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1、离心复合轧辊新材质的开发及应用张欣( 北京钢铁研究总院1 0 0 0 8 1唐山联强冶金轧辊有限公司)摘要采用离心铸造工艺生产的复合轧辊，由于辊身工作层与轧辊芯部采用不同材质复合铸造，既保证了轧钢时对辊身工作层耐冲击、耐磨、耐热裂的使用性能，又保证了辊颈高强度不断辊的使用要求。离心复合铸造的轧辊工作层越来越趋于高合金化，以便满足不同轧机不同机架的使用要求。本文主要介绍用于粗轧机架的不连续碳化物针状贝氏体球铁轧辊( 简称N C C 轧辊) 及中轧、精轧机架半高速钢、高速钢轧辊的生产与应用，该轧辊在使用中取得显著的效果，有不同材质轧辊使用数据的比较，对今后轧辊材质的选用有借鉴作用。1 前言近年来随
2、着轧钢设备的高速化，轧制操作的高效能化，轧制产品的形状、尺寸及表面质量的高精度化，轧钢厂在如何提高轧钢产量减少换辊次数，保证轧材质量，降低辊耗成本方面进行着不断的努力，轧钢设备不断改造，轧辊冷却系统不断改进，但在轧辊的使用中都存在不同程度的问题，如何解决这些问题、满足用户的使用要求，轧辊生产厂家也在做着不懈的努力，通常在国标成份范围内进行着成份的调整，棒线材轧机型钢轧机及窄带钢轧机粗轧机架采用铸钢，半钢或珠光体球墨铸铁材质轧辊，中轧、精轧机架采用不同合金含量的球墨铸铁、无限冷硬或冷硬铸铁材质轧辊( 高速线材精轧机架碳化钨辊环除外) 。如表1 所示。表1 棒材连轧机通用轧辊材质机粗轧中轧精轧架1
3、234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 8材半钢和珠光体球铁珠光体球铁和无限冷硬贝氏体球铁和合金无限质冷硬、合金冷硬铸铁表2 棒材连轧机用辊额材质机粗轧中轧精轧架123456789 1 0 1 1f1 21 3 | 1 41 51 61 71 8材质N C C 贝氏体球铁半高速钢高速钢粗轧机架轧辊采用铸钢、半钢材质时强度高、咬钢性能好，但耐热裂、耐磨性能较珠光体球铁材质差，当采用珠光体球铁轧辊时，由于强度达不到使用要求易断辊。中精轧机架用辊存在主要问题是耐磨性、耐热裂性和抗剥落性，硬度低时耐磨性差，硬度高时易剥落，特别是精轧机架极易掉小块，棒材轧机精轧成品架当轧制小
4、规格产品时，如, , 1 2 、 , 1 4 、 , 1 6 时单槽轧钢量仅在5 0 1 5 0 吨之间，轧钢厂为了保证轧材尺寸精度和表面质量，只好频繁的换孔型，换轧辊，对轧钢量和成材率影响极大，为了满足不同轧制条件及轧制要求，唐山联强冶金轧辊有限公司在离心复合轧辊新材质研制方面做了一些工作，研制成功具有更高耐磨性，耐热裂性，更好使用性能的轧辊，如表2 所示。采用离心复合铸造工艺生产的高速钢、半高速钢、半钢，不连续碳化物针状球铁复合轧辊等新产品，并形成了一定的生产规模，仅上述四种新产品，2 0 0 4 年销售量共计1 0 0 0 余吨。2 用于粗轧机架的粒状碳化物针状基体组织球墨铸铁轧辊的生产
5、与应用( 简称N C C 轧辊)2 1 用于粗轧机架的轧辊，在轧钢过程中要承受较大的热冲击和轧制负荷，因此要求轧辊应具有优良3 8的抗热裂性能和较高的抗拉强度，提高轧辊的综合使用性能取决于金相组织中碳化物、石墨、基体组织的形态、数量、分布状态和化学成份，特别是与镍、钼的合金含量和热处理工艺有直接的关系，图片i 、图片2 为 N C C 轧辊金相组织。图1 ( i o o 倍N C C 球铁辊)图2 ( 5 0 0 倍N C C 球铁辊)金相组织为贝氏体+ 少量马氏体+ 少于5 不连续的粒状碳化物+ 球状石墨，碳化物析出颗粒越细小，抗裂纹萌生的能力就越强，贝氏体具有良好的抗裂纹扩展能力，具有很好
