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【技術分享】軋輥材料及熱處理工藝

發布時間:2019-07-22 點擊量:

軋輥的壽命主要取決于軋輥的內在性能和工作受力,內在性能包括強度和硬度等方面。要使軋輥具有足夠的強度,主要從軋輥材料方面來考慮;硬度通常是指軋輥工作表面的硬度,它決定軋輥的耐磨性,在一定程度上也決定軋輥的使用壽命,通過合理的材料選用和熱處理方式可以滿足軋輥的硬度要求。


概述了傳統的軋輥選材及其熱處理工藝,同時,對軋輥材料及其熱處理工藝的發展進行了展望。 傳統冷軋輥材料及其熱處理方式 冷軋輥在工作過程中要承受很大的軋制壓力,加上軋件的焊縫、夾雜、邊裂等問題,容易導致瞬間高溫,使工作輥受到強烈熱沖擊造成裂紋、粘輥甚至剝落而報廢。因此,冷軋輥要有抵抗因彎曲、扭轉、剪切應力引起的開裂和剝落的能力,同時也要有高的耐磨性、接觸疲勞強度、斷裂韌性和熱沖擊強度等。 


國內外冷軋工作輥一般使用的材質有GCr15、9Cr2、9Cr、9CrV、9Cr2W、9Cr2Mo、60CrMoV、80CrNi3W、8CrMoV、86CrMoV7、Mo3A等。 


20世紀50~60年代,這一時期的軋件多為碳素結構鋼,強度和硬度不高,所以軋輥一般采用1.5%~2%Cr鍛鋼。此類鋼的最終熱處理通常采用淬火加低溫回火,常見的淬火方式有感應表面淬火和整體加熱淬火。其主要任務是考慮如何提高軋輥的耐磨性能、抗剝落性能,并提高淬硬層深度,盡量保證軋輥表面組織均勻,改善軋輥表層金屬組織的穩定性。 


從20世紀70年代開始,隨著軋件合金化程度的提高,高強度低合金結構鋼(HSLA)的廣泛應用,軋件的強度和硬度也隨之增加,對軋輥材料的強度和硬度也提出了更高的要求,國際上普遍開始采用鉻含量約2%的Cr-Mo型或Cr-Mo-V型鋼工作輥,如我國一直使用的9Cr2Mo、9Cr2MoV和86CrMoV7、俄羅斯的9X2MΦ、西德的86Cr2MoV7、日本的MC2等。這類材質的合金化程度較低,在經過最終熱處理后,其淬硬層深度一般為12~15mm(半徑),僅能滿足一般要求,而且使用中剝落和裂紋傾向嚴重,軋制壽命低。 通過改進熱處理方式,即進行重淬1~2次,提高了該類軋輥的淬硬層,但每次重淬不僅需要一定的熱處理費用,而且會使軋輥直徑都要損失5mm左右,同時軋輥在經過多次熱處理后容易變形,難以滿足高精度軋輥的形位公差要求。因此,研制深淬硬層冷軋輥不僅可以大幅度地降低冷軋輥的消耗,減少軋輥在使用過程中的重新淬火次數,延長軋輥壽命,具有重大的經濟效益。 


為了減少重淬消耗,提高軋輥的淬硬層深度、接觸疲勞強度、韌性,延長其使用壽命,從20世紀70年代后期到80年代中期,國內外開始研究使用鉻含量在3%~5%的深淬硬層冷軋工作輥鋼。3%鉻冷軋輥不需重淬,且有效淬硬層深度可達到25~30mm,5%Cr冷軋輥有效淬硬層深度則達到40mm,其耐磨性和抗事故性能也有顯著提高。在這一階段,國內試制了9Cr3MoV鋼,國外一些制造廠也先后開發推廣了深淬硬層冷軋輥,如美國的3.25%Cr鋼和5%Cr鋼,日本的KantocRP53、FH13、MnMC3和MC5等。這些鋼都采用高碳高合金材料,具有良好的硬度和耐磨性,但軋輥淬硬表面脆性大,接觸疲勞壽命低,質量不穩定。 


