（钢铁冶金专业论文）高速钢轧辊晶粒细化机理研究.pdf

摘要 摘要 利用金相法、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材料的显微组织、晶粒尺寸、热处理工艺及性能进行了系统分 析。研究铸造条件包括浇注温度、模具预热温度、涂层厚度这些因素对晶粒尺寸大 小的影响，并通过不同温度的热处理试验得出合理的热处理工艺。结果表明： 1 经扫描电镜和x 射线能谱曲线分析，试验用高速钢材料凝固组织包含各种类 型的碳化物如m c 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。在放大倍数为2 0 0 0 的扫描电镜下观察到的高硬度的v c 边部为圆形，使耐磨 性提高；部分碳化物边部成失角状，容易造成应力集中，在轧辊使用中，易引起碳 化物剥落，降低轧辊使用寿命。而在等温处理的试样中部分存在s j 、a l 的大块夹杂 物严重割裂基体使耐磨性降低并且抗冲击性能下降。 2 对于不同的铸造条件包括浇注温度( 高或低) ，模具( 预热或不预热) ，涂料厚度 ( x m m 或3 r a m ) ，进行正交试验。通过测得铸态下的晶粒尺寸值，得出以下结论： 浇注温度是最重要的浇注参数，在其它两种条件相同时，低的浇注温度，模具 不预热，涂料厚度较薄者，所得到的晶粒较细小。 3 综合考虑晶粒尺寸和硬度两方面的要求，即在得到细小晶粒的同时还要保持 高的硬度。有两种丁= 艺可供选择：一种是当浇注温度低时，可以选择浇注温度为 1 4 8 0 1 0 。c ，涂料厚度为1 r a m ，模具不预热的铸造参数下进行铸造，并且在7 0 0 进行热处理，得到的晶粒尺寸为2 3 “i n ，硬度4 8 h r c ；一种是当浇注温度高时，可 以选择浇注温度为l5 3 0 。c 1 0 c ，涂料厚度为l n m a , 模具不预热的铸造参数下进行 铸造，并且在1 0 0 0 1 0 5 0 进行淬火处理，得到的晶粒尺寸为2 2 8um ，硬度 5 7 h r c 。 图2 7 表7 参5 3 关键词：高速钢轧辊；细化：热处理；硬度 河北理工大学硕士学位论文 a b s 仃a c t t h e m i c r o s t r u c t u r e ，g r a i ns i z 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 ds t e e la r e s t u d i e ds y s t e m i c a l l yb yu s i n gm i c r o s c o p et e c h n i q u e ，m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s ，m e t h o do f e d s ，s e ma n dh a r d n e s s t h em a i nt a s kt st r y i n gt of i n dt h a tt h ec a s tc o n d i t i o ni n c l u d i n g p o i n to f p o u r i n g ，p a i n t i n gt h i c k n e s sa n dt h et e m p e r a t u r ei sh o wt oe f f e c tg r a i ns i z e a n dt r y t og e tr a t i o n a lh e a t - t r e a t i n gt e c h n o l o g yb yh e a t - t r e a t i n ga td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e t h er e s u l t i n d i c a t e ： 1 b ys e ma n de n e r g ys p e c t r u mt h eh i g h - s p e e ds t e e lm a t e r i a l s o l i d i f y i n go r g a n i z e c o n t a i n sd i f f e r e n tt y p eo fc a r b i d e si n c l u d i n gm c c a r b i d e s 、m 2 cc a r b i d e s 、m 6 cc a r b i d e s a n dm c m 2 cc o m p l e xc a r b i d e s h i g hh a r d n e s sv cc a r b i d e sh a v em a r g