各种轧辊材料的研究

各种轧辊材料的研究各种轧辊材料的研究 3各种轧辊材料的研究3 1热轧辊材料研究热轧生产中 轧辊的工作 条件非常恶劣 主要是因为轧辊在生产过程中不仅受到很大的轧制 压力而且轧辊表面受到轧件的强力摩擦 轧辊在工作中高速转动与高温的轧材作用下 轧辊表面容易发生氧 化 氧化膜的脱落从而导致了轧辊失效 9 轧辊在反复被轧材加热和冷却水冷却时会产生非常大的热应力 轧 辊逐渐会出现热疲劳裂纹 在轧制力的作用下热疲劳裂纹会慢慢扩 大 最后使轧辊破裂从而失效无法使用 热轧辊除了应具有高的耐磨性和强韧性外 还应具有优良的抗氧化 和热疲劳能力 热轧辊材料的发展和选用 主要着眼于提高轧辊的表面耐磨性 在 轧辊表面的金相组织中形成较硬的碳化物 随着热轧技术的发展 热轧辊材料也在不断地得到改进和发展 从 早期使用的冷硬铸铁轧辊 发展到半钢轧辊 高铬铸铁轧辊和高速 钢轧辊 早期使用的轧辊组织以M3C型碳化物为主 如Fe3C等 后来加入合金元素铬 镍等 碳化物类型仍以M3C为主 形态变化不 大 呈网状分布 但碳化物由Fe3C变成了 Fe Cr 3C 碳化物硬 度提高 而且轧辊的基体组织由珠光体变成了马氏体和贝氏体 轧 辊的耐磨性明显提高 在轧辊中进一步提高铬含量 碳化物由M3C转变成M7C3型为主 如Cr 7C3等 硬度提高 碳化物形态明显改善 由网状分布变成菊花状分 布 轧辊硬度提高的同时 力学性能尤其是冲击韧性和断裂韧性大 幅度提高 轧辊使用性能明显改善 进入20世纪80年代末期 采用铸造高速钢制造轧辊引起了世界各国 轧辊研制者的重视 目前正在研制及迅速推广的高速钢复合轧辊 在使用状态下 轧辊 表面层的金相组织主要由MC型和M6C型碳化物以及在高温下具有较高 硬度的基体组织构成 表1 1中列出了不同材质轧辊中常见碳化物的形态和硬度 表3 1不同材质轧辊中碳化物的形态和硬度 10 轧辊材质碳化物类型组织 形态硬度 HV冷硬铸铁Fe3C网状1340高铬铸铁Cr7C3孤立分布1600 1 800高速钢VC粒状2800高速钢M6C细板条状1600 24003 2无限冷硬铸 铁轧辊材料的研究无限冷硬铸铁轧辊使用的时间非常的长久了 大 约一百年前就已经在热轧带钢轧机上普遍使用普通无限冷硬铸铁轧 辊了 无限冷硬铸铁材料是处于灰口铸铁和冷硬铸铁之间的 相对于冷硬铸铁来说 无限冷硬铸铁轧辊硅含量比较高 含0 7 1 6 Si 所以其辊身工作层组织中存在均匀分布的石墨而且和白口 铸铁具有差不多数量的碳化物和莱氏体 无限冷硬铸铁轧辊的的硬化层的深度随着Cr Ni Mo等合金元素的 增加而增加 无限冷硬铸铁轧辊的耐磨性取决于其碳化物含量 其碳化物含量越 多耐磨性越好 其辊身表层不容易出现剥落缺陷是因为组织中很有少量的均匀分布 的石墨 而且石墨有很好的导热性能 当轧辊表层受到轧件的热冲 击时可以很好的起到缓解热应力的效果 可以很好的防止轧辊出现 热裂纹 当石墨脱落时轧辊表层会出现细小的洞有利于轧件的咬入 无限冷硬铸铁轧辊在制造生产中被广泛的应用 主要是因为其具有 很好的抗热裂性而且热处理工艺非常简单 无限冷硬铸铁轧辊在世界各国的钢铁厂中被普遍用于热连轧机精轧 前段和后段 硬度 化学成分及组织是影响无限冷硬铸铁轧辊性能的主要因素 无限冷硬铸铁轧辊用于带钢连轧机和中厚板轧机的硬度分别为75 85 HS和70 80HS 马氏体和贝氏体是无限冷硬铸铁轧辊的主要基体组织 当然碳化物 和石墨对轧辊的性能也会产生很大的影响 表3 2反映了石墨和碳化物数量与轧辊性能的关系 表3 2石墨和碳化物数量与轧辊性能的关系 