高速钢轧辊的铸造技术新

高速钢轧辊的铸造技术摘要铸造高速钢轧辊最早是在19世纪80年代末90年代初期开始使用，因其极低的磨损率和出色的轧钢表面质量深受轧钢厂家的青睐。近年来，我国好多轧辊厂家也都相继开发并生产出了高速钢轧辊，并在热轧带钢、线棒材轧机上得以应用，并取得了较好的效果，但在其制造和轧钢过程中产生的一些问题阻碍了高速钢轧辊的普及。问题主要有制造过程中的轧辊内部高应力导致轧辊断裂，结合层缺陷导致的轧辊工作层剥落、在轧制过程中易产生辊面热裂纹及轧制冲击力造成的辊面破裂，轧制摩擦力增加等。本篇文章将主要描述高速钢轧辊的冶金特性及其在制造和轧钢过程中产生的一些问题及解决办法。关键词高速钢轧辊；磨损率；断裂；摩擦系数THECASTINGTECNOLOGYOFHIGHSPEEDSTEELROLLSDONGJUN，ZHANGXIUQINTANGSHANZHONGDAMECHANICALROLLLTDABSTRACTHIGHSPEEDSTEELHSSROLLSWEREFIRSTUSEDINTHELATE1980SANDEARLY1990STHECOMBINATIONOFEXTREMELYLOWWEARRATESANDEXCELLENTSURFACESWEREVERYDESIRABLEFORROLLINGMILLSINRECENTYEARS,MANYROLLMAKERSINCHINAHAVEALSOPRODUCEDSOMEHIGHSPEEDSTEELROLLSANDUSEDWELLINHOTSTRIPMILLANDHOTBARMILLTHEREWERE,HOWEVER,PROBLEMSASSOCIATEDWITHTHEUSEOFTHESEROLLSTHATSLOWEDTHERATEOFGENERALACCEPTANCETHESEWEREHIGHMANUFACTURINGSTRESSESLEADINGTOCATASTROPHICFAILURES,SPALLINGFROMBONDDEFECTSANDMILLPROBLEMSCONNECTEDTOHIGHERROLLINGFRICTIONANDHOTCRACKSANDSPALLINGGENERATEDINTHEROLLINGPROCESSTHISCHAPTERWILLDESCRIBETHEMETALLURGYOFHSSROLLSANDHOWITINFLUENCESMANUFACTURINGANDMILLPROBLEMSKEYWORDSHIGHSPEEDSTEELHSSROLLSWEARRATESFRACTUREFRICTIONCOEFFICIENT高速钢轧辊的定义高速钢轧辊与工具钢轧辊在使用上非常相似。高速钢一般定义为高速切削时具有保持硬度能力的工具钢。作为轧辊工作层材质在热轧时具有高的红硬性、高的耐磨性，高速钢轧辊中的碳元素以及其它形成碳化物合金元素的含量一般都大于15，而在工具钢轧辊中则小于15。一个更加科学的定义为高速钢轧辊是在热处理回火过程中能表现出显著二次硬化的工具钢。化学成分及机械性能高速钢轧辊与其它类型轧辊的化学成分见表一。表一类型CSIMNNICRMOWVNBCO高速钢1422051501100312408020600504075040050高铬铸铁24290310081510201622020高镍铬钼无限冷硬铸铁313505100510405010200206高速钢轧辊与其它类型轧辊的主要性能比较，见表二。表二轧辊材质硬度（HSC）抗拉强度（MP）抗压强度（MP）断裂韧性（MPM2）耐磨性比较弹性模量/103MP高速钢809070090025003200252845230高铬铸铁709065080017002200213412220高镍铬钼75854006001900250018251170碳化物形态高速钢轧辊中的碳化物强烈影响轧辊性能。