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高速鋼軋輥及其熱處理

文檔作者：戚正風(fēng)1 萬安元2 甘宅平2 趙晚子2 劉永志2 文檔來源： 1 大連交通大學(xué) 2武鋼軋輥廠		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年03月01日
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綜　述高速鋼軋輥及其熱處理
戚正風(fēng)1 ,萬安元2 ,甘宅平2 ,趙晚子2 ,劉永志2
(11大連交通大學(xué),遼寧大連　116028; 21武鋼軋輥廠,湖北武漢　430082)
摘要:綜述了冷、熱軋輥材料的發(fā)展過程;軋輥高速鋼的種類、成分;高速鋼軋輥的生產(chǎn)工藝以及高速鋼軋輥的熱
處理工藝。指出高速鋼在軋輥領(lǐng)域具有一個(gè)非常大的市場,應(yīng)于重視。另外,為了提高高速鋼軋輥的質(zhì)量,需要
解決高速鋼偏析問題及熱處理問題。
關(guān)鍵詞:高速鋼軋輥;熱處理;噴射成形;離心鑄造
中圖分類號: TG16216　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A　　文章編號: 025426051( 2008) 0820006204
High speed steel roll and its hea t trea tment
Q I Zheng2feng1 ,WAN An2yuan2 , GAN Zhai2p ing2 , ZHAO Wan2zi2 ,L IU Yong2zhi2
(11Dalian J iaotong University,Dalian L iaoning 116028, China; 21Roll Factory of
Wuhan Iron and Steel Group Co. ,Wuhan Hubei 430082, China)
Abstract:The development process of cold and hold rollmaterials, the types and chemical composition of high2speed steel roll
aswell as the p roducing technology and heat treatment of high2speed steel were reviewed. It was point out that high speed
steel has a bigmarket in roll field, so thatwe must pay attention to this problem. In addition, for improving the quality of high
speed steel roll, the problem of carbide segregation and heat treatment of high speed steelmust be solved.
Key words: high2speed steel roll; heat treatment; sp ray forming; centrifugal casting
作者簡介:戚正風(fēng)(1930—) ,男,浙江余姚人,教授,主要從事熱
處理原理及工藝以及工模具鋼的研究工作,已發(fā)表120余篇論
文、7本專著,并多次獲國家發(fā)明獎(jiǎng)及省、部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)。聯(lián)
系電話: 0411284608521　E2mail: qw626870@126. com
收稿日期: 2008204218
　　軋輥種類繁多,按硬度可分為表1 所示的4 類。
表1中硬輥也可稱為熱軋輥,其工作條件相當(dāng)于熱鍛
模;特硬輥也可稱為冷軋輥(其中包括工作輥、平整輥
及中間輥) ,其工作條件相當(dāng)于冷作模具。因此,對熱
軋輥及冷軋輥材料的性能要求基本上與熱作模具鋼及
冷作模具鋼相似。對熱軋輥用材的性能要求是:高溫
硬度、高溫強(qiáng)度、抗熱疲勞性、耐磨性、高淬透性及高導(dǎo)
熱性;對冷軋輥用材的性能要求是:高硬度、高強(qiáng)度、高
耐磨、高韌性、高接觸疲勞強(qiáng)度及高淬透性。
熱軋輥與冷軋輥用材都經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展過程。熱