11 硬度 HS轧辊类型石墨数 量 体积分数 碳化物 体积分数 78 83抗热裂型耐热裂和磨 损型耐磨损型3 5 5 028 0 32 02 5 4 030 0 35 01 0 3 032 0 45 0近年来 为了提高无限冷硬铸铁轧辊的性能 通过加入合金元素来 得到细小的高硬度碳化物和二次硬化现象 从而提高了轧辊的耐磨 性 这种轧辊材料通过离心铸造凝固然后冷却来得到贝氏体和马氏体基 体组织及分散的合金碳化物和细小的石墨组织 而且加入的合金元素还可以改善组织的形状大小 使其耐磨性和抗 热疲劳性得到显著的改善 12 3 3半钢轧辊的研究美国是最先研制出半钢轧辊的国家 在20世纪40 年代末期轧机的精轧前段主要用的是合金冷硬铸铁轧辊 但是生产 出来的带钢产品表层存在很多的 斑带 缺陷 美国冶金专家为了解决这一问题成功研制出了具有高强度和韧性以 及耐磨性的半钢轧辊 国外称之为Adamite轧辊 13 20世纪70年代半钢轧辊在国外使用非常广泛 是当时轧辊研究先进 水平的代表和方向 这种轧辊的碳含量在1 4 2 4 之间 日本将其归属于铸铁类 称其 为 特殊高碳铬镍耐磨铸铁 轧辊 前苏联及东欧将其归属于铸钢 类 称其为 过共析钢 轧辊 我国称其为半钢轧辊 半钢中游离碳化物的体积分数约为6 10 共析成分以外的碳可以 是碳化物或石墨 以碳化物为主要存在形式的称做半钢 以石墨为主要存在形式的称 做球墨铸钢或石墨钢 半钢中常加入Si Mn Ni Mo等合金元素 其加入量根据期望的组 织与性能而定 半钢的强韧性接近于钢辊而优于铁辊 其硬度与耐磨性接近于铁辊 而优于钢辊 它综合了钢与铸铁两者的优点 半钢轧辊的另一特点是断面硬度落差小 能切削较深的孔型 半钢轧辊最适于工作繁重的钢坯轧机 大型型材轧机 中型轧机 万能型钢轧机 热连轧粗轧机及热连轧精轧机 前段 等 今年来 国内也开展了离心铸造半钢复合轧辊的研究 其外层材质 的化学成分设计为高碳 中合金钢 这样 可以得到较多的一次碳化物和二次碳化物 可提高辊身的耐 磨性 由于半钢与球铁液相线的温度差很大 如果采用一次复合的方法 在卧式离心机的条件下 因合箱时间的耽搁 填心铁水温度稍低便 会结合不好 铁水温度过高 既增加外层钢水回熔 又使心部组织 粗大 二者均会降低辊心的性能 因此 添加合适的中间层及并控制其厚度 可减少辊身和辊心不同 材质之间的线膨胀系数差 可有效防止外层铬等碳化物形成元素回 熔造成的不利影响 从而实现内外层材质的冶金结合 辊心材质选为球墨铸铁 轧辊成分如表1 3所示 半钢复合轧辊用于本钢1700mm热轧机精轧前段F1 F3机架 毫米轧制 量为3800t 表3 3离心铸造半钢复合轧辊的化学成分 质量分数 14 元素w C w Si w Mn w P w S w Cr w Ni w Mo 外层1 65 1 850 30 0 450 8 1 0 0 04 0 021 5 1 70 6 0 80 4 0 6中间层3 0 3 2心部1 4 1 6 0 4 0 05 0 05 0 20 8 1 00 1 0 3 0 3 0 05 0 03 0 10 6 0 80 2 0 43 3 3 61 7 1 6由于半钢轧辊的硬度不及冷硬铸铁轧 辊 以及它受热时易膨胀等特点 它一般不用于精轧机及成品机架 半钢轧辊还存在一些问题 如热处理周期长 工艺和生产技术较复 杂 质量要求严 硬度与韧性的配合还没有达到更理想的境地成本 较高 自20世纪80年代以来 在许多场合它逐渐被高铬铸铁轧辊和锻造白 口铸铁轧辊替代 3 