i n a lc i r c u l a rs h a p e t h r o u g ht w ot h o u s a n ds e mo b s e r v a t i o n ，t h i si sb e n e f i tt oi n c r e a s ew e a r r e s i s t i n gp r o p e r t y t h ei s o t h e r m a lt r e a t m e n ts a m p l e se x i s tb i gi n c l u s i o no fs io ra i ，i ts e v e r e l yr e n d sb a s a l b o d yt h a td e c r e a s e sw e a r - r e s i s t i n gp r o p e r t ya n ds h o c kr e s i s t a n c e 2 i nd e f f e r e n tc a s tc o n d i t i o ni n c l u d i n gt h ep o i n tp o u r i n g ，d i ep r e h e a t e dt e m p e r a t u r e a n dp a i n tt h i c k n e s s ，w ep u tt oo r t h o g o n a lt e s t b ym e a n so fm e a s u r i n gg r a i ns i z e i n d i f f e r e n tc a s tc o n d i t i o n ，w eg e tc o n c l u s i o n s ： t h ep o i n tp o u r i n gi st h em o s ti m p o r t a n tc a s tp a r a m e t e r a n dw h e nt h eo t h e rc a s t p a r a m e t e ri ss a l d e ，i o w e rp o i n tp o u r i n g ，d i ei sn o tp r e h e a t e da n dp a i n tt h i c k n e s si st h i n n e r , w h e nt h e s ec o n d i t i o n sr e a c h e d ，w ec a r lg e tf i n e rg r a i ns i z e 3 t h r o u g ht h i ss u b j e c ts t u d y ，i fw ec o n s i d e r a t es y n t h e s i s l yg r a i ns i z ea n dh a r d n e s s r e q u i r e m e n t s ，t h a ti s t os a yw en o to n l yg e tt h i n n e rg r a i ns i z eb u ta l s oh i 曲h a r d n e s s w e h a v et w ot e c h n o l o g y st oc h o o s e ，o n em e a n si sc h o o s i n gt h ec a s tw h i c hp o i n to f p o u r i n gi s 1 4 8 0 c 1 0 。c p a i n tt h i c k n e s si s 1m ma n dd i ei sn o tp r e h e a t e da n dt r e a t e da t7 0 0 c t e m p e r a t u r e t h i st e c h n o l o g yc a r lg e tt h a tg r a i ns i z ei s2 3pm a n dh a r d n e s si s4 8 h r c t h e o t h e rm e a n si sc h o o s i n gt h ec a s tw h i c hp o i n to fp o u r i n gi s 】5 3 0 v io c p a i n tt h i c k n e s s i s1m ma n dd i ei sn o tp r e h e a t e da n dt r e a t e db e t w e e n1 0 0 0 c 1 0 5 0 c t h i st e c h n o l o g y c a ng e tt h a tg r a i ns i z ei s2 2 gpma n dh a r