轧辊的材料及热处理

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。

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。不同的用途、不同类型的轧辊处在各自特定的工况条件，其大致的性能要求如下：

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GCr5、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86CrMoV7、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。

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