軋輥用材的發(fā)展過程是:冷硬鑄鐵→高Cr鑄鐵→半高
速鋼→高速鋼→硬質(zhì)合金;冷軋輥用材的發(fā)展過程是:
低合金工具鋼→中合金工具鋼→高合金工具鋼→高速
鋼→硬質(zhì)合金。
高速鋼用于制作軋輥始于20 世紀(jì)八十年代[ 1 ] 。
雖然高速鋼軋輥價(jià)格昂貴,但性價(jià)比高,故問世后立即
得到軋鋼業(yè)的歡迎。遺憾的是到目前為止,我國所用
高速鋼軋輥基本上依賴進(jìn)口。但許多軋輥生產(chǎn)廠都在
積極試制,相信近期內(nèi)就會有所突破。
表1　軋輥按硬度分類
Table 1　Roll cla ssif ica tion accord ing to roll hardness
類型硬度(HS) 硬度(HRC) 用途
軟　輥30～40 < 30 大型初軋機(jī)
半硬輥40～60 28～45 鋼板初軋機(jī)
硬　輥60～85 45～62 鋼板熱軋機(jī)
特硬輥> 85 > 62 鋼板冷軋機(jī)
1　軋輥用高速鋼及其性能
軋輥用高速鋼包括鑄造高速鋼、鍛造高速鋼及無
碳化物偏析高速鋼,目前用得最多的是鑄造高速鋼,一
般都用于制作復(fù)合軋輥,輥面是高速鋼,芯部是球墨鑄
鐵或結(jié)構(gòu)鋼。鍛造高速鋼用得不多,在本世紀(jì)人們寄
希望的是無碳化物偏析高速鋼。
111　鑄造高速鋼
鑄造高速鋼一般與球鐵或中碳結(jié)構(gòu)鋼制成復(fù)合軋
輥。與制作刀具的高速鋼相比,制作軋輥用的鑄造高
速鋼的成分有以下一些特點(diǎn): ①C含量高,一般高速鋼
的碳含量僅1%左右,而軋輥用鑄造高速鋼的碳含量
高達(dá)2%左右; ②W當(dāng)量低,一般高速鋼的W 當(dāng)量為
18% ,而軋輥用鑄造高速鋼的W 當(dāng)量最低時(shí)低于
10%; ③Cr含量高,一般高速鋼的Cr含量均為4%,而
軋輥用鑄造高速鋼的Cr 含量最高可達(dá)10%甚至
20%; ④V 含量高,一般高速鋼的V 含量都在2%以
下,而用得最多的軋輥用鑄造高速鋼的V含量在5%
左右。故稱之為高碳高礬軋輥用高速鋼。
6 《金屬熱處理》2008年第33卷第8期
之所以有這些差別是為了: ①提高淬透性,因?yàn)檐?
輥尺寸比較大,最大直徑超過<1m; ②提高耐氧化耐
腐蝕性,以保證軋出的鋼板的表面質(zhì)量; ③提高耐磨
性; ④降低淬火溫度,以便與芯部球鐵相配合。表2為
軋輥用鑄造高速鋼的化學(xué)成分。由表2可見,軋輥用
鑄造高速鋼的化學(xué)成分差別很大。
表2　軋輥用鑄造高速鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)
Table 2　Chem ica l composition of roll ca sting
h igh2speed steels( wt%)
No. C W Mo Cr V Si Co Nb
1 1150～2150 0～5 3～5 4～7 4～6 015～110 — 0～2
2 2100～4100 2～15 5～20 4～6 — — — 1～2
3 1150～2150 2～10 2～10 2～10 — — — —
4 1100～2150 2～8 4～8 3～9 — — — 2～8
5 1100～3100 115～10 0～9 2～10 0～10 0～2 0～5 0～10
6 1150～2100 0～1 4～6 4～6 4～5 — — 0～1
112　鍛造高速鋼
鍛造高速鋼包括低合金高速鋼(半高速鋼) 、低碳
高速鋼、普通高速鋼、高硬高速鋼及超硬高速鋼。除低
合金高速鋼(半高速鋼)外,其他4種高速鋼的主要差
別在于碳含量的不同,由前向后碳含量不斷升高,淬、
回火后能夠達(dá)到的最高硬度也隨碳含量的升高而升
高,斷裂韌性則隨硬度的升高而下降。但對于碳含量
高的高速鋼可以采取降低淬火溫度的方法來降低硬
度,提高斷裂韌性。因此,這幾種高速鋼均可用于制作
軋輥。
高速鋼的主要缺點(diǎn)是存在碳化物偏析,尺寸越大
碳化物偏析越嚴(yán)重。而軋輥尺寸一般都比較大,故碳
化物偏析比較嚴(yán)重。當(dāng)直徑超過<120 mm時(shí)鍛造高
速鋼的碳化物偏析已經(jīng)與鑄造高速鋼不相上下,故只
有用于制作小規(guī)格冷軋輥時(shí)鍛造高速鋼才優(yōu)于鑄造高
速鋼。為了解決大軋輥碳化物偏析問題,只能采取噴
射成形及熱等靜壓等工藝。表3是幾種常用鍛造高速
鋼的化學(xué)成分。
113　無碳化物偏析高速鋼
表3　軋輥用鍛造高速鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)