4高铬铸铁轧辊的研究高铬铸铁和镍硬铸铁差不多是同一时间发展 的 但是由于熔炼条件的限制其发展非常的缓慢 20世纪60年代以后 高铬铸铁得到快速的发展 主要原因是电炉熔 炼的普遍推广 加入了铬元素之后 可以把碳化物的结构类型由网状M3C型变成孤立 的M7C3型 同时大大提高了碳化物的硬度 其硬度由M3C的840 1100 HV提高到M7C3的1300 1500HV 同时大大提高了其耐磨性和韧性 比 镍硬铸铁效果更好 高铬铸铁从发现开始就被大家认痛为具有非常好的耐磨想 因此被 广泛应用于制造轧辊 高铬铸铁用于制造轧辊始于20世纪30年代 1932年 美国已研制成 功含 质量分数 12 14 Cr 0 5 Mo 直径560mm的高铬铸铁轧辊 用于热轧型钢和角钢的精轧机架 获得了很好的使用效果 60年代中期 英国和德国的轧辊制造者 从充分发挥高铬铸铁轧辊 的抗磨损性能出发 同时注意到这一材质的轧辊在热连轧带钢轧机 精轧前段机组上使用时 具有消除 流星斑 和 斑带 缺陷的特 性 从而研制出了含 质量分数 12 22 Cr 2 4 3 0 C辊身硬度 60 90HS 各种性能的高铬铸铁轧辊 日本自1981年开发成功高铬铸铁轧辊以来 其高铬铸铁轧辊发展及 其迅速 到1985年止 在热轧带钢连轧机精轧前段使用高铬铸铁轧 辊的轧机占了将近百分之七十 日本久保田轧辊厂制造的高铬铸铁轧辊在带钢热轧机精轧前段F2机 架上使用 毫米过钢量达到了3145t 而半钢轧辊仅有2037t 宝钢以及武钢的热连轧带钢轧机在上世纪八十年代就已经开始使用 我国邢台轧辊厂生产的高铬铸铁工作辊 使用效果非常的好 用高铬铸铁材料来制造轧辊 根据不同的轧制条件对轧辊性能的要 求 除加入适量的Si Mn Ni Mo V等合金元素外 碳含量和铬含 量的匹配是很重要的 碳含量过低 2 0 时 不仅由于碳化物数量少 耐磨性差 而 且还由于基体中含有过多的铬 热传导性显著恶化 导致抗表面粗 糙性降低 另外 碳含量过低 轧辊铸造成形性能差 产品废品率高 碳含量超过3 4 以上时 硬度显著上升 引发铸造裂纹 同时 碳 通过减少基体中的铬含量 间接的降低了淬透性 选择碳含量为2 3 3 2 和铬含量为12 22 高铬铸铁 能得到接近 于共晶成分的理想组织 适用于制作热轧辊 国内外常用高铬铸铁轧辊的化学成分如表1 4所示 表3 4国内外常用高铬铸铁轧辊的化学成分 质量分数 15 化学成 分w C w Si w Mn w Cr w Ni w Mo HS邢台轧辊厂2 4 3 00 4 1 00 4 1 212 180 8 1 50 8 1 560 752 4 2 80 3 0 80 5 1 312 151 0 2 50 8 1 560 702 6 3 20 4 1 00 4 1 215 210 8 1 50 8 1 578 9 2英国2 4 3 00 4 1 00 4 1 212 180 4 1 21 0 3 065 682 6 3 40 4 2 00 4 1 215 200 4 1 21 0 3 075 90日本2 3 3 00 4 1 00 4 1 012 150 8 2 00 4 0 855 752 3 3 00 4 1 00 4 1 015 200 8 2 0 0 5 1 570 90德国2 7 2 80 5 0 60 8 1 016 191 3 1 41 3 1 465 753 3 3 40 5 0 60 8 1 021 221 3 1 42 0 2 287 92高铬铸铁轧辊 具有良好的抗氧化性能 能够适应高负荷的轧制操作 