d n e s si s5 7 h r c f i g u r e2 7 t a b l e7r e f e r e n c e5 3 k e y w o r d s ：h i g h s p e e ds t e e l ，r e f i n e m e n t ，h e a tg e a r i n g ，h a r d n e s s i i - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：础皿日期：嫂年生月珥日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、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循此规定) 签名：捌每l导师签名：翟悼日期：过年晕月雩日 引言 引言 如何提高轧辊的性能和使用寿命，以适应轧钢企业发展的需要是当前的一个重 要课题l lj 。近年来，国内外对轧辊材料进行了大量研究，在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p ”。另一方面，由于轧材尺寸、轧制速度和压下 量的提高，使得采用铸铁材料为芯材的复合轧辊已明显不能满足要求，采用锻钢作 为芯部材料是目前的发展趋势i8 1 。以上两方面的进展正推动着轧辊用高速钢材质和 高速钢轧辊制造工艺方面的研究。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 9 - 1 3 】。目前，在轧辊材料高合 会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。为此，致力于高速钢复合轧辊晶粒细化机理的研究，为 进一步提高高速钢轧辊性能和寿命提供理论依据。 f f f ：l l ：理工大学硕士学位论文 1 文献综述 轧钢技术的进步，包括对更高的轧制效果、更高的轧材质量和更低的车l s j j 成本 的不懈追求，使轧辊制造技术也在发生飞跃性发展 1 4 1 。2 0 世纪8 0 年代末，日本首 先丌发了高速钢轧辊【l ”。之后不久，欧美各国钢铁企业也纷纷开发使用高速钢轧辊 【1 “”】。目前高速钢轧辊在国外得到了广泛应用，不仅应用于冷、热带轧机，而且应 用于线、棒材轧机、钢管轧机等。我国高速钢轧辊的研究和应用起步晚，曾经有研 制成功的报道1 1 9 】，但和国外先进水平相比，国内高速钢轧辊的制造和应用尚属起 步，有的还只是试验性的使用，高速铜轧辊的制造方法仍未完全掌握。所以，尽快 研制与开发我国高速钢复合轧辊已成为迫切需要。 1 1 高速钢复合轧辊的特点及生产方法 1 1 1 高速钢轧辊的特点 2 0 世纪8 0 年代末以前1 2 0 】，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钼高速钢，如美国m 2 、m 4 和高碳类型的t 1 5 等，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。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，而且随着钒含量的增加，高速钢 组织的骨骼状m s c 型碳化物向粒状的v c 型碳化物转化。 2 高速钢轧辊外层因含有较多的钨、铬、钼、钒等元索，具有较好的热稳定 性，在高温下具有高的硬度，用作热轧工作辊具有照好的耐磨性。高速钢轧辊还具 有良好的淬透性，在室温下，工作层5 0 r a m 范围内，从辊表面到芯部的硬度降小于 3 ( h s ) ，高速钢轧辊的硬度降明显小于无限冷硬铸铁轧辊，可确保轧辊从外到内都具 有良好的耐磨性。 、2 一 1 丈献综述 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 普通轧辊由于无氧化膜保护，因此在一个轧制周期内磨损较大，而高速钢轧 辊使用中氧化膜能很快形成，同普通轧辊相比，高速钢轧辊的磨损较小，这对于提 高高速钢轧辊耐磨性是非常有利的。 5 常用锻钢冷轧工作辊( 0 9 c 、5 c r ) 在回火温度升高时，硬度下降，而半高 速钢复合冷轧辊在5 0 0 。c 回火仍然保持9 4 ( h s ) 的高硬度，由于半高速钢轧辊具有优 异的抗回火软化能力，使其抗事故能力显著增强。 1 1 2 高速钢复合轧辊的生产方法 1 离心铸造法 高速钢轧辊制造技术的改进主要围绕着两方面进行，即提高钢的纯净度和均匀 性以及提高轧辊的强度和轧辊外层与辊芯的冶金结合。早期高速钢复合轧辊主要用 离，i i , 铸造方法生产。离心铸造是将熔化的铁液通过流槽流入旋转的金属型内，在离 心力的作用下布满会属型，最后凝固成铸件的一种特殊铸造方法【2 “。