熱軋板帶粗軋高速鋼工作輥的研發與應用

周 軍，馮喜鋒

（江蘇共昌軋輥股份有限公司，江蘇 宜興 214253）

高速鋼軋輥由于其良好的耐磨性和高溫紅硬性，近三十年來一直在不斷的研發和應用試驗，材質也不斷地進行更新換代，目前在熱軋精軋前段的應用基本比較成熟，但是在粗軋和精軋后段應用較少，主要是由于不同機架軋制環境和特性不同造成的，所以需要研究特定環境試用下的高速鋼，研發個性化材質來適應，本文主要研究熱軋粗軋環境下高速鋼的研發與應用[1]。

1 粗軋高速鋼的服役特點及性能設計方向

熱軋粗軋機架分布常用的一般有兩種：單機架4輥或者兩輥R1+四輥R2，通常工作輥采用半鋼、高鉻鋼材質，少量使用工具鋼或者半高速鋼，首先我們需要對使用環境和特點與精軋前段做一個對比分析：

表1 使用環境對比分析

通過使用環境對比分析可以得出：無論是壓下量、軋制壓力，還是換輥周期、板坯溫度及過鋼方式，粗軋的工作輥的軋制條件和要求都高于精軋前段，這就要求軋輥具有較強的咬入性能、抗事故性，同時又要具有較好的高溫紅硬性及耐磨性。針對以上性能要求我們的設計思路主要有以下幾點：

（1）適當降低C的含量。與精軋前段高速鋼鋼相比，適當降低C的含量，可以提高材料摩擦系數，從而改善軋輥的咬入性能，同時C含量適當降低，可以降低碳化物的總量，這樣可以降低裂紋敏感性和提高抗事故性[2]。

（2）優化合金配比。降低Cr7C3碳化物的含量，一方面防止生產過量的共晶性質的網狀碳化物，另一方面提高顆粒狀的MC型碳化物的含量，使細小彌散的顆粒狀碳化物更加均勻地分布在整個基體，從而降低網狀熱裂紋敏感度，提高輥面表面光潔度與氧化膜附著能力。

（3）設計新的熱處理工藝以提高淬硬層深度。由于一般精軋前段軋輥單邊使用厚度為35mm～50mm，而粗軋工作輥單邊使用厚度都在50mm～75mm，需要設計新的熱處理工藝以提高淬硬層深度、減小硬度落差，保證軋輥全壽命周期使用性能的一致性。

（4）選用高強度高韌性球墨鑄鐵。由于粗軋機架軋制壓力大，瞬時軋制壓力最大可達7000t～8000t，而且偶然會發生卡鋼事故，所以采取先進的“雙線四喂”進行球化和孕育，保證芯部強度，防止斷輥惡性事故的發生。

（5）優化軋輥的使用維護方案。制定專門針對高速鋼工作輥的使用維護方案，方案包括磨削量、換輥周期、檢測跟蹤、燙輥等制度，以及試用時對軋輥表面氧化膜的評估。

2 粗軋機架高速鋼軋輥的設計

2.1 含碳量的設計理論方向及選用范圍

碳含量：一部分和不同的合金結合形成合金碳化物，剩余部分以過飽和的碳溶于基體中，基體中碳的含量決定材質的屬性、凝固特點、淬透性等。鑒于粗軋機架要求材質高韌性、高壓下量等特點，碳含量設計稍低于傳統高速鋼，定為1.3%～1.8%。

2.2 合金的種類及含量選用

鑒于粗軋機架較高的軋制溫度，為了提高軋輥的抗熱裂性能，選用紅硬性保持能力較好的鉬元素為主，鉬含量控制在3.0%～5.0%之間。

為了提高軋輥的耐磨性能、淬透性、高溫強度等，必須有一定的鉻含量，鉻在基體中，主要和碳結合以Cr7C3、Cr3C形式存在，在基體中呈斷續網狀分布；另一方面，鉻雖然提高材質耐磨性能、增加材質淬透性，但是鉻含量不能太高，鉻含量較高時，容易使Cr3C以連續網狀形式存在，增加材質的熱裂紋傾向，綜合以上，鉻含量稍低于精軋前段的高速鋼軋輥，范圍定在4.0%～6.0%。此外，為了提高材質的高溫表面光潔度，以及促進軋輥使用過程中整體均勻磨損性能，避免“溝槽式”磨損，必須顯著提高基體中彌散的、硬度較高的顆粒狀碳化物的數量。彌散分布的顆粒狀碳化物，以VC應用最為廣泛，基于上述，釩含量定為3.0%～5.0%。