Table 3　Chem ica l composition of roll forg ing
h igh2speed steels( wt%)
鋼號C W Mo Cr V Co 硬度(HRC)
半高速鋼0170 215 1175 4 015 — —
低碳M2 0160 610 5 4 110 — ≥60
M2 0184 610 5 4 210 — 60～65
M35 0190 610 5 4 210 5 63～67
M42 1110 1150 9 4 110 8 63～70
M22R42 1105 610 5 4 210 — 63～68
　　為消除碳化物偏析,人們都將希望寄托于無碳化
物偏析高速鋼。無碳化物偏析高速鋼包括噴射成形高
速鋼及熱等靜壓粉末高速鋼。這兩種高速鋼都是通過
改變生產(chǎn)工藝來消除碳化物偏析。任何成分的高速鋼
均可用這兩種生產(chǎn)工藝制成無碳化物偏析高速鋼。有
關(guān)這兩種工藝將在下面介紹。
2　高速鋼軋輥制造方法
按制造工藝可以將高速鋼軋輥分為鍛造軋輥、鑄
造軋輥、噴射成形軋輥、粉末燒結(jié)軋輥。
211　鍛造軋輥
鍛造高速鋼的生產(chǎn)過程為:電爐冶煉→澆鑄成錠
→鍛軋成形。為了提高鋼的質(zhì)量,目前采用的工藝是:
電爐冶煉→真空精煉→真空脫氣→澆鑄成錠→電渣重
熔→鍛軋成形。采用這個(gè)工藝,雖然可以提高高速鋼
的質(zhì)量,但是不能解決高速鋼偏析問題。故鍛造高速
鋼難以用于制造大軋輥。
212　鑄造軋輥
大型熱軋輥一般均采用鑄造工藝生產(chǎn)。輥身外層
為鑄造高速鋼,輥芯為球鐵或中碳結(jié)構(gòu)鋼。生產(chǎn)鑄造
軋輥的工藝很多,許多文章都有介紹[ 2 - 4 ] ,其中包括離
心鑄造工藝(CF工藝) 、連續(xù)鑄造工藝(CPC工藝) 、旋
轉(zhuǎn)電渣重熔工藝( ESR工藝) 、電渣復(fù)合工藝( ESSLM
工藝) 、沖洗工藝等。我國目前均采用離心鑄造工藝
(CF工藝) ,這里僅介紹這種工藝。
離心鑄造工藝分立式與臥式兩種,圖1為立式離心
鑄造設(shè)備。高速鋼液注入后依靠離心力凝成高速鋼外
殼,然后注入熔渣,最后注入球墨鑄鐵。離心鑄造工藝
的關(guān)鍵是掌握好球鐵澆注時(shí)間,澆注早了,未充分凝固
的高速鋼將被熔化而與球鐵混合在一起,澆注晚了球鐵
不能與高速鋼很好結(jié)合。在國外一般均采用立式,因便
于掌握。立式的缺點(diǎn)是設(shè)備比較復(fù)雜,且受重力影響,
沿高度方向高速鋼外殼厚度減薄。我國均采用臥式,優(yōu)
圖1　離心鑄造示意圖
Fig. 1　Schematic illustration of centrifugal casting p rocess
《金屬熱處理 》2008年第 33卷第 8期 7
點(diǎn)是設(shè)備簡單,缺點(diǎn)是難以掌握。在高速鋼凝固后與
上下模合成立式,然后從上面澆注入球鐵。離心鑄造
工藝除界面結(jié)合強(qiáng)度低且不易掌握外還存在VC容易
產(chǎn)生偏析的缺點(diǎn),解決的辦法是用Nb取代V。
213　噴射成形軋輥
噴射成形是一種新的快速冷卻工藝,用保護(hù)氣體
將液態(tài)高速鋼噴成細(xì)小液滴,在將凝未凝時(shí)噴射到物
體表面,凝成所需形狀。因?yàn)槭强焖倮鋮s,所以不會出
現(xiàn)共晶,也就不存在碳化物偏析。因此,世界各國都將
下一代大型優(yōu)質(zhì)高速鋼軋輥寄希望于噴射成形。
圖2a為噴射成形整體軋輥,即將高速鋼噴射在一
個(gè)旋轉(zhuǎn)并不斷下移的圓盤上,在兩側(cè)有兩對整形用的
旋轉(zhuǎn)的小軋輥;圖2b為噴射成形復(fù)合軋輥,即將高速
鋼噴射在一根旋轉(zhuǎn)并左右移動(dòng)的結(jié)構(gòu)鋼鋼棒上。
圖2　噴射成形工藝示意圖
( a)整體軋輥　( b)復(fù)合軋輥
Fig. 2　Schematic illustration of sp ray forming technology
( a)whole roll　( b) compound roll
噴射成形所得高速鋼的致密度不高,必須經(jīng)過鍛
造或熱等靜壓提高致密度后才能使用,這是噴射成形
軋輥的成敗關(guān)鍵。
214　粉末燒結(jié)軋輥
用熱等靜壓(H IP)工藝生產(chǎn)的粉末高速鋼是最好
的高速鋼。其生產(chǎn)工藝見圖3。由圖3可見,粉末高
速鋼生產(chǎn)過程十分復(fù)雜,包括將液態(tài)高速鋼噴成粉,裝
套、抽真空、密封、冷等靜壓、熱等靜壓,最后剝?nèi)ネ馓?