轧辊温度达4 00 时 硬度没有明显下降 热稳定性好 高铬铸铁轧辊还有如下特点工作层硬度由表面向里分布均匀 使用 过程中不需淬硬修复 抗压强度高于突发性事故所产生的压力 故 辊面不会出现压痕 组织稳定 当轧制打滑 辊面局部过热时 锻 钢辊会出现软点 而高铬辊则不会 连轧机末架等印花辊 其花面 可保持较久 高铬铸铁轧辊不仅具有较好的耐磨性 还有优良的抗热裂性能 原 因是轧辊表面生成一层致密的且有韧性的铬的氧化膜 能减少热裂 纹的数量和深度 在20世纪90年代以前 高铬铸铁轧辊已被广泛使用 由于其耐磨性的限制 高铬铸铁轧辊已受到了高速钢轧辊的严重挑 战 在热轧机上的使用数量不断减少 进一步提高高铬铸铁轧辊的 耐磨性将成为轧辊研究者不断探索的新课题 3 5其他轧辊材料的研究3 5 1贝氏体球铁轧辊的研究贝氏体球铁轧 辊具有较高的强度和韧性 较高的硬度 较好的耐磨性以及辊身硬 度落差小 已被广泛用于型材 棒材 管材的精轧机组 实际使用表明 贝氏体球铁轧辊的耐磨性比铬钼球铁轧辊提高1 4倍 应用前景广阔 16 贝氏体球铁轧辊显微组织的特点是高硬度的合金碳化物镶嵌在具有 极好强韧性的奥贝球铁基体上 其性能与其他轧辊性能对比如表1 5所示 贝氏体球铁轧辊中较多的残余奥氏体使该类轧辊具有独特的耐磨与 耐疲劳性能 在切削加工和使用过程中受切削力和轧制力作用 轧 辊表层产生冷硬化和形变硬化效应 导致马氏体转变 促使表面基 体组织强硬化 该硬化层均匀覆盖于轧辊工作表面层 从而改善了耐磨性 而这种强硬化效果是在工作过程中持续进行的 与工件磨损无关 内层仍保持较好韧性 可有效松弛应力并阻碍疲劳裂纹扩展 从而 提高耐疲劳性能 表3 5贝氏体球铁轧辊性能与其他轧辊性能对比 17 轧辊材料辊身力学性 能硬度 HS抗拉强度 MPa冲击韧性 J辊面距辊面20mm距辊面40mm无 限冷硬中镍铬钼球铁轧辊350 4502 4 4 0铬钼球铁轧辊350 4506456 49贝氏体球铁轧辊550 7504 8 8666560贝氏体球铁轧辊主要通过两 种方法获得第一种是通过合金化获得铸态贝氏体球铁轧辊 第二种 是依靠严格的热处理工艺获得贝氏体球铁轧辊 镍是获得铸态贝氏体组织的有效元素 它使C曲线明显右移 从而延 缓了等温转变时间 减少了贝氏体产物对时间的敏感并抑制了珠光 体的形成 镍能抵消部分由于钼的偏析所引起的显微组织的不均匀性 从而提 高断面组织的均匀性 镍能显著提高基体组织的硬度 增加轧辊的耐磨性 镍和钼配合使用 在铸态下可使低强韧性的珠光体球铁转变成高强 韧性的贝氏体球铁 大幅度提高球铁的强度 塑性和韧性 钼也是获得贝氏体组织的最有效元素 钼提高过冷奥氏体的稳定性 其作用比镍强得多 钼明显向右推移C曲线 并对奥氏体连续转变 曲线中的珠光体区的推移作用比对贝氏体区的作用大得多 钼能显著提高轧辊的高温强度 耐磨性和抗蠕变生长能力 在铸态条件下 镍和钼的适量配合 可获得优良耐磨性和高强韧性 的贝氏体组织 综合其他元素对贝氏体转变的影响 贝氏体球铁轧辊中镍含量控制 在2 5 4 0 钼含量控制在0 6 1 2 为宜 3 5 2锻造半钢 白口铁轧辊的研究锻造半钢 白口铁轧辊是为了克 服普通锻钢和铸钢轧辊硬度低 耐磨性差和铸铁轧辊强度低 抗事 故性较差而发展起来的新型轧辊材料 具有优良的力学性能而且其 性能价格比很高 很受钢铁行业的青睐 锻造半钢 白口铸铁轧辊比较适合于做大型的型材制造轧机和板带 热连轧机的工作辊 日本 前苏联等国在国际上率先研究锻造半钢 白口铁轧辊 并且 获得了一定的成功 