高速钢及半高速钢轧辊

    关键词：高速钢  半高速钢  轧辊

1、高速钢轧辊的性能特点

    高速钢轧辊具有如下优点：

    （1）是除碳化钨以外耐磨性最好的合金；

    （2）可控制其氧化特性，适应每台轧机的应用；

    （3）热强性好；

    （4）轧制的产品表面非常光滑；

    （5）轧役周期可延长很多。

    1996年交付使用的高速钢轧辊应用在F1-F3机架有85%-100%，在F4-F6机架有40%-50%，最后机架小于10%，。可以说这是第一代高速钢轧辊，都是铸造的复合轧辊。当时这些轧辊在使用中出现一些问题，如裂纹、剥落等。

    到1999年，高速钢轧辊在带钢热轧中的应用已很普遍，高速钢轧辊已发展到第三代，在第一代轧辊中所存在的问题已经解决[1]，尤其值得注意的是高速钢轧辊已开始用作带钢冷轧机工作辊。

    高速钢轧辊具有较高的耐磨性和热稳定性，在高温下仍能保持较高的硬度，具有较深的淬硬层，在工作层范围内从轧辊表面向心部方向50mm的深度处硬度降小于3HS[1]。在600℃的温度下硬度可保持HRC63。由于显微组织的优越性，使得HSS热轧工作辊的耐磨性比常规热轧工作辊提高3-5倍。高速钢轧辊在回火马氏体或贝氏体基体上分布着弥散的碳化物。这种轧辊的韧性和保持表面粗糙度的能力很好。在带钢热轧机的成品机架上使用HSS轧辊大大降低了磨损，减少了换辊次数，板形和平整度更好。事实表明，从维护和使用性能看，这种轧辊代表了带钢热轧机工作辊的主要发展方向。

2、半高速钢（SHSS）轧辊的性能特点

    高速钢作为切削工具或作为冷作模具使用，由于工作条件恶劣，对钢的耐磨性和红硬性要求很高。为保证较高的耐磨性和红硬性，高速钢中的合金元素含量很高。为节约合金元素而尝试减少高速钢中的合金元素含量，并使其仍然保持足够的二次硬化效果，在大致相同的热处理工艺下，可以得到与高速钢相同的硬度，从而可以代替高速钢使用。

    作为轧辊材料的半高速钢的化学成分与传统的半高速钢不同。文献[2]对作为热轧工作辊的材料按所含Cr、Mo、W、V等合金元素的总量进行如下分类：

    （1）热作模具钢（HWDS）：6%-8%，用于粗轧机架；

    （2）半高速钢（SHSS）：8%-15%，用于成品机架；

    （3）高速钢（HSS）：＞15%，用于成品机架。

    表1给出了各类钢合金元素含量的大致范围。

表1  各类钢的合金元素含量范围[2]

3、高速钢及半高速钢轧辊的显微组织及其对性能的影响

    有报导[3]对高速钢（HSS）、高Cr铸铁及加Ni麻口铸铁热轧工作辊的显微组织及热疲劳性能进行对比研究。选用钢种化学成分如表2。试验所用的试料都取自离心铸造法生产的复合轧辊的表层。HSS轧辊和高Cr铸铁轧辊经950-1050℃加热，空冷淬火后，于450-600℃回火2次。加Ni麻口铸铁轧辊未经淬火处理，只是在450-600℃回火1次。在显微组织观察中选用成分为：3g K₃Fe（CN）6+10gNaOH+100mH₂O腐蚀剂。经其腐蚀可使试样中各种类型的碳化物显示不同的颜色和对比度。

表2  试验轧辊材料的化学成分

    结果表明高速钢轧辊中具有3种类型的碳化物，M₇C₃（灰色），MC（白色），M₆C（黑色）；高Cr铸铁轧辊中的碳化物为M₇C₃；含Ni麻口铸铁中碳化物为Fe₃C。

    电镜观察表明：HSS、高Cr铸铁试样基体为回火马氏体以及细小的二次碳化物。但高Cr铸铁中粗大的二次碳化物较HSS中多。加Ni麻口铸铁中为回火的马氏体与少量二次碳化物。3种轧辊中各种类型碳化物的体积分数、硬度及基体硬度列于表3。

表3  三种轧辊中碳化物体积分数、碳化物及基体硬度

    试验结果表明HSS轧辊具有最高硬度和强度，所含碳化物体积分数最低，热疲劳寿命最长。文献[4]报导一种用于带钢热轧的高碳高速钢复合轧辊，用连续铸造法制成，其化学成分（%）为C1.5-3.5，Cr2-7，Mo＜9，W＜20，V3-15。这种轧辊中的碳化物主要为MC（HV3000）、M₇C₃（HV2500）、M₆C（HV2000）。其耐磨性比铸铁轧辊和高铬铸铁轧辊好，而断裂韧性K_IC大致相同。

    表4给出了几种轧辊材料中碳化物的硬度及形貌特点（铸态）[5]。高碳高速钢中含有细小的先共晶MC型碳化物，主要是VC，共晶M₆C碳化物，主要由Fe、Cr、Mo和W等形成，分布于细小的晶界处，基体为回火马氏体和贝氏体。

