轧辊辊面强化技术的进展

1、全国轧辊技术研讨会论文轧辊辊面强化技术的进展邹家祥1 张建宇2 高立新2 崔玲丽2（1: 北京科技大学机械工程学院，北京，100083；2: 北京工业大学北京市先进制造技术重点实验室，北京，100022）摘要：轧辊是冶金企业中的大宗消耗件，研究辊面强化技术以提高其使用寿命和工作效率十分重要。新材料的应用对于改善轧辊的机械性能、提高辊面的耐磨性起到了一定作用；在常用的轧辊强化技术中，堆焊得到了广泛的应用。冷轧锻钢辊双频淬火等热处理工艺也有新的进展。激光加工技术的日渐成熟为其在表面强化方面的应用提供了强大的支持，激光相变、熔凝、合金化等都已经形成了一定的成熟工艺。关键词：轧辊，表面强化，耐磨性1前

2、言大型轧钢机的轧辊重量大，价格昂贵，而且必须保证足够的库存以实现生产正常运转。工作辊的更换频率很高，同时辊型精度也非常重要，其直接决定了最终产品的质量。大多数情况下，轧辊更换的原因是辊面的破坏。冷轧辊主要失效形式包括划伤、粘辊和剥落等。冷轧辊辊身表面应有高而均匀的硬度，其优劣应表现在辊身工作层耐磨性，即耐粗糙性。如果轧辊表面过早粗糙，出现桔皮状表面，说明轧辊表面产生了疲劳层，此时辊身表面的轴向残余应力和径向残余应力增加，从而减弱了轧辊表层抗轧制过载和耐裂能力。对热轧辊来说，辊面出现裂纹是非常危险的，这种表面缺陷容易造成应力集中，加速扩展将使轧辊提前下机。以热轧型钢轧辊为例，热疲劳裂纹主要起因于

3、周期性交变热应力，孔型与轧件接触时，表层温度急剧升高，表现为压应力，次表层为拉应力；脱离轧件时，表层转化为拉应力，次表层为压应力。加上冷却水的反复作用，出现热疲劳裂纹。严重情况下，裂纹扩展可能造成辊面剥落，甚至断辊。 因此，采用辊面强化方式对轧辊进行表面强化具有非常现实的意义。2 轧辊强化方式2.1 轧辊高强度材料的改进近年来，轧钢装备结构和轧制工艺技术的优化，促进了轧辊品种和轧制技术的全面发展。例如以高碳的高速钢代替高铬铸铁制造型材轧辊一种发展趋势1。在高碳的高速钢中增加钒的含量使合金中同时形成M2C 型碳化物和更硬、更细的MC 碳化物，再加上Mo 、W和V 的强化作用，可使轧辊的寿命比高铬

4、铸铁高几倍，引起了人们的极大关注。但因此高速钢含大量的合金元素，加之碳高，结晶相多，组织复杂，热处理过程明显不同于碳钢。关于高碳、高钒高速钢的热处理尚未见报导，根据高碳、高钒高速钢的化学成分制定合理的热处理工艺还非常困难。在热轧带钢连轧机成功推广应用高铬复合工作辊(高铬复合铸铁轧辊，高铬钢复合轧辊) 的基础上，90 年代初开发出高碳、高速钢复合铸造轧辊。热轧带钢连轧机精轧前段24 机架采用高碳高速钢复合铸造轧辊，其耐磨损性能较高铬复合铸造轧辊可提高约4 倍。这是由于在轧辊材质中加入了碳化物形成元素W、Ti 、V、Mo 等，使辊身工作层基体组织中低硬度碳化物M3C，部分或全部由较高或高硬度的Cr

5、7C3 、W2C、W6C、VC、TiC、Mo2C 取代，改善了其综合性能。90 年代初，英国LSM 公司研制开发出一种CCR (Complex CarbideReinforcement)技术，将“固态碳化物颗粒”直接添加到轧辊铁水(钢水) 中，强化辊身工作层基体组织。文献2中对其做了较为详尽的介绍，这种技术主要针对含Cr 、W、V、Ti 的高合金轧辊，在采用常规冶炼和浇注工艺时，某些类型的碳化物会以枝晶偏析形式析出，对轧辊的断裂韧性、疲劳强度、塑性和热裂纹敏感性有严重影响。CCR 复合碳化物强化技术主要用于合金无限冷硬轧辊(AIC) ，是热轧带钢连轧机精轧后段最适宜的轧辊类型。邢台机械轧辊(