其碳化物主要有两种类型一是一次结晶碳化物，二是热处理回火过程中产生的二次碳化物。一次结晶碳化物的尺寸和分布主要取决于钢水的凝固环境和碳化物形态。一次碳化物的类型主要取决于钢的化学组成，V、TI、NB在足够浓度下通常形成MC型碳化物，MO、W形成M2C和M6C型碳化物，较高的C和V能促进M2C型碳化物的形成，而N、SI能促进M6C型碳化物的形成，CR和FE能形成M23C6和M7C3型碳化物，后者多发现在高碳成分的合金中。碳含量对碳化物种类和数量的影响见图11。图1热处理正火、回火过程中产生的二次碳化物比一次碳化物更加细小，其对轧辊的耐磨性能和摩擦力方面有显著的影响。高速钢轧辊的金相组织为回火马氏体少量贝氏体大量MC,M2C,M6C,M7C3碳化物，其典型的金相组织见下图图2各类型碳化物的硬度比较见表三2表三碳化物类型碳化物组成硬度（HV）M3CFECR,MO11001350M7C3CRFE,MO14001800TIC30003400MCVC28003000NBC22002500TAC18002000M2CMOW,V,CR,FE16002200M6CWMO,FE,CR12001800热处理热处理过程包括奥氏体化、正火、和至少两次回火过程，有时为减少铸造毛坯的铸造应力，毛坯在正火之前进行高温退火，通常条件下，高速钢奥氏体化温度应比凝固温度低2040，对于含碳量较高的高速钢，奥氏体化温度为11201190。然而，实际上高速钢轧辊的实际奥氏体化温度为9801190，这是因为高速钢轧辊的芯部材料通常为球墨铸铁或钢，其熔点较低，且过高的奥氏体化温度会使轧辊辊颈变形。在奥氏体化过程中，一些碳化物溶于基体中，其数量取决于奥氏体化温度。结果，基体中富集了大量的合金元素和碳，在回火过程中二次碳化物的析出和残留奥氏体的转变使高速钢的硬度进一步提高。因为轧辊尺寸的因素，正火速度不可能非常快，因此，在正火过程中就有碳化物析出，这就相当于降低了奥氏体化温度，从而降低了基体硬度。正火的方式要根据轧辊的所需的组织和硬度要求而定，通常采取空冷或喷雾冷却两种方式。实验表明，回火温度低于350高速钢硬度变化不明显，超过475,随回火温度升高，硬度升高，并在525达到最高值，继续提高回火温度，硬度降低。二次回火后硬度变化不大，三次回火后，硬度反而降低3。摩擦系数有报道指出，当高速钢轧辊替代高铬铸铁轧辊使用时，轧制负荷会增加330，对轧制负荷的影响因厂家各异，一些厂家报道说没有增加任何轧制负荷。在通常情况下，轧制负荷的增加是由于高速钢轧辊的摩擦系数高于高铬铸铁造成的。对于高速钢轧辊的摩擦系数增加的解释有好多种，一种解释为是由于基体的先期磨损和硬质碳化物的分离造成的。已经证实提高高速钢轧辊基体组织的热硬性能可降低摩擦系数，可通过加入钴元素和通过热处理回火过程二次硬化提高基体硬度4，也可通过增加结晶过程中M2C和M7C3碳化物含量来提高轧辊表面的光洁度，从而减小轧辊表面的摩擦系数。因轧钢过程环境十分复杂（高温、高变形量、磨损和氧化），有好多不确定因素影响轧辊的使用效果，因此对于轧制负荷的增加很难找到十分确定的原因。氧化特性用于轧机前架的高速钢轧辊表面的氧化层是轧辊本身氧化造成的。高速钢的化学成分范围较广，其中各化学元素都有着非常不同的氧化特性。V和MO的联合使用会显著增加高速钢的氧化倾向，有的情况下后果甚至是非常严重的。不同化学成分的高速钢的氧化特性可通过其在氧化环境下不同温度下保温恒定的时间，通过测量其重量的增加来评定。高速钢轧辊是唯一可以通过化学成分调整从而改变其氧化特性来适应不同轧机架次的轧辊材质。如热轧带钢轧制过程至少存在三种不同的氧化区域粗轧架次、F1F3精轧前架、F4F6精轧后架，实际生产中要根据轧辊的具体使用架次来选择不同氧化特性的轧辊。