表4  碳化物的物理性能

    高碳高速钢轧辊用于带钢热轧机成品机架，使用性能与传统的高合金铸铁轧辊比较有如下优点：

    （1）耐磨性至少高出5倍；

    （2）保持表面粗糙度的能力至少高4倍；

    （3）强度至少是2倍。

    高速钢轧辊中通常含V，以增强耐磨性，Cr增强抗氧化性及硬度，钼和钨形成碳化物增强经硬性，有时加入Co以改善高温硬度。高速钢轧辊的性能依赖于所含碳化物的类型及硬度，这些碳化物可能是凝固过程中形成的一次碳化物，也可能是回火过程中析出的二次碳化物。绝大多数一次碳化物主要分布于凝固过程中形成的晶界处，导致较低的断裂韧性和热疲劳性能。

    文献[6]报导了对轧辊用高碳高速钢K_IC及力学性能的研究。结果表明K_IC值、抗弯强度随碳含量增加呈直线下降，随钒含量增加而增大。

    对碳化物含量、形态及精细结构的研究表明，在铸造状态下，M₂C型碳化物呈板条状，MC型碳化物呈圆棒状，M₇C₃型碳化物呈大块菊花状。

    FORCAST在开始试制高速钢轧辊9年之后，推出其第4代高速钢轧辊[7]，化学成分如表5。

表5  HSS轧辊的化学成分%

    测定了钢的热扩散系数、导热系数、弹性模量、线膨胀系数等物理参数。实践证明高速钢轧辊的应用是成功的，降低了轧制成本，提高了产品质量。

    对半高速钢轧辊组织及性能的研究报导很少。文献[8]报导了对一种半高速钢冷轧辊材料的试验研究。钢的化学成分如表6。这是目前所见到的报导中合金元素含量最低的半高速钢。用100kg真空感应炉熔炼，于1100-900℃间锻造成φ60mm圆棒，经球化退火后进行各项试验。

表6  试验用钢的化学成分%

    从试验钢于1020℃淬火后的回火曲线可以看出，不论是经过冷处理还是未经冷处理的试样都具有二次硬化的特点。二次硬化的峰值硬度对应于残余奥氏体体积分数的急剧减少。未经冷处理的试样二次硬化的峰值硬度为HV740，高于经过冷处理的试样的HV720。经过冷处理的试样，其中的残余奥氏体量减少，因而在450℃回火时就达到了二次硬化的硬度峰值，而未经冷处理的试样要在500℃回火才能达到硬度峰值。

    二次硬化的效果来自2方面：一是回火过程中所析出的碳化物粒子；二是回火过程中使残余奥氏体转变为马氏体。回火过程中析出的弥散分布的Cr、Mo、V碳化物粒子可增强钢的耐磨性。回火后试样硬度依赖于各相硬度及体积分数，认为遵从混合定律，即：

    HV＝af（FM）+bf（TM）+cf（γR）

    其中d、b、c分别表示各相的硬度，f(FM)、f(TM)、f(γR)分别表示回火中新生成的马氏体，回火马氏体和残余奥氏体的体积分数。

4、高速钢及半高速钢轧辊的制造工艺

    高速钢轧辊多采用复合式，即轧辊的工作层用高速钢制造，芯部用锻钢、铸钢、灰铸铁或球墨铸铁制造，以一定的冶金方法把工作层和芯部结合起来制成轧辊[1]。

    围绕着外层与芯部结合的问题，高速钢轧辊的制造技术不断发展。早期高速钢复合轧辊主要用离心铸造法制造，后来为克服离心浇铸所产生的偏析，又出现了连续浇铸复合(CPC)法、电渣熔铸复合(ESRC)法、热等静压(HIP)法、喷射(Osprey)法[2]。

    高速钢复合轧辊表面工作层热处理需加热到较高的温度，如1150℃，这样高的温度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。同时，人们对芯部材料的选择进行了大量研究，以保证其在与工作层相同的高温下热处理仍能获得较好的性能。解决这一问题还有另一条途径，采用差温炉热处理。差温炉的加热速度很快，当把轧辊外部工作层加热到1100℃以上时，芯部仍保持较低一些的温
度，这就使得表面高速钢工作层和芯部材料都达到比较适合的淬火温度。此时进行淬火处理，可使表面层和芯部都获得理想的组织和性能。

    半高速钢轧辊最初也是制成复合轧辊，到1992年日本日立公司已生产150支以上的半高速钢复合轧辊，并在冷轧机上使用，轧辊直径为250—630mm，在实际轧制中取得了良好效果。与常规的含5％Cr和10％Cr的整体锻钢轧辊相比较磨损减少，疲劳层浅，轧辊消耗显著减少，生产相同数量的冷轧带钢，轧辊消耗仅为5％Cr钢轧辊的21％。