6、集团) 有限公司1对其进行了生产试验，发现钛、氧有很大亲合力, 添加的复合碳化物均匀分布于基体中。而且CCR 轧辊比AIC轧辊轧制量提高25 %。2.2 轧辊的堆焊修复与强化堆焊是焊接领域中的一个重要分支，是一种表面技术处理工艺方法，它是采用焊接方式在零件表面堆敷一层具有一定性能材料的工艺过程3。我国轧钢企业用于轧辊修复的堆焊技术主要是采用实心焊丝配合烧结或熔炼焊剂的埋弧焊接方法。采用的焊丝材料分为低合金高强钢类、热作模具钢类、马氏体不锈钢类和高合金高碳工具钢类，而焊剂有烧结和熔炼两大类。文献4中研究了当轧辊出现大面积剥落时，为了减少损失，采取补焊的方式。首先把车削后的轧辊辊径部分刷上保护层，

7、然后装炉预热并控制在规定温度，保温均热后用轧辊堆焊机床进行自动埋弧焊接。轧辊焊前硬度为HRC52.6，焊后硬度为HRC49.8，重新修磨后进行上机试用。采用焊丝的埋弧堆焊技术，即使是多丝埋弧堆焊其熔敷效率也是有限的，而且丝极堆焊的单道宽度小，频繁的搭接显著降低了堆焊层金属的使用性能，因此，带极堆焊特别是宽带极堆焊技术在轧辊修复中显示出良好的应用前景。如带极堆焊技术在宝钢二期、三期工程先后引进的四台大型板坯连铸机导辊的修复中已得到了应用，堆焊焊带材质为1Cr13NiMo，规格为0.4 mm×30 mm 和0.4 mm× 50mm，堆焊效率和质量较传统方法显著提高。马鞍山钢铁公

8、司针对槽钢轧辊的工作特点，研制了两种新型药芯合金焊丝，具有合金成分调整方便、飞溅小、焊缝成形美观、熔敷速度高等一系列优点5。焊态时组织构成以马氏体为主，兼有少量珠光体、屈氏体、贝氏体和残余奥氏体。加入钼、铬能促使马氏体形成，增加淬硬性和强度，加入锰、硅可改善焊接性，加入少量的钒、钨能增加红硬性、提高高温强度。轧辊使用寿命延长，共使用各类槽钢轧辊24 套，平均轧制量达到4800 t ，同比超过非堆焊辊的95. 1 %。图1 轧辊堆焊修复工艺流程图鞍钢热轧带钢厂二辊轧机轧辊是1755 生产线上的重要备品备件，每年消耗约96对，对二辊进行堆焊修复，进一步提高其性能和使用寿命十分重要6。二辊的堆焊修复

9、试验结果表明，用H25Cr3Mo2MnVA配用国产HJ260，HJ107，SJ301等焊剂的堆焊金属耐热疲劳性能较好，但耐磨性不足，焊后硬度为HRC38-42。结果表明，支二辊抗热疲劳性能良好，没出现明显的热疲劳裂纹，耐磨性得到较大提高，平均轧钢量为6771.8t/mm，而国产新辊平均轧钢量为3945t/mm，堆焊二辊的使用寿命是新辊的1.72倍。同时，平均使用周期延长，平均每次磨损量减小，提高了轧机作业率，明显降低了辊耗。2.3轧辊的热处理强化双频感应加热淬火也常作为重载零件的表面热处理强化方法7，早在十几年前，由美国俄亥俄铸钢公司首先应用于冷轧工作辊的最终热处理，日本、欧洲各国也相继采用。

