（材料学专业论文）轧辊用高速钢的制备、热处理及组织与性能研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代工业的发展，实际应用中对高性能轧材的需求量猛增，传统的高 铬铸铁轧辊使用性能已不能满足使用需求。开发新的轧辊用钢及提高其使用寿 命，保证轧制质量是轧辊研制者面临的重要课题。近年来，高速钢被用于制造 新一代复合轧辊。高速钢轧辊具有使用寿命高、红硬性和耐磨性好等优点，有 望逐步取代目前被广泛采用的高铬铸铁轧辊。 本文依据材料强化的理论，设计并制备了4 种不同成分的轧辊用高速钢。 并通过金相法，x 射线衍射，扫描电子显微镜，能谱仪以及硬度测试等手段对不 同成分及不同热处理工艺处理后的轧辊用高速钢的显微组织和性能进行了研 究，重点考察了钨当量、淬火工艺和回火工艺对轧辊用高速钢的组织和性能的 影响。 实验结果表明，轧辊用高速钢铸态组织包括马氏体基体，残余奥氏体和各 种类型碳化物，如粒状或小块状的m c 型碳化物，网状的m 7 c 3 型碳化物，鱼骨 状的m 。c 型碳化物以及其他复合型碳化物；其中m c 型碳化物主要含v ，i 蝴o ， m 6 c 型主要含w 和m o ，m 7 c 3 型碳化物主要含c r 元素；高速钢铸态硬度与其 钨当量有关，钨当量越高硬度越大；且铸态冲击韧性随成分变化不明显。高速 钢回火后晶粒和碳化物尺寸在研究范围内随钨当量的升高而变小；随淬火温度 的升高，高速钢淬火硬度先上升后下降，其淬火硬度存在峰值，且淬火硬度峰 值出现温度与钨当量有关，钨当量越高，峰值出现温度越高；随回火温度的升 高，高速钢的回火硬度先升后降，存在一个回火硬度峰值。且钨当量较高时， 在较低的回火温度下出现了回火硬度峰值。高速钢回火后冲击韧性随回火温度 的升高而升高。 高速钢合适的淬火温度在1 0 5 0 1 1 0 0 之间，回火温度在5 0 0 5 5 0 之间，热处理后组织中分散着大量细小的碳化物，铸态组织中网状碳化物基本 消除；回火后高速钢硬度可达h r c6 2 ，冲击韧性在6j c m 2 以上，可以满足制作 高速钢轧辊的要求。 关键词：高速钢；轧辊；热处理；钨当量 显微组织；力学性能 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , t h ed e m a n do fm i l lb a rw i t hh j i g h p e r f o r m a n c ei n c r e a s e sr a p i d l y , t h es e r v i c ep e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a lh i g h c h r o m i u m c a s ti r o nr o l lc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n to f s e r v i c e d e v e l o pan e wl 【i n do f s t e e lf o r r o l l si no r d e rt oe l e v a t et h er o l l i n gl i f ea n dq u a l i t yo f m i l lb a ri san e wq u e s t i o nf o rt h e p e r s o n sw h os t u d yo nr o l l s d u r i n gr e c e n ty e a r s ，h i g hs p e e ds t e e lw a su s e dt o m a n u f a c t u r et h en e wt y p ec o m p o s i t er o l l s i ti sp o s s i b l et h a tt h eh i g h - c h r o m i u mc a s t i r o nr o l l sw i d e l yu s e da tp r e s e n tw i l lb er e p l a c e db yh i g hs p e e ds t e e lr o l l sg r a d u a l l y , b e c a u s et h el a t t e rh a sl o n g e rs e r v i c el i f e ，b e t t e rr e d - h a r d n e s sa n dw e a rp r o p e r t y t h i st h e s i ss t a r t sf r o mt h et h e o r yo fm a t e r i a l ss t r e n g t h e n i n g , d e s i g na n dp r e p a r e f o u rk i n d so fh i g hs p e e ds t e e lw i t hd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n t h