热轧滚(轧辊材料及热处理工艺)

Posted 2023-06-02

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热轧滚(轧辊材料及热处理工艺)

轧辊材料及热处理工艺

轧辊的寿命主要取决于轧辊的内在性能和工作受力，内在性能包括强度和硬度等方面。要使轧辊具有足够的强度，主要从轧辊材料方面来考虑；硬度通常是指轧辊工作表面的硬度，它决定轧辊的耐磨性，在一定程度上也决定轧辊的使用寿命，通过合理的材料选用和热处理方式可以满足轧辊的硬度要求。

概述了传统的轧辊选材及其热处理工艺，同时，对轧辊材料及其热处理工艺的发展进行了展望。传统冷轧辊材料及其热处理方式冷轧辊在工作过程中要承受很大的轧制压力，加上轧件的焊缝、夹杂、边裂等问题，容易导致瞬间高温，使工作辊受到强烈热冲击造成裂纹、粘辊甚至剥落而报废。因此，冷轧辊要有抵抗因弯曲、扭转、剪切应力引起的开裂和剥落的能力，同时也要有高的耐磨性、接触疲劳强度、断裂韧性和热冲击强度等。

国内外冷轧工作辊一般使用的材质有GCr19、9Cr2、9Cr、9CrV、9cr2W、9Cr2Mo、60CrMoV、80CrNi3W、8CrMoV、86CrMoV7、Mo3A等。

20世纪50～60年代，这一时期的轧件多为碳素结构钢，强度和硬度不高，所以轧辊一般采用1.5%～2%Cr锻钢。此类钢的最终热处理通常采用淬火加低温回火，常见的淬火方式有感应表面淬火和整体加热淬火。其主要任务是考虑如何提高轧辊的耐磨性能、抗剥落性能，并提高淬硬层深度，尽量保证轧辊表面组织均匀，改善轧辊表层金属组织的稳定性。

从20世纪70年代开始，随着轧件合金化程度的提高，高强度低合金结构钢(HSLA)的广泛应用，轧件的强度和硬度也随之增加，对轧辊材料的强度和硬度也提出了更高的要求，国际上普遍开始采用铬含量约2%的Cr-Mo型或Cr-Mo-V型钢工作辊，如我国一直使用的9cr2Mo、9Cr2MoV和86CrMov7、俄罗斯的9X2MΦ、西德的86Cr2MoV7、日本的MC2等。这类材质的合金化程度较低，在经过最终热处理后，其淬硬层深度一般为12～15mm(半径)，仅能满足一般要求，而且使用中剥落和裂纹倾向严重，轧制寿命低。通过改进热处理方式，即进行重淬1～2次，提高了该类轧辊的淬硬层，但每次重淬不仅需要一定的热处理费用，而且会使轧辊直径都要损失5mm左右，同时轧辊在经过多次热处理后容易变形，难以满足高精度轧辊的形位公差要求。因此，研制深淬硬层冷轧辊不仅可以大幅度地降低冷轧辊的消耗，减少轧辊在使用过程中的重新淬火次数，延长轧辊寿命，具有重大的经济效益。

为了减少重淬消耗，提高轧辊的淬硬层深度、接触疲劳强度、韧性，延长其使用寿命，从20世纪70年代后期到80年代中期，国内外开始研究使用铬含量在3%～5%的深淬硬层冷轧工作辊钢。3%铬冷轧辊不需重淬，且有效淬硬层深度可达到25～30mm，5%Cr冷轧辊有效淬硬层深度则达到40mm，其耐磨性和抗事故性能也有显著提高。在这一阶段，国内试制了9Cr3MoV钢，国外一些制造厂也先后开发推广了深淬硬层冷轧辊，如美国的3.25%Cr钢和5%Cr钢，日本的ＫａｎｔｏｃＲＰ53、ＦＨ13、ＭｎＭＣ3和ＭＣ5等。这些钢都采用高碳高合金材料，具有良好的硬度和耐磨性，但轧辊淬硬表面脆性大，接触疲劳寿命低，质量不稳定。

