国内外热轧辊材料研究进展

1、国内外热轧辊材料研究进展轧辊是轧钢生产中的主要消耗备件之一，轧辊消耗约为轧钢生产成本的 5%- 15%。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 高的要求。进一步提高轧辊性能以适应轧机的需要，是轧辊研制者面临的新课 题。目前，我国轧辊的生产、研究与使用水平，与发达国家相比，仍有相当大 的差距。为了满足轧钢生产的实际需要，我国每年都需要花费大量的外汇进口 轧辊。如果

2、我国的轧辊消耗能降低 30%-40%，不仅能节省大量外汇，而且还可 以节省大量的轧辊材料。改变轧辊材质是提高轧辊性能的重要措施。轧辊材质发展的明显趋势是广 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 20世纪 30 年 代的高镍铬无限冷硬铸铁轧辊发展到 60 年代的半钢工作轧辊， 70 年代开始使用 高铬铸铁轧辊和高铬铸钢轧辊， 80 年代末开始使用高速钢轧辊。冷轧带钢工作 辊材质由2%Cr钢发展到3%C、5%Cr钢，到了 90年代开始使用半高速钢，近 来也开始使用高速钢。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

3、硬质合金。 目前，高速线材轧机和棒材轧机上使用高速钢轧辊也获得了满意的效果。1 热轧辊材料研究概况热轧生产中，轧辊使用条件非常恶劣，主要是因为热轧辊常与温度高达 900-1100C的轧材接触，辊面温度高达500C，轧辊使用中除了承受强大的轧制 力，辊面受轧材的强力磨损外，在高温的作用下，辊面易产生氧化，氧化膜易 脱落，加剧轧辊的失效。此外，轧辊还反复被轧材加热及冷却水冷却，经受温 度变化幅度较大的激冷激热，产生很大的热应力，逐渐导致热疲劳裂纹的产 生，热疲劳裂纹在轧制力的作用下不断扩展，最终导致轧辊表面破裂甚至剥 落，促进轧辊失效。热轧辊除了应具有高的耐磨性和强韧性外，还应具有优良 的抗氧化能

4、力和抗热疲劳能力。随着热轧技术的发展，热轧辊材料也在不断地改进和发展，从早期使用的 冷硬铸铁轧辊，发展到半钢轧辊，高铬铸铁（钢）和高速钢轧辊。早期使用的 冷硬铸铁轧辊以M3C型碳化物为主，如Fe3C等。后来加入合金元素铬、镍 等，碳化物形态仍以M3C为主，变化不大，呈网状分布，但碳化物由 Fe3C变 成了（ Fe, Cr）3C,硬度提高，而且轧辊的基体组织由珠光体变成了马氏体和 贝氏体，耐磨性明显提高。在轧辊中进一步提高铬含量，碳化物由M3C转变M7C3型为主，如（Fe, Cr）7C3等，硬度提高，形态明显改善，由网状分布变 成菊花状分布,轧辊冲击韧性和断裂韧性大幅度提高,使用性能明显改善。进

5、 入 20 世纪 80 年代末期,引入铸造高速钢制造轧辊引起了世界各国轧辊研制者 的重视，目前正在研制及迅速推广的高速钢复合轧辊，组织主要由MC型和M6C型碳化物以及在高温下有较高硬度的基体组织构成。2 无限冷硬铸铁轧辊的发展早在 20 世纪初,普通无限冷硬铸铁轧辊已在热轧带钢轧机上广泛应用。无 限冷硬铸铁轧辊介于冷硬铸铁和灰口铸铁之间,与冷硬铸铁相比,铁水中含硅 量较高（ 0.7%-1.6%）,无限冷硬铸铁轧辊组织中除含有与白口铸铁中相近似数 量的碳化物和莱氏体外,还存在均匀分布的石墨。无限冷硬铸铁轧辊中还常常 加入不同含量的Cr、Ni和Mo等合金元素，随着Cr、Ni和Mo含量的增加，其 硬

6、化层深度增加。无限冷硬铸铁轧辊组织中含有较多的碳化物,具有较好的耐 磨性；在基体组织中均匀分布的少量细小石墨,起到了松弛机械应力的作用, 有利于减轻辊身表层的剥落缺陷；石墨本身具有良好的导热性能,在轧钢过程 中,轧辊表面受热冲击时,石墨起缓冲热应力的作用,有利于防止热裂纹的产 生。此外,辊身表面由于石墨脱落形成细小孔穴,改善轧辊的咬入性能。无限冷硬铸铁轧辊由于硬度高、硬度落差小及良好的抗热裂性,在轧钢生 产中得到了广泛的应用,世界各国热连轧机精轧机架上普遍使用无限冷硬铸铁 轧辊。近年来,为了提高无限冷硬铸铁轧辊的耐磨性,开发了改进型无限冷硬 铸铁轧辊，其主要特征是在轧辊中加入高温下形成高硬度M