em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fh i g hs p e e ds t e e lw i t hd i f f e r e n tc o m p o s i t i o na n dh e a t - l x e a t m e n tp r o c e s s w e r es t u d i e sb yt h ew a yo fm e t a l l o g r a p h , x r d ，s e m ，e d sa n dh a r d n e s s m e a s u r e m e n te t a l t h ei n f l u e n c eo ft u n g s t e ne q u i v a l e n t ，q u e n c h i n gp r o c e s sa n d t e m p e r i n gp r o c e s so nm i c r o s t m c t u r e a n d p r o p e r t i e s o fl l i g h s p e e ds t e e lw a s i n v e s t i g a t e de m p h a t i c a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea s - e a s tm i c r o s t r u c t u r eo fh i g hs p e e ds t e e lc o n t a i n s m a r t e n s i t em a t r i x ，r e t a i n e da u s t e n i t ea n dd i f f e r e n tk i n d so fc a r b i d e s ，f o ri n s t a n c e , g r a n u l a rm cc a r b i d e s ，n e t w o r km 7 c 3c a r b i d e s ，f i s h b o n em 6 cc a r b i d e sa n do t h e r c o m p l e xc a r b i d e s a m o n gt h e r n , m cc a r b i d e sm a i n l yc o n t a i nva n dn b ，m 7 c 3 c a r b i d e sc o n t a i nc ra n dm 6 cc a r b i d e sm a i n l yc o n t a i nwa n dm o t h eh a r d n e s so f a s - e a s th i g hs p e e ds t e e li sp r o p o r t i o n a lt ot h et u n g s t e ne q u i v a l e n t ，w h i l et h ei m p a c t t o u g h n e s si sn o tc h a n g e do b v i o u s l yw i t hd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n t h es i z eo f g s a i na n d c a r b i d e ss h o w sad e c r e a s i n gt r e n dw i mh i g h e rt u n g s t e ne q u i v a l e n ti nr e s e a r c hr a n g e t h eq u e n c h i n gh a r d n e s so fh i g hs p c c ds t e e li n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s ew i t ht h e q u e n c h i n gt e m p e r a t u r er i s i n g t h et e m p e r a t u r ew h e nt h ep e a kq u e n c h i n gh a r d n e s s a p p e a r si sp r o p o r t i o n a lt ot h et u n g s t e ne q u i v a l e n t t h et e m p e r i n gh a r d n e s so fl l i g h s p e e ds t e e li n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s ew i t l lt h et e m p e r i n gt e m p e r a t u r er i s i n g b u tt h e t e m p e r a t u r ew h e nt h ep e a l 【t e m p e r i n gh a r d n e s sa p p e a r si si n v e r s ep r o p o r t