常用的离心铸 造法有三种：1 ) 立式离一t l , 机浇铸法，采用这种方法生产大型高速钢复合轧辊的国家 有美国、韩国及欧洲些国家；2 ) 卧式离心机浇铸法：3 ) 倾斜式离心机浇铸法。 采用后两种方法生产高速钢复合轧辊的国家主要是日本。用普通离心铸造法生产高 速钢轧辊工艺简单，设备投资少。但是，由于高速钢轧辊外层含有较多的钨、铬、 钼、钒等合金元素，而这些元素的密度差别很大，采用普通离心铸造方法时，合金 易产生偏析而严重影响高速钢复合轧辊质量。9 0 年代初，日本川崎制铁公司【2 z j 分析 了离心铸造高速钢轧辊的偏析主要是m c 型碳化物的偏析，严重影响轧辊的耐磨 性，研究发现m c 型碳化物主要是一次结晶v c 碳化物的偏析，因v c 与钢水的密 度相差较大所致。防止v c 偏析方法是采取添加铌元素提高m c 型碳化物密度，限 制添加偏析元素钒，选择其基本成分为2 0 c + 6 0 m o + 7 0 c r + 2 5 v ，添加 1 o 1 5 n b 进行试验，结果由于生成密度较大的m c 型复合碳化物( 钒、铝、铌 系碳化物) ，其密度与钢水密度相接近，使v c 碳化物减少，有效地控制了离心铸造 高速钢的碳化物偏析，提高了高速钢轧辊的耐磨性。但含铌高速钢轧辊成本高，组 织中缺少高硬度的钨碳化物，耐磨性能不如含钨高速钢轧辊好。 2 连续浇铸复合铸造法 3 一 一一塑! ! 堡三奎堂堡主堂焦堡壅 为克服离心铸造高速钢轧辊的偏析缺陷，日本新日铁公司1 2 3 1 开发了高速钢轧辊 的连续浇铸复合铸造法( c p c 法) ，其基本原理是把作为轧辊外层材质的钢水浇铸到 垂壹竖立的芯棒( 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，断续向下方拉拔，制成复合轧辊。为了使浇铸的外层材质与芯 棒完全熔敷，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，辊芯具有较商的强度，这也是离心铸造方法所做不到的。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，其设计能力如下：辊身直径 2 5 0 8 5 0 r n m ；辊身长度3 0 0 0 m m ；外层厚度1 0 0 m m ；轧辊长度5 7 0 0 m m ；轧 辊重量1 5 0 0 0 k g 。 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。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，二者之问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 器向一k 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 ) 外层纯净度高。 4 喷射工艺 近来，喷射成形工艺( o s p r a y ) 的研究引起了国内外的广泛关注，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 ) 没有宏观偏折：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。正由于o s p r a y 工艺具有上述优点，将它用于制造高速钢轧辊已引起了人们 的重视。据报道【2 ”，英国国家轧辊制造公司用o s p r a y 工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 r a m ，其组织比锻造组织细微得多，而且完全消除了粗大 4 1 文献综述 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 m 2 0 0 0 m 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。 5 热等静压工艺 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【2 5 1 。此外，为了进一步提高耐磨性，h i p 工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 工艺生产高速钢轧辊时，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1 0 0 m p a 以上压力下烧结成轧辊。目前由于设备限制，h i p 工艺还只能生产小 直径的高速钢轧辊。 