鍛造冷軋工作輥材料的發展

中國第一重型機械集團公司鍛造分廠 （黑龍江 161041） 王 爽 劉大琦

隨著熱加工工藝的不斷改進，軋輥制造廠不斷研究開發新鋼種，采用新工藝新技術，推動冷軋輥用鋼的更新換代，冷軋輥的質量及使用性能不斷提高。冷軋工作輥的材料從最初使用的軸承鋼逐步發展到含2%Cr、3%Cr、5%Cr鋼，以及高鉻鑄鐵、高速鋼、半高速鋼。目前，高速鋼及半高速鋼軋輥都是鑄造的復合軋輥，最初用于帶鋼熱軋機工作輥，近年來已開始用于帶鋼冷軋機工作輥。今后發展目標必然是整體鍛造的半高速鋼及高速鋼冷軋工作輥。

1.2%～5%Cr鍛鋼軋輥

鍛鋼軋輥是經過鋼包精煉除氣后真空澆注，鍛造工序普遍運用了KD法（上下寬V形砧大壓下量鍛造法）、FM法和WHF法等中心壓實方法，在熱處理工藝方面也有許多獨特技術。

20世紀80年代開發了含3%Cr和5%Cr的冷軋輥，在我國當時也曾經對3%Cr軋輥的試制有過嘗試，真正成功制造并使用含3%Cr冷軋工作輥則是在1992年以后，1997年試制成功5%Cr的冷軋工作輥，含2%Cr冷軋輥用鋼發展時間較長，涉及鋼種較多，但化學成分大同小異。在我國納入國家標準GB/T13314－1991的鋼種有5個是含2%Cr，一個含3%Cr的鋼種，以及9Cr3Mo。而常用含3%Cr的鋼種是MC3A，MC3B。含5%Cr的冷軋輥用鋼目前還沒有納入國家標準，但已經普遍應用，這些鋼種的化學成分如表1所示。使用結果表明，MC3A、MC3B、MC5軋輥的使用性能明顯優于2%Cr軋輥。淬硬層深，耐磨性好，事故率低，軋輥返修淬火的次數減少，使用壽命增長。

有報道降低鋼中C含量，提高Si含量，可以改善冷軋輥用鋼性能，所報道的鋼種相當于65Cr2SiMoV。試驗結果表明，此鋼種采用適當的工藝熱處理后，疲勞性能及殘留奧氏體量與9Cr2MoV相當，而強度及沖擊韌度均高于9Cr2MoV。國內雖然有人對這種鋼進行了研究，但并沒有投入實際應用。

20世紀40～70年代期間，直徑減少20mm時重新淬火，當時軋輥使用到直徑減少60mm時報廢。到20世紀80年代，軋輥使用增加到62mm，直徑減少30mm時重新淬火。20世紀80年代后期達到了不需要重新淬火的水平。現在軋輥可以使用到直徑減少100mm而不必重新淬火。近年來國內仍有對MC3、MC5冷軋工作輥研究的報道。

表1 含3%Cr、5%Cr的冷軋工作輥用鋼及化學成分（質量分數） （%）

2.高Cr鑄鐵軋輥

當軋輥鋼中Cr含量達到5%（質量分數）后，是否繼續增加Cr含量，有報道采用10%Cr鋼鍛制冷軋輥，硬度在90HS以上的淬硬層深度可達80mm以上，軋輥耐磨性大幅提高。但這種軋輥沒有得到推廣應用。冷軋輥用鋼的發展又走向了另一條途徑，把帶鋼熱軋機所用高Cr鑄鐵軋輥引入了帶鋼冷軋機。近年，國內仍有對高鉻冷軋工作輥用鋼的研究，認為高鉻鋼制作冷軋工作輥是發展趨勢。

高Cr鑄鐵軋輥最初用于帶鋼熱軋機，擴展應用到帶鋼冷軋機、型鋼軋機，多制成復合軋輥，心部為灰鑄鐵，表層為高鉻白口鑄鐵。最初制造的這種軋輥常在心部與外層結合處發生早期失效，如由于心部材料因疲勞產生裂紋并造成嚴重剝落。但經大量的研究改進，這一問題已經得到解決。