i o nt ot h e n 武汉理1 = 大学硕士学位论文 t u n g s t e ne q u i v a l e n t t h ei m p a c tt o u g h n e s so fh i g l ls p e e ds t e e li n c r e a s e sw h e nt h e t e m p e r i n gt e m p e r a t u r er i s i n g 1 1 1 ep r o p e rq u e n c h i n gt e m p e r i n go fh i g hs p e e ds t e e li sb e t w e e n1 0 5 0 a n d i 1 0 0 c ，w h i l et h ep r o p e rt e m p e r i n gt e m p e r a t u r ei sb e t w e e n5 0 0 a n d5 5 0 t h e r e a r cl o t so ff i n eg r a n u l a rc a r b i d e sa n dt h en e t w o r ko fc a r b i d e si se l i m i n a t e do nt h e h e a t t r e a t e dm i c r o s t r u c t u r eo f h i g hs p e e ds t e e l t h eh a r d n e s sa n di m p a c tt o u g h n e s so f h i g l ls p e e ds t e e lc a nr e a c hh r c 6 2a n d6 j c m 2r e s p e c t i v e l y , a n dc a nm e e tt h ed e m a n d o f m a n u f a c t u r er o l l sp r i m e l y k e yw o r d s ：h i g hs p e e ds t e e l ；r o l l ；h e a t - t r e a t m e n tp r o c e s s ；t u n g s t e ne q u i v a l e n t ； m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：! 霞主士丝=日期：q 2f 至：【 关于论文使用授权说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 签名： 导师签名：社 日期12 ：! 二：! 武汉理1 = 大学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 研究的目的和意义 先进轧机和高效车l * j j 技术的问世，推动了轧钢工业迅速发展，同时也促使 轧辊制造业迈向新的技术领域。8 0 年代末期，日本和美国首先开发了高速钢复 合轧辊。高速钢复合轧辊是将外层的高速钢与芯部的球铁或锻钢等以冶金形式 结合在一起的高性能轧辊。复合轧辊外层用高速钢材料具有硬度高、耐磨性好、 红硬性高等优点。高速钢轧辊用在热带钢轧机上，其使用寿命及轧钢量为原来 的3 5 倍，同时可以减少换辊次数，增加了轧辊使用次数，减少了库存量，降 低辊耗和维护成本。还可提高轧件的精度，实现无规则轧制。高速钢轧辊也在 向线、棒材机上发展，具有广泛的使用领域和应用前景，高速钢轧辊的研制、 开发和生产应用是目前的研究热点。 目前，高速钢轧辊在国外的研究与应用基本已经成熟，但目前我国对高速 钢轧辊的生产及使用hj j h i j 起步，国内仅有唐山联强冶金轧辊有限公司可批量生 产直径小于6 0 0 m m 的高速钢复合轧辊，使用基本上靠进口。按我国目前使用的 轧辊综合计算，平均每吨钢材消耗轧辊2 3 k g ，而日本仅为1 1 1 5 k g 【i 】。因此， 加强对高速钢复合轧辊的研究及生产迫在眉睫。 要制造优良的轧辊，优良的材料是前提。本课题主要就轧辊用高速钢的成 分、热处理工艺、显微组织展开研究，力求探索其与性能间的关系，为实际生 产提供参考和依据，有一定的现实意义。 1 2 轧辊材质发展趋势 轧辊是轧钢生产的主要消耗备件之一，轧辊消耗约为轧钢生产成本的5 1 5 ，如果考虑因轧辊消耗而带来的生产停机，降产和设备维护增加等因素，则 其所占生产成本的比重会更高。轧辊质量不仅关系到轧钢生产成本和轧机生产 作业率，还在很大程度上影响轧材质量。随着轧钢技术的发展，轧机速度和自 动化程度不断提高，对轧辊质量特别是轧辊的耐磨性，强度及韧性等提出了更 武汉理1 ：大学硕七学位论文 高的要求【2 捌。目前生产中常用的高铬铸铁轧辊，无限冷硬铸铁轧辊，硬质合金 轧辊等都存在着各种各样的不足，限制了其大规模使用。例如：高铬铸铁轧辊 塑性韧性以及抗疲劳抗粗糙性差而硬质合金轧辊的生产成本过高等。因而开发 出新的轧辊材料以及新的轧辊制造工艺，对于改善轧辊质量，延长轧辊寿命， 提高轧机工作效率，降低轧钢成本等方面都具有重大意义。 为满足生产需求，人们对轧辊材质不断改进。轧辊材质总的发展趋势是广 泛使用合金元素且逐渐提高合金化程度。