6、的强韧性，但如果因成份控制不当，造成大块共晶的碳化物的产生，则裂纹易在碳化物本体上形成示图片3 、图片4 ，珠光体+ 碳化物+ 球状石墨图3 ( I o o 倍珠光体球铁)图4 ( 5 0 0 倍珠光体球铁)N C C 轧辊辊身工作层硬度分布均匀，硬度降很小，有较高的抗破断韧性值和较高的强度值，耐磨性，耐热裂性明显优于珠光体球铁，从孔型磨损状况和粗糙度( 示图5 至图8 ) 修复孔型的重车量示图9 至1 1 ；图5 、图6 、图7 粗轧机架轧辊轧钢后轧辊表面状况；图8 粗轧机架轧辊轧钢后孔槽的表面状况；图9 、1 0 、1 1 重新 车9 5 r a m 后轧辊孔型表面状况。图5图63 9图7
7、图9图1 0珠光体球铁辊的表面磨损状况：图1 2 、1 3 。图1 22 3 使用数据比较。表1 国外N C C 轧辊与珠光体球铁轧辊使用结果比较轧制目标：8 4 ；0 0 0 吨N C C 实际轧制：8 9 ，1 8 7 吨 珠光体球铁轧辊平均修磨N C C 修磨1 5 ；1 6 m m9 5 m m珠光体球铁轧制吨位m mN C C5 6 0 0 吨m m9 3 8 8 吨m m珠光体球铁轧辊N C C1 8 6 6 吨m m 俄槽3 1 2 9 吨m m 矾槽图8图1 3图1 l表2 国内宝钢高线N C C 轧辊与珠光体球铁轧辊使用结果比较轧制目标N C C 实际轧制1 0 ，0 0 0
8、 吨1 7 ，0 0 0 吨 珠光体球铁轧辊平均修磨N C c 修磨1 5 1 6 m m1 5 1 6 m m珠光体球铁轧辊N C c8 0 0 0 1 0 0 0 0 吨孔槽1 7 ，0 0 0 吨孑L 槽结论：N C C 轧辊基体组织是韧性较好的贝氏体球铁组织，其显微硬度高于珠光体球铁组织N C C 轧辊耐磨性和抗冷热疲劳性能优于烛光体球墨铸铁轧辊，N C C 轧辊毫米轧钢量与珠光体球墨铸铁轧辊比较可提高6 0 以上，提高轧钢作业率，提高轧辊修磨的生产效率，降低轧辊使用量。4 03离心复合铸造高速钢轧辊的生产与应用由于高速钢具有很高的耐磨性和淬透性，尤其是在高温时的红硬性已成为制造轧辊的
9、理性材料，采用离心铸造工艺生产的工作层为高速钢材料，芯部为球墨铸铁的复合轧辊，轧辊工作层硬度高，可达到H S D 8 0 8 5 ，辊身表面硬度均匀，而且工作层内硬度几乎不降，轧辊耐磨性好，首轮与末轮的耐磨性相同，良好的热处理技术，既能保证工作层的淬火效果，又可兼顾轧辊芯部材料的质量，该轧辊用于窄带钢轧机精轧机架，棒材轧机精轧成品架，高速线材预精轧机架，其综合使用寿命显著提高，具有显著的经济效益。3 1化学成份对离心浇注高速钢复合轧辊工作层组织和性能的影响。1 ) C高速钢中的C 和F e 及C r 结合形成M 7 C 3 型高硬度复合碳化物，同时与C r 、M o 、N b 、W 结合形成M
10、 C型、M 6 C 型、M 2 C 型等高硬度复合碳化物( 见表2 ) ，各种材质轧辊中碳化物形态和硬度，该复合碳化物以维持其很高的耐磨性。考虑基体组织和合金碳化物所需要的碳含量和溶液的流动性，碳含量选定为1 6 一2 0 ，随着碳含量的增高，碳化物含量增加，韧性、耐热裂性随之降低。表3 各种材质轧辊中碳化物的形态和硬度2 ) S i硅是确保溶液流动性必需的元素，而且原材料中不可避免的含有少量的硅，从轧辊韧性、强度考虑将硅量选定为0 3 1 0 。3 ) M nM n 在高速钢钢水中的主要作用是脱氧去硫，M n 与硫结合生成M n S ，防止硫脆化的元素，因此从轧辊韧性考虑，M n 量选定为0
11、 3 1 0 。4 ) C rC r 与F e 、M o 、V 、N b 、W 共同与碳结合形成高硬度复合碳化物，一部分固溶解在基体组织中可改善耐磨性和淬透性，此外，它也是保证抗氧化性的基本元素，C r 含量选为4 0 4 8 范围，含量过低时不能改善耐磨性，含量过高时韧性随之降低。 5 ) Ww 与F e 、C r 、M o 、V 、N b 一起与C 结合形成复合碳化物，是促进高速钢的抗回火性或高温硬度的首选元素，w 主要生成F e 4 W 2 C 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
