各种轧辊材料的研究

3 各种轧辊材料的研究

3.1热轧辊材料研究

热轧生产中，轧辊的工作条件非常恶劣，主要是因为轧辊在生产过程中不仅受到很大的轧制压力而且轧辊表面受到轧件的强力摩擦。轧辊在工作中高速转动与高温的轧材作用下，轧辊表面容易发生氧化，氧化膜的脱落从而导致了轧辊失效[9]。轧辊在反复被轧材加热和冷却水冷却时会产生非常大的热应力，轧辊逐渐会出现热疲劳裂纹，在轧制力的作用下热疲劳裂纹会慢慢扩大，最后使轧辊破裂从而失效无法使用。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和热疲劳能力。热轧辊材料的发展和选用，主要着眼于提高轧辊的表面耐磨性，在轧辊表面的金相组织中形成较硬的碳化物。随着热轧技术的发展，热轧辊材料也在不断地得到改进和发展，从早期使用的冷硬铸铁轧辊，发展到半钢轧辊、高铬铸铁轧辊和高速钢轧辊。

早期使用的轧辊组织以M3C型碳化物为主，如Fe3C等。后来加入合金元素铬、镍等，碳化物类型仍以M3C为主，形态变化不大，呈网状分布，但碳化物由Fe3C变成了（Fe，Cr）3C，碳化物硬度提高，而且轧辊的基体组织由珠光体变成了马氏体和贝氏体，轧辊的耐磨性明显提高。在轧辊中进一步提高铬含量，碳化物由M3C转变成M7C3型为主，如Cr7C3等，硬度提高，碳化物形态明显改善，由网状分布变成菊花状分布，轧辊硬度提高的同时，力学性能尤其是冲击韧性和断裂韧性大幅度提高，轧辊使用性能明显改善。进入20世纪80年代末期，采用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，在使用状态下，轧辊表面层的金相组织主要由MC型和M6C型碳化物以及在高温下具有较高硬度的基体组织构成。表1-1中列出了不同材质轧辊中常见碳化物的形态和硬度。

表3-1 不同材质轧辊中碳化物的形态和硬度[10]

轧辊材质碳化物类型组织形态硬度，HV

冷硬铸铁Fe3C 网状1340

高铬铸铁Cr7C3孤立分布1600~1800

高速钢VC 粒状2800

高速钢M6C 细板条状1600~2400

3.2无限冷硬铸铁轧辊材料的研究

无限冷硬铸铁轧辊使用的时间非常的长久了，大约一百年前就已经在热轧带钢轧机上普遍使用普通无限冷硬铸铁轧辊了。无限冷硬铸铁材料是处于灰口铸铁和冷硬铸铁之间的。相对于冷硬铸铁来说，无限冷硬铸铁轧辊硅含量比较高（含

0.7%~1.6%Si），所以其辊身工作层组织中存在均匀分布的石墨而且和白口铸铁具有差不多数量的碳化物和莱氏体。无限冷硬铸铁轧辊的的硬化层的深度随着Cr、Ni、Mo等合金元素的增加而增加。无限冷硬铸铁轧辊的耐磨性取决于其碳化物含量，其碳化物含量越多耐磨性越好。其辊身表层不容易出现剥落缺陷是因为组织中很有少量的均匀分布的石墨，而且石墨有很好的导热性能，当轧辊表层受到轧件的热冲击时可以很好的起到缓解热应力的效果，可以很好的防止轧辊出现热裂纹。当石墨脱落时轧辊表层会出现细小的洞有利于轧件的咬入。

无限冷硬铸铁轧辊在制造生产中被广泛的应用，主要是因为其具有很好的抗热裂性而且热处理工艺非常简单。无限冷硬铸铁轧辊在世界各国的钢铁厂中被普遍用于热连轧机精轧前段和后段。硬度、化学成分及组织是影响无限冷硬铸铁轧辊性能的主要因素。无限冷硬铸铁轧辊用于带钢连轧机和中厚板轧机的硬度分别为75~85HS和70~80HS。马氏体和贝氏体是无限冷硬铸铁轧辊的主要基体组织，当然碳化物和石墨对轧辊的性能也会产生很大的影响，表3-2反映了石墨和碳化物数量与轧辊性能的关系。

表3-2 石墨和碳化物数量与轧辊性能的关系[11]

