m 、辊身长度 。3 0 0 0 m 、外层 厚度1 0 0 m m 、轧辊长度7 0 0 w a n 、轧辊重量1 5 0 0 0 k g 。 1 5 3 旋转电渣熔铸法 锻造成形法是生产冷轧工作辊的主要方法。但由于合金含量高，锻造难度大， 材料利用率低，生产成本高，限制了高速钢轧辊在冷轧中的推广使用。高速钢通 常用感应炉熔炼，这一方法生产的钢水质量很难达到冷轧辊对钢的纯净度要求。 近年开发的旋转电渣熔铸法是生产半高速钢复合冷轧工作辊的有效方法慨“ 山东大学硕士学位论文 电 结晶器 渣 金属熔池 底扳 图1 6 电渣重熔法示意图 f i 9 1 6m e t h o do fd r e g sr e m e l t i n g 作为辊芯与辊颈的锻钢轴放于水冷结晶器中间，两者同心；半高速钢制成的 管状电极插在锻钢轴与结晶器之间，它熔化后形成复合轧辊的外层；管状电渣重 熔的同时，锻钢轴与结晶器同步旋转，二者之间的空隙不断被重熔的半高速钢钢 液充满，钢液将锻钢轴表面熔融，使钢水凝固后与锻钢轴形成冶金结合；随着钢 液不断注入，不断凝固，结晶器向上移动，最终形成外层为半高速钢，辊芯和辊 颈为锻钢的复合轧辊用旋转电渣熔铸法生产的半高速钢复合轧辊有如下特点： ( 1 ) 外层厚度均匀； ( 2 ) 外层与辊芯冶金结合良好； ( 3 ) 结合部有高的强度； ( 4 ) 外层宏观组织致密； ( 5 ) 外层续净度高。 1 5 4 液态金属电渣熔接法 最近，乌克兰e l m e t 轧辊公司开发了液态金属电渣熔接法制造高速钢复合轧 辊新工艺，它是在c p c 法的基础上加上电渣净化作用的一种新的轧辊制造方法， 图1 7 是e s s l m 法示意图 山东大学硕士学位论文 浇包 金属液 水冷凝结 图1 7e s s l m 法制造高速钢复合轧辊示意图 f i 9 1 7m e t h o do fe s s i j i 用e s s l m 法制造轧辊时，其外层是在特殊设计的导电水冷铜结晶器中凝固形 成的，结晶器不仅使浇入的外层钢液凝固，而且也可保持电渣过程中不消耗电极 过程开始时，先将作为高速钢复合辊芯部的芯轴插入结晶器中，并与其同轴。轴 的外表面和结晶器的内表面的间隙决定复合辊外层厚度然后将在另外的熔化装 置中熔化的渣液浇入结晶器和芯轴的间隙中，渣液形成渣池，它的热量将芯轴表 面预热。然后再浇入外层高速钢水，可连续浇入，也可按预先设定的程序浇入。 钢液将熔渣上浮，同时在通过渣池时被渣精炼。钢液与已经预热的芯轴表面熔合， 并因结晶器的冷却而凝固，形成复合层借助移动装置不断由结晶器中拉出已经 凝固的部分( 或结晶器上移) ，同时上部钢液不断注入，直至达到预定的复合轧辊 长度为止。已用此方法生产了3 4 4 m m x 6 5 0 m m 的高速钢复合轧辊用作热带钢工作 辊，其外层化学成分为1 8 9 6 c 、0 3 s i 、0 7 m n 、4 5 1 1 6 c r 、1 5 n i 、3 5 嘣o 、6 1 v 、 4 4 w 。国内杨国民发明的复合轧辊制造方法和装置与乌克兰e l m e t 轧辊公司开 发的液态金属电渣熔接法相类似，其装置包括结晶器、辊芯把持器、固定架、引 锭头、中间包、电源及其电回路。该复合轧辊的制造方法是预先将辊芯制备好， 然后将它置于结晶器的中心，并以辊芯为导体，作为电回路的一部分，组成电加 热回路，将辊芯直接加热，当辊芯预热到一定温度后，向结晶器中浇入热渣和钢 液，钢液开始凝固后，向下抽动辊芯和引锭头，使钢液逐步凝固在辊芯周围，形 成复合轧辊。 山东大学硕士学位论文 1 5 5 喷射工艺 近来，喷射成形工艺( o s p r e y ) 的研究引起了国内外的广泛关注，如图1 8 ” 它是从熔融金属制成半成品的先进工艺，所获得的半成品具有以下特征： ( 1 ) 没有宏观偏析； ( 2 ) 各向同性而且组织均匀弥散； ( 3 ) 初始晶粒弥散析出； ( 4 ) 氧含量低； ( 5 ) 热加工性能得到改善。 7 图1 8o s p r e y 法制造高速钢复合轧辊示意图 1 熔融高速钢2 坩埚3 雾化氮气喷嘴4 喷射粉未5 锻钢心6 转动机构7 沉积室 f i 9 1 8m e t h o do fo s p r e y 正由于o s p r e y 工艺具有上述优点，将它用于制造高速钢轧辊己引起了人们的 重视。据报道嘲，英国国家轧辊制造公司用0 s p r a y t 艺生产的高速钢复合轧辊， 辊身尺寸达4 0 0 m m 1 0 0 0 m m ，其组织比锻造组织细微得多，而且完全消除了粗大 的共晶碳化物，在辊芯和喷射层之间边界的结合是良好的冶金结合，轧辊疲劳性 能提高，使用寿命延长，目前正开发制造8 0 0 m x 2 0 0 0 m 的高速钢复合轧辊设备。 美国的b a b c o c k 公司和w i l c o x 公司与国家轧辊公司也正在计划同样的项目，研究 用o s p r e y 工艺制造高速钢复合轧辊 山东大学硕士学位论文 1 5 f i 热等静压法 用热等静压工艺( h i p ) 生产的高速钢复合轧辊，与相同成分的铸造高速钢轧 辊相比，碳化物更细小、均匀，而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h i p 工艺生产的高速钢轧辊的综合性能明 显优于铸造轧辊删。此外，为了进一步提高耐磨性，h i p i 艺采用更高的碳含量 和合金含量，保持良好的碳化物形貌。用h i p i 艺生产高速钢轧辊时，一般是用 铸、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i o o m p a 以上压力下烧结成轧辊。目前由于设备限制，h i p i 艺 还只能生产小直径的高速钢轧辊。 i 6 高速钢轧辊研究的重点 为提高我国高速钢轧辊的研究、制造和使用水平，应重点对以下几个方面进 行研究： ( 1 ) 加快高速钢轧辊制造方法的研究。目前我国高速钢轧辊的制造方法主要 是普通金属型铸造和普通离心铸造。用普通金属型铸造的高速钢轧辊组织粗大， 轧辊内部易产生气孔、缩孔和疏松等铸造缺陷，轧辊使用效果差。用普通离心铸 造法生产的高速钢轧辊，因轧辊中的各种合金元素密度差别极大，离心力作用下 产生严重的偏析，严重影响轧辊的使用效果。国外开发的c p c 法制造的铸造高速 钢轧辊尽管具有较好的性能，但引进c p c i 艺和设备投资巨大，在目前国内冶金 和机械工业不景