轧辊用高速钢材料的研究现状

轧辊用高速钢材料的研究现状

提高轧材内在质量和尺寸精度、降低生产成本一直是轧钢工作者不懈追求的目标。应用轧制新技术可以有效提高轧材的质量,但同时也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。改变轧辊材质是提高轧辊性能的重要措施,轧辊材质发展的趋势是广泛使用合金元素且逐渐提高合金化程度,以在轧辊辊身表面形成较多较硬的碳化物,提高轧辊的耐磨性。为适应这一要求,20世纪80年代末日本首先开发出了铸造高速钢轧辊并将其正式用于带钢热连轧机上。之后不久,欧美各国钢铁企业也纷纷开发使用高速钢轧辊。目前,高速钢轧辊已在带钢热连轧机粗、精轧机架,冷轧带钢轧机,高速线材轧机的预精轧机架和棒材轧机上获得了广泛的应用。其综合使用寿命是传统轧辊材料的3~10倍,经济效益十分显著。

1高速钢轧辊的特点高速钢轧辊是利用具有高硬度,尤其是具有很好红硬性、耐磨性和淬透性的高速钢作为轧辊的工作层,用韧性满足要求的高强度灰铁、球铁、铸钢及锻钢作为轧辊的芯部材料,把工作层和芯部以冶金结合的方式复合的高性能轧辊。

1.1 高速钢轧辊的化学成分特点

(1)含有较多的C和V。C和V可以形成高硬度的MC型碳化物,提高轧辊耐磨性。

(2)有较高的Cr含量。Cr含量高,可在轧辊组织中形成一定数量的M7C3型碳化物,有利于降低轧制力和改善轧辊辊面的抗粗糙性。

(3)含有一定量的Co(不超过10%)。Co可提高高速钢轧辊的红硬性,从而提高轧辊耐磨性。

(4)离心铸造高速钢轧辊中含有不超过5%的Nb。Nb不但可以降低因合金元素密度差大而引起的偏析,还可细化凝固组织,减少网状碳化物,提高轧辊的热疲劳抗力。因轧制钢种、轧机条件及轧辊制造方法的不同,高速钢轧辊的化学成分也有所差异,常用的高速钢轧辊化学成分。

1.2 高速钢轧辊的组织特点碳化物的种类、形状、体积分数及分布是决定高速钢轧辊性能的主要因素。高速钢轧辊材料的微观组织结构与合金成分设计和工艺条件等因素有关,因材料成分和工艺条件不同,可出现了各种不同的研究结果。与传统的高铬铸铁轧辊中的M7C3型共晶碳化物相比,高速钢轧辊中除含有MC型碳化物外,还含有M2C、M6C和M7C3型碳化物。典型高速钢轧辊组织,不同材质轧辊中碳化物的形态、硬度及使用性能的比较见。

2 高速钢轧辊的生产工艺及其特点围绕着轧辊外层与芯部的冶金结合问题,高速钢轧辊的制造技术不断发展,从最早的离心铸造法(CF)发展到现在的连续浇铸复合法(CPC)、电渣熔铸法(ESR)、热等静压法(HIP)和喷射成型法(Osprey)。目前,国外主要采用离心铸造法、连续浇铸复合法和电渣熔铸法制造轧辊,而热等静压法和喷射成型法仍在完善和发展中。连续浇铸复合法制造的轧辊组织细小、均匀、夹杂物少,几乎没有缩孔、疏松等缺陷,但因生产设备、工艺复杂,我国仍无法生产;电渣熔铸法制造轧辊成本较高,且难以制造较大的轧辊;离心铸造法生产的高速钢轧辊尽管存在着合金元素易产生偏析而严重影响轧辊使用寿命的不足,但由于生产装备简单、工艺稳定、效率高、生产成本低,通过合理设计合金成分和工艺参数,生产出的轧辊仍可以满足大多数轧机的需要,因而在相当长一段时间内仍将处于主导地位。上述几种高速钢轧辊生产工艺的技术经济性能比较。