12、心力的作用下铸造时容易发生偏析，为了获得轧辊的耐磨性，韧性及耐热裂性，为了提高钢的抗氧化性，防止轧辊在空气炉中加热氧化，W 含量为1 5 2 5 范围适宜。6 ) M o高速钢中M o 和w 的作用相近，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 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，因此M o 的成份范围4 0 6 0 。 7 ) V 和N bv 和N b 相同易与F e 、C r 、M o 、V 一起与碳结合，主要形成M C 型复合碳化物，在成品轧辊中N b
13、 C + V C4 1碳化物的高硬度，以及它们的细化晶粒作用，对轧辊的抗热裂性，耐磨性和强韧性起着非常重要的作用，钒和铌的总量控制在4 0 7 。0 左右范围，如果添加量过低时很难出现效果，若添加量过多时韧性下降，而且离心浇注时易产生偏析。8 ) N iN i 改善钢的力学性能，增加钢的淬透性，是非常好的合金元素，但是高速钢中从来不用镍，因为它增加残余奥氏体量，不过，有对高N i C r 轧辊热处理的经验，可以减少镍在铸造轧辊所引起的残余奥氏体量，因此N i 含量为0 5 1 5 的范围，从而使轧辊的力学性能进一步改善。纵上所述示表3 ，几种复合轧辊组织与性能的比较确定高速钢复合轧辊工作层化学
14、成分见表4 。表4 几种复合轧辊组织与性能的比较表5 轧辊工作层化学成份、成分部八CS iM nPSWC rM OVN bN i工作层1 6 2 0O 3 1 0O 3 1 00 0 80 0 51 5 2 54 0 8 04 0 6 04 0 6 00 5 1 50 5 1 53 3 化学成份对芯部材料机械性能的影响轧辊辊颈的抗拉强度既是轧辊技术要求的重要指标，也是轧辊上机考核的重要保证，根据轧辊的特定工作条件，从热轧精轧到中轧对辊芯和辊颈部位的强度要求，同时考虑熔炼、铸造条件和热处理的效果，该生产厂选用球墨铸铁作为芯部材料的化学成份示表6 。表6 离心铸造高速钢复合轧辊芯部材料的化学成份表
15、7 离心铸造高速钢复合轧辊芯部材料的机械性能3 4 高速钢复合轧辊热处理工艺的制定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，除含有大量能形成碳化物的合金元素外，主要取决于高速钢淬火和回火的热处理工艺，对于高速钢离心复合轧辊的淬火温度既要保证轧辊工作层的淬火效果，又要兼顾轧辊芯部材料，特别是当轧辊芯部采用合金球墨铸铁时，淬火加热温度太高时芯部材料变形，甚至融化。因此，该复合轧辊的淬火温度升温到合金碳化物分解固溶于奥氏体化温度即可，采用强制空冷使其固溶于贝氏体和马氏体中，随后进行回火热处理，使固溶在奥氏体基体上的M o 、W 、V 、N b 等形成稳定性碳化物元素，作为微细碳化物析出，
16、产生二次硬化现象，使外层达到高硬度，高温耐磨性甚佳，不影响内层的强韧性，辊颈抗拉强度大于5 5 0 M p a 。4 2从所试制的A 6 1 2 5 0 3 号高速钢复合轧辊辊身上切环取样做热处理实验，试样尺寸为5 0 m m * 3 0 m m *1 0 r a m ，共计1 0 个试样，其中第1 0 号试样为铸态，1 9 号分为3 组，分别采用9 5 0 度、1 0 5 0 度、1 1 5 0 度三个温度淬火，淬火后分别采用5 0 0 度、5 5 0 度、6 0 0 度三个不同的温度回火。淬火及回火硬度见表8 。表8 不同淬火及回火温度下硬度变化从表8 可见当淬火温度为1 1 5 0 度，回火温度为5 5 0 度时，高速钢有二次硬化现象，回火后硬度比淬火后硬度提高3 H S 。其他无论采用何种温度淬火和回火，硬度均有所下降，特别是6 0 0 度回火，硬度降落幅度很大，在9 5
