高速钢轧辊的特点.doc

高速钢轧辊的特点、制造、应用及研发趋势
2013-12-19 09:46:00    
　　1高速钢轧辊特点
　　高速钢轧辊的特点主要体现在以下七个方面：
　　1）碳化物硬度高。以往使用的轧辊，其基体上分布的多为Fe3C型或M7C3型共晶碳化物，组织粗大，硬度较低。高速钢轧辊一般采用高C、高V型高速钢，另外还含有较多的Cr、Mo、W、Nb和Co等合金元素，在凝固和热处理过程中，这些合金元素形成了一次和二次碳化物。高铬铸铁轧辊碳化物是M7C3（2500 Hv）和M23C6（1600 Hv）。无限冷硬铸铁轧辊中，碳化物是Fe3C（l300 Hv）。而高速钢轧辊主要含有MC（3000 Hv）、M7C3（2500 Hv）和M6C（2000 Hv），它能替代一般轧辊，从而提高耐磨性。另外，随着V含量增加，高速钢组织中骨骼状的M6C型碳化物向粒状的VC型转化。
　　2）热稳定性好。高速钢轧辊中含有较多的W、Cr、Mo、V和Nb等元素，具有较好的热稳定性，研究发现，普通轧辊材质的硬度随温度升高而明显下降，而高速钢轧辊在600℃仍保持有500 Hv，这必将大大提高轧辊的耐磨性。特别是当添加分布于基体组织的Co元素时，这种倾向更加明显。
　　3）使用中易形成氧化膜。轧制过程中如在轧辊表面形成连续、致密、均匀、粘结性好的氧化膜，不但可降低轧辊与轧材间的摩擦系数，而且可提高轧材尺寸精度和表面质量。普通轧辊使用初期由于无氧化膜保护，磨损较大。高速钢轧辊使用中氧化膜能很快形成，氧化膜的出现，可降低带钢与轧辊表面的摩擦，防止轧辊粘钢，提高轧辊寿命。同普通轧辊相比，高速钢轧辊的初期磨损较低，这对于提高高速钢轧辊耐磨性是十分有利的。
　　4）淬透性好。高速钢轧辊具有良好的淬透性，在室温下，工作层50mm范围内，从辊表面到芯部的硬度降小于3HS，可以确保轧辊从外到内都具有良好的耐磨性。
　　5）优良的强韧性。高速钢轧辊与一般的无限冷硬铸铁、高铬铸铁和半钢轧辊相比较，其基本机械性能抗拉强度和断裂韧性值均优于高铬铸铁轧辊和无限冷硬铸铁轧辊，与半钢轧辊接近。
　　6）良好的抗热裂性。高速钢由于其特有的组织特点，能有效的抑制裂纹的形成和扩展。在实际使用中发现，高速钢轧辊的确具有比高铬铸铁轧辊更好的抗热裂性。因此若发生一般的生产事故，可以通过正常磨削量或附加很小的磨削量就可以消除事故带来的影响，使处理过程更为简化，并且也节约成本。
　　7）良好的耐磨性。与半钢、高铬铸铁和高镍铬无限冷硬铸铁轧辊相比，高速钢轧辊轧制吨位大幅度提高，F1-F4机架约为10000t，F5机架约为6000t，显示高速钢轧辊具有良好的耐磨性。高速钢轧辊轧制吨位的增加，导致其辊耗明显下降，在相同轧钢条件下，高速钢轧辊的辊耗在F1机架是高铬铸铁轧辊的1/5，F2机架是高铬铸铁轧辊的1/7，F4机架是高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的1/13，F5机架是高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的1/8。
　　2高速钢轧辊制造技术
　　制造高速钢轧辊主要有锻造、铸造、喷射成形、热等静压等技术。锻造高速钢轧辊的推广使用进展缓慢；目前工业生产中较常见的铸造高速钢轧辊制造方法有离心铸造法、连续浇注外层成形法、电渣重熔法和液态金属电渣熔接法。
　　2.1铸造高速钢轧辊
　　铸造高速钢轧辊制造技术的改进主要围绕提高钢的纯净度和均匀性，提高轧辊强度和轧辊外层与辊芯的冶金结合。不同的轧机，同一轧机的不同机架，对轧辊性能的要求不同，可以根据所需的轧辊性能、轧辊规格和生产成本选择合适的制造方法。