为提高淬硬层深及接触疲劳寿命，降低淬硬层脆性及过热敏感性，同时也为满足轧件对冷轧工作辊力学性能和使用性能的进一步要求，自20世纪80年代中、后期，国外轧辊生产厂对5%Ｃｒ冷轧辊钢进行了化学成分的优化工作，主要是在5%Ｃｒ钢中增加钼、钒的含量或加入钛、镍等元素。添加0.1%左右钛的5%Ｃｒ钢轧辊中，钛以碳氮化合物(ＴｉＣＮ)形式在基体中微细析出，经过摩擦损耗后ＴｉＣＮ脱落，在轧辊表面形成划痕，使适度的粗度再生。在镀锡板轧机的实际操作中，有效利用粗糙度降低小的优点，从轧制初期就可高速轧制。

在最终热处理过程中，对轧辊钢的淬火和加热限制在奥氏体中含碳量不超过0.6%的程度，然后进行尽可能强烈的冷却，这样就可以得到较深的淬硬层。此时，轧辊的淬硬层组织除隐针马氏体(以板条为主)外，尚有约4%的碳化物和10%左右的残留奥氏体。轧辊的表面硬度(包括残余压应力的影响)约为ＨＳ(Ｄ)95～99。

最后，用低温回火将轧辊表面硬度调整到规定值，低温回火越充分，硬度偏低时韧性越好，抗热裂能力越高。钼、钒含量的增加导致淬火后钢中含有较多的残余奥氏体，回火后大部分又转变为新马氏体，这样就有助于提高轧辊硬度，增强耐磨性并降低磨损面粗糙度。传统热轧辊材料的选用及热处理工艺热轧辊常工作在700℃～800℃的高温环境，与灼热的钢坯相接触，需要承受强大的轧制力，同时表面要承受轧材的强力磨损，反复被热轧材加热及冷却水冷却，经受温度变化幅度较大的热疲劳作用。这就要求热轧辊材料必须具有高的淬透性、低的热膨胀系数、高的热传导能力和高的高温屈服强度及高的抗氧化性。国内曾经使用过锻钢轧辊和无限冷硬铸铁轧辊，除普通冷硬铸铁外，还有低镍铬钼、中镍铬钼、高镍铬钼铸铁材料，高档次的冷硬铸铁材料为高镍铬钼冷硬铸铁。这类材质轧辊的缺点是硬度低，耐磨性不好。后来采用了球墨复合铸铁轧辊，相对而言，使用寿命提高了几倍，至今仍然在使用。国外则一般采用半钢和高硬度特殊半钢材质，对克服表面粗糙和抗磨损都很有效。为了提高热轧辊的表面耐磨性，热轧辊的材料不断地得到改进，其基本的发展过程是从冷硬铸铁到高铬铸铁到半高速钢和高速钢。

高铬铸铁轧辊的化学成分为：2.0%～4.0%Ｃ，10%～30%Ｃｒ，0.15%～1.6%Ｎｉ，0.3%～2.9%Ｍｏ。其本质是一种高耐磨性的高合金白口铁，铬含量一般在10%～15%，其碳化物主要是Ｍ7Ｃ3型，与白口铸铁的连续的Ｍ8Ｃ型碳化物不同，它不但具有良好的耐磨性，还有较高的硬度(ＨＶ可达1800)，基体为奥氏体、马氏体，因而其硬度和韧性结合较好。实际的轧制生产表明，高铬铸铁轧辊有较好的抗热裂性能，原因是轧辊表面生成一层致密且有韧性的铬的氧化膜，能减少热裂纹的数量和深度。

