高速钢轧辊热处理试验计划

淬火温度和冷却方式对高速钢轧辊的影响

专业：材料科学与工程

1立题的目的和意义

轧辊是轧钢生产中的主要消耗备件之一，消耗约占轧钢生产成本的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效率，还在很大程度上影响轧材质量【1，2】。近年来引起广泛关注的高速钢轧辊是利用高硬度、高红硬性、较好耐磨性和淬透性的高速钢作为轧辊工作层，用韧性满足要求的锻钢、铸钢或铸铁作为轧辊芯部材料，把工作层和芯部以冶金或套装方式结合起来的高性能轧辊。高速钢轧辊具有碳化物硬度高、热稳定性好、使用中易形成氧化膜及淬透性好等特点。为了更好地利用高速钢轧辊材料的优良性能，研究与其相关的制造工艺具有重要的意义。高速钢轧辊的组织和性能与热处理有直接关系，由于轧辊用高速钢材料与传统高速工具钢在成分和工艺条件等方面存在着较大的差异，所以，本文拟研究淬火温度和冷却方式对高速钢轧辊组织和性能的影响，以期获得优化的高速钢轧辊热处理工艺。

2国内外研究概况

生产轧辊的关键在于热处理，尤其是大型轧辊。因为与各种冷、热模具相比，轧辊的工作条件较好，故对性能要求低于模具。但轧辊尺寸远大于模具，大大增加了热处理的难度。轧辊热处理的要点是在保证性能的前提下防止开裂。国内已有不少涉及轧辊热处理及防止热处理开裂的文章【3-7】，但与国外外研究的差距仍然十分巨大。

横满雄三等人【8】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，获得了多元自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。Lee等人【9】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540℃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570℃回火抗表面粗糙性好，耐磨性也较好。Kiln等人【10,11】研究了热处理对离心铸造高速钢轧辊力学性能的影响，发现淬火温度的适当增加有利于提高高速钢轧辊的断裂韧性，回火温度增加，有利于提高高速钢轧辊硬度。Pellizzari 等人【12】研究了淬火冷却方式和回火次数对高速钢轧辊使用性能的影响，发现高速钢轧辊经风冷淬火和两次回火，具有良好的使用效果。

为了解决高速钢轧辊高温处理时辊芯强度明显下降的问题，符寒光【13】发明了高速钢复合轧辊热处理方法。首先将轧辊进行退火处理，退火温度：870-890℃，保温时间6--10 h。再在50 H沈50 Hz双频淬火机床上进行感应淬火，轧辊在感应淬火前进行预热处理，预热温度280--350℃，预热保温时间6—10h。淬火加热时，轧辊需要旋转和沿轴向垂直下移。轧辊加热后快速水冷，然后在520-560℃进行第一次回火处理，随后空冷。再将轧辊重新加热至500-540℃进行第二次回火处理，然后炉冷至小于200℃后空冷。该工艺处理高速钢复合轧辊，工艺简便、能耗低、生产周期短、轧辊强度高、使用效果好。日本Kontoku公司开发的热带精轧机前段机架用离心铸造高速钢轧辊，通过改变铸造条件和应用锻钢的淬火技

术，利用感应热处理进行淬火急冷，使轧辊过钢量比传统离心铸造高速钢轧辊提高30％，已在住友金属公司和韩国浦项钢铁公司批量使用。

3所要解决的主要问题

高速钢轧辊需要具有高硬度、高红硬性、较好耐磨性和淬透性，而淬火温度和冷却方式显然对这些性能有重大的影响。但是不论国内国外，虽有不少涉及高速钢轧辊热处理的文章，却都只是一般性叙述，具体参数被视为绝密资料。故而本文拟通过实验，找到不同淬火温度和冷却方式对高速钢轧辊的影响趋势，以确定最佳的热处理方案。

4采取的实验方法

实验高速钢的化学成分如下表

表1 式样化学成分

元素 C V Cr W Mo Nb Co Ni Al

2.42 5.87 5.19 6.59

3.15 1.21 1.13 0.64 0.55

含量

(w%)