1 2 高速钢轧辊的化学成分及性能 表1 常用高速钢轧辊成分 t a b l e1t h ec o m p o s i t i o no f h i g hs p e e ds t e e lr o l 常用高速钢轧辊的成分见表1 ，高速钢轧辊与普通轧辊力学性能于表2 。与普通 工具钢相比，高速钢碳含量较高，含有先共晶碳化物，淬火后的组织为回火马氏体 和贝氏体。外层材料中的碳化物量可根据轧辊材料的用途而定，提高碳化物量可提 5 一 河北理工大学硕士学位论文 高耐磨性，降低碳化物量可优化抗裂纹性能。与合金铸铁轧辊相比，高速钢复合轧 辊的工作层含有较高的钨、钼、铬、钒等合金元素，工作层的基体上分布有 1 0 1 5 高硬度共晶型碳化物，因此高速钢轧辊具有优良的耐磨性能。 表2 轧辊的主要力学性能 t a b l e2t h em a i nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f r o l 1 3 高速钢轧辊研究应用现状及今后研究方向 1 1 3 1 高速钢轧辊研究应用现状 1 国外高速钢轧辊的应用 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，预计在i o 年 内高速钢轧辊将完全取代目前使用的高铬铸铁轧辊口们。据报道1 ，r 本新同铁公司 用c p c 法生产的高速钢复合轧辊具有极高的耐磨性，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 增加而增加，轧制2 0 0 0 根时需进行换辊 孔型底部的平均粗糙度( r a ) 随着s l n 量的 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，可以连续轧制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 6 1 文献综述 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同本日立公司生产并 在轧机上使用，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 l 。 2 国内高速钢轧辊的应用 近年来，我国也开展了高速钢轧辊的研究，据报道【2 8 1 ，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，在轧制2 1 m m 厚、1 2 0 1 8 3 m m 宽的普碳钢时， 每次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。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l 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o 3 5 0 4 1 m m ，在2 号和4 号轧机( 孔型为圆t l ) 每生产千吨钢材磨 损o 。2 6 o 3 5 r a 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，提高了作业率，降低了生产成本。 1 3 ，2 我国高速钢复合轧辊今后研究方向 高速钢复合轧辊因具有良好的力学性能，国外已进行深入研究，目前已在轧钢 行业获得了较广泛的应用。相比之下，我国对高速钢复合轧辊的研究和应用还刚刚 起步，与国外先进水平相比，差距较大，为使我国高速钢复合轧辊的研究和使用水 平早日赶上国际先进水平、今后应着重加强以下几方面的研究。 1 加强高速钢轧辊成分的研究。 目前高速钢轧辊成分范围非常宽，国外总的趋势是铝高钨偏低。但我国钨资源 十分丰富，铝资源相对缺乏，因此应结合国内资源状况，着重发展高钨低钼高速钢 轧辊，具体成分应在充分试验的基础上确定，在此基础上，尽快制订高水平的高速 钢轧辊标准。 7 - 河北理工大学硕士学位论文 2 加强高速钢轧辊热处理工艺的研究。 复合高速钢轧辊的辊芯通常采用灰铸铁、球铁、铸钢或锻钢，而高速钢的常规 淬火温度在1 2 5 0 。c 以上，若高速钢轧辊的淬火温度选择在1 2 5 0 。c 以上”，则辊芯的 组织显著耜大，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，影响轧机设备的正常运行。国外已开发成功了高速钢轧辊的亚温热处理 工艺，但未对工艺作详细报道。我们应立足国内，尽快开发高速钢轧辊热处理工 艺，新开发的热处理工艺应该在取消高温淬火保证辊芯具有较高强度的前提下，做 到简便易行，能耗低，污染少。 3 加强高速钢轧辊使用特性的研究。 高速钢轧辊尽管具有较高的耐磨性，但随着轧制负荷的增加，轧辊粘氧化铁皮 问题只益严重，国外报道加润滑油润滑能改善其使用性能，对润滑油的成分、性 能、加入量和加入方法均无详细报道，值得我们深入研究。