高速钢轧辊与高铬铸铁相比，剥落的轧辊氧化层表面从外观上很相似，但是，高速钢轧辊的氧化层厚度比高铬铸铁轧辊要薄的多，好多轧钢厂家证实高速钢轧辊氧化层表面的光洁度要明显好于高铬铸铁轧辊，高速钢轧辊表面光洁度和耐磨性能的提高改善了轧钢表面质量。复合高速钢轧辊的结合层质量问题由于外层高速钢材质与芯部的球墨铸铁或灰铸铁材质的结晶凝固过程存在较大差异，易在结合层部位产生裂纹、夹渣等缺陷，高速钢轧辊生产初期，因结合层质量问题使得离心复合高速钢轧辊的制造非常困难。随着轧辊制造厂家的不断探索和实践，解决结合层凝固问题的新方法不断产生，包括浇入第三层材质作为缓冲层，加强外层钢水的保护、加强停转和填芯温度的控制等使得结合层质量得到了很大提高。图3为结合层良好和有缺陷结合层的图例。结合良好结合存在缺陷图3制造方法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（简称CPC法）。其中离心铸造法因其工艺装备简单,国内轧辊厂家多采用此种方法。此方法的最大弊端就是在离心力作用下碳化物偏析严重，造成轧辊组织的不均匀，生产中可通过调整合金成分及电磁搅拌的方法来加以解决。CPC法生产的高速钢复合轧辊在日本应用比较广泛，其基本原理是把作为轧辊外层材质的钢水浇注到垂直竖立的芯棒铸钢或锻钢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法生产的高速钢复合轧辊辊身组织细小均匀，夹杂物少，几乎没有缩孔、疏松和元素偏析等缺陷发生，综合性能明显优于普通离心铸造高速钢复合轧辊。在我国CPC法生产高速钢复合轧辊正处于研究开发阶段，还未得到实际应用。轧钢问题及解决办法高速钢轧辊使用中的问题大致归纳为以下几个方面1、辊表面问题高速钢轧辊与其它材质轧辊比较，对轧制环境非常敏感，其表面易产生氧化、裂纹、掉块等问题，要针对不同的轧机架次和轧制环境选择不同化学成分和金相组织的轧辊。高速钢轧辊冷却条件需比高铬铸铁轧辊冷却条件强600M/B，冷却水量应尽可能充分，宜采用扁平嘴取代原锥形喷嘴，并且将3/4冷却水用于轧辊出钢口侧的冷却，将轧辊表面温度控制在50以下。而宝钢热轧厂认为，辊身中部的冷却水量应成倍于辊身边部的冷却水量，否则不仅易造成轧辊裂纹，而且还表现为在过钢量不太多时出现带钢“三点差”过大或“飘带”现象5。一些轧钢厂家需要增加4060的冷却水，所以，轧钢厂家在引用高速钢轧辊前应考虑冷却水量的问题。2、摩擦系数增加高速钢轧辊与轧材之间的摩擦系数大，轧制负荷增加，易出现打滑现象，可通过适当控制各机架压下量，可采取油润滑、带钢表面冷却、降低坯料温度的方式来减小摩擦系数，降低坯料温度可能使带钢边部温度较低，可通过感应加热器来控制带钢边部的冷却。3、因轧钢事故造成的损坏由于高速钢材料冲击韧性较低，脆性大，抗事故性能差，因此要加强管理，确保轧机正常运转，减少轧制事故对轧辊造成的损坏。总结随着我国轧钢工业的不断发展，轧钢厂家对轧辊性能的要求不断提高，这必将给高速钢轧辊的应用提供巨大动力。只要轧辊制造厂家科学设计高速钢轧辊成分，选择合适的制造方法及工艺参数，着重解决高速钢轧辊的偏析和裂纹难题，在此基础上，完善热处理工艺参数，确保轧辊的组织和性能均匀化，进一步提高高速钢轧辊性能，高速钢轧辊必将得到更广泛的应用。参考文献1HBRANDIS,EHABERLING,HHWELGAND,METALLURGICALASPECTSOFCARBIDESINHIGHSPEEDSTEELS,THYSSENEDELSTAHL,TECHNISCHEBERICHTESPECIALISSUE,DECEMBER19832FMARTINY,MSINNAEVE,“IMPROVEDROUGHINGW