试块长度160mm，高度100 mm，上部宽30 mm，下部宽20 mm。试块用线切割加工成10 mm×10 mm×55 mm无缺口冲击试样，10 mm×20 mm×100 mm 断裂韧性试样和直径6 mm×25 mm磨损试样。用于测试高速钢轧辊淬透性的试样采用单独铸造的直径100 mm球。由于淬火加热前的原始组织对淬火的硬化特性有重要影响，因此，所有用于淬透性测试的试样都在950℃进行了退火处理，退火加热的保温时间为3 h。退火处理后将试样重新加热到1 050℃，保温3 h，以不同冷却方式冷却到室温后，沿径向切开，从球外圆至球心每隔5 mm测试硬度值，每点硬度是五个数据的平均值。试样在极限真空度为6.7×10-2Pa的热处理炉中加热。淬火冷却采用油冷(油温50±5℃)、喷雾冷却(简称雾冷)和空冷3种冷却方式。用金相显微镜和扫描电镜观察组织，残余奥氏体(Ar)量在D-MAX ／YB型X射线衍射仪上测出。

5预期的结果或效益分析

(1)油冷条件下，淬火温度低于某一温度时，随着淬火温度升高，硬度升高，超过此温度，硬度反而降低。雾冷和空冷条件下，淬火温度对硬度影响结果相似，但获得最高硬度的淬火温度高于油冷时的淬火温度。

(2)油冷高速钢轧辊淬透性最好，雾冷次之，空冷最差，但油冷和雾冷差别不大。

(3)随着淬火温度升高，高速钢轧辊红硬性提高；淬火温度低于某一温度时，红硬性随淬火温度升高而明显增大，超过此温度时，淬火温度对红硬性影响程度减弱。

(4)随着红硬性试验温度升高，红硬性降低。淬火温度升高时，红硬性试验温度对红硬性降低的影响程度减弱。

参考文献

[1] Carvalho M A De，Xavier R R，Filho C S P，et a1．Microstructure，mechanical Properties and wearresistance of high speedsteel rolls for hot rolling mills [J]．I＆SM，2002，29(1)：27—32．

[2] Corbett R B．Roll Quality-an Overview[A]．The Iron and Steel Society，lnc．(USA)．Rolls for the Metalworking Industries[C]．The Iron and Steel Society，Inc．，410 Commonwealth Dr．，Warrendale，Pennsylvania15086，USA，1990，215-226．

[3] 符寒光,等.高速钢复合轧辊辊套热处理新工艺研究[J].中国冶金，2005(4):25-29.

[4] 符寒光，等.离心铸造高速钢轧辊热处理缺陷形成与控制技术研究[J].中国铸造装备与技术，2005 (1) :17-19.

[5] 冯明杰，等.高速钢复合轧辊及去热处理[J].中国冶金2006, (10 ) :14-19.

[6] 王天义，等.轧辊材料及其热处理工艺发展的现状与趋势[J].南方金属，2005 ( 2) :4-6.

[7] 蒋志强，等.高速钢轧辊热处理裂纹的形成与控制[J].金属热处理，2006,31(增刊):160-162.

[8] 横箔雄三，笹栗信也，南条潔，等．炭素量の异なる多合金系白铸铁の连续冷却变态举动[J]．铸造工学．2002．74(1)：9-16．

[9] Lee J H,Oh J C．Park Jw , eta1．Effects of tempering temperature on wear resistance and surface roughness of a high speed steel roll [J]．ISIJ Inter．2001，41(8)：859-865．

[10] Kim C K，Lee D G，LeeS．Correlation of microstructure and fracture properties of five centrifugal cast high speed steel rolls[J].Materials Science and Technology.2007．23(9)：1065-1074．

[11] Kiln C K，Park J. Lee S, et a1．Effects of alloying elements on microstructure , hardness．and fracture toughness of centrifugally cast high-speed steel rolls[J]．Metallufgical andMaterials Transactions，2005。36A(1)：87-97．

[12] Benazza A．Ziadi A．Serier B．Hot compression and fracture toughness of HSS composed hot strip work rolls[J]．Journal of MaterialsScience，2007，42(3)：834-840．[13] 符寒光，邢建东，雷永平，等．高速钢复合轧辊热处理方法：中国，CNl01215628[P]．2008—01—11．