此外研磨高速钢轧辊 时，辊身上脱落的硬质碳化物容易划伤辊面，研磨高速钢轧辊的磨粒及磨削工艺也 有待进行深入研究。 4 加强高速钢轧辊成形工艺的研究。 建议国内组织科研、设计和制造部门尽快开展这些先进工艺的研究。针对国内 普通离心铸造机多的特点，还应集中精力研究用普通离心铸造的方法提高高速钢轧 辊质量。通过采取高速钢变质处理，适当降低浇铸温度，在凝固过程中增加电磁搅 拌等措施，可以减轻甚至消除元素偏析，提高高速钢轧辊质量。 1 4 研究内容及目标 1 4 1 研究内容 由于我国高速钢轧辊生产应用较晚，对高速钢轧辊的组织性能及热处理工艺研 究甚少，结合我国高速钢轧辊研究存在的问题，研究内容如下： 1 研究铸造条件包括浇注温度、涂料厚度、模具预热温度对复合轧辊用高速钢 材料的组织及性能的影响，主要是对晶粒尺寸的影响。 2 研究不同的化学成分对复合轧辊用高速钢材料的组织及性能的影响，主要是 对各种碳化物的形貌、尺寸、分布及体积分数的影响。 3 研究热处理工艺对复合轧辊用高速钢材料组织及性能影响。 4 研究复合轧辊用高速钢材料性能与组织之间的关系。 ，s l 文献综述 1 4 2 研究目标 以复合轧辊用高速钢为研究对象，主要研究铸造条件对复合轧辊用高速钢材料 的组织及性能的影响，其次是研究化学成分对复合轧辊用高速钢材料的组织及性能 的影响。尽管高速钢轧辊已经开始用于生产领域，但是铸造条件和化学成分对高速 钢材料组织与性能的影响尚不成熟，并且急需开发适合我国国情的复合轧辊用高速 钢材料。本文通过研究铸造条件及化学成分对复合轧辊用高速钢的显微组织结构、 热处理工艺和性能的影响，试图为我国的高速钢复合轧辊的生产提供科学依据。 1 4 3 技术路线 9 河北理工大学硕士学位论文 2 研究方法及分析手段 2 1 成分设计 2 研究方法及分析手段 2 1 1 高速钢轧辊的组织特征 高速钢轧辊的性能取决于其微观组织特征口l i ：1 ) 碳化物的种类、形态、体积分 数和分布：2 ) 马氏体基体的性能特点；3 ) 晶粒尺寸大小。高速钢轧辊组织与合金 设计、工艺条件等有关。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。宫本p2 j 等人的研究表明，凝固组织中除含有m c 型碳化物外，其它类型的碳化 物主要是m 2 c 、m 6 c 和m 7 c 3 型，但v 含量超过8 以后，钢中出现低硬度的m 3 c 型碳化物。k c h w a n g 3 3 】等人的研究发现，不同类型碳化物的形成取决于强碳化物 形成元素。c r 含量较高时，组织中主要形成位于晶粒内的mc 型碳化物和沿晶界分 布的m 7 c 3 型碳化物，w 含量高时，出现大量鱼骨状m 6 c 型碳化物，m o 含量高 时，出现较多的层片状m 2 c 型碳化物，v 含量增加时，m c 型碳化物增多，并且颗 粒变得更加细小且弥散分布在晶粒内部。文献p 4 j 指出，高碳高钒高速钢中，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n b 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。 2 1 2 高速钢复合轧辊主要成分的作用 1 碳 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3 5 i 。高速钢中碳可强化固溶体，获得马氏体，提高淬透性，更主要的是能和多 种合金元素生成不同类型的碳化物，提高钢的热稳定性和耐磨性。但是，如果高速 铜中碳含量过高，则易生成大的块状碳化物使钢的性能变坏，含量不足则不能使高 速钢获得高硬度和高热稳定性。因此，碳是其最重要的组成元素。高速钢中的碳， 一部分崮溶在基体中，一部分以化合态存在于合金碳化物中。在高速钢轧辊的成分 设计中，碳是这样计算的：基体中需要0 3 的碳，1 5 v 0 1 的合金碳化物约需1 5 的碳，因此，碳含量被选定为1 6 2 o 。众所周知，高速钢的常规碳含量只有 o 8 ，而高速钢轧辊的碳含量竟然接近2 。这是因为高速钢轧辊不象一般高速钢 河北理工大学硕士学位论文 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件间的牯着：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。高速钢中碳含量的确定和各种合金元素的选择是相互关联的，尤其 是碳和碳化物形成元素之1 日j 的比例，对钢的性能产生很重要的影响。碳含量的确定 除利用一些经验公式如“平衡碳” 3 8 】计算原则估算外。还需要试验来确定。 