為提高淬硬層深及接觸疲勞壽命,降低淬硬層脆性及過熱敏感性,同時也為滿足軋件對冷軋工作輥力學性能和使用性能的進一步要求,自20世紀80年代中、后期,國外軋輥生產廠對5%Cr冷軋輥鋼進行了化學成分的優化工作,主要是在5%Cr鋼中增加鉬、釩的含量或加入鈦、鎳等元素。 添加0.1%左右鈦的5%Cr鋼軋輥中,鈦以碳氮化合物(TiCN)形式在基體中微細析出,經過摩擦損耗后TiCN脫落,在軋輥表面形成劃痕,使適度的粗度再生。在鍍錫板軋機的實際操作中,有效利用粗糙度降低小的優點,從軋制初期就可高速軋制。 


在最終熱處理過程中,對軋輥鋼的淬火和加熱限制在奧氏體中含碳量不超過0.6%的程度,然后進行盡可能強烈的冷卻,這樣就可以得到較深的淬硬層。此時,軋輥的淬硬層組織除隱針馬氏體(以板條為主)外,尚有約4%的碳化物和10%左右的殘留奧氏體。軋輥的表面硬度(包括殘余壓應力的影響)約為HS(D)95~99。


最后,用低溫回火將軋輥表面硬度調整到規定值,低溫回火越充分,硬度偏低時韌性越好,抗熱裂能力越高。鉬、釩含量的增加導致淬火后鋼中含有較多的殘余奧氏體,回火后大部分又轉變為新馬氏體,這樣就有助于提高軋輥硬度,增強耐磨性并降低磨損面粗糙度。 傳統熱軋輥材料的選用及熱處理工藝 熱軋輥常工作在700℃~800℃的高溫環境,與灼熱的鋼坯相接觸,需要承受強大的軋制力,同時表面要承受軋材的強力磨損,反復被熱軋材加熱及冷卻水冷卻,經受溫度變化幅度較大的熱疲勞作用。這就要求熱軋輥材料必須具有高的淬透性、低的熱膨脹系數、高的熱傳導能力和高的高溫屈服強度及高的抗氧化性。 國內曾經使用過鍛鋼軋輥和無限冷硬鑄鐵軋輥,除普通冷硬鑄鐵外,還有低鎳鉻鉬、中鎳鉻鉬、高鎳鉻鉬鑄鐵材料,高檔次的冷硬鑄鐵材料為高鎳鉻鉬冷硬鑄鐵。這類材質軋輥的缺點是硬度低,耐磨性不好。后來采用了球墨復合鑄鐵軋輥,相對而言,使用壽命提高了幾倍,至今仍然在使用。國外則一般采用半鋼和高硬度特殊半鋼材質,對克服表面粗糙和抗磨損都很有效。 為了提高熱軋輥的表面耐磨性,熱軋輥的材料不斷地得到改進,其基本的發展過程是從冷硬鑄鐵到高鉻鑄鐵到半高速鋼和高速鋼。 


高鉻鑄鐵軋輥的化學成分為:2.0%~4.0%C,10%~30%Cr,0.15%~1.6%Ni,0.3%~2.9%Mo。其本質是一種高耐磨性的高合金白口鐵,鉻含量一般在10%~15%,其碳化物主要是M7C3型,與白口鑄鐵的連續的M8C型碳化物不同,它不但具有良好的耐磨性,還有較高的硬度(HV可達1800),基體為奧氏體、馬氏體,因而其硬度和韌性結合較好。實際的軋制生產表明,高鉻鑄鐵軋輥有較好的抗熱裂性能,原因是軋輥表面生成一層致密且有韌性的鉻的氧化膜,能減少熱裂紋的數量和深度。