　　1）离心铸造法。离心铸造轧辊的主要特点是将液态外层材料和芯部材料以一定的时间间隔浇入铸型内。离心旋转时间、辊芯金属液浇注间隔时间、浇注温度及防止外层元素偏析和内外层材料界面氧化是此方法制造轧辊成败的关键。高速钢中含有较多的W、Cr、Mo和V等元素，而这些元素及其形成的碳化物密度差大，在普通离心铸造条件下，高速钢轧辊元素偏析严重。日本川崎制铁公司分析了离心铸造高速钢轧辊偏析主要是MC型碳化物的偏析，严重影响轧辊的耐磨性，研究发现MC型碳化物主要是一次结晶VC的偏析，因VC与钢水的密度相差较大所致。防止VC偏析方法是采取添加Nb元素提高MC型碳化物密度，并限制添加偏析元素W和Mo，选择基本成分2.0%C-6.0%V-7.0%Cr-25%Mo，添加1.0%~1.5%Nb进行试验，其结果由于生成密度较大的MC型复合碳化物（V、Mo和Nb系碳化物），其密度与钢水密度相接近，使VC减少，有效地控制了离心铸造高速钢轧辊的碳化物偏析。但是，无W低Mo高速钢轧辊红硬性明显下降，耐磨性降低。此外，Nb提高钢的淬火温度，降低二次硬化峰值出现的温度，高速钢铸造成形过程中Nb系的MC型碳化物较V系的MC型碳化物粗大，导致轧辊使用中易发生剥落。因此，如何确定在给定的工艺条件下V和Nb复合添加的最佳比例，控制产生粗大的NbC，提高轧辊中W和Mo含量，确保高速钢红硬性和耐磨性，同时还要消除高速钢轧辊偏析，是离心铸造高速钢轧辊生产中急待解决的问题。
　　此外，高速钢轧辊离心铸造过程中，离心机转速对轧辊使用性能也有明显影响。研究发现，随着离心机转速的增加，轧辊组织致密，硬度提高，磨损量减少，耐磨性不断改善，但转速过高，轧辊耐磨性提高不明显，反而增加了动力消耗和加剧合金元素偏析。为了改善高速钢复合轧辊的结合层质量，我国科学家发明了高速钢复合轧辊多层浇注工艺，轧辊自外向内依次为高速钢工作层、芯部材料组成的中间层1、中间层2、芯部1和芯部2。离心浇注工作层后，降低转速分别浇注中间层1和中间层2，然后再次降低转速至200-350 rpm浇注芯部1，关闭动力自由减速并浇注芯部2。该发明复合高速钢轧辊，较原双层或三层复合高速钢轧辊，在轧制过程中工作层剥落率降低30%左右，断辊机率减少50%-60%。但该方法制造高速钢轧辊工艺过于复杂，金属熔体种类过多，操作麻烦。
　　最近有关机构对高速钢轧辊偏析机理进行了深入研究，发现离心铸造高速钢轧辊偏析的主要原因是高速钢中存在与金属熔液密度不同的原子簇团，在离心力作用下，密度大的原子簇团向辊面移动，密度小的原子簇团向轧辊心部移动。而原子簇团产生的主要原因是高速钢轧辊中各种元素的物理和化学性质不同。影响离心铸造高速钢轧辊偏析的主要因素有：离心机转数、金属液凝固冷却速度和原子簇团性质，转速越高，凝固冷却速度越小，偏析越严重，反之偏析减轻。相同体积和密度的原子簇团，呈团块状或条状，比呈球形时的空间伸展尺度大，有利于减轻偏析。在此基础上，研究了电磁场对离心铸造高速钢轧辊偏析的影响，发现电磁场在金属溶液中产生电磁力，其切向分量与溶液运动方向相反，迫使固液界面前的溶液产生流动，引起元素分配系数k的变化，有利于减轻高速钢轧辊元素偏析。电磁力的作用还会促使金属熔体对固—液界面和枝晶端部产生强烈冲刷作用，造成晶体从铸型壁脱落和枝晶折断，促进等轴晶的形成，有利于宏观偏析减轻。高速钢轧辊电磁离心铸造中，磁场作用还导致先析出相、原子簇团与金属溶液之间因其导电性及密度差异而产生运动状态的相异性，这种作用对于高速钢轧辊凝固过程中溶质再分配及最终的成分偏析也有重要影响。清华大学也发明了电磁离心铸造高速钢复合轧辊方法浇铸时先在离心铸造设备外面加稳恒磁场组成的外加磁场，同时高速旋转铸造设备，产生的离心旋转力与稳恒磁场相结合对钢液产生电磁搅拌，电磁离心铸造既保留了普通离心铸造组织致密，疏松气孔少等优点，又使粗大的柱状晶组织转变为均匀的等轴晶组织，并使第二相的分布趋于均匀，成分偏析得到控制。采用该方法生产的高速钢复合轧辊的铸锭有理想的微观组织和界面结合力，使用性能好。