如热轧带钢精轧前段由2 0 世纪3 0 年 代的高镍铬无限冷硬铸铁轧辊发展到6 0 年代的半钢工作辊，7 0 年代开始使用高 铬铸铁轧辊和高铬铸钢轧辊，随着对轧制型材质量要求的提高和谋求高的生产 效率，对轧辊的使用寿命提出了更高的要求，人们将目光投向了新的轧辊材料， 日本和欧洲率先开发了高速工具钢轧辊，其特点是在离心铸造条件下，碳化物 是分离的，相当于铸造状态，基体上有二次析出相，与粉末冶金相似，硬度 7 5 8 5 h s ，使用完后轧辊表面有一淡灰色氧化层，其使用效果优于高铬铸铁轧辊， 寿命达到高铬铸铁的3 倍以上，8 0 年代末国外开始使用高速钢轧辊。冷轧带钢 工作辊材质由2 c r 钢发展到3 5 c r 钢，到9 0 年代开始使用半高速钢，近 年也开始使用高速钢【4 l 。棒线材和型材轧机轧辊材质也由普通冷硬铸铁，合金球 墨铸铁，高镍铬无限冷硬铸铁，高铬铸铁，锻造合金工具钢发展到硬质合金。 目前，高速线材轧机和棒材轧机上试用高速钢轧辊也获得了满意的效果。 1 3 高速钢复合轧辊组织与性能特点 1 3 1 高速钢轧辊性能特点 高速钢复合轧辊是利用具有高硬度，高耐磨性和淬透性的高速钢作为轧辊 的外层材料，而使用韧性较好的锻钢，铸钢，高强度灰铸铁等作为轧辊的芯部 材料，把工作层和芯部以冶金结合的方式复合起来的高性能轧辊。同传统的高 铬铸铁轧辊、高合金无限冷硬铸铁轧辊相比，其主要特点是： ( 1 ) 高硬度和红硬性。由于高速钢是由大量合金元素c r 、d o 、w 、v 等组 成的高合金钢，因此它具有很高的常温硬度和红硬性( 5 0 0 仍能保持在h r c 5 5 以上) ，各种轧辊材料的高温硬度见图1 - 1 2 武汉理1 = 大学硕十学位论文 图1 - 1 轧辊材料的高温硬度1 5 j f i g 1 - lh a r d n e s so f r o l lm a t e r i a l sa th i g ht e m p e r a t u r e ( 2 ) 碳化物硬度高。以往使用的轧辊，其基体上分布的多为m 3 c 或m 7 c 3 型 共晶碳化物，组织粗大，硬度低。高速钢轧辊一般采用高c 高v 型高速钢，基 体上分布着高硬度的m 6 c 和m c 型碳化物，而且随着v 含量增加，高速钢组织 中骨骼状的m 6 c 型碳化物向粒状的m c 转化。轧辊中常见的碳化物类型、形态 及硬度见表1 - 1 1 6 1 。 表1 1 不同材质轧辊中碳化物及其显微硬度 t a b l e l 一lc a r b i d e sa n dm i c r o - h a r d n e s so f r o l l sw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l s 轧辊材质碳化物种类形态显微硬度 高镍铬轧辊 f e 3 c 网状 8 4 0 1 1 0 0 c r 7 c 3 菊花状 1 2 0 0 1 6 0 0 高铬铸铁轧辊 m 2 3 c 6粒状 1 2 0 0 m c 粒状 3 0 0 0 高速钢轧辊m 2 c 棒状和羽毛状 2 0 0 0 m 6 c鱼骨状和细板条状 1 5 0 0 1 8 0 0 ( 3 ) 使用中易形成氧化膜。普通轧辊使用初期由于无氧化膜保护，磨损较大， 易粘辊，降低轧材质量。高速钢轧辊在使用过程中氧化膜能很快形成【7 】，可降低 武汉理工大学硕十学位论文 轧材与轧辊表面的摩擦，既提高了轧材质量又提高了轧辊寿命。 ( 4 ) 良好的力学性能。高速钢复合轧辊芯部材料选用球铁或锻钢，因而辊芯 具有较高的强度和韧性，没有断裂危险，且提高了轧辊的弯曲载荷，可使轧材 获得良好的板型，同时高速钢复合轧辊外层具有很高的残余应力，可防止轧辊 表面的裂纹向芯部扩展导致轧辊失效。 ( 5 ) 普通轧辊在回火温度升高时，硬度下降，而高速钢轧辊在5 5 0 回火仍 能保持9 0 h s 以上的高硬度。由于高速钢轧辊具有优异的抗回火软化能力，使其 抗事故性能显著提高。 1 3 2 高速钢轧辊组织特点 轧辊用高碳高速钢的凝固形式为邛】：l 叩( 丫+ m c 卜+ p t + m 2 c ) ，其铸态组织 为马氏体基体+ 合金碳化物+ 奥氏体。目前许多研究都致力于含钒( 铌) m c 型及 其它类型碳化物数量及其分布的影响以及钨当量对碳化物类型及形态的影响。 由于彼此的工艺方法和成分相差较大，得出的结论也不同，但趋势是一致的， 即随v 含量的增加，其碳化物形状由不连续网状囱颗粒状转变，且颗粒变得更 加细小弥散，分布在晶粒内部，基体组织为混合的层片状马氏体和板条状马氏 体【9 l 。高速钢轧辊热处理后的显微组织为回火马氏体的基体上分布着m c + m 6 c 型碳化物“。 如何获得大量细小弥散分布的高硬度碳化物和高稳定性的基体是提高轧辊 性能的关键。在高速钢轧辊常见的碳化物中，m c 型碳化物硬度最高。因而高速 钢轧辊的成分设计就是围绕如何获得大量均匀细小弥散分布的m c 型碳化物展 开的。有研究结果表明【1 1 l ：高含量的钒和铌及高碳对形成m c 型碳化物是有利 的，且随钒含量的增加，m c 型碳化物增多，颗粒更加细小且分布在晶粒内部。 另有研究表明【1 2 l ：不同类型碳化物的形成取决于强碳化物形成元素，当含碳量 较高时，组织中主要形成位于晶粒内部的m c 型碳化物和沿晶界分布的m 2 c 型 碳化物。