種軋鋼用高性能輥材的研究與應用

種軋鋼用高性能輥材的研究與應用

輥的質量和使用壽命直接關系到輥的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質量和生產(chǎn)能力。如何提高輥的使用壽命一直是輥行業(yè)面臨的一個主要問題。輥的使用壽命主要取決于輥的內部性能和工作狀態(tài)。內部性能包括強度和硬度。硬度通常指的是輥工作表面的硬度。它決定了輥的耐性，在一定程度上取決于輥的使用壽命。通過適當?shù)牟牧线x擇和熱處理方法，可以滿足輥的硬度要求。本文簡要介紹了傳統(tǒng)的輥準備和熱處理工藝，同時介紹了輥材料及其熱處理工藝的發(fā)展。1深淬硬層冷u冷軋輥在工作過程中要承受很大的軋制應力,加上軋件的焊縫、夾雜、邊裂等問題,容易導致瞬間高溫,使工作輥受到強烈熱沖擊造成裂紋、粘輥、剝落甚至報廢.因此,冷軋輥要有抵抗因彎曲應力、扭轉應力、剪切應力引起的開裂和剝落的能力,同時也要有高的耐磨性、高的接觸疲勞強度、高的斷裂韌性和熱沖擊強度等.國內外冷軋工作輥一般使用的材質有GCr15、9Cr2、9Cr、9CrV、9Cr2W、9Cr2Mo、60CrMoV、80CrNi3W、8CrMoV、86CrMoV7、Mo3A等.20世紀50～60年代,這一時期的軋件多為碳素結構鋼,強度和硬度不高,所以軋輥一般采用1.5%～2%Cr鍛鋼.此類鋼的最終熱處理通常采用淬火加低溫回火,常見的淬火方式有感應表面淬火和整體加熱淬火.其主要任務是考慮如何提高軋輥的耐磨性能、抗剝落性能,并提高淬硬層深度,盡量保證軋輥表面組織均勻,改善軋輥表層組織的穩(wěn)定性.從70年代開始,隨著軋件合金化程度的提高及高強度低合金結構鋼(HSLA)的廣泛應用,軋件的強度和硬度也隨之增加,對軋輥材料的強度和硬度也提出了更高的要求,國內外普遍開始采用Cr含量約2%的Cr-Mo型或Cr-Mo-V型鋼工作輥,如我國一直使用的9Cr2Mo、9Cr2MoV和86CrMoV7、俄羅斯的9X2MΦ、西德的86Cr2MoV7、日本的MC2等.這類材質的合金化程度較低,在經(jīng)過最終熱處理后,其淬硬層深度一般為12～15mm(半徑),僅能滿足一般要求,而且使用中剝落和裂紋傾向嚴重,軋制壽命低.通過改進熱處理方式,即進行重淬1～2次,提高了該類軋輥的淬硬層,但每次重淬不僅需要一定的熱處理費用,而且會使軋輥直徑損失5mm左右,同時軋輥在經(jīng)過多次熱處理后容易變形,難以滿足高精度軋輥的形位公差要求.因此,研制深淬硬層冷軋輥不僅可以大幅度地降低冷軋輥的消耗,減少軋輥在使用過程中的重復淬火次數(shù),而且延長軋輥壽命,具有良好的經(jīng)濟效益.為了減少重淬消耗,提高軋輥的淬硬層深度、提高接觸疲勞強度和韌性,延長其使用壽命,從70年代后期到80年代中期,國內外開始研究使用Cr含量在3%～5%的深淬硬層冷軋工作輥鋼種.3%Cr冷軋輥不需重淬,且有效淬硬層深度可達到25～30mm,5%Cr冷軋輥有效淬硬層深度則達到40mm,其耐磨性和抗事故性能也有顯著提高.在這一階段,國內試制了9Cr3MoV鋼,國外一些制造廠也先后開發(fā)推廣了深淬硬層冷軋輥,如美國的3.25%Cr鋼和5%Cr鋼,日本的KantocRP53、FH13、MnMC3和MC5等.