　　2）连续浇注外层成形法（CPC）。为了克服离心铸造高速钢轧辊偏析缺陷，日本新日铁公司开发了制造高速钢轧辊的CPC法，它具有节能和轧辊性能好等特点。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。CPC法生产的高速钢轧辊组织细小、均匀且夹杂物少，几乎没有缩孔和疏松等缺陷发生，综合性能明显优于普通离心铸造高速钢轧辊。它不仅克服了离心铸造轧辊的偏析缺陷，轧辊心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。目前国外CPC法已实现了工业化，日本新日铁公司设计的一套CPC装置，其能力如下：轧辊辊身直径：250~850mm；辊身长度：≤3000mm；外层厚度：≤100mm；轧辊长度：≤5700mm；轧辊重量：≤15000Kg。
　　我国科学家也发明了一种复合高速钢轧辊的连续铸造装置，由操作平台、钢液浇铸系统、坩埚、分离环、水冷结晶器、振动器、定位导向装置、感应加热装置、拉坯系统组成。其主要技术特征体现在水冷结晶器和坩埚处于操作平台之上，两个振动器处于操作平台之下，水冷结晶器通过分离环与坩埚相连，钢液浇铸系统配置在坩埚上方的一侧，辊芯感应加热装置和定位导向装置位于坩埚的上方，拉坯系统位于操作平台之下，引锭板正对结晶器的下端。目前已应用该技术生产了W、V含量高、偏析轻、耐磨性好的复合高速钢轧辊，可以降低轧制中换辊频率，大幅度提高轧机的作业率，降低生产成本，提高经济效益。
　　3）电渣重熔法（ESR）。电渣重熔是一种广泛应用于优质钢生产的重熔工艺，最初该工艺主要用于脱氧、脱硫，再加上控制凝固的作用，使非金属夹杂物的分布特性大为改善。其主要优势如下：a) 细化晶粒；b) 减少钢中非金属杂质及夹杂；c) 改善钢的热加工性能；d) 减少组织的宏观偏析和微观偏析，改善工具钢和模具钢中碳化物分布。近年来，在普通电渣重熔法基础上发展起来的旋转电渣熔铸法已用于制造高速钢复合轧辊。旋转电渣熔铸法的基本原理是在作为芯部材料的圆柱状高强度合金钢周围放置同心水冷铸模，并在锻钢和铸模之间放置由高速钢或半高速钢制成的自耗电极，自耗电极电渣重熔的同时，锻钢轴与结晶器同步旋转，二者之间的空隙不断被重熔的高速钢或半高速钢钢液充满，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，最终形成外层为高速钢，辊芯和辊颈为锻钢的复合轧辊。由于外层材料经电渣精炼，洁净度高，可满足冷轧的要求，用作冷轧工作辊。日本日立公司用ESR法生产了尺寸为φ425 mm × 1880 mm的冷轧半高速钢轧辊。ESR法存在的最大问题是成本较高，且难以制造较大的轧辊，另外，电渣渣料中含较多的CaF，会逸出HF、SiF4、SF6等有害气体，危害工人健康，造成环境污染。ESR法生产的半高速钢辊坯经轻锻后，在1060℃淬火和500℃回火后加工成轧辊，表面硬度为97 HS，有良好的耐磨性和抗事故能力。
　　我国科学家也发明了电渣熔铸制造复合轧辊方法。以预先制造好的辊芯为电渣熔铸的内结晶器，以需复合的轧辊外套层材料为电渣熔铸的自耗电极。该装置外结晶器的内径和连体双U形坩埚金属液出口的直径等于需复合的复合轧辊的外径；自耗电极的熔化速率控制在100-1000 kg/h。自耗电极可为一根或两根以上。该方法可使复合轧辊获得较窄的过渡层和良好的复合性能。