因此，高铬铸铁辊在20世纪80年代被非常广泛用于精轧前架。目前，高铬铸铁复合轧辊已广泛用作热轧带 (钢)连轧机，粗轧和精轧前段工作辊、宽中厚板；粗轧和精轧工作辊及小型型钢和棒材轧机精轧辊等。高铬铸铁轧辊的热处理有两种形式，一是低于临界转变温度的亚临界热处理，另一种是高于临界点Ａ3的高温热处理。高铬轧辊表面材料的珠光体基体，希望具有极细的片间距，并在基体上有大量弥散分布的二次碳化物，要求有尽量低的残余奥氏体和残余应力，所以一般选用后一种形式的热处理，具体为正火加回火。高速钢作为热轧辊材料的应用在1988年始于日本，20世纪90年代初期美国和欧洲也进行了研制，我国在20世纪90年代后期开始研制和使用高速钢轧辊。一般高速钢的成分为1%～2%Ｃ，0%～5%Ｃｏ，0%～5%Ｎｂ，3%～10%Ｃｒ，2%～7%Ｍｏ，2%～7%Ｖ，1%～5%Ｗ。

因为拥有大量可形成强碳化物的合金元素如Ｗ和Ｖ，其最终的显微组织含有大约10%～15%具有极高硬度和高温稳定性的碳化物，所以在高温下工作能保持较高的强度和硬度。其工作层硬度高，可达到80～85ＨＳ，具有较好的耐磨性和抗热裂性，轧辊表面没有出现热裂纹，一般没有剥落现象。近年来国外在热轧薄板粗轧机架采用半高速钢轧辊也获成功，其耐磨性是高铬钢轧辊的2倍，且咬入性能和抗热疲劳性能好，因而成为热轧薄板粗轧机架和线棒材中轧机架轧辊的理想选择，半高速钢的化学成分范围为：1.5%～2.5%Ｃ，0.5%～1.5%Ｓｉ，0.4%～1.0%Ｍｎ，1.0%～6.0%Ｃｒ，0.1%～4.0%Ｍｏ，0.1%～3.0%Ｖ，0.1%～4.0%Ｗ。高速钢热轧辊的热处理方式一般采用淬火加回火，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，增加了奥氏体中碳和合金元素的含量。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。因此为了增加基体的硬度，应提高淬火温度，同时，为了防止基体中出现块状粗大的碳化物，应尽量降低淬火温度，一般确定最佳淬火温度为1050℃～1150℃，同时回火温度为550℃～600℃。为了保证基体中含有大量弥散分布的球状ＭＣ型碳化物，应增加Ｖ含量，但Ｖ不宜过高，因为Ｖ会降低淬透性，凝固时生成粗大的一次碳化物，淬火时不能完全溶入奥氏体，从而降低了断裂韧性，同时还会降低轧辊的表面粗糙度。

冷轧辊的发展方向将是在进一步提高强度硬度和淬硬层深度的同时，保证一定的韧性。大型冷轧工作辊将普遍采用含钒、铣、镍等元素的改进型5%Ｃｒ钢制造。为提高材料的淬透性，Ｃｒ的含量将进一步增加，如8%～10%Ｃｒ及更高铬的锻钢已开始用于实际生产，但含Ｃｒ量的增加会导致较差的韧性，因此需要适当平衡Ｃ和Ｃｒ含量，在较低的温度下淬火获得所需要的冷轧辊硬度，从而减少轧辊的断裂和降低其断裂敏感性。另外，随着锻件制造技术的进一步完善，高铬钢工作辊将更多地应用于大型冷连轧机。5%Ｃｒ及其含钒的改进型钢广泛用于大型支承辊锻件，高铬含量的大型锻钢支承辊进入实用阶段。大型冷轧工作辊要求采用电渣重熔锭锻制，而大型支承辊锻件用钢则被广泛采用钢包精炼并真空除气的冶铸工艺生产，钢水的纯净度均达到较高水平。