3 变质处理高速钢轧辊材料的研究现状

变质处理是在铸造条件下改善高速钢轧辊中碳化物形态、分布和提高轧辊性能的最有效方法[24-26]。向高碳高钒高速钢轧辊中添加0.3%的稀土变质时,虽然不能明显改善组织中碳化物的分布状况,但是可以促进加热过程中网状碳化物的断网和球团化;添加0.1%的镁变质时,组织中共晶碳化物明显减少,碳化物网得到细化;添加1.0%的钛或添加RE-T-iMg复合变质剂对碳化物的类型转变影响不大,但可以明显细化晶粒和共晶碳化物网;添加RE-T-iMg复合变质剂处理后,可基本消除热处理组织中的共晶碳化物网。

4 结语高速钢轧辊因具有良好的力学性能,目前已广泛应用于各种轧制生产中,并取得了较好的经济效益。但与国外先进水平相比,我国在高速钢轧辊的研究和应用方面还存在着较大差距。为不断提高我国高速钢轧辊的研究和使用水平,今后应加强以下几方面的研究。(1)加强高速钢轧辊化学成分合理匹配的研究。为减少离心铸造高速钢轧辊中MC型碳化物的偏析,添加Nb提高MC型碳化物密度是减少偏析的有效方法。但Nb也提高了钢的淬火温度,降低了二次硬化峰值出现的温度,并且Nb系的MC型碳化物比V系的碳化物粗大,轧辊在使用过程中易产生剥落。因此,应研究如何控制粗大NbC型碳化物的形成,提高轧辊中W、Mo含量,确保高速钢轧辊的红硬性和耐磨性,同时还要消除轧辊中的元素偏析。

(2)加强高速钢轧辊热处理工艺的研究。为提高高速钢轧辊的使用性能,高速钢复合轧辊表面工作层需加热到较高的温度(1150e以上)进行热处理,如此高的温度将对芯部材料的组织和性能不利,甚至会使芯部熔化。这就需要采用适当的热处理工艺,以兼顾工作层和芯部的性能。国外开发出了差温热处理工艺,但未对工艺作详细报道,我国应结合具体的成分设计和工艺条件,加强热处理工艺的系统研究,不断提高轧辊性能。

(3)加强高速钢轧辊使用特性的研究。尽管高速钢轧辊具有良好的耐磨性和耐热疲劳性能,但若使用不当,也会出现裂纹、剥落等缺陷。因此,应根据实际轧制条件确定合适的冷却水压力和流量,并实现计算机的自动控制,以对轧辊进行良好的冷却,防止轧辊表面氧化膜过度增厚,使氧化膜在高温氧化气氛下具有良好的抗剥落性,防止氧化膜脱落和轧辊表层剥落。同时,应选用合适的轧制润滑油和加入量,降低轧辊的摩擦系数和轧辊表面温度,减少热裂纹和轧辊表面的剪应力,改善轧辊表面状况及辊面凸度控制,提高板形质量。

(4)加强高速钢轧辊组织转变规律的研究。由于高速钢轧辊的生产成本高,不适于反复的工业性试验,应建立相关的计算机模拟模型,进行轧辊用高速钢材料的组织转变规律研究,缩短轧辊研制周期,为实际生产提供合理的工艺参数,实现稳定化的工业生产。

(5)加强变质处理计算机控制技术的研究。影响变质处理效果的因素很多,除了与变质剂的种类、加入量、加入方法有关外,还与变质处理时钢液的温度、变质剂加入后钢液的静置时间及变质剂加入前的钢液成分尤其是钢液中的S、O含量密切相关。以往变质剂的加入多数是凭经验、以手工操作的方式加入,致使高速钢变质处理效果的稳定性差。为稳定和提高变质处理高速钢轧辊的性能,应采用计算机技术对变质处理工艺进行自动控制。