10、普通感应加热的热渗透深度主要由感生涡流集肤层的厚度决定。但在双频感应加热情况下，温度场的分布还要受预热温度、工件移动速度、频率匹配等因素影响，各参数之间相互影响关系复杂，选择不同的工艺参数进行加热，可能获得不同的加热结果。冷轧辊是在高轧制压力下工作的，加上钢板来料的焊缝、夹杂、边裂等问题以及轧制过程中因控制问题造成的断带、粘辊，使得工作辊受到强烈热冲击，最终导致轧辊出现剥落甚至报废，因此冷轧工作辊的工况极为恶劣。随着对冷轧薄板品种和质量要求的不断提高，对冷轧工作辊提出了越来越高的质量要求，轧辊既要有高的耐磨性，又要有高的抗事故能力；同时还必须具有适当的表面硬度和一定的硬化层深度，以及较缓和的过

11、渡区和分布良好的残余应力。在轧辊原用单频淬火中，由于感应器的比功率大，轧辊移动速度较快，奥氏体化时间短，喷淋淬火时间少，不能得到很深的淬硬层。而在轧辊双频感应淬火加热时，一般先使用一个较低的频率对工件加热，由于感生涡流的集肤层较深，使轧辊表面在较深的区域内达到一定的温度。经过一段时间的均热，再使用一个较高的频率来加热所需的淬硬层深度。这样就实现了温度过渡平缓、有效加热层深的加热目的。由于工件移动速度慢，造成预冷作用增强，但奥氏体化时间长，喷淋淬火的时间也延长，使得有可能得到较深的淬硬层。而且由于双频加热得到的加热层是接近于从表到里的等温深层式，可以实现轧辊表层温度不致过热，淬硬层基体组织优良。

12、近20年来，武钢轧辊双频淬火机组，在消化吸收引进设备和工艺技术的同时，改造了原有双频淬火设备，并形成了一整套轧辊双频淬火热处理诀窍，经修复淬火再硬化的轧辊质量达到了同等进口辊水平，且成品率高达98%以上。2.4 轧辊的其他强化方式根据轧辊的技术要求和具体条件，可以采用氧乙炔火焰粉末喷涂工艺进行修复。热喷涂是一个复杂的工艺过程，涂层与基体的结合机理为：1）机械结合（或称抛锚作用）；2）物理结合；3）微扩散结合；4）冶金结合（或合金化效应）。其间，当飞向基材的熔融粒子撞击到经粗化处理的表面时，铺展成扁平状液态薄片覆盖在辊面的凹凸点上，在冷凝时收缩咬住凸点（或称抛锚点）形成机械结合。而当熔融的粉末高

13、速撞击辊面形成紧密接触时，由于变形、高温等作用，在涂层与辊面之间有可能产生微小的扩散，增强辊面与涂层的结合强度。喷涂粒子之间以机械结合为主，涂层间的扩散结合、冶金结合、晶体外延、物理结合为辅。此外，轧辊表面强化还可以采用电火花强化、浸涂MoS2、硼化处理、PVD涂层等新工艺和新方法，这些方法都可以在一定程度上延长轧辊寿命，提高生产效率和经济效益。但是，由于受到材质因素影响，加之工艺相对复杂，因此，尚未达到普及应用的程度。3轧辊的激光强化激光表面强化处理是20 世纪70 年代发展的高新技术，利用高能激光束照射金属表层，通过激光和金属的交互作用达到改善金属表面性能的目的8。 当前轧辊激光强化的研究

14、对象主要集中在冷轧带钢轧辊。轧辊一旦发生严重磨损，成品轧件的板形、板厚精度都无法保证，而板形恰恰是衡量薄板带质量优劣的主要技术指标。激光淬火、激光熔覆、合金化等技术已应用于轧辊表面的强化和修复。由于板带轧辊磨损后多在整个带宽方向上呈箱形孔形状，因而需激光作用的区域很大。采用普通光斑，做如此大面积的扫描，效率很低，成本相应提高。目前国际上仅有美国、德国等工业化国家开展万瓦级大面积激光熔覆研究，实现大面积激光熔覆的工业应用，必须解决两个关键问题：一是激光宽带扫描技术，把强度分布不均的激光束展成内部光强均布的宽带光束；其二是宽带送粉技术，形成一个连续、稳定、均匀并自动可控的宽带粉流，送粉宽和送粉量均