高Cr鑄鐵軋輥的熱處理工藝與普通鍛鋼軋輥不同，其是經350℃等溫轉變形成貝氏體與鐵素體的混合組織，能經受500℃工作溫度而不發生軟化，軋輥內的殘留壓應力很低。

高鉻鑄鐵軋輥用作冷軋機工作輥，由于其硬化層深，耐磨性好，事故率低，使用壽命高于普通鍛鋼軋輥。

3.高速鋼及半高速鋼軋輥

高速鋼及半高速鋼軋輥最初都是用作帶鋼熱軋機工作輥，近年來開始用于帶鋼冷軋機。

（1）高速鋼軋輥的性能特點 有報道稱高速鋼（HSS）軋輥是從高鉻鑄鐵輥轉化而來，碳化物形成元素Mo、W、Ti、V、Nb取代了一些Cr，使其中的碳化物類型及組織形態發生變化，氧化特性與高鉻鑄鐵不同，由于其表面易形成氧化膜而起到保護作用，可提高其耐磨性。

1999年4月，在英國伯明翰召開的軋輥會議上，報道情況表明高速鋼軋輥在帶鋼熱軋中的應用已很普遍，高速鋼軋輥已發展到第三代，在第一代軋輥中所存在的問題已經解決，值得注意的是高速鋼軋輥已開始用作帶鋼冷軋機工作輥。

（2）半高速鋼（SHSS）軋輥性能特點 第二次世界大戰期間，由于戰爭造成資源匱乏，人們為節約合金元素而嘗試減少高速鋼中的合金元素含量，并使其仍然保持足夠的二次硬化效果，在大致相同的熱處理工藝下，可以得到與高速鋼相同的硬度，從而可以代替高速鋼使用。

作為軋輥材料半高速鋼的化學成分與傳統的半高速鋼不同。有文獻報道對幾種半高速鋼軋輥的試驗研究，其合金元素含量均較低。

對半高速鋼軋輥組織及性能的研究報道很少，說明這方面的工作還剛剛開始。有文獻報道了對一種半高速鋼冷軋輥材料的試驗研究。鋼的化學成分如表2所示。用100kg真空感應電爐熔煉，于900～1100℃間鍛造成φ60mm圓棒，經球化退火后進行各項試驗。

表2 試驗用鋼的化學成分（質量分數） （%）

試驗鋼于1020℃淬火后的回火曲線表明，不論是經過冷處理還是未經冷處理的試樣都具有二次硬化的特點。二次硬化的峰值硬度對應于殘留奧氏體體積分數的急劇減少。未經冷處理的試樣二次硬化的峰值硬度為740HV，高于經過冷處理試樣的720HV。經冷處理的試樣，其中殘留奧氏體量減少，因而在450℃回火時就達到了二次硬化的硬度峰值，而未經冷處理的試樣在500℃回火才能達到硬度峰值。

二次硬化的效果來自兩方面：一是回火過程中所析出的碳化物粒子；二是回火過程中使殘留奧氏體轉變為馬氏體。回火過程中析出彌散分布的Cr、Mo、V的碳化物粒子，可增強鋼的耐磨性。

（3）國內整體鍛造半高速鋼冷軋工作輥 國內有報道，研究試制了整體鍛造半高速鋼冷軋工作輥，其化學成分如表3所示。

表3 試驗軋輥的化學成分（質量分數） （%）

試制工藝流程為：電弧爐冶煉→電渣重熔→鍛造→粗加工→調質→雙頻感應淬火→高溫回火。感應淬火溫度1090℃，回火溫度520℃。軋輥表面硬度92HSD，90HSD以上的淬硬層深度為25mm，87HSD以上的淬硬層深度為35mm。軋輥組織為回火馬氏體基體上分布著細小彌散的碳化物。

4.結語

冷軋工作輥材料從最初使用的軸承鋼逐步發展到含2%Cr、3%Cr、5%Cr鋼，以及高鉻鑄鐵、高速鋼、半高速鋼。材質的發展經歷了Cr含量由低到高的過程，而C含量則是由高到低的趨向，一定程度上打破了原來淬硬性與含C量關系的固有觀念，當Cr含量較高時，即使C含量降低也可獲得適當高的淬硬性，提高綜合使用性能。目前，高速鋼及半高速鋼軋輥都是鑄造的復合軋輥，最初用于帶鋼熱軋機工作輥，近年來已開始用于帶鋼冷軋機工作輥。今后發展目標必然是整體鍛造的半高速鋼及高速鋼冷軋工作輥。

（20121229）