    近年来，制造整体锻造高速钢和半高速钢轧辊的初步尝试已有报导[2]，采用整体锻造法试制的半高速钢和高速钢轧辊用作带钢热轧机工作辊。对轧辊的质量要求如下。

    (1)辊身外层：均匀弥散分布的高合金碳化物、马氏体基体、细晶粒组织、能满足要求的高温性能；

    (2)过渡层：组织和性能过渡平稳、避免急剧变化；

    (3)轧辊芯部：碳化物不要连续分布、避免宏观偏析、力学性能满足要求。

    (4)辊颈：经适当热处理得到要求的力学性能。

    采用固定感应加热淬火，选择适当的加热参数，使表层奥氏体化并淬火得到较高的硬度，使芯部仍保持较好的韧性。然后经高温回火，表层得到高硬度，并且轧辊中残余应力很小。

    对φ770mm的SHSS钢轧辊的横向低倍组织分析表明，整个截面上组织均匀，没有偏析或内部缺陷。外层组织为细小的马氏体基体上弥散分布着合金碳化物，过渡区存在贝氏体，芯部仍保持轧辊预备热处理后的组织。1997年将这种半高速钢轧辊用于带钢热轧机的成品机架F1-F5，轧辊规格为φ770mm*l700mm*4572mm，平均毫米轧制量为6000-8500t/mm。从F1机架换下来的半高速钢轧辊表面粗糙度为20-30RA，而相比之下，铸造轧辊则为80-100RA。

5、高速钢及半高速钢轧辊的应用

    铸造高速钢轧辊主要用于带钢热轧机工作辊。加拿大Dofasco公司从1992年起在带钢热轧机上使用高速钢轧辊，当时从4家轧辊制造厂共购进24支HSS轧辊。在此后的6年内Dofasco共消耗HSS轧辊200多支。到1999年时F1-F4机架全部采用HSS轧辊，F5机架40％采用HSS轧辊。使用的轧辊购自不同的制造厂，制造方法也不相同。对其性能进行比较认为，连续铸造高速钢轧辊性能优于离心铸造高速钢轧辊。使用高速钢轧辊后，轧辊消耗明显减少，轧机工作效率提高，带钢产品表面质量明显改善。

    美国Inland公司在2032mm带钢热轧机上使用高速钢轧辊，成功地减少了换辊耽搁的时间，促进了轧机尽快达到最初设计的生产目标。在成品机架的前几架可以取代高Cr铸铁轧辊。轧辊消耗降低，费用消耗比使用普通轧辊大为减少。

    近年来国内也试制了高速钢复合轧辊[9]，采用合金球墨铸铁或铸钢为芯部材料，用离心铸造法制成高速钢复合轧辊，用于热轧窄带钢轧机成品机架，综合使用寿命比原来使用的高镍铬钼铸铁轧辊提高10倍以上。

6、结语

    半高速钢轧辊的制造和应用具有2方面特点，一是主要制成铸造的复合轧辊，二是主要应用于带钢热轧机工作辊。近年来高速钢轧辊开始用于带钢冷轧，整体锻造高速钢、半高速钢轧辊的研究开发工作刚刚开始，所试制的轧辊于1997年用于带钢热轧机工作辊，取得了较好的效果。整体锻造高速钢及半高速钢冷轧工作辊的研制必将是下一个发展目标。

参考文献：

[1]符寒光 高速钢轧辊研究的现状及展望 钢铁，2000 35（5）：67-73

[2]Ott A.Development of Forged Steel Roll Metallurgy for Hot Strip Mills. Ironmaking and Steelmaking,2000,27(1):11-14

[3]SUNGHAK LEE,DO HYUNG KIM,JAE HWA RYU,et al..Correlation of Microstructure and Thermal Fatigue Property of Three Work Rolls.METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A,1997,28A(12):2595-2608

[4]Yoshikazu SANO,Toshiyuki HATTORI,Micho HAGA.Characteristics of High-carbon High Speed Steel Rolls for Hot Strip Mill.ISIJ International,1992,32(11):1194-1201

[5]Hashimoto M,Kawakami T,Kutahashi R.Characterisitics and Application of High-Speed Tool Steel Rolls in Hot Strip Rolling.36th MWSP CONP. Proc., ISS-AIME,Vol.34,1995:55-64

[6]周宏，王金国，贾树盛，等 轧辊用高碳高速钢系合金的K_IC及力学性能 钢铁，1997，32（8）：59-62

[7]CAILLAUD J C，DELAITER L.Metallurgy of HSS Roll Materials.36th MWSP CONF.PROC,ISS-AIME,Vol.34,1995:27-31

[8]Tatsumi KIMURA,Masatake ISHII,Keniti AMANO,et al..Secondary Hardening Characteristics and Those Effects on the Wear and Thermal Shock Resisance of 5%Cr-Mo-V Steel Roll for Cold Strip Mill.ISIJ International,1992,32(11):1224-1231

[9]宫开令，董雅军，高春利 高速钢复合轧辊的研制及生产 钢铁，1998，33（3）：67-71

（作者：北满特殊钢集团有限责任公司 刘德富，哈尔滨工业大学材料学院 尹钟大）