2 钒和铌 钒在高速钢中部分溶解于基体 3 9 1 ，一部分形成碳化物，而且是最稳定的碳化 物形成元素。形成面心立方的间隙相，通常具有一定的缺位，因此实际的钒、碳比 为v 4 c 3 ，碳化钒的熔点和溶解温度都很高，在奥氏体化后，碳化钒在1 1 0 0 c 以上时 4 开始溶解，溶解量也不多，大部分的钒仍保留在碳化物中，溶解的钒能大大加强 钢的二次硬化，而保留的碳化钒，则可大大增加钢的耐磨性。铌的作用在高速钢中 与钒类似。目前，用离心铸造法生产高速钢复合轧辊普遍采用高碳高钒铌类型高速 钢，当外层高速钢金属液在模型中凝固时，首先析出的是钒和铌的碳化物。一般来 说，铸态高速钢中的钒和铌有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，碳化钒和碳化铌的 形态是最有利的，在体积上也是最有利的。当然，钒和铌都很贵，尤其是铌。但出 于对轧辊抗热裂性的特殊考虑，同时加钒又加铌，钒和铌的总量控制在4 6 左 右。这样，在成品轧辊中，将有大约7 v 0 1 9 v 0 1 的共晶n b c + v c 。由于钒铌碳化 物的高硬度，以及它们的细化晶粒作用，因此，钒和铌将对高速钢轧辊的耐磨性和 强韧性同时作出贡献。s k a r a g o e z 等的研究表明 4 0 l ，铌与碳的亲和力比钒与碳的 大，因而更易形成m c 型碳化物。单只加入铌的高速钢不具有回火二次硬化能力。 此外，在铸造成型过程中，铌系的m c 型碳化物较钒系的m c 型碳化物粗大，故而 在早期的轧辊用高速钢的研究中，一般不加入铌。复合添加钒和铌的优点是相当显 著的4 ”，因为铌的夺碳能力强于钒，可以使更多的钒溶于基体中，以获得良好的二 次硬化效果：复合添加钒和锟，可以提高材料的抗热裂性能；由于复合添加钒和铌 可以形成与钢液密度相近的复合碳化物，特别适合与离心铸造法生产高速钢复合轧 辊。 3 钨 一1 2 一 2 研究方法及分析手段 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。钨能够形成m 6 c 型碳化物，淬火加热 时能部分溶解m 1 。溶解的钨在回火时部分以m 2 c 型碳化物析出，产生弥散硬化，部 分留在回火马氏体中，从而提高其高温硬度和抗回火性。而淬火时剩余的m 6 c 型碳 化物，又可起到细化晶粒作用。虽然1 的镏可以取代1 ，8 的钨，但若用钼完全取 代钨，在随后的热处理过程中会加剧氧化和脱碳1 4 3 1 ，因此，一般情况下，钨仍作为 保留元素，将钨和钼混合加入。钨主要生成f e 4 w 2 c 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 的体积百分数束说，用钨也是不合算的。但是钨提高钢的抗氧化性 4 4 1 ，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。 4 钼 高速钢中钼和钨的作用相近，但是1 的钼可以取代1 8 的钨，即钼的钨当量 为1 8 。共晶的m 0 2 c 型碳化物形貌上呈棒状或羽毛状，易于处理成分散态。m 0 2 c 的理论密度为9 ，】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。 5 铬 高速钢的淬透性主要依靠铬，因为8 0 以上的铬位于基体内。铬控制着基体中 的碳平衡所以高速钢中历来含铬4 。此外，它也是保证抗氧化性的基本元素，所 以其成分中铬高于4 。 2 1 3 成分列表 表3 高速钢合金成分设计 t a b l e 3t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f h i g hs p e e ds t e e l ( w t ，) 2 2 合金的制备及热处理工艺设计 2 2 1 试样铸造条件 河北理工大学硕士学位论文 2 2 2 合金的制备 1 模具准备 砂箱8 个，尺寸为2 0 0 m r n 2 0 0 m m 3 0 0 m m ，模样一个，尺寸：1 5 0 m m 6 0 r a m 1 8 0 m m 。 2 激冷板和铸造涂料 为了模拟高速钢轧辊生产过程中的离心铸造冷却结晶特点，选取1 2 0 毫米厚度 的8 块钢板作为激冷铁板。在激冷板上用喷枪涂磷酸锅涂料，在每块激冷铁板的一 半涂l m m 涂料，另一半涂3 m r n 涂料。磷酸铝涂料的配比：高铝粉2 5 k g ：氢氧化 铝；3 0 9 ；磷酸：1 5 0 m l ；水：3 3 k g 。将氢氧化铝3 0 9 加入1 5 0 m l 的磷酸中，再加入 15 0 m 1 的水，加热搅拌使氢氧化铝溶解，然后加入已加入高铝粉2 5 k g 和3 3 k g 水的 涂料桶中搅拌。涂好涂料的4 块激冷板在电阻炉中加热到3 0 0 c ，作为预热。 