因此,高鉻鑄鐵輥在20世紀80年代被非常廣泛用于精軋前架。目前,高鉻鑄鐵復合軋輥已廣泛用作熱軋帶 (鋼)連軋機,粗軋和精軋前段工作輥、寬中厚板;粗軋和精軋工作輥及小型型鋼和棒材軋機精軋輥等。 高鉻鑄鐵軋輥的熱處理有兩種形式,一是低于臨界轉變溫度的亞臨界熱處理,另一種是高于臨界點A3的高溫熱處理。高鉻軋輥表面材料的珠光體基體,希望具有極細的片間距,并在基體上有大量彌散分布的二次碳化物,要求有盡量低的殘余奧氏體和殘余應力,所以一般選用后一種形式的熱處理,具體為正火加回火。 高速鋼作為熱軋輥材料的應用在1988年始于日本,20世紀90年代初期美國和歐洲也進行了研制,我國在20世紀90年代后期開始研制和使用高速鋼軋輥。一般高速鋼的成分為1%~2%C,0%~5%Co,0%~5%Nb,3%~10%Cr,2%~7%Mo,2%~7%V,1%~5%W。


因為擁有大量可形成強碳化物的合金元素如W和V,其最終的顯微組織含有大約10%~15%具有極高硬度和高溫穩定性的碳化物,所以在高溫下工作能保持較高的強度和硬度。其工作層硬度高,可達到80~85HS,具有較好的耐磨性和抗熱裂性,軋輥表面沒有出現熱裂紋,一般沒有剝落現象。 近年來國外在熱軋薄板粗軋機架采用半高速鋼軋輥也獲成功,其耐磨性是高鉻鋼軋輥的2倍,且咬入性能和抗熱疲勞性能好,因而成為熱軋薄板粗軋機架和線棒材中軋機架軋輥的理想選擇,半高速鋼的化學成分范圍為:1.5%~2.5%C,0.5%~1.5%Si,0.4%~1.0%Mn,1.0%~6.0%Cr,0.1%~4.0%Mo,0.1%~3.0%V,0.1%~4.0%W。 高速鋼熱軋輥的熱處理方式一般采用淬火加回火,在加熱到高溫時,鋼中的二次碳化物充分溶解,一次共晶碳化物部分溶解。這些碳化物所含有的碳和合金元素溶入奧氏體中,增加了奧氏體中碳和合金元素的含量。在淬火時它們固溶于貝氏體和馬氏體中,而在回火時析出了彌散的碳化物,使鋼呈現出比淬火時硬度還要高的二次硬度。因此為了增加基體的硬度,應提高淬火溫度,同時,為了防止基體中出現塊狀粗大的碳化物,應盡量降低淬火溫度,一般確定最佳淬火溫度為1050℃~1150℃,同時回火溫度為550℃~600℃。 為了保證基體中含有大量彌散分布的球狀MC型碳化物,應增加V含量,但V不宜過高,因為V會降低淬透性,凝固時生成粗大的一次碳化物,淬火時不能完全溶入奧氏體,從而降低了斷裂韌性,同時還會降低軋輥的表面粗糙度。


冷軋輥的發展方向將是在進一步提高強度硬度和淬硬層深度的同時,保證一定的韌性。大型冷軋工作輥將普遍采用含釩、銑、鎳等元素的改進型5%Cr鋼制造。為提高材料的淬透性,Cr的含量將進一步增加,如8%~10%Cr及更高鉻的鍛鋼已開始用于實際生產,但含Cr量的增加會導致較差的韌性,因此需要適當平衡C和Cr含量,在較低的溫度下淬火獲得所需要的冷軋輥硬度,從而減少軋輥的斷裂和降低其斷裂敏感性。 另外,隨著鍛件制造技術的進一步完善,高鉻鋼工作輥將更多地應用于大型冷連軋機。5%Cr及其含釩的改進型鋼廣泛用于大型支承輥鍛件,高鉻含量的大型鍛鋼支承輥進入實用階段。大型冷軋工作輥要求采用電渣重熔錠鍛制,而大型支承輥鍛件用鋼則被廣泛采用鋼包精煉并真空除氣的冶鑄工藝生產,鋼水的純凈度均達到較高水平。