热轧辊工作在交变的高温和力的作用下，其表面反复受到摩擦，会产生强烈的磨损，因此热轧辊的发展主要在于进一步提高其耐磨性。在实际的轧制生产中，表面淬火和渗碳强化处理的热轧辊己不能满足对其高耐磨性的要求，但整体的高速钢或硬质合金轧辊成本极高，对于轧辊芯部材料将造成浪费。因此，轧辊的生产迫切需要进行表面处理，将硬质合金或陶瓷材料熔覆在轧辊的表面作为轧辊的工作表层。表面镀铬、火焰喷涂、等离子喷涂以及激光毛化都是工具表面合金强化技术，将进一步用于提高的轧辊的性能。

总之，合理选材及采用合适的热处理方式高质量地制造轧辊，可以节约大量的辊材，降低轧钢生产成本，同时提高轧辊的质量和产量。因此，应重视轧辊选材的新动向，从轧钢的实际条件出发.开发轧辊的新材质，提高轧辊的制造质量。

轧辊按工作状态可分为热轧辊和冷轧辊，按所起的作用可分为工作辊、中间辊、支承辊，按材质可分为锻辊和铸辊（冷硬铸铁）。通常轧辊的服役条件极其苛刻，工作过程中承受高的交变应力、弯曲应力、接触应力、剪切应力和摩擦力。容易产生磨损和剥落等多种失效形式。

对热轧辊来说，辊面不允许出现裂纹，表面裂纹缺陷容易造成应力集中，加速扩展而使轧辊失效。热疲劳裂纹主要起因于周期性交变热应力，严重情况下，裂纹扩展可能造成辊面剥落，甚至断辊。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，其优劣表现在辊身工作层的耐磨性，即耐粗糙性。

热轧工作辊进行的热处理一般有锻后热处理和调质。锻后热处理的主要目的是消除锻后应力，细化晶粒，改善切削性能。锻后热处理还有扩氢作用。扩氢时间视钢锭氢含量而定，一般认为[H]≤2×10-4%时，可取消扩氢处理。调质热轧工作辊的最终热处理是调质。调质的目的是保证轧辊表面获得规定的硬度和力学性能，并保证心部具有足够的韧性。

冷轧工作辊的热处理一般有锻后热处理，调质和表面淬火。

锻后热处理

锻后热处理的目的是降低硬度，消除残余应力，同时还改善组织，得到细粒珠光体，消除网状碳化物。锻后热处理还有扩氢作用。扩氢时间视钢锭氢含量而定，一般认为[H]≤2×10-4%时，可取消扩氢处理。

调质

调质的目的是为表面淬火提供组织准备，使辊颈和辊心得到强韧性配合良好的粒状珠光体组织，获得良好的综合力学性能，以承受激烈的表面淬火。

表面淬火

表面淬火使工作辊获得高硬化层。表面淬火方法按加热方法可分整体快速加热淬火法和连续感应加热淬火法，目前后者在生产实践中应用更广。

在连续式感应加热淬火工艺方法中双频感应淬火很有特色，它使用两种不同频率的感应器匹配进行感应加热，在辊面温度控制和加热层温度分布方面的具有明显的优势。典型的双频淬火装备以电流透入深度较大的工频感应器作为主感应器，实现深层加热，均热一段时间后，再使用一个中频感应器来得到较深的经过等温的奥氏体化层,淬后获得所需的淬硬层深度。中频电源以250Hz为佳，也有使用500、1000、1200和2500Hz。

中频感应器的功率一般为工频感应器的1/2~1/4。中频感应器和工频感应器之间的间距为90~120mm。感应器上升速度为0.5~0.6mm/s。

轧辊要在加热炉内整体预热，心部要预热透。提高预热温度，有利于提高加热深度和缩短奥氏体化时间。根据轧辊淬硬层深的要求，可预热至220℃~500℃，整体预热后装卡到淬火机床上进行感应淬火。