3 熔炼 使用1 5 0 k g 快速熔炼中频炉，化铁1 3 0 k g 。a 、b 、c 、d 试样出铁温度为1 5 4 0 1 0 ，浇注温度1 4 8 0 c 1 0 c ；e 、f 、g 、h 试样出铁温度为1 6 0 0 。c 1 0 。c ， 浇注温度为1 5 3 0 。c 1 0 c 。a 、c 、e 、g 试样砂箱温度为2 0 0 。c ，其余为室温。浇 注时一次出铁约3 0 k g ，浇注两个试样。浇注顺序为a c 、8 d 、e g 、f h 。在熔炼的 1 4 2 研究方法及分析手段 过程中，每次出铁前检测材料的化学成分，对碳烧损用碳精调整，合金在出铁前调 整，保证材料的化学成分稳定。 对于不同化学成分l # 、2 # 、3 # 组铸件，其浇注情况为l 捍出铁温度1 5 6 0 。c ，浇 注温度1 4 8 0 。c ，砂箱温度1 5 3 ，底板厚2 0 r a m ，温度1 4 5 。2 # 出铁温度1 5 5 0 ，浇注温度1 4 4 6 。c ，砂箱温度1 6 5 。c ，底板厚2 0r r m l ，温度1 4 99 c 。3 # 砂箱温度 9 0 ，底板温度7 5 ，出铁1 5 5 0 ，浇注温度1 4 6 0 。 表5 铁水成分检验 t a b l e5t h ei r o nm e l t “c o m p o s i t i o nc h e c k i n g ( w t ，) 试样成分 cw v n b m oc r a #1 8 21 9 7 3 9 5 0 9 04 0 1 49 1 一一一“一一 b y1 8 2 1 9 7 3 9 5o 9 0 4 0 1 4 9 1 一一一 c #1 8 2 1 9 7 3 9 5o ，9 0 4 0 14 9 1 d #1 8 2 1 9 73 9 5o 9 04 m 4 9 1 经成分检测复合成分设计。 2 2 3 热处理工艺设计 高速钢能够具有高的硬度和耐磨性，特别是很好的热稳定性，其主要原因除含 有大量的能形成碳化物的合金元素外，还取决于高速钢的高温淬火。通常高速钢的 热处理是淬火+ 回火。在加热到高温时，钢中的二次碳化物充分溶解，一次共晶碳化 物部分溶解。这些碳化物所含有的碳和合金元素溶入奥氏体中，增加了奥氏体中的 碳和台会元素的含量。在淬火时它们固溶于贝氏体和马氏体中，而在回火时析出了 弥散状的碳化物，使钢呈现出比淬火时硬度还要高的“二次硬度”。因此，高速钢 淬火时的加热，可在保证晶粒不长大的原则下，尽可能提高加热温度。但是对于高 河北理工大学硕士学位论文 速钢离心复合轧辊，当轧辊芯部采用合金球墨铸铁时，淬火加热温度太高芯部材料 将变形甚至熔化，所以高速钢离心复合轧辊的热处理，既要保证轧辊工作层高速钢 的淬火效果，又要兼顾轧辊芯部材料。复合轧辊用高速钢因为含有大量的合金元 素，加之碳高，结晶相多，使其热处理工艺不同于传统的高速钢。文献【4 ”6 j 指出， 高碳高钒类高速钢淬火温度较传统工具高速钢的要低，为9 5 0 c 1 1 0 0 。c 。目前， 这方面的报道很少，需结合具体的成分设计和工艺条件，加强这方面的研究。 1 退火 高速钢组织由于存在着较高的硬度 械加工；同时也使碳化物分布更加均匀， 2 淬火 机械加工困能，退火可以降低硬度便于机 以改善钢淬火和回火后的性能。 只有将高速钢中w 、v 、c r 、m o 等大量碳化物形成元素更多地溶解到奥氏体中 时，才能充分发挥碳和台金元素地作用，淬火后获得高碳、高合金元素地马氏体， 回火后咀和合金碳化物地形式析出，从而保证高速钢获得高地淬透性、淬硬性和红 硬性。但是，高速钢退火后，这些合金元素太部分存在于合金碳化物中，而这些合 金碳化物的稳定性很高，需要加热到很高的淬火温度，才能使其向奥氏体中大量溶 解。例如c 0 2 3 c 6 到11 0 0 才能基本上全部溶解进奥氏体中，v c 加热到1 0 0 0 1 2 0 0 才能开始迅速溶解，1 3 2 5 也不能完全溶解。为使合金碳化物大量溶解入奥氏体 中，高速钢的淬火温度应该很高。然而，另一方面由于高速钢复合轧辊芯部材料采 用球墨铸铁，从而又限制了淬火温度的提高。因此，需要结合高速钢的成分和结构 特点确定合适的热处理工艺。高速钢淬火加热保温时间应保证足够碳化物溶入奥氏 体中而不引起晶粒粗化，一般应根据工件的形状、尺寸和加热设备而定。 在本试验中，结合高速钢复合轧辊的生产实际，对试样进行了热处理，处理方 法如下： a 1 h 1 、1 1 、2 1 、3 1 当电阻加热炉升温至6 5 0 时放入，保温一小时， 取出在空气中冷却。 a 2 h 2 、1 2 、 取出在空气中冷却。 a 3 h 3 、l 一3 、 取出在空气中冷却。 2 2 、3 2 当电阻加热炉升温至7 0 0 。c 时放入，保温