熱軋輥工作在交變的高溫和力的作用下,其表面反復受到摩擦,會產生強烈的磨損,因此熱軋輥的發展主要在于進一步提高其耐磨性。在實際的軋制生產中,表面淬火和滲碳強化處理的熱軋輥己不能滿足對其高耐磨性的要求,但整體的高速鋼或硬質合金軋輥成本極高,對于軋輥芯部材料將造成浪費。因此,軋輥的生產迫切需要進行表面處理,將硬質合金或陶瓷材料熔覆在軋輥的表面作為軋輥的工作表層。表面鍍鉻、火焰噴涂、等離子噴涂以及激光毛化都是工具表面合金強化技術,將進一步用于提高的軋輥的性能。 


總之,合理選材及采用合適的熱處理方式高質量地制造軋輥,可以節約大量的輥材,降低軋鋼生產成本,同時提高軋輥的質量和產量。因此,應重視軋輥選材的新動向,從軋鋼的實際條件出發.開發軋輥的新材質,提高軋輥的制造質量。


軋輥按工作狀態可分為熱軋輥和冷軋輥,按所起的作用可分為工作輥、中間輥、支承輥,按材質可分為鍛輥和鑄輥(冷硬鑄鐵)。通常軋輥的服役條件極其苛刻,工作過程中承受高的交變應力、彎曲應力、接觸應力、剪切應力和摩擦力。容易產生磨損和剝落等多種失效形式。


對熱軋輥來說,輥面不允許出現裂紋,表面裂紋缺陷容易造成應力集中,加速擴展而使軋輥失效。熱疲勞裂紋主要起因于周期性交變熱應力,嚴重情況下,裂紋擴展可能造成輥面剝落,甚至斷輥。冷軋輥主要失效形式包括劃傷、粘輥和剝落等。冷軋輥輥身表面應有高而均勻的硬度,其優劣表現在輥身工作層的耐磨性,即耐粗糙性。 

熱軋工作輥進行的熱處理一般有鍛后熱處理和調質。鍛后熱處理的主要目的是消除鍛后應力,細化晶粒,改善切削性能。鍛后熱處理還有擴氫作用。擴氫時間視鋼錠氫含量而定,一般認為[H]≤2×10-4%時,可取消擴氫處理。  調質 熱軋工作輥的最終熱處理是調質。調質的目的是保證軋輥表面獲得規定的硬度和力學性能,并保證心部具有足夠的韌性。

  

冷軋工作輥的熱處理一般有鍛后熱處理,調質和表面淬火。


鍛后熱處理 

鍛后熱處理的目的是降低硬度,消除殘余應力,同時還改善組織,得到細粒珠光體,消除網狀碳化物。鍛后熱處理還有擴氫作用。擴氫時間視鋼錠氫含量而定,一般認為[H]≤2×10-4%時,可取消擴氫處理。 


調質 

調質的目的是為表面淬火提供組織準備,使輥頸和輥心得到強韌性配合良好的粒狀珠光體組織,獲得良好的綜合力學性能,以承受激烈的表面淬火。 


表面淬火 

表面淬火使工作輥獲得高硬化層。表面淬火方法按加熱方法可分整體快速加熱淬火法和連續感應加熱淬火法,目前后者在生產實踐中應用更廣。 


在連續式感應加熱淬火工藝方法中雙頻感應淬火很有特色,它使用兩種不同頻率的感應器匹配進行感應加熱,在輥面溫度控制和加熱層溫度分布方面的具有明顯的優勢。 典型的雙頻淬火裝備以電流透入深度較大的工頻感應器作為主感應器,實現深層加熱,均熱一段時間后,再使用一個中頻感應器來得到較深的經過等溫的奧氏體化層,淬后獲得所需的淬硬層深度。中頻電源以250Hz為佳,也有使用500、1000、1200和2500Hz。 


中頻感應器的功率一般為工頻感應器的1/2~1/4。中頻感應器和工頻感應器之間的間距為90~120mm。感應器上升速度為0.5~0.6mm/s。 


軋輥要在加熱爐內整體預熱,心部要預熱透。提高預熱溫度,有利于提高加熱深度和縮短奧氏體化時間。根據軋輥淬硬層深的要求,可預熱至220℃~500℃,整體預熱后裝卡到淬火機床上進行感應淬火。 