15、自动可调。天津纺织工学院的杨洗陈等研制的激光熔覆系统是一个有效的解决方案：该设备由万瓦级激光扫描转镜和自动送粉机组成，适用1-10Kw的CO2激光，入射通光孔镜90mm，光束扫描宽度10-50mm连续可调，光束摆动频率1000Hz且连续可调，扫描线内光强分布均匀。采用该设备单道熔覆宽度最大可达35mm，熔覆厚度为0.2-8mm。可以将Ni基、Co基或者WC类的硬质合金粉末包覆在普通钢铁材料表面，从而使其使用寿命延长几倍。华中科技大学9应用5KW连续CO2激光器对75CrMnMO铸钢轧辊进行激光熔凝强化处理，并进行显微组织分析和硬度测试。轧辊钢激光熔凝强化处理后，横截面组织为熔凝和相变硬化区（马

16、氏体大量残余奥氏体碳化物）；过渡区（高温回火组织）及母材（回火索氏体大块专或条状碳化物）。其相变强化区的尺寸取决于激光功率、扫描速度、光斑直径等因素，其硬化区深度可达到2mm。经激光熔凝强化处理后的轧辊，过钢量由原2000t提高到4800-6000t。激光合金化技术可以改变基体表面的化学成分，从而提高金属的强度、耐磨性、耐蚀性、高温抗氧化性等。这种技术应用于冷轧辊表面，不仅可以改善轧辊表面的性能，减少轧辊在使用中的重淬次数，而且，还可以制作不同表面形貌的轧辊，以满足生产的需要。清华大学10对冷轧辊表面激光合金化技术进行了实验研究。目前国内钢铁企业提高轧辊使用寿命的常用方法是采用堆焊技术，但由于

17、堆焊材料生产和堆焊技术条件的限制，一般堆焊后的硬度只能达到HRC50左右。随着激光表面改性技术的发展，很多轧钢厂家已经将堆焊与激光强化技术结合起来，取长补短，堆焊虽然硬度偏低，但深度大，可以达到50mm，而激光强化特点正好与之相反，因此，通常先用堆焊修复磨损超差的轧辊，再用激光技术对堆焊层进行强化，或者直接在新辊上直接激光强化。由于激光没有惯性，热处理变形小，表面硬化层和硬化区域可准确测定及控制，而且不需淬火介质，因此也可以应用在带孔型的轧辊强化中。轧钢过程中，型钢轧辊受到较大的工作压力及冲击作用，同时孔型表面直接和高温( > 1000) 红热轧材接触，还有较大的磨损和热疲劳作用。因此，

18、轧辊的性能要求为整体有较好的强韧性配合，而工作表面要求有较高的耐磨性和抗热疲劳性，即得到合理的性能分布。北京科技大学与莱芜钢铁集团公司在型钢轧辊的激光强化方面做了积极的探索，根据H型钢轧制特点，结合轧辊特定的磨损规律，制订了沿辊面进行变参数强化实现等比例磨损的方案。利用金相显微镜可以发现材质为180CrNiMo的半钢材料表面淬硬层发生了马氏体转变，其基本组织为：残余奥氏体+隐晶马氏体，有些样品中出现了典型的下贝氏体11。对激光处理样品进行宏观硬度测量，其HRC硬度（换算之后）平均可比未处理区域提高10个单位；淬硬层显微硬度可比基体提高一倍左右，其中最大值接近HV1000。H250×1

19、50规格的U2轧机水平辊强化，辊面磨损只有未处理轧辊的1/3-1/4左右12，而且处理之后的辊面磨损变化趋势不变；另外，激光处理的的轧辊性能改进还表现在提高了抗粘钢能力13。如图2所示，a为经过激光表面强化的轧辊生产下线后的照片，b中所示轧辊未经激光处理，但两只轧辊的轧制量相当。 a 激光强化轧辊 b未经激光处理的轧辊图2 激光强化轧辊实践效果对比包头钢铁公司对型钢轧辊也进行了激光强化处理研究，根据轧辊钢激光熔凝处理小试样的试验结果，当选择合适的激光熔凝处理工艺和搭接参数时，硬化区硬度趋于均匀，更为重要的是由于快速加热、快速冷却的相变特点，使硬化区的组织非常细小。结合热轧辊服役条件和性能要求，