我国的一重集团公司于20世纪80年代在国内率先开展了锻造半钢 白口铁轧辊的研制 曾研究出了DT 14 DT 17 DT21和DT25等一系列适合用来制造轧辊的材料 18 其中DT 17 DT21和DT25主要用于 800mm以下轧机轧辊 而DT14主要用于 80 0mm以上大型锻造半钢轧辊 锻造半钢 白口铁轧辊的化学成分如表1 6所示 锻造半钢 白口铁轧辊尽管具有优良的综合力学性能 但存在锻造 时易出现裂纹 废品率高和生产周期长的不足 目前已受到离心复 合轧辊的严重挑战 细化并净化锻造半钢 白口铁轧辊铸态组织 降低锻造比 提高成品率将是锻造半钢 白口铁轧辊的重要发展方 向 表3 6锻造半钢 白口铁轧辊的化学成分 质量分数 19 牌号w C w Si w Mn w S w P w Cr w Ni w Mo DT141 3 1 450 4 0 60 6 0 9 0 015 0 0100 7 0 90 7 0 90 2 0 4DT171 6 1 80 4 0 60 6 0 9 0 015 0 0100 9 1 10 7 0 90 2 0 4DT212 0 2 20 4 0 60 6 0 9 0 015 0 0100 9 1 10 7 0 90 2 0 4DT252 3 2 50 4 0 60 6 0 9 0 015 0 0101 4 1 61 1 1 30 2 0 43 5 3硬质合金轧辊的研 究硬质合金轧辊是在硬质合金刀具基础上发展起来的 硬质合金由坚硬的碳化钨颗粒 硬质相 与金属黏结剂 通常为钴 组成 有时为获得耐腐蚀等性能 相应加入一定量的镍 铬等元 素 硬质合金的性能与黏结相金属的含量和碳化钨颗粒的大小有关 不同的粘结剂含量与不同的碳化钨颗粒尺寸形成不同的硬质合金牌 号 碳化钨在硬质合金中约占总组成重量的70 97 其平均颗粒尺寸为 0 2 14 0 m 若减少金属黏结剂含量或减小碳化钨的颗粒尺寸 则硬质合金的硬 度提高而韧性降低 硬质合金的维氏硬度范围涵盖了工具钢的700HV以上 最高达到2000 HV 当温度升高时 硬度因塑性增加而降低 硬质合金轧辊一般分成复合硬质合金轧辊和整体硬质合金轧辊两大 类 一般情况下由硬质合金和其他的材料复合制造成的轧辊称为复合硬 质合金轧辊 目前高速线材轧机的预精轧和精轧机架 包括减定径机架 夹送辊 机架 一般使用的是整体硬质合金轧辊 辊环 硬质合金复合辊环一般是安装在辊轴上的 然而整体硬质合金复合 轧辊却是将硬质合金辊环直接铸造与滚轴中形成一个整体 应用于 轧制负荷较大的轧机上 瑞典山特维克开发的浇铸式CIC硬质合金复合辊环 具有以下特点 1为了改善轧辊辊环的韧性及强度 一般选用复合层 这样就能承载 非常大的轧制力 2通过键连接过盈配合的方式有效的解决了冷装结构易使键发生失 效的难题 轧制过程中更加稳定 3通过辊环辊轴的紧密连接有效的解决了辊环接触面因冷却水的渗 透腐蚀的发生的变形 20 受硬质合金的启示而发展起来的钢结硬质合金轧辊 也具有优 良的强韧性和耐磨性 它是以钢作为黏结剂 掺入30 50 的硬质化合物 通过粉末合金或 铸造成形 兼有硬质化合物和陶瓷材料的高强度 高硬度和高耐磨 性以及钢的强度 塑性和韧性 可以进行锻造 各种常规机械加工 和热处理 采用粉末冶金法制备钢结硬质合金轧辊 已在工业中获得了良好的 应用 而采用铸造法制备钢结硬质合金轧辊正在探索中 丁刚等人 21 的研究工作目前已取得了良好的进展 有望在工业生产中推广应 用 3 5 4陶瓷轧辊的研究最近 采用自增韧氮化硅材料制备陶瓷轧辊的 研究已引起了材料