多輥軋機工作輥制作技術的研究與實踐

王學鋒

（中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北054025）

0 引言

中國的鋼鐵行業進入了高質量發展時代，中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司作為冶金壓延領域的重要軋輥加工配套企業，也要順應鋼鐵業高質量發展的要求，加快新產品的研發和轉型升級。傳統的軋制黑色產品的軋輥已風光不在，中鋼邢機只有加快高端軋輥技術研發，不斷開拓市場，才能持續保持軋輥加工制造領域的優勢。隨著國家新材料戰略的發展，不銹鋼、硅鋼、鋁銅合金、鈦鎂合金等超薄極薄帶材，高精度帶材需求量日益上升，多輥軋機就是軋制此類帶材的主要設備，它具有廣闊的市場容量和市場前景，而多輥軋機的關鍵技術是其工作輥的研發。

1 多輥軋機工作輥的性能要求

多輥軋機是指具有良好剛性的塔形輥系特殊結構軋機，其原理是利用小直徑軋輥軋制，以較大直徑軋輥支承，軋制壓力通過支承輥、中間輥施加。多輥軋機是由工作輥、中間輥和支承輥組成，有Y型軋機（七輥軋機）、八輥軋機、十二輥軋機、十四輥軋機、十八輥軋機、二十輥軋機等型式。采用小直徑工作輥，可以使軋制變形抗力顯著減小，然而輥徑的減小會出現剛性不夠的問題，為了解決這一矛盾，就需要有良好剛性的塔形支承輥系。因此，工作輥的基本作用是使軋制材料產生塑性變形，并承受產生的軋制力[1]。多輥軋機工作輥見圖1。

圖1 多輥軋機工作輥

不銹鋼、硅鋼、鋁銅合金、鈦鎂合金等材料屬于難軋制材料，塑性變形能力較黑色金屬差，軋材各向異性顯著，軋制反彈力高。由于軋機、軋材兩方面原因，多輥軋機工作輥工作條件十分苛刻，要求軋輥精度高、強度高、硬度及耐磨性高。基于對多輥軋機工作輥的使用條件和失效形式的分析，通常對其性能有以下要求：

（1）具有高的硬度和高的硬度均勻性。由于軋材種類、規格、軋制工藝、軋機條件等的不同，對軋輥適用性的要求也是不同的，同類型的軋機在不同廠家使用，對軋輥的硬度要求也是有差異的。多輥軋機工作輥的硬度是主要性能指標，可以保證軋材板型控制和表面質量。硬度指標包括硬度、硬度均勻性、沿直徑方向的硬度降落。

（2）具有嚴格的組織要求。多輥軋機工作輥組織是細針狀馬氏體和均勻分布的細小碳化物。工作輥輥身表面耐磨性是依靠高耐磨的組織，主要取決于馬氏體基體組織中未溶碳化物的類型、數量及分布特征，而不是依靠組織中加入的耐磨相。

（3）具有高的抗事故能力。多輥軋機工作輥作為非標件，抗事故能力主要是指軋輥能夠適應特定的使用條件，穩定發揮功能的特性。對于用戶來說，無論軋輥具備什么性能要求，目的都是要保證軋鋼生產的效率和質量。

2 多輥軋機工作輥的技術條件

多輥軋機工作輥的性能要求決定技術條件。多輥軋機工作輥技術條件一般包含：化學成分、金相組織、機械性能、硬度、超聲波檢驗、加工精度等要素。以國內某一鋼廠為例，多輥軋機工作輥的技術條件如下：