对轧辊整体硬度影响最大的微观因素是位于晶界的碳化物的种类和分 布。高碳高钒型高速钢中，m c 型碳化物的形态可以分为三类1 1 3 , 1 4 1 ：一是在亚共 晶中自奥氏体中结晶析出的分散块状、条状及共晶析出的骨架状m c 型碳化物； 二是加铌后自液态直接析出的孤立的大块状m c 型碳化物；三是过共晶中析出 的细小弥散分布的m c 型碳化物。另外，高速钢中还出现m 2 c m c 、m c i 讥c 4 武汉理丁= 大学硕+ 学位论文 型等复合型碳化物。 1 3 3 高速钢中主要碳化物类型及特性 高速钢中主要有六种碳化物类型i l5 j ： m c 一是v 的碳化物v c ，具有面心立方晶格结构，可在共晶转变时析出， 或从奥氏体中析出。成分从m c 到m 4 c 3 之间变化。合金元素绝大多数为v ，可 溶解一定量的m o 、w 、c r 。m c 型碳化物固溶温度高，在1 1 5 0 以上，v c 颗 粒细小且分布均匀。5 0 0 6 0 0 高温回火冷却过程中析出，弥散度大，产生 二次硬化效应，增加硬度与耐磨性，提高回火稳定性。 m 2 c - 一具有密排六方晶格结构。m 2 c 中的主要合金元素是m o 、v 、w ，还 溶解有少量的f e 、c r 。 m 3 c 一即渗碳体( f e s c ) ，洛氏硬度为h r c 6 5 6 8 ，略高于马氏体。m n 元素 可无限固溶于f e 3 c 中，直至取代f e ，成为m n 3 c 。c r 元素有限固溶于f c 3 c 中， 成为f f e c r ) 3 c ，能使碳化物细化且均匀分布。w m o 元素仅微量溶入f e 3 c 中。 vt i ，b i b 等强碳化物形成元素几乎不溶入f e 3 c 中。m 3 c 回火稳定性较高， ( f e c r ) 3 c 在1 0 5 0 c 1 2 0 0 的温度才能完全固溶于奥氏体中。 m 2 3 c 6 _ 一是一种铬的碳化物，具有复杂面心立方晶格结构，主要是c r ，f c 元素，f e 元素可取代3 0 4 0 c r 溶入m 2 3 c 6 中，还能少量溶入m o 、w 、v 等 元素。c r 主要进入c r 2 3 c 6 中，由于f e 的大量溶入，w 、m o 、v 亦有少量溶入， 实际上使得c r 在c r 2 3 c 6 中并不占主要地位。溶有v 元素的m 2 3 c 6 在温度为 1 0 0 0 1 0 2 0 时开始固溶，完全固溶于奥氏体需1 1 5 0 1 2 0 0 的温度。回 火时，m 2 3 c 6 形成温度为4 0 0 5 0 0 c ，可由被c r 饱和的f e 3 c 转变而来，或直 接从淬火钢基体析出，它不易聚集长大，在4 0 0 5 0 0 回火时，回火硬度不 降低且略有增加。当钢中含有1 2 m o ，w ，v 元素时，弥散度高，会出现 沉淀硬化效应。m 2 3 c 6 淬火加热时溶入奥氏体，回火时析出m 2 c 、m c 引起回 火二次硬化效应。 m 6 c 一它是主要含w 和m o 元素的碳化物，是共晶碳化物或由奥氏体中析 出的二次碳化物。c r ，vt i ，n b 等元素能溶入m 6 c 中，在晶格中分别取代f e 和w ，m o 的位置。当钢中含有3 4 w 时，一次共晶碳化物m 6 c 具有高硬 度、高耐磨性。m 6 c 在1 1 5 0 1 3 0 0 时才能固溶于奥氏体，在6 5 0 7 0 0 5 武汉理工大学硕十学位论文 高温回火时析出中间相m z c 型碳化物并产生二次硬化效应，并使m 2 c 又转变为 m 6 c 。m 6 c 相当稳定，不易聚集长大，增加硬度与耐磨性但同时降低韧性。 m 7 c r 它是另一种形式的c r 的碳化物，是一次共晶碳化物或由奥氏体中析 出的二次碳化物，具有复杂六方结构，易在含碳量高的高速钢中产生。m 7 c 3 从 奥氏体中析出，呈长条状，长轴尺寸可达5 0 9 m 7 0 9 m 。它能溶入w ，m o ，v 等元素，增加耐磨性，降低摩擦系数。v 元素阻碍m 7 c 3 溶入奥氏体，只有在较 高淬火加热温度时才能使奥氏体固溶较多的v 与c r 。二次m 7 c 3 在9 5 0 1 1 5 0 溶入奥氏体中，高温回火时析出m 7 c 3 ，增加钢的热稳定性。 1 4 高速钢轧辊制造方法 1 4 1 离心铸造( c f ) 法 离心铸造法的主要特点是将外层材料和芯部材料以一定时间间隔浇入铸型 内。控制离心旋转时间、芯部铁液浇注间隔时间、浇注温度及防止内层材料和 外层材料之间界面氧化是此类轧辊制造成败的关键。 表l - 2 高速钢中常见元素和碳化物密度 t a b l e l 2d e n s i t yo f d i f f e r e n te l e m e n t sa n dc a r b i d e s 碳化物w 2 cw cm 0 2 cn b cv cf e 3 c 密度( k g m 3 ) 1 7 2 0 0 1 5 8 0 09 1 0 07 9 0 05 7 0 07 2 0 0 元素wm o n bf ec rv 密度( k g m 3 ) 1 9 3 0 0 1 0 2 0 08 6 0 07 9 0 07 2 0 06 9 0 0 采用离心铸造法制造高速钢复合轧辊，其设备简单，成本低，但生产工艺 参数要求较高。