硬度，HS 轧辊类型石墨数量

（体积分数）/%

碳化物

（体积分数）/%

78~83

抗热裂型 3.5~5.0 28.0~32.0 耐热裂和磨损型 2.5~4.0 30.0~35.0 耐磨损型 1.0~3.0 32.0~45.0

近年来，为了提高无限冷硬铸铁轧辊的性能，通过加入合金元素来得到细小的高硬度碳化物和二次硬化现象，从而提高了轧辊的耐磨性。这种轧辊材料通过离心铸造凝固然后冷却来得到贝氏体和马氏体基体组织及分散的合金碳化物和细小的石墨组织。而且加入的合金元素还可以改善组织的形状大小，使其耐磨性和抗热疲劳性得到显著的改善[12]。

3.3半钢轧辊的研究

美国是最先研制出半钢轧辊的国家，在20世纪40年代末期轧机的精轧前段主要用的是合金冷硬铸铁轧辊，但是生产出来的带钢产品表层存在很多的“斑带”缺陷。美国冶金专家为了解决这一问题成功研制出了具有高强度和韧性以及耐磨性的半钢轧辊。国外称之为Adamite轧辊[13]。20世纪70年代半钢轧辊在国外使用非常广泛，是当时轧辊研究先进水平的代表和方向。这种轧辊的碳含量在1.4%~2.4%之间，日本将其归属于铸铁类，称其为“特殊高碳铬镍耐磨铸铁”轧辊；前苏联及东欧将其归属于铸钢类，称其为“过共析钢”轧辊；我国称其为半钢轧辊。半钢中游离碳化物的体积分数约为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做半钢，以石墨为主要存在形式的

称做球墨铸钢或石墨钢。半钢中常加入Si、Mn、Ni、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，其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。

今年来，国内也开展了离心铸造半钢复合轧辊的研究，其外层材质的化学成分设计为高碳、中合金钢。这样，可以得到较多的一次碳化物和二次碳化物，可提高辊身的耐磨性。由于半钢与球铁液相线的温度差很大，如果采用一次复合的方法，在卧式离心机的条件下，因合箱时间的耽搁，填心铁水温度稍低便会结合不好；铁水温度过高，既增加外层钢水回熔，又使心部组织粗大，二者均会降低辊心的性能。因此，添加合适的中间层及并控制其厚度，可减少辊身和辊心不同材质之间的线膨胀系数差；可有效防止外层铬等碳化物形成元素回熔造成的不利影响，从而实现内外层材质的冶金结合。辊心材质选为球墨铸铁，轧辊成分如表

1-3所示。半钢复合轧辊用于本钢1700mm热轧机精轧前段F

1~F

3

机架，毫米轧制

量为3800t。

表3-3 离心铸造半钢复合轧辊的化学成分（质量分数，%）[14]元素w(C) w(Si) w(Mn) w(P) w(S) w(Cr) w(Ni) w(Mo) 外层 1.65~1.85 0.30~0.45 0.8~1.0 ≤0.04 ≤0.02 1.5~1.7 0.6~0.8 0.4~0.6 中间层 3.0~3.2 1.4~1.6 ≤0.4 ≤0.05 ≤0.05 ＜0.2 0.8~1.0 0.1~0.3 心部 3.3~3.6 1.7~1.6 ≤0.3 ≤0.05 ≤0.03 ＜0.1 0.6~0.8 0.2~0.4 由于半钢轧辊的硬度不及冷硬铸铁轧辊，以及它受热时易膨胀等特点，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，工艺和生产技术较复杂，质量要求严，硬度与韧性的配合还没有达到更理想的境地成本较高。自20世纪80年代以来，在许多场合它逐渐被高铬铸铁轧辊和锻造白口铸铁轧辊替代。

3.4 高铬铸铁轧辊的研究

高铬铸铁和镍硬铸铁差不多是同一时间发展的，但是由于熔炼条件的限制其发展非常的缓慢。20世纪60年代以后，高铬铸铁得到快速的发展，主要原因是电炉熔炼的普遍推广。加入了铬元素之后，可以把碳化物的结构类型由网状M

3

C

型变成孤立的M

7C

3

型，同时大大提高了碳化物的硬度，其硬度由M

3

C的840~1100HV

提高到M

7C

3

的1300~1500HV，同时大大提高了其耐磨性和韧性，比镍硬铸铁效果

更好。高铬铸铁从发现开始就被大家认痛为具有非常好的耐磨想，因此被广泛应用于制造轧辊。

高铬铸铁用于制造轧辊始于20世纪30年代，1932年，美国已研制成功含