7、C型初生碳化物的合金元素,加入合金元素还具有改善枝晶组织形态和尺寸的作用,其耐磨性比 普通高镍铬无限冷硬铸铁轧辊提高 20%以上,抗热疲劳性能也明显提高。改进 型高镍铬无限冷硬铸铁轧辊目前仍存在高温热稳定性低、高温耐磨性差和淬透性低的不足，进一步提高改进型高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的淬透性和高温耐磨 性，将成为轧辊研究者不断探索的新课题。3 半钢轧辊的发展半钢轧辊起源于美国，上世纪 40 年代末期，热轧带钢连轧机在美国迅速发 展，当时，轧机的精轧前段使用的是合金冷硬铸铁轧辊，带钢表面出现大量的 “斑带”缺陷，严重影响轧机效率。为解决这一问题，美国冶金学家研制出兼有 铸钢轧辊的高强度和韧性、类似铸铁

8、轧辊的良好耐磨性的半钢轧辊。70 年代半钢轧辊在国外得到广泛的应用，在一定程度上代表了当时轧辊生产的国际水平 和发展方向。它的碳含量在 1.3%-2.4%之间，游离碳化物约为 6%-10%，共析成 分以外的碳可以是碳化物或石墨，以碳化物为主要存在形式的称作半钢，以石 墨为主要存在形式的称作球墨铸钢或石墨钢。半钢中常加入Si、Mn、 Ni 和 Mo等合金元素，其加入量根据期望的组织与性能而定。半钢的强韧性接近于钢辊 而优于铁辊，硬度与耐磨性接近于铁辊而优于钢辊，它综合了钢与铸铁两者的 优点。半钢轧辊的另一特点是断面硬度落差小，能切削较深的孔型。半钢轧辊 最适于工作繁重的钢坯轧机、大型型材轧机、中

9、型轧机、万能型钢轧机、热连 轧粗轧机及热连轧精轧机（前段）等。由于其硬度不及冷硬铸铁轧辊，以及它 受热易膨胀等特点，它一般不用于精轧机及成品机架。半钢轧辊还存在一些问 题，如热处理周期长，工艺复杂，成本较高。 80 年代以来，在许多场合它逐渐 被高铬铸铁轧辊代替。4 高铬铸铁轧辊的发展 高铬铸铁由于其成分设计的特点，具有比普通白口铸铁和镍硬铸铁更好的 机械性能和抗磨能力。它的成功是由于含 Cr量达到12%以上时，Fe-C的凝固过 程发生改变，导致了 M7C3的形成，高铬铸铁组织中 M7C3型碳化物的硬度比半 钢和无限冷硬铸铁中的Fe3C高，从而更耐磨，而且与 Fe3C呈网状分布不同， M7C3

10、型碳化物倾向于形成孤立分布的杆状组织，其结果是大大改善了韧性。此 外，高铬铸铁的基体可以变化以满足不同的使用要求。正由于高铬铸铁具有这 些优点，它得到了比其它耐磨材料更广泛的应用。高铬铸铁用于制造轧辊始于上世纪 30年代， 1932年，美国已研制成功含 12%-14%C、r0.5%Mo、直径为560mm的高铬铸铁轧辊，用于热轧型钢和角钢的精轧机 架，获得了很好的使用效果。 60 年代中期，英国和德国的轧辊制造者，从充分 发挥高铬铸铁轧辊的抗磨损性能出发，同时注意到这一材质的轧辊在热轧带钢 连轧机精轧前段机组上使用时，具有消除 “流星斑 ”和“斑带”缺陷的特性，从而研 制出了含 12%-22%C

11、、r 2.4%-3.0%C、辊身硬度达60-90HS的高铬铸铁轧辊。高铬铸铁轧辊广泛用做热轧带钢 连轧机粗轧和精轧前段工作辊、宽中厚板轧机粗轧和精轧工作辊及小型型钢和 棒材轧机精轧辊。日本在 1981 年开发成功高铬铸铁轧辊以来，发展极其迅速， 到 1985 年为止，在热轧带钢连轧机精轧前段机架已有 70%的轧机采用高铬铸铁 轧辊替代了合金半钢轧辊。日本久保田轧辊厂制造的高铬铸铁轧辊在带钢热轧 机精轧前段F2机架上使用，毫米过钢量达到了 3145t，而半钢轧辊仅有2037t。我国邢台轧辊厂已于 1987年开始批量生产热带连轧机用的高铬铸铁工作 辊，并在宝钢和武钢热轧带钢连轧机上获得了良好的使用

12、效果。高铬铸铁轧辊 具有良好的抗氧化性能，能够适应高负荷的轧制操作，热稳定性好。高铬铸铁 轧辊还有如下特点：工作层硬度由表面向里分布均匀，使用过程中不再需淬硬修复；抗压强度 高于突发性事故所产生的压力，辊面不会出现压痕；组织稳定，当轧制打滑， 辊面局部过热时，锻钢辊会出现软点，高铬辊则不会；连轧机末架的印花辊， 其花面可保持较久。高铬铸铁轧辊不仅具有较好的耐磨性，还有优良的抗热裂 性能，原因是轧辊表面生成一层致密的且有韧性的铬的氧化膜，能减少热裂纹 的数量和深度。 90年代以前，高铬铸铁轧辊已被广泛使用，由于其耐磨性的限 制，高铬铸铁轧辊近年来已受到了高速钢轧辊的严重挑战，在热轧机上的使用 数