存在着相当多未解决的关键技术问题。由于高速钢中含有较多 的w ，m o ，c r ，v 等合金元素，而这些元素及其形成的碳化物密度差别很大( 见 表1 - 2 ) ，在普通离心铸造条件下，高速钢轧辊合金元素偏析严重，外层v 含量 低，而w ，m o 含量高，内层正好相反。由于离心铸造的特殊性，无论如何设计 轧辊的外层成分，外层材料总是存在着一定的不均匀性，虽然采用三层结构能 改善界面结合状态和提高芯材强度，但同时又增加了工艺复杂程度。从提高外 6 武汉理下大学硕十学位论文 层材料耐磨性出发，希望提高淬火温度，但淬火温度高会使界面烧损，而且芯 材所用的铸造材料，其强度己不适应某些轧机( 如m e 轧机) 的要求不过由于离 心铸造法的优点相当突出。而且生产成本较低。通过合理设计合金成分和工艺 参数所生产的高速钢复合轧辊可以满足大多数轧机的需要，因而在相当长的一 段时间内离心铸造高速钢复合轧辊仍将处于主要地位。 1 4 2 连续浇铸复合铸造( o p t ) 法 为克服离心铸造高速钢轧辊的偏析缺陷，日本新日铁公司开发了高速钢轧 辊的连续浇铸复合铸造法( c p c 法) 。 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( 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，连 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通过电磁感应加 热对钢水和芯棒供热。 用c p c 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。 1 4 3 旋转电渣熔铸( e s r ) 法 锻造成形法是生产冷轧工作辊的主要方法。但由于合金含量高，锻造难度 大，材料利用率低，生产成本高，限制了高速钢轧辊在冷轧中的推广使用。高 速钢通常用感应炉熔炼，这一方法生产的钢水质量很难达到冷轧辊对钢的纯净 度要求。近年开发的旋转电渣熔铸法是生产半高速钢复合冷轧工作辊的有效方 法。用旋转电渣熔铸法生产的半高速钢复合轧辊有如下特点： ( 1 ) 外层厚度均匀； ( 2 ) 外层与辊芯冶金结合良好； ( 3 ) 结合部有高的强度； ( 4 ) 外层宏观组织致密； ( 5 ) 外层续净度高。 7 武汉理丁大学硕十学位论文 1 4 4 液态金属电渣熔接( e s s l m ) 法 最近，乌克兰e u 肛t 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c p c 法的基础上加上电渣净化作用的一种新的轧辊制造方 法。用电渣外层金属液法生产复合轧辊，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而且也可以使电渣熔接 过程中不消耗电极。过程开始时，先将作为复合轧辊芯部的芯轴插入结晶器中， 并与其同轴，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空隙 中，它的热量将芯轴表面预热，随后再浇入外层所需成分的钢水，可连续浇入 也可按预先设定的程序加入。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，借助移动装置不断从结晶器中拉出己凝固部分，直至 达到预定的复合轧辊长度为止。 1 4 5 喷射工艺( o s p r e y ) 近来，喷射成形工艺( o s p p - 唧的研究引起了国内外的广泛关注，它是从熔 融金属制成半成品的先进工艺，所获得的半成品具有以下特征：没有宏观偏析； 各向同性而且组织均匀弥散；初始晶粒弥散析出；氧含量低；热加工性能得到 改善。 1 4 6 热等静压( h i p ) 法 用热等静压工艺( h p ) 生产的高速钢复合轧辊，与相间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，因此用h m 工艺生产的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，h m 工艺采用更高的碳含 量和合金含量，保持良好的碳化物形貌。用h m 工艺生产高速钢轧辊时，一般 是用铸、锻钢材料制成辊芯，在辊芯外填充辊身外层所用的高速钢粉末，抽真 空后在1 0 0 0 以上高温和1 0 0 m a 以上压力下烧结成轧辊。目前由于设备限制， h 口工艺还只能生产小直径的高速钢轧辊。 几种高速钢复合铸造方法技术经济性能的比较见表1 3 【1 7 】。目前，电渣重熔 武汉理1 ：大学硕十学位论文 法、热等静压法、喷射沉积法、液态金属电渣熔接法还不成熟，c p c 法的设备 和生产工艺复杂，技术关键难以在短时间内掌握，且设备投入较大，只有离心 铸造法具有设备简单、成本低等优点，最适合应用于大批量工业生产。 表1 - 3 几种制造方法的比较 比较项目制造方法 1 5 国内外研究概况 1 5 1 国外研究概况 8 0 年代以前，锻造高速钢轧辊已经开始用于多轧辊机的中间辊和工作辊， 但高速钢轧辊不仅锻造和热处理难度极大，还极易因组织的不均匀偏析等缺陷 影响轧辊的性能。