進(jìn)行鍛造(最新一代粉末高速鋼可以不經(jīng)鍛造) ,且熱
圖3　熱等靜壓工藝(H IP)生產(chǎn)粉末高速鋼
Fig. 3　H IP technology for p roducing powdered
high2speed steel
等靜壓爐十分昂貴。因此采用此工藝生產(chǎn)大規(guī)格軋輥
至少在目前還沒有可能,只能用于生產(chǎn)一些小型冷
軋輥。
3　軋輥用高速鋼性能
軋輥用高速鋼性能以鑄造高速鋼最差,鍛造高速
鋼優(yōu)于鑄造高速鋼,但優(yōu)越程度與碳化物不均勻程度
有關(guān),無碳化物偏析高速鋼性能最好。
311　鑄造高速鋼
在各類高速鋼中,鑄造高速鋼的性能最差,淬、回
火后的抗彎強(qiáng)度僅1000 MPa左右[ 5 ] 。但對于熱軋輥
來說,已經(jīng)能夠滿足要求。影響熱軋輥用鑄造高速鋼
性能的因素有: ①致密度低; ②用CF工藝生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生
的VC比重偏析; ③凝固時(shí)形成的網(wǎng)狀碳化物及萊氏
共晶。為提高致密度可以采用CPC、ESR、ESSLM等工
藝來取代CF工藝,但這幾種工藝均較CF工藝復(fù)雜。
為消除VC偏析,可以用Nb代替V。為使碳化物網(wǎng)斷
開,可以采用變質(zhì)處理。
對于鑄造高速鋼復(fù)合熱軋輥的性能要求見表
4。由表4知,鑄造高速鋼及球鐵能夠滿足熱軋輥
要求。
表4　鑄造高速鋼復(fù)合熱軋輥性能要求
Table 4　Requ ired properties of hot compound
roll ca sting h igh2speed steel
部位硬度(HS) 抗拉強(qiáng)度/MPa 抗彎強(qiáng)度/MPa
高速鋼表層85 ±3 600～900 600～900
芯部40 ±5 350～450 350～450
312　鍛造高速鋼
鍛造高速鋼的性能優(yōu)于鑄造高速鋼,但鍛造高速
鋼的性能除與鋼的質(zhì)量、成分及熱處理有關(guān)外還與碳
化物不均勻度有關(guān),隨碳化物不均勻度增加急劇下降,
見表5。
表5　182421高速鋼碳化物不均勻度對抗彎強(qiáng)度的影響
Table 5　Influence of carb ide heterogene ity on bend ing
strength of 182421 h igh speed steel
碳化物不均勻度(級) 2 3 4～5 7～8
抗彎強(qiáng)度/MPa 3500 2200 1700 < 1000
　　由表5可見,不均勻度為2級時(shí),抗彎強(qiáng)度可以
達(dá)到2500 MPa; 7 級以上時(shí)降至1000 MPa以下,與
鑄造高速鋼處于同一水平,不能滿足冷軋輥的需要。
故鍛造高速鋼在軋輥生產(chǎn)中用途有限,只能用于制
造小型冷軋輥。表6 是幾種常用鍛造高速鋼的性
能,但需要強(qiáng)調(diào)指出的是表中數(shù)據(jù)都是用細(xì)棒料、小
試樣得出的。
8 《金屬熱處理》2008年第33卷第8期
表6　鍛造高速鋼性能
Table 6　Properties of roll forg ing h igh speed steel
鋼號硬度(HRC) 抗彎強(qiáng)度/MPa 沖擊韌度/J·cm - 2
T1 63～66 2500～3000 18～32
M2 63～66 3500～4000 41～46
M35 64～67 ～3500 ～25
M42 67～70 2700～3800 23～30
313　無碳化物偏析高速鋼
無碳化物偏析高速鋼包括噴射成形高速鋼及熱等
靜壓粉末高速鋼。這兩種高速鋼由于不存在碳化物偏
析,故性能與軋輥尺寸無關(guān),因此,只要生產(chǎn)設(shè)備允許,
可用于制作任何鋼種、任何規(guī)格的冷、熱軋輥。
4　高速鋼軋輥熱處理
生產(chǎn)軋輥的關(guān)鍵在于熱處理,尤其是大型軋輥。因
