(完整版)国内外热轧辊材料研究进展

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%Cr、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900-1100℃的轧材接触，辊面温度高达500℃，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MC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%Cr、0.5%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%Cr、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效果。高铬铸铁轧辊具有良好的抗氧化