因此，锻造高速钢轧辊的研究与推广应用进展十分缓慢。高 速钢复合轧辊自1 9 8 8 年在日本首次应用以来，目前在国外已获得广泛的应用。 据报道【l 引，日本n k k 京滨制铁所的热带钢连轧机架f l ，f 2 ，r ，f s 自2 0 世纪9 0 年代以来，不断使用高速钢轧辊，其比例已达到f i5 0 ，f 2 7 0 0 ，f 。6 0 ， f s 6 0 。同原先采用的高铬铸铁、半钢、高镍铬无限冷硬铸铁轧辊相比，轧制吨 位有大幅度提高：f l f 4 机架约为1 0 0 0 0 吨，f s 机架约为6 0 0 0 吨；辊耗大幅度 下降：高速钢轧辊的辊耗在f l 机架是原来采用高铬铸铁轧辊的1 5 ，f 2 机架为原 来采用高铬铸铁轧辊的l 7 ，r 机架为原来采用高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的1 1 3 ， 9 武汉理_ t 大学硕十学位论文 f s 机架为原来采用高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的l 8 。 法国k u r e 热轧厂精轧机架使用的离心铸造高速钢工作辊，其耐磨性是冷硬 辊的5 倍，过去每轧1 8 0 0 t 带钢后就需换辊。采用高速钢复合辊后，在精轧前段 机架可轧制9 0 0 0 1 ，在后段机架可轧制5 4 0 0 1 。此外采用高速钢复合辊后，还可 减轻磨削量，改善板带表面质量，降低轧辊消耗l 。 日本日立公司开发成功的高速钢复合轧辊，与过去的高铬铸钢轧辊相比， 高速钢复合轧辊的碳化物为1 0 - 1 5 ，硬度为h s 7 5 8 5 ，基体硬度6 0 0 c 时为 h v 2 0 0 3 0 0 ；后者的碳化物为5 - 1 0 ，硬度为h s 7 0 8 0 ，基体硬度6 0 0 时为 h v l 0 0 - 2 0 0 。模拟磨损实验表明，高铬铸钢轧辊磨损量为1 s l i m ，而高速钢轧辊 仅为8 l a i n ，可见高速钢轧辊的耐磨性比高铬铸钢轧辊好得多。加拿大d o f a s c o 钢厂在1 9 9 3 年开始试用高速钢复合轧辊，经过3 年试用，结果表明，通过使用 高速钢复合轧辊，在改善钢板表面质量，降低轧辊消耗和由于减少换辊次数而 增加轧机运转率等几个方面均取得了满意的结果，高速钢轧辊的使用寿命比高 铬铸铁至少延长2 倍【2 0 】。 瑞典某厂用0 s p 砌法制造3 c ，6 c r ，4 m o ，7 w ，6 c o ，8 v 成 分的辊环( 外径0 3 4 5 m m ，内径中1 8 0 m m ) ，硬度达h r c 6 0 ，用于棒材精轧机架 上，轧制量为6 1 9 0 1 m m 2 “。日本神户钢铁公司采用h i p 法制造内层为锻钢，外 层为高碳高速钢的复合轧辊，具有良好的耐磨性和抗表面粗糙性，使用寿命比 冷硬铸铁轧辊提高9 倍，而且还具有足够的强韧性，已在热轧机，棒材及扁钢 轧机的中轧，精轧机组上获得应用。 日本日立公司采用e s r 法制造的高速钢复合轧辊，硬度为h s 8 0 - 9 0 ，在热 带钢连轧机f 6 上使用，使用效果是：表面磨耗量仅为冷硬铸铁轧辊的1 4 ，用 e s r 法生产的高速钢冷硬工作辊( 硬度h s 9 2 ) ，轧制难变形钢种每次换辊周期 的轧制量比5 c r 锻钢轧辊成倍增加。 1 5 2 国内研究概况 近年来，我国钢铁行业和科研院所也积极展开了高速钢轧辊的科研工作。 钢铁研究总院与河北联强冶金轧辊有限公司合作开发的高速钢复合轧辊，在热 连轧窄带钢轧机上试用表明，其综合使用寿命比原来高镍铬铸铁轧辊提高1 0 5 倍，辊耗也由2 3 k g t 降至0 2 2 k g t 2 2 1 北京冶金设备研究院开发了线材轧机精 l o 武汉理丁大学硕士学位论文 轧高速钢辊环，使用结果表明，高速钢辊环不粘钢，不打滑，不开裂，使用效 果明显优于高铬铸铁轧环和无限冷硬铸铁轧环，接近硬质合金轧环的水平，但 是生产成本比硬质合金辊环低6 5 7 5 。浙江新安江特种合金铸造厂采用普通 离心铸造方法生产的高速钢轧环经试用表明，其轧槽磨损均匀，耐磨性好，使 用寿命达到碳化钨环的5 0 ，但其价格仅为碳化钨轧环的1 3 ，性价比高，且具 有良好的韧性和抗热裂性能，解决了碳化钨辊环的裂辊问题，提高了生产效率。 为提高我国轧辊的使用水平，作为国内钢铁行业领头兵的宝钢【2 3 1 ，首先提 出了“在8 0 年代轧机上使用9 0 年代轧辊”的轧辊选材新观念，不惜花费巨资， 率先从国外购买高速钢轧辊。目前，宝钢1 5 8 0 热轧带钢机组f 1 f 5 机架工作辊， 已全部采用国外高速钢轧辊，在改善带钢质量，延长轧辊寿命和提高轧机工作 率等方面，效果十分明显。鞍钢，武钢和太钢等大型钢铁企业，也十分关注高 速钢轧辊的发展动态，分别在不同程度上提出了采用高速钢轧辊的意愿和要求。 1 5 3 有待进一步研究的几个问题 为了加快高速钢轧辊在我国的推广应用，推动我国轧钢行业的发展。对高 速钢轧辊的研究应集中在以下几个方面l 撕2 7 】： ( 1 ) 高速钢轧辊成分的精确控制。