20、对包钢轨梁厂950 mm方钢开坯辊（材质60CrMnMo），锻造后经调质处理，进行表面激光熔凝硬化和合金化处理.根据该类型轧辊的磨损特点，950 mm 方钢轧辊的孔型槽底表面采用激光熔凝处理，而孔型侧壁吸光涂料中加入10 %合金粉，采用激光熔凝+ 合金化处理。处理后表面硬度测试结果为HRC = 55 左右，辊面光滑，硬化层硬度分布均匀，现场使用情况表明，过钢量较处理前提高1 倍以上。激光毛化技术是80 年代末在世界上出现并开始应用于生产优质冷轧板、带材的高新技术，目前主要工业发达国家的大型板、带生产企业都应用此技术来提高其产品的技术含量，如日本的川崎制铁及比利时的Cocreril Sambre

21、 公司就是使用2 kW 级的基模CO2激光器来生产深冲和高图像清晰度的激光板14。激光毛化的本质是用物理方法在同种材料表面实现有利的复合结构，是激光技术成功应用于大规模工业化生产的一个成功范例。它不但解决了薄带退火过程中存在的一些问题，改善了轧制条件，延长了轧辊的使用寿命，而且对材料的性能有显著改善。由于传统的喷丸毛化只能对辊面产生加工硬化，因而其对表面硬度的提高是非常有限的. 激光毛化是在快速熔凝作用下对辊面进行的相变强化，其冷却速度可高达104106 / s ，所以其作用的微坑及凸包处的金相组织是十分细小的隐针马氏体组织，同时造成了大量的位错，综合作用的结果使其表面硬度高达HV1 000

22、以上15。我国是迄今为止继比利时、日本、法国之后掌握该技术的国家。鞍山带钢厂目前拥有两条专门用于冷轧辊处理的CO2 型及YAG型激光毛化生产线。用此技术很好地解决了薄带退火粘连、光亮退火还原不足及性能不均等问题，改善了轧制条件，提高了轧辊的使用寿命，同时开发出了不同用途的如超深冲性和高涂漆光亮度的激光毛化带16。 因YAG激光波长为1106 um ，材料对其吸收效果好，其热影响区极小，热沉积作用比照其他表面处理(包括CO2，电火花表面毛化处理)小得多，冷却速度大得多。研究表明，YAG毛化后的辊面熔凝区残余奥氏体含量只有15 %左右，马氏体转变更加彻底，这也是其硬度极高的因素之一。4结论（1）

23、在冶炼过程中加入高熔点、耐磨的金属元素可以在轧辊中形成硬质合金相，大大减少普通钢铁材料的损耗，提高生产能力；（2） 堆焊在轧辊修复中是应用最为广泛的技术，但因焊丝、焊剂的材质问题使焊后表面硬度比原始辊面有所下降，因此可以把堆焊工艺与其他的强化技术结合起来使用；（3） 双频淬火工艺也可在一定程度上改善轧辊表面的耐磨性，但是因感应频率等工艺参数较难控制，因此使用范围有限；（4） 激光技术是近些年新兴的一项强化工艺，并且日趋成熟，无论是板带轧辊还是型钢轧辊都已经有了成功的范例，而且针对不同的材质可以采用不同的强化工艺（相变硬化、激光熔凝、合金化、激光熔覆等均可）进行。参考文献1 王金国, 周宏, 苏源德, 连建设, 大成桂作. 高碳高钒高速钢的高温硬度及热处理的研究. 金属热处理, 2000, 3: 22-242 李金霞, 赵营淑. 提高热带连轧机工作辊使用寿命的新途径. 轧钢, 2000, 17(4): 49-503 单际国, 董祖珏, 徐滨士. 我国堆焊技术的发展及其在