為與各種冷、熱模具相比,軋輥的工作條件較好,故對性
能要求低于模具。但軋輥尺寸遠(yuǎn)大于模具,大大增加了
熱處理的難度。軋輥熱處理的要點(diǎn)是在保證性能的前
提下防止開裂。對于生產(chǎn)廠來說,軋輥熱處理工藝均為
絕密資料,不對外公開,故在國外雜志中鮮有報(bào)道軋輥
熱處理工藝的文章。國內(nèi)已有不少涉及軋輥熱處理及
防止熱處理開裂的文章[ 6 - 10 ] ,但都限于一般性敘述而
缺乏具體參數(shù)。對于生產(chǎn)廠來說,針對自己的產(chǎn)品,還
得通過實(shí)踐,摸索出有關(guān)熱處理工藝參數(shù)。本文將根據(jù)
大型高速鋼軋輥熱處理特點(diǎn)提出熱處理原則。
411　高速鋼軋輥退火
高速鋼軋輥澆鑄成形必須進(jìn)行等溫退火。目的是
消除可能引起開裂的硬度高的不平衡組織及內(nèi)應(yīng)力以
及便于機(jī)械加工。退火加熱溫度及等溫溫度與通用的
高速鋼等溫退火基本相同。為了防止退火時(shí)發(fā)生開
裂,加熱速度要慢;為了防止在等溫后的冷卻過程中產(chǎn)
生新的內(nèi)應(yīng)力,等溫后的冷卻速度也要慢。退火后進(jìn)
行機(jī)械加工。
412　高速鋼軋輥淬火
淬火在機(jī)械加工后進(jìn)行。淬火加熱溫度的確定與
一般高速鋼淬火基本相同,因?yàn)檐堓伋叽绫容^大,故淬
火加熱溫度可適當(dāng)降低。加熱時(shí)必須采取措施防止脫
碳。在500 ℃以下,加熱速度要慢一些, 500 ℃以上應(yīng)
快加熱。爐溫到溫后可以保溫一段時(shí)間再出爐,也可
以在軋輥表面溫度達(dá)到淬火溫度時(shí)立即出爐,即進(jìn)行
所謂差溫淬火。淬火冷卻應(yīng)采取噴水冷, 500 ℃以上
應(yīng)盡可能快冷, 500 ℃以下應(yīng)慢冷。冷至200 ℃左右
立即入爐回火。
413　高速鋼軋輥回火
回火溫度與一般高速鋼回火相同,亦為550～560
℃?；鼗鸺訜崤c冷卻速度應(yīng)較慢以防止開裂,回火次
數(shù)為3～4次。
根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況按以上原則確定熱處理工藝,
在確定工藝參數(shù)時(shí)可以參考《熱處理手冊》第3版第2
卷第7章“大型鑄鍛件的熱處理”。
5　結(jié)語
將高速鋼用于制作軋輥是高速鋼應(yīng)用的一個(gè)新的
領(lǐng)域,這個(gè)領(lǐng)域非常廣闊, 2007 年我國鋼產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)
到4189億噸,占世界鋼產(chǎn)量的36144%[ 11 ] ,這些鋼都
要用軋輥軋成鋼材,用現(xiàn)用軋輥軋制,噸鋼消耗軋輥約
1 kg,故2007年共約消耗軋輥50萬噸,如改用高速鋼
軋輥,即或使噸鋼消耗降為011 kg,高速鋼年消耗也將
以萬噸計(jì),由此可見市場之大,應(yīng)該引起工模具材料工
作者的重視。
軋輥尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于切削刀具,故存在碳化物偏析
問題。為了提高高速鋼軋輥性能,必須解決高速鋼碳
化物偏析問題。國際上一般認(rèn)為解決的辦法是發(fā)展無
碳化物偏析高速鋼。對于一個(gè)鋼產(chǎn)量世界第一大國來
說,我們不能總是用進(jìn)口的軋輥來軋我們生產(chǎn)的鋼錠,
為此,我們不僅要能生產(chǎn)高速鋼軋輥,而且要能生產(chǎn)出
世界一流的高速鋼軋輥。
最后,還應(yīng)指出,由于軋輥尺寸遠(yuǎn)大于切削刀具,
因此高速鋼軋輥熱處理的難度也遠(yuǎn)高于高速鋼刀具熱
處理,熱處理能否取得成功往往是高速鋼軋輥生產(chǎn)的
關(guān)鍵,我們必須加以重視。
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