這些鋼都采用高碳高合金材料,具有良好的硬度和耐磨性,但軋輥淬硬表面脆性大,接觸疲勞壽命低,質量不穩(wěn)定.為提高淬硬層深及接觸疲勞壽命,降低淬硬層脆性及過熱敏感性,同時也為滿足軋件對冷軋工作輥力學性能和使用性能的進一步要求,自80年代中、后期,國外軋輥生產(chǎn)廠對5%Cr冷軋輥鋼進行了化學成分的優(yōu)化工作,主要是在5%Cr鋼中增加Mo、V的含量或加入Ti、Ni等元素.添加0.1%左右Ti的5%Cr鋼軋輥中,Ti以CN化合物(TiCN)微細形式在基體中析出,經(jīng)過摩擦損耗后TiCN脫落,在軋輥表面形成劃痕,使適度的粗度再生.在鍍Sn板軋機的實際操作中,有效利用粗糙度降低小的優(yōu)點,從軋制初期就可高速軋制.在最終熱處理過程中,對軋輥鋼的淬火和加熱限制在奧氏體中含C量不超過0.6%的程度,然后進行盡可能強烈的冷卻,這樣就可以得到較深的淬硬層.此時,軋輥的淬硬層組織除隱針馬氏體(以板條為主)外,尚有約4%的碳化物和10%左右的殘留奧氏體.軋輥的表面硬度(包括殘余壓應力的影響)約為HS(D)95～99.最后,用低溫回火將軋輥表面硬度調整到規(guī)定值,低溫回火越充分,硬度偏低時韌性越好,抗熱裂能力越高.Mo、V含量的增加導致淬火后鋼中含有較多的殘余奧氏體,回火后大部分又轉變?yōu)樾埋R氏體,這樣就有助于提高軋輥硬度,增強耐磨性并降低磨損面粗糙度.2高鉻鑄造5.3技術特點熱軋輥常工作在700～800℃的高溫環(huán)境,與灼熱的鋼坯相接觸,需要承受強大的軋制力,同時表面要承受軋材的強力磨損,反復被熱軋材加熱及冷卻水冷卻,經(jīng)受溫度變化幅度較大的熱疲勞作用.這就要求熱軋輥材料必須具有高的淬透性、低的熱膨脹系數(shù)、高的熱傳導能力和高的高溫屈服強度及高的抗氧化性.國內曾經(jīng)使用過鍛鋼軋輥和無限冷硬鑄鐵軋輥,除普通冷硬鑄鐵外,還有低NiCrMo、中NiCrMo、高NiCrMo鑄鐵材料,高檔次的冷硬鑄鐵材料為高NiCrMo冷硬鑄鐵.這類材質軋輥的缺點是硬度低,耐磨性不好.后來采用了球墨復合鑄鐵軋輥,相對而言,使用壽命提高了幾倍,至今仍然在使用.國外則一般采用半鋼和高硬度特殊半鋼材質,對克服表面粗糙和抗磨損都很有效.為了提高熱軋輥的表面耐磨性,熱軋輥的材質不斷地得到改進,其基本的發(fā)展過程是從冷硬鑄鐵到高鉻鑄鐵到半高速鋼和高速鋼.高鉻鑄鐵軋輥的化學成分為:m(C)2.0%～4.0%,m(Cr)10%～30%,m(Ni)0.15%～1.6%,m(Mo)0.3%～2.9%.其本質是一種高耐磨性的高合金白口鐵,m(Cr)含量一般在10%～15%,其碳化物主要是M7C3型,與白口鑄鐵的連續(xù)的M8C型碳化物不同,它不但具有良好的耐磨性,還有較高的硬度(HV可達1800),基體為奧氏體、馬氏體,因而其硬度和韌性結合較好.實際的軋制生產(chǎn)表明,高鉻鑄鐵軋輥有較好的抗熱裂性能,原因是軋輥表面生成一層致密且有韌性的Cr的氧化膜,能減少熱裂紋的數(shù)量和深度.因此,高鉻鑄鐵輥在80年代被非常廣泛用于精軋前架.目前,高鉻鑄鐵復合軋輥已廣泛用作熱軋帶鋼連軋機粗軋和精軋前段工作輥、寬中厚板粗軋和精軋工作輥及小型型鋼和棒材軋機精軋輥等.高鉻鑄鐵軋輥的熱處理有兩種形式,一是低于臨界轉變溫度的亞臨界熱處理,另一種是高于臨界點A3的高溫熱處理.