13、量不断减少，进一步提高高铬铸铁轧辊的耐磨性将成为轧辊研究者不断探索 的新课题。5 高速钢轧辊制造技术研究进展5.1 锻造高速钢轧辊20 世纪 80 年代末以前，锻造高速钢轧辊已用于制造多辊轧机的工作辊和中 间辊，使用的是标准类型钨钼高速钢，如美国 M2、M4以及高碳类型的T15等，此外还有用Cpm-9V工具钢制造高速线材 轧机预精轧机轧辊。锻造成形法生产高速钢轧辊，其合金含量高，锻造难度 大，材料利用率低，生产成本高，限制了高速钢轧辊的推广使用。此外，高速 钢大型铸锭不但锻造和热处理难度大，而且易因组织的不均匀、偏析和疏松等 缺陷影响轧辊性能，因此锻造高速钢轧辊的推广使用进展缓慢。5.2 铸造

14、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。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。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。高速钢轧辊制造技术还有喷射成形和热等静压等。5.3 高速钢轧辊热处理研究进展高速钢轧辊的性能除了与化学成分及制造工艺有关外，热处理也有很大影 响。出于对热处理技术的保护，国内外文献对高速钢轧辊的热处理工艺报道较 少。由于高速钢轧辊重量大，工件内应力大，而且

15、含碳量高脆性大，若采用与 高速钢工具相同的热处理工艺，轧辊易产生裂纹，因此高速钢轧辊热处理照搬 高速钢工具热处理工艺是不行的。日本学者研究了具有不同碳含量的多元白口 铸铁的连续冷却转变特性，获得了多元白口铸铁的连续冷却转变曲线，可以用 于指导高速钢轧辊的热处理。国内学者也研究了高碳高钒高速钢的淬火、回火 热处理及高温硬度。结果发现其峰值淬火硬度温度较常规高速钢低150-250C左右，随碳量增加，峰值硬度温度降低，相同碳量时，随着钒量增加，峰值硬度 温度升高。回火后的硬度变化和常规高速钢呈相同的趋势，建议高碳高钒高速 钢轧辊的淬火温度为950-1100C，回火温度为530-550C , 一次回火

16、即可。韩国 学者研究了回火温度对高速钢轧辊耐磨性和抗表面粗糙性的影响，高速钢轧辊 在540C回火尽管具有最好的耐磨性，但抗表面粗糙性差，增加了轧制力，而采 用570C回火抗表面粗糙性好，耐磨性也较好。还有文献提出为了保证高速钢轧 辊的辊芯强度，高速钢轧辊应该采用差温处理，但差温处理工艺和方法并无详 细报道。目前，高速钢轧辊的冷却方式和淬透性以及高速钢不同回火温度和回 火次数下的组织和性能变化规律并无详细报道，不利于高速钢轧辊的开发。尽 快开发适合于高速钢轧辊的热处理工艺，有利于提高高速钢轧辊性能，高速钢 轧辊热处理工艺应该简便易行、无污染且生产成本低，充分发挥轧辊用高速钢 的特点。最近，北京工

17、业大学材料学院研究人员对化学成分是（wt.%）： 1.87C,5.87V, 5.19Cr,6.52W,5.15Mo的高速钢轧辊热处理进行了深入研究。经 1050C加热6h后 测得钢的奥氏体晶粒度为8-9级，表明在1050C以下加热时，钢的奥氏体晶粒 度尺寸细小，长大倾向小。通过测试高速钢轧辊材料的等温转变曲线，发现其 珠光体（P）转变开始温度约为650 C左右，贝氏体（B）转变开始温度约为 330C左右，马氏体相变点（Ms）约为128C，马氏体转变终点温度（Mf）低于 室温，高速钢轧辊淬火组织转变具有不完全性，淬火组织中，将会残留一定数 量的奥氏体。珠光体转变临界冷却速度 VP=0.2TC/s

18、，贝氏体转变临界冷却速度 VB=0.58C /s, VP值小，高速钢轧辊具有较好的淬透性。另外高速钢轧辊的贝氏 体转变和珠光体转变完全分开，而且贝氏体转变区比珠光体转变区靠左，高速 钢轧辊的淬火组织中有可能获得部分贝氏体组织。研究还发现，高速钢轧辊油冷淬火温度低于1025C，随着淬火温度升高硬度升高，超过1050C，硬度反而降低。雾冷和空冷淬火条件下，淬火温度对硬 度影响结果相似，获得最高硬度的淬火温度高于油冷时的淬火温度。随着淬火 温度升高，高速钢轧辊红硬性提高，特别在淬火温度低于1050C，红硬性随淬火温度升高而明显增大，超过1050C，淬火温度对红硬性的影响程度下降。高 速钢轧辊随淬火温度升高韧性提高，当