感應淬火過程時將整體預熱的軋輥預熱到指定溫度后,將軋輥裝卡到活動框架上,輥身下端面與工頻感應器下平面保持在一個水平面上,兩個感應器從送電到全部進入輥身正常淬火,其功率逐漸增加,直到淬火全功率。同樣,當感應器離開輥身上端面時,功率也有大到小逐漸減小,直至全部離開輥身。 


感應加熱完成后,為減小淬火應力,應進行適當預冷后再噴淬。由于奧氏體在高溫階段比較穩定,噴水器與下感應器之間有40mm的空隙,輥面溫度下降到850℃左右,不會影響淬火硬度。 


輥身下降進入噴水器位置后,低壓大水量連續噴射冷卻7~10min,使淬硬層深度范圍內的冷卻速度超過貝氏體臨界冷卻速度直至冷卻到Ms以下,再浸水冷卻。浸水冷卻時間按輥身直徑每100mm冷卻15min計算,終冷溫度≤50℃。 


冷軋工作輥淬火后應及時回火。回火溫度根據要求的輥身表面硬度而定。一般來說,硬度大于90HS的軋輥的回火溫度為140℃~150℃,硬度為70~85HS的軋輥的回火溫度為310℃~330℃。輥身硬度大于95HS的軋輥,在精車和粗磨后應進行第二次回火,回火溫度比第一次低10℃。

  

目前鑄鐵軋輥的生產中,普遍采用消除內應力退火、石墨化退火、正火和回火等工藝 消除內應力退火 ,鑄鐵軋輥在澆注后的冷卻過程中,各部位通過塑性到彈性變形溫度的時間不同;在冷卻過程中軋輥發生石墨化和各種相變時其體積變化,這兩個因素使軋輥由表面至中心產生很大的應力。低溫退火,可在短時間內有效的消除軋輥內應力。根據軋輥的材質、尺寸和鑄造條件確定低溫退火的加熱速度、加熱溫度、保溫時間和冷卻速度等工藝參數。 


石墨化退火 

球墨鑄鐵軋輥的組織中往往存在著過多的自由滲碳體,具有形成白口的傾向性。為了獲得較高的綜合力學性能,可采取石墨化退火工藝。 


石墨化退火分為高溫石墨化退火和低溫石墨化退火。為了消除球墨鑄鐵鑄態組織中出現的大量的共晶滲碳體或自由滲碳體,需要采取高溫石墨化退火的熱處理工藝。當原始組織中的自由滲碳體少于8%,其組織為鐵素體+珠光體+石墨或珠光體+石墨,欲獲得鐵素體基體的球墨鑄鐵,則采用低溫石墨化退火的熱處理工藝。對于冷硬或無限冷硬球墨鑄鐵軋輥,多采取高溫石墨化退火工藝。

 

鑄鐵軋輥正火的目的是增加基體中的珠光體或索氏體組織的數目和彌散度,從而提高鑄鐵軋輥的強度、硬度、耐磨性,并保持一定的塑性與韌性。 


正火按加熱溫度可分為高溫奧氏體化正火和中溫部分奧氏體化正火。高溫奧氏體化正火加熱溫度在Ac3以上某個溫度范圍;部分奧氏體化正火加熱溫度在Ac1至Ac3范圍內。 


(1) 高溫完全奧氏體化正火。球墨無限在冷硬軋輥和球墨半冷硬軋輥可采用高溫完全奧氏體化正火。加熱溫度一般在900~960℃,經保溫基體全部變為奧氏體,然后出爐空冷、風冷或噴霧冷卻,從而獲得珠光體或索氏體基體的鑄鐵軋輥。若輥徑較大,正火冷速不足于抑制二次滲碳體的析出,往往需要增加一次正火,以增強正火效果。 


(2 ) 中溫部分奧氏體化正火。中溫部分奧氏體化正火處理方法是將軋輥在正火溫度(約800℃~880℃)保溫一段時間,然后空冷,再回火。由于奧氏體化的溫度較 正火后的軋輥一般要進行回火處理。回火時的升溫速度應≤20℃/小時,若升溫速度過快,產生新的熱應力與原有應力疊加易使軋輥斷裂。


轉載自:熱處理論壇。版權歸熱處理論壇原作者。

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