（1）化學成分要求，見表1。

（2）產品硬度要求，見表2。表中HRC 為洛氏硬度，HSD 為肖氏硬度，M2 材質為Cr12MoV。

（3）機械性能要求，見表3。

（4）多輥軋機工作輥不得有肉眼可見的氣孔、夾渣、裂紋、砂眼、亮斑、劃痕、麻點、凸塊等缺陷，超聲波探傷檢測達到GB13314－2006 附錄A 級要求。

（5）多輥軋機工作輥輥面粗糙度≤Ra0.2 mm，圓柱度、同軸度≤Φ0.005 mm，不允許有“振紋”。

表1 工作輥的成分組成 /%

表2 工作輥的硬度要求

表3 工作輥的機械性能要求

3 多輥軋機工作輥的工藝設計

3.1 工作輥的技術分析

多輥軋機工作輥制作工藝完全不同于普通合金冷軋輥，其制作過程更加復雜，成材率大約在87%左右，多輥軋機工作輥的關鍵技術要點如下：

（1）多輥軋機工作輥材質特殊，屬于鉬系高速鋼，淬透性較好，但易產生較大應力，具有較大開裂傾向。淬火溫度較高，淬火易產生彎曲變形和堆積變形。

（2）多輥軋機工作輥結構特殊，是典型的“超細長軸”，形位精度和表面粗糙度難以控制。材質導熱性差，磨削過程中易發生磨削燒傷。

3.2 工作輥的加工工藝

根據以上的技術分析，確定了多輥軋機工作輥的加工工藝。

（1）為進一步改善工作輥的碳化物形態，淬火前增加高溫調質處理，作好組織準備。

（2）工作輥采用垂直整體加熱淬火，進行二次預熱。淬火溫度控制在碳化物最大溶解奧氏體，同時不至晶粒過分長大的合理溫度區間內。

（3）中心孔是軋機工作輥加工精度保證的基準，為保證同軸度Φ0.005 mm，采用強力熱壓頂研的工藝方法加工兩端中心孔。

（4）多輥軋機工作輥磨削是保證軋輥輥型的最終工序，由于軋輥剛性較差，因此采用托磨方式。

4 多輥軋機工作輥的淬火工藝

多輥軋機工作輥的制作技術中，淬火工藝是一個重要環節，其材質屬于W－Mo 系萊氏體鋼，淬透性高，碳化物的溶解及奧氏體晶粒的長大是決定M2 材質淬火性能的重要因素。

4.1 工作輥淬火工藝的確定

多輥軋機工作輥淬火采用新型熱處理爐，制作專用吊具，產品批量垂直加熱，垂直整體淬火。這樣，減少了工作輥的熱應力和熱變形，消除了氧化脫碳層的產生。

為確定M2 材質的淬火冷卻參數，試驗輥設計了四個溫度的淬火試驗。回火前和回火后分別檢測硬度對照比較，檢測回火后金相組織和晶粒度，切片分析不同溫度下殘奧量，根據檢測結果選擇目標金相組織，從而確定合理淬火溫度。

在正常淬火加熱溫度下，采用空冷方式，出現貝氏體組織，軋輥硬度偏低。采用水基淬火介質，冷卻速度較快，因應力過大軋輥極易出現縱向裂紋，甚至開裂、崩斷。因此，通過多次研究機理，多次進行試驗，根據淬火介質特性，淬火采取預冷、高溫段快速冷卻，低溫段緩慢冷卻的冷卻制度。

4.2 工作輥回火工藝的確定

多輥軋機工作輥回火在電加熱空氣循環爐進行，同淬火相同，軋輥垂直懸置，減少回火變形。由于M2 材質有二次硬化特性，所以進行三次高溫回火，促使殘奧充分轉變，消除內應力。

4.3 工作輥淬火后硬度檢測

多輥軋機工作輥淬火后硬度檢測結果：輥面硬度檢測兩條母線8 個檢測點，其硬度為64～65HRC，滿足表2 中規定的工作輥的硬度要求。通過解剖試驗輥檢測淬硬層深度，心部硬度達到60HRC 以上。

4.4 工作輥熱處理后金相檢測

圖2 為多輥軋機工作輥熱處理后金相組織照片。從圖3 中可以看出工作輥金相組織主要是：馬氏體+少量殘奧+碳化物，晶粒度11 級。

圖2 工作輥熱處理后金相組織

5 多輥軋機工作輥的磨削工藝

多輥軋機工作輥最終加工是磨削工序，是保證軋輥精度、保持軋輥輥型的關鍵環節。由于材質和結構的疊加因素，多輥軋機工作輥磨削加工難度系數極大，磨削中易出現：輥面粗糙度偏低，達不到軋制要求；輥面直線度差，出現中凸現象；輥面有輕微振紋、螺旋紋等質量問題。

5.1 多輥軋機工作輥磨削工藝的確定

磨削多輥軋機工作輥，要具有三要素：磨床、砂輪、磨削方法。

（1）磨床的選擇。要選用高精度數控軋輥磨床，這是保證產品精度的設備條件。

（2）砂輪的選擇。砂輪的選擇主要包含砂輪材質、粒度、硬度、結合劑等技術參數，經多次磨削試驗，選定了綠色碳化硅砂輪，樹脂結合劑，硬度為中硬，粗磨選用80#砂輪，精選用180#砂輪。

（3）磨削方法的確定。磨削方法分為粗磨、精磨、光磨三個工步。磨削前檢測磨削部位直徑，從余量最大處開始磨削，砂輪進給均勻，砂輪同時要及時修整，保持鋒利，冷卻液要充足，嚴禁任何程度的燒傷現象。

5.2 多輥軋機工作輥磨削注意事項

（1）勤測量，保證合理的磨削量，避免產生磨削燒傷和磨削裂紋。

（2）合理選擇冷卻方法，磨削過程的冷卻效果不僅取決于磨削液，更取決于磨削液是否能有效注入磨削區。

（3）及時更換切削液，保證切削液的純凈度，無磨削拉毛現象。

5.3 多輥軋機工作輥磨削檢測結果

多輥軋機工作輥磨削檢測結果見表4，從表4 的結果可以看出，按上述磨削工藝加工的工作輥符合客戶對工作輥輥面粗糙度、圓柱度和同軸度的要求。

表4 工作輥磨削檢測結果

6 結論

在多輥軋機工作輥的研制過程中，根據多輥軋機工作輥的性能要求和技術條件要求，通過技術分析制定了軋輥的加工工藝、熱處理工藝和磨削。經過反復試驗和工藝的調整，最后成功的研制出多輥軋機工作輥產品，一次通過用戶驗收，完全達到圖紙技術要求。經過上機試軋制3 個月，換輥周期延長了10%，輥耗較同類產品降低了16%，受到用戶的高度評價。多輥軋機工作輥制作是系統工程，需要冶煉、鍛造、熱處理、車削、磨削綜合因素，才能生產優質的產品。