各种轧辊材料研究.doc

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