2.3 化學成分最終設計見表2

2.4 粗軋高速鋼軋輥的熱處理工藝設計

設計思路：粗軋高速鋼軋輥因含有較高的合金含量，同時碳含量適當降低，因此基體組織中含有過飽和的合金元素，會進一步增加殘余奧氏體含量，為了促進殘余奧氏體轉變充分，熱處理工藝進行了重新調整[3]，主要特點如下：

（1）高溫保溫階段溫度高，保溫時間長，使所有外層充分奧氏體化，促進偏析組織充分溶解。

（2）淬火冷卻速度快，均勻旋轉淬火，整體冷卻均勻，得到細小的馬氏體組織。

（3）三次低溫回火得到細小彌散分布的二次顆粒狀碳化物，促進殘奧充分轉變，得到回火馬氏體+少量回火貝氏體組織，精準控制輥身硬度[4]。

（4）熱處理工藝設計曲線如下圖1。

圖1 粗軋高速鋼簡易熱處理曲線

表2 粗軋高速鋼化學成分表

表3 粗軋高速鋼軋輥的物理性能

2.5 內層球墨鑄鐵設計

輥頸作為傳動部位以高韌性、高強度為主，目前普遍采用高強度球墨鑄鐵，其抗拉強度控制在450MPa以上，為了保證大截面球墨鑄鐵的球化和孕育效果，我司采用國際先進的“雙喂四線”的球化喂絲技術。球化過程實現邊球化邊孕育，球化過程平穩均勻，球化效果明顯優于傳統的包底堤壩式球化法[5,6]。

經輥頸部位球墨鑄鐵取樣檢測，腐蝕前與腐蝕后的金相組織如圖2、圖3。

圖2 腐蝕前 100X

圖3 腐蝕后 100X

經過喂絲球化的芯部組織，球化級別控制在2級左右，石墨大小可以達到5級（球墨鑄鐵金相檢驗 GB/T9441-2009），材料的強韌性得到了有效保證。

3 粗軋高速鋼軋輥性能特點

（1）粗軋高速鋼軋輥的顯微組織如圖4、圖5所示。

圖4 輥身外層 100X

碳化物基本以MC、M6C、M7C3、M2C型碳化物為主，碳化物含量約10%～15%，呈斷續網狀分布，基體組織為回火馬氏體，其中斷續網狀分布的合金碳化物，在軋輥的使用過程中起到骨架作用，為軋輥的耐磨性能提供保證。

圖5 輥身外層 500X

（2）物理性能。①經過穩定的鑄造及熱處理工藝，粗軋高速鋼軋輥的物理性能控制見表3，較高的硬度及硬度均勻性，為軋輥的輥型保持能力提供較好保障。②殘奧量控制：≤5%。③殘余應力控制：≤－300N/mm2。

4 粗軋高速鋼軋輥的使用效果

粗軋高速鋼軋輥研制完成后，在國內某1780不銹鋼熱軋線及2250熱軋生產線進行了試用，試用效果非常成功，表面光潔度、單次過鋼量等性能指標達到國際領先水平，主要優點如下：

（1）輥面光潔度對比表現。①在國內某1780不銹鋼熱軋線線上試用的效果對比如下圖6、圖7所示。②在國內某2250不銹鋼熱軋線上使用效果對比如圖8、圖9所示。

圖6 本廠研發軋輥下機表面

圖7 日本某廠軋輥下機表面

圖8 本廠研發軋輥下機表面

圖9 國內某廠軋輥下機表面

（2）輥面磨損對比數據如表4。

表4 對比數據

5 結語

粗軋用高速鋼軋輥與傳統的高鉻鋼材質相比，從設計方面來看，具有更高的合金含量、基體中析出較多的顆粒狀碳化物，基體含碳量更低，硬質碳化物總量更高。在使用方面的表現為耐磨性高、韌性更好、表面網狀熱裂紋更加細小，同時單次過鋼量高、輥面光潔度更好，輥型保持能力更優，完全可以取代國外進口軋輥。

該新型高速鋼材質的開發并成功試用，對鋼鐵企業進行軋輥材質的升級換代、提高勞動生產率、降低生產成本、降低勞動強度、提高軋鋼產品質量等具有重要意義，加快推進了粗軋機架高速鋼的國產化進程和步伐，值得各鋼鐵企業熱軋板帶生產線進行推廣和應用。