高鉻鑄鐵軋輥表面材料的珠光體基體,希望具有極細的片間距,并在基體上有大量彌散分布的二次碳化物,要求有盡量低的殘余奧氏體和殘余應力,所以一般選用后一種形式的熱處理,具體為正火加回火.高速鋼作為熱軋輥材料的應用在1988年始于日本,90年代初期美國和歐洲也進行了研制,我國在20世紀90年代后期開始研制和使用高速鋼軋輥.一般高速鋼的成分為m(C)1%～2%,m(Co)0%～5%,m(Nb)0%～5%,m(Cr)3%～10%,m(Mo)2%～7%,m(V)2%～7%,m(W)1%～5%.因為擁有大量可形成強碳化物的合金元素如W和V,其最終的顯微組織含有大約10%～15%具有極高硬度和高溫穩(wěn)定性的碳化物,所以在高溫下工作能保持較高的強度和硬度.其工作層硬度高,可達到80～85HS,具有較好的耐磨性和抗熱裂性,軋輥表面沒有出現(xiàn)熱裂紋,一般沒有剝落現(xiàn)象.近年來國外在熱軋薄板粗軋機架采用半高速鋼軋輥也獲成功,其耐磨性是高Cr鋼軋輥的2倍,且咬入性能和抗熱疲勞性能好,因而成為熱軋薄板粗軋機架和線棒材中軋機架軋輥的理想選擇,半高速鋼的化學成分范圍為:m(C)1.5%～2.5%,m(Si)0.5%～1.5%,m(Mn)0.4%～1.0%,m(Cr)1.0%～6.0%,m(Mo)0.1%～4.0%,m(V)0.1%～3.0%,m(W)0.1%～4.0%.高速鋼熱軋輥的熱處理方式一般采用淬火加回火,在加熱到高溫時,鋼中的二次碳化物充分溶解,一次共晶碳化物部分溶解.這些碳化物所含有的C和合金元素溶入奧氏體中,增加了奧氏體中C和合金元素的含量.在淬火時它們固溶于貝氏體和馬氏體中,而在回火時析出了彌散的碳化物,使鋼呈現(xiàn)出比淬火時硬度還要高的二次硬度.因此為了增加基體的硬度,應提高淬火溫度,同時,為了防止基體中出現(xiàn)塊狀粗大的碳化物,應盡量降低淬火溫度,一般確定最佳淬火溫度為1050～1150℃,同時回火溫度為550～600℃.為了保證基體中含有大量彌散分布的球狀MC型碳化物,應增加V含量,但V不宜過高,因為V會降低淬透性,凝固時生成粗大的一次碳化物,淬火時不能完全溶入奧氏體,從而降低了斷裂韌性,同時還會降低軋輥的表面粗糙度.3開發(fā)冷連u3000冷u3000u冷軋輥的發(fā)展方向將是在進一步提高強度硬度和淬硬層深度的同時,保證一定的韌性.大型冷軋工作輥將普遍采用含V、銑、Ni等元素的改進型5%Cr鋼制造.為提高材料的淬透性,Cr的含量將進一步增加,如8%～10%Cr及更高Cr的鍛鋼已開始用于實際生產(chǎn),但含Cr量的增加會導致較差的韌性,因此需要適當平衡C和Cr含量,在較低的溫度下淬火獲得所需要的冷軋輥硬度,從而減少軋輥的斷裂和降低其斷裂敏感性.另外,隨著鍛件制造技術的進一步完善,高Cr鋼工作輥將更多地應用于大型冷連軋機.5%Cr及其含V的改進型鋼廣泛用于大型支承輥鍛件,高Cr含量的大型鍛鋼支承輥進入實用階段.大型冷軋工作輥要求采用電渣重熔錠鍛制,而大型支承輥鍛件用鋼則被廣泛采用鋼包精煉并真空除氣的冶鑄工藝生產(chǎn),鋼水的純凈度均達到較高水平.熱軋輥工作在交變的高溫和力的作用下,其表面反復受到摩擦,會產(chǎn)生強烈的磨損,因此熱軋輥的發(fā)展主要在于進一步提高其耐磨性.在實際的軋制生產(chǎn)中,表面淬火和滲碳強化處理的熱軋輥己不能滿足對其高耐磨性的要求,但整體的高速鋼或硬質合金軋輥成本