　　4）液态金属电渣熔接法（ESSLM）。1996年，乌克兰ELMET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CPC法的基础上加上电渣净化的一种新的轧辊制造方法。用ESSLM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水凝固，同时也作为电渣过程中非自耗电极。复合过程开始时，先将作为高速钢轧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轧辊外层厚度。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。钢水将熔渣上浮，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），同时上部钢水不断注入，直至达到预定的轧辊长度为止。目前国外ESSLM法已实现了工业化，采用ESSLM工艺生产的高速钢复合轧辊外层致密，无缩孔、裂纹、疏松等缺陷，外层金属与芯轴熔合良好，主要合金元素、硬度及显微组织在高度方向及横断面上的分布均匀。
　　2.2喷射成形（Osprey）高速钢轧辊
　　Osprey技术是在粉末冶金惰性气体雾化制粉的基础上发展起来的一种近终成形技术，它是充分利用已精炼的液态金属，用高压惰性气体将合金液流雾化成细小的熔滴，熔滴在高速气流的作用下飞行并被雾化气体冷却，在这些熔滴未完全凝固前将其沉积到具有一定形状的接收器上，通过控制接收器的运动便可获得具有一定外形的沉积坯件。利用Osprey技术制造的材料，具有如下技术特征：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 含氧量低；⑤ 热加工性能得到改善。正由于Osprey技术具有上述特点，用它制造高速钢轧辊已引起了人们的重视。国内学者研究了喷射成形高速钢轧辊的组织和性能，高速钢轧辊材料的主要成分（wt.%）为：0.9-1.1C, 0.35-0.45Si, 0.70-0.80Mn, 7.90-8.20Cr, 1.45-1.55Mo, 1.5-1.7V, 0.45-0.55W。喷射成形态高速钢轧辊的光学显微组织中没有观察到明显的碳化物，但组织中有一定量的残余奥氏体。在扫描电子显微镜下观察到晶界上明显存在不连续分布的碳化物粒子。另外，喷射成形态试样的晶粒明显细化。
　　英国国家轧辊制造公司用Osprey技术生产的高速钢轧辊，辊身尺寸达φ400 mm×1000 mm，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，目前正考虑开发制造φ800 mm×2000 mm的高速钢复合轧辊设备。美国的BABCOCK公司和WILCOX公司与国家轧辊公司也正在计划同样的项目，研究用Osprey技术制造高速钢复合轧辊。日本住友重工株式会社从1989年开始利用一台带有接收器水平往复运动装置的喷射成形设备生产最大直径800 mm、重达1t高速钢轧辊辊套及高速钢/碳钢复合轧辊，用于各种型材轧制。采用这种工艺生产的轧辊在实际使用中，寿命可比一般的粉末冶金高速钢轧辊提高1.6-3.0倍，比传统铸造高速钢轧辊提高3.6倍以上，具有巨大的市场前景。
　　2.3热等静压（HIP）高速钢轧辊
　　应用粉末冶金技术中喷雾制粒与热等静压的配合工艺，生产的高速钢较之传统方法生产的钢材具有许多优点，如优良的机加工性能、韧性、硬度和热处理后的形状稳定性。应用HIP工艺生产的高速钢轧辊，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HIP高速钢轧辊的综合性能明显优于铸造轧辊。此外，为了进一步提高耐磨性，HIP高速钢轧辊可采用更高的含碳量和合金含量，仍保持良好的碳化物形貌。用HIP工艺生产高速钢轧辊时，一般是用铸、锻钢材料制成辊芯，在辊芯外填充好辊身外层所用的高速钢粉末，抽真空后在1000℃以上高温和100 MPa以上压力下烧结成轧辊。由于HIP工艺设备需要耐高压，受设备限制，HIP工艺还只能生产小直径的高速钢轧辊。
编辑：宋玉琤     来源：钢铁产业