目前国外为防止离心铸造高速钢轧辊偏析， 主要手段是加n b 去w 减m o 。但高速钢去w 减m o 后，红硬性明显下降，耐 磨性降低。我国w 、m o 资源十分丰富，而n b 、c o 资源短缺，开发出高w 、 m o 含量、无偏析、高耐磨的高速钢轧辊是首要问题。解决办法是在离心力场中 加入电磁场，在铸造工艺中采用提高凝固冷却速度等措施，以消除偏析，提高 轧辊质量。 ( 2 ) 高速钢轧辊铸造裂纹的形成与控制。铸造高速钢轧辊易产生裂纹，废品 率高，有必要对高速钢轧辊裂纹形成机理进行深入研究，并研究具体消除裂纹 对策。 ( 3 ) 高速钢轧辊热处理工艺及辊芯材质研究。高速钢复合轧辊的辊芯通常采 用铸铁或锻钢，而高速钢复合轧辊必须采用高温淬火( 1 2 0 0 ( 2 以上) 才能获得较好 的硬度，这使得辊芯组织显著长大，甚至出现局部熔化现象，辊芯强度显著降 低，在使用过程易出现断辊现象，影响设备的正常运行。因而开发出简便易行， 能耗低，污染少且能保证辊芯强度的热处理工艺和合适的辊芯材料势在必行。 武汉理1 ：大学硕+ 学位论文 ( 4 ) 高速钢轧辊使用特性研究。通过深入研究高速钢轧辊在使用过程中氧化 膜状况，磨损情况等使用特性，找到影响轧辊使用寿命的相关因素的最佳配合， 如合适的冷却水量，润滑剂选择及用量等。 1 6 研究目标及内容 ( 1 ) 研究不同的化学成分对轧辊用高速钢显微组织的影响，主要是碳化物种类， 形态等的影响； ( 2 ) 研究不同热处理工艺对高速钢组织性能的影响，包括淬火温度，冷却方式， 回火温度等因素； ( 3 ) 利用扫描电镜、能谱仪等对碳化物成分及基体组织进行分析； ( 4 ) 研究轧辊用高速钢组织与性能间的对应关系。 1 2 武汉理f 大学硕十学位论文 1 7 技术路线 图1 - 2 技术路线图 f i g 1 - 2e x p e r i m e n tm e t h o d s 1 3 武汉理t 大学硕+ 学位论文 第2 章实验方法 2 1 高速钢中合金元素作用 2 1 1 碳 碳是高速钢中最重要的组成元素。碳可与高速钢中的强碳化物形成元素w ， m o ，v 在凝固时分别形成m 6 c ，m 2 c 和m c 型碳化物，提高钢的热稳定性和耐 磨性。碳还可以强化固溶体，形成马氏体，提高高速钢的淬透性。 高速钢中的碳含量具有以下特点：将钢中含碳量提高到“平衡碳”量的水 平，则可提高高速钢的室温硬度、红硬性、耐磨性但若碳含量超过“平衡碳” 量过多时则易形成大的块状碳化物，使得性能下降；随碳含量的增加，高速钢 的韧性、抗弯强度、热塑性下降，因而人们一直希望在满足高速钢强度要求的 同时尽可能的降低其碳含量；随碳含量的增加，奥氏体中的碳含量也增加，使 得马氏体转变点降低，残余奥氏体量增加，残余奥氏体必须多次回火才能消除， 且获得最高回火硬度的回火温度升高，因而过高的含碳量必然影响其二次硬化 峰值。随碳含量的增加，高速钢在低温淬火时可获得较大的溶解度，但碳含量 的增加会导致固相线降低，晶界熔化温度降低，晶粒易粗大。 轧辊用高速钢的含碳量远远高于常规高速钢，一般为1 5 3 5 左右。其 原因是高速钢轧辊是用于热轧的大型铸件，其内部必须有足够的碳化物以维持 其高温硬度，同时高碳可使固相线降低，流动性变好。但究竟如何确定高速钢 的碳含量是一个相当困难的问题，目前主要是依靠理论和实验相结合的方法来 确定高速钢轧辊的碳含量，“平衡碳”理论在几种常规高速钢的成分上得到了验 证，但并不具备普遍性，还需进一步完善。但本文依然采用平衡碳公式作为成 分设计的主要依据。 g s t e v e n 2 5 1 提出的平衡碳公式为：c p = o 0 3 3 w + 0 0 6 3 m o + 0 0 6 0 c r + o 2 v ，用 线性方程可表示为c p = e k m m ，其中m 为某种碳化物形成元素在高速钢中的 含量，k m 为该元素的配碳系数。对于常用合金元素及可能析出的碳化物，其 k m 值如表2 1 所示i 。 我国的高速钢研究者将平衡碳c p 与高速钢实际碳含量之间的差值作为平衡 武汉理工大学硕十学位论文 差值a c l 圳，a c = c s c p 。在热处理后期，a c 是高速钢基体转变的重要因素， 它决定有多少的碳能够溶于基体中，a c 为正值说明基体中的碳处于平衡状态， a c 为负值说明基体处于缺碳状态。 2 1 2 钒 表2 - 1 合金元素及k m 元素碳化物k m w w 2 c 0 0 3 3 m om 0 2 co 0 6 3 v v c ，v 4 c 3 0 2 ，0 2 3 5 c r c r 2 3 c 6 ，c r 7 c 3 o 0 6 0 ，0 0 9 9 t it i c0 2 5 n bn b co 1 3 钒是高速钢中与碳结合能力最强的元素。钒在高速钢中一部分溶于基体， 一部分形成碳化物。碳化钒的熔点和溶解温度都很高。在奥氏体化时，碳化钒 在1 1 0 0 以上才开始溶解，溶解量也不多，大部分的钒仍保留在碳化物中。溶 解的钒能大大加强高速钢的二次硬化，保留的碳化钒则可大大增加其耐磨性。 高速钢中的钒与碳结合非常紧密，钒与碳形成的m c 型碳化物在稳定性和 硬度方面都是最高的，且其含量是随钒含量的增加而增加。当钒含量低于2 时， m c 存在于共晶