感应淬火过程时将整体预热的轧辊预热到指定温度后，将轧辊装卡到活动框架上，辊身下端面与工频感应器下平面保持在一个水平面上，两个感应器从送电到全部进入辊身正常淬火，其功率逐渐增加，直到淬火全功率。同样，当感应器离开辊身上端面时，功率也有大到小逐渐减小，直至全部离开辊身。

感应加热完成后，为减小淬火应力，应进行适当预冷后再喷淬。由于奥氏体在高温阶段比较稳定，喷水器与下感应器之间有40mm的空隙，辊面温度下降到850℃左右，不会影响淬火硬度。

辊身下降进入喷水器位置后，低压大水量连续喷射冷却7~10min，使淬硬层深度范围内的冷却速度超过贝氏体临界冷却速度直至冷却到Ms以下，再浸水冷却。浸水冷却时间按辊身直径每100mm冷却15min计算，终冷温度≤50℃。

冷轧工作辊淬火后应及时回火。回火温度根据要求的辊身表面硬度而定。一般来说，硬度大于90HS的轧辊的回火温度为140℃~150℃，硬度为70~85HS的轧辊的回火温度为310℃~330℃。辊身硬度大于95HS的轧辊，在精车和粗磨后应进行第二次回火，回火温度比第一次低10℃。

目前铸铁轧辊的生产中，普遍采用消除内应力退火、石墨化退火、正火和回火等工艺消除内应力退火，铸铁轧辊在浇注后的冷却过程中，各部位通过塑性到弹性变形温度的时间不同；在冷却过程中轧辊发生石墨化和各种相变时其体积变化，这两个因素使轧辊由表面至中心产生很大的应力。低温退火，可在短时间内有效的消除轧辊内应力。根据轧辊的材质、尺寸和铸造条件确定低温退火的加热速度、加热温度、保温时间和冷却速度等工艺参数。

石墨化退火

球墨铸铁轧辊的组织中往往存在着过多的自由渗碳体，具有形成白口的倾向性。为了获得较高的综合力学性能，可采取石墨化退火工艺。

石墨化退火分为高温石墨化退火和低温石墨化退火。为了消除球墨铸铁铸态组织中出现的大量的共晶渗碳体或自由渗碳体，需要采取高温石墨化退火的热处理工艺。当原始组织中的自由渗碳体少于8％，其组织为铁素体+珠光体+石墨或珠光体+石墨，欲获得铁素体基体的球墨铸铁，则采用低温石墨化退火的热处理工艺。对于冷硬或无限冷硬球墨铸铁轧辊，多采取高温石墨化退火工艺。

铸铁轧辊正火的目的是增加基体中的珠光体或索氏体组织的数目和弥散度，从而提高铸铁轧辊的强度、硬度、耐磨性，并保持一定的塑性与韧性。

正火按加热温度可分为高温奥氏体化正火和中温部分奥氏体化正火。高温奥氏体化正火加热温度在Ac3以上某个温度范围；部分奥氏体化正火加热温度在Ac1至Ac3范围内。

(1) 高温完全奥氏体化正火。球墨无限在冷硬轧辊和球墨半冷硬轧辊可采用高温完全奥氏体化正火。加热温度一般在900~960℃，经保温基体全部变为奥氏体，然后出炉空冷、风冷或喷雾冷却，从而获得珠光体或索氏体基体的铸铁轧辊。若辊径较大，正火冷速不足于抑制二次渗碳体的析出，往往需要增加一次正火，以增强正火效果。

(2 ) 中温部分奥氏体化正火。中温部分奥氏体化正火处理方法是将轧辊在正火温度（约800℃~880℃）保温一段时间，然后空冷，再回火。由于奥氏体化的温度较正火后的轧辊一般要进行回火处理。回火时的升温速度应≤20℃／小时，若升温速度过快，产生新的热应力与原有应力叠加易使轧辊断裂。