熱軋帶鋼精軋后段高碳高速鋼軋輥的研究與應(yīng)用

劉 娣，朱志磊，王延青，杜旭景，胡 兵

（1.軋輥復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北邢臺(tái) 054025；2.中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司，河北邢臺(tái) 054025）

1 前言

ICDP 軋輥上世紀(jì)三十年代問世，主要用于帶鋼熱連軋工作輥，五十年代開始推廣到中厚板軋機(jī)工作輥。由于含有較多的合金元素，一般不采用整體鑄造方式生產(chǎn)。受裝備限制，早期的ICDP 軋輥采用反射爐熔煉、全沖洗復(fù)合方式生產(chǎn)。上世紀(jì)七十年代，中鋼邢機(jī)自行設(shè)計(jì)制造臥式離心機(jī)并投入使用，應(yīng)用工頻感應(yīng)爐熔煉設(shè)備，離心復(fù)合ICDP 軋輥質(zhì)量有了質(zhì)的提高。上世紀(jì)九十年代中鋼邢機(jī)在普通型ICDP 軋輥基礎(chǔ)上研發(fā)了改進(jìn)型ICDP 軋輥，通過添加特殊碳化物形成元素，增加組織中高顯微硬度耐磨質(zhì)點(diǎn)，使得軋輥耐磨性提高、輥型保持能力增強(qiáng)，綜合使用效果提高10%以上，產(chǎn)品在寶鋼、首鋼、鞍鋼、武鋼、臺(tái)灣中鋼、歐洲康力斯、韓國浦項(xiàng)等鋼鐵企業(yè)廣泛應(yīng)用。

隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，對(duì)板材表面質(zhì)量、尺寸精度、板面平整度要求越來越高。鋼鐵企業(yè)為進(jìn)一步提高板材質(zhì)量等級(jí)、持續(xù)降低生產(chǎn)成本，對(duì)精軋后段產(chǎn)品耐磨性、表面粗糙度保持能力并兼?zhèn)淞己玫目故鹿誓芰Φ确矫嫣岢龈咝枨螅貏e是高速鋼軋輥廣泛推廣后，精軋前段軋輥耐磨性能獲得大幅提高，但由于高速鋼組織中沒有石墨，在精軋后段特別是成品機(jī)架上難以獲得成功應(yīng)用，因此ICDP 軋輥已經(jīng)成為嚴(yán)重制約軋機(jī)生產(chǎn)節(jié)奏提高的關(guān)鍵因素[1]。精軋后段材質(zhì)急需一場革命性的升級(jí)換代。針對(duì)此問題，中鋼邢機(jī)近幾年來通過積極開展立項(xiàng)攻關(guān)，成功研制了高碳高速鋼軋輥，用于替代ICDP 軋輥，不需對(duì)軋機(jī)做調(diào)整即可直接上機(jī)應(yīng)用，兼具耐磨性、抗事故性及良好的表面質(zhì)量，已能夠完全取代傳統(tǒng)ICDP 軋輥，成為未來精軋后段工作輥的主流材質(zhì)。

2 高碳高速鋼軋輥專有生產(chǎn)技術(shù)

2.1 石墨控制技術(shù)

石墨是熱帶連軋機(jī)精軋后段軋輥保證表面潤滑改善板面質(zhì)量、提高抗事故性的重要因素。高碳高速鋼材質(zhì)由于大量合金元素的添加，材質(zhì)反石墨化傾向增大，如何保證石墨的正常析出是高碳高速鋼軋輥生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。中鋼邢機(jī)通過大量基礎(chǔ)試驗(yàn)，研制成功了專有的外層熔煉及孕育新技術(shù)，保證了高碳高速鋼軋輥工作層內(nèi)石墨的均勻析出。在工作層范圍內(nèi)，石墨含量浮動(dòng)值在0.2%以內(nèi)，如圖1 所示。

圖1 工作層內(nèi)石墨含量變化

2.2 碳化物控制技術(shù)

為解決在離心力的作用下，不同密度的碳化物質(zhì)點(diǎn)向外層或內(nèi)層偏聚，造成軋輥工作層內(nèi)出現(xiàn)碳化物偏析現(xiàn)象，中鋼邢機(jī)經(jīng)過數(shù)次科研攻關(guān)，通過合金的合理化匹配及微量元素的適量添加，形成了與液相密度更加接近的多種合金組成的復(fù)合型MC、M2C、M3C、M6C 碳化物，解決了碳化物偏析問題，工作層內(nèi)碳化物含量及類型趨于一致，如圖2 所示。

圖2 工作層內(nèi)碳化物含量變化

2.3 組織控制技術(shù)

高碳高速鋼軋輥由于基體中固溶了更多的合金，奧氏體穩(wěn)定性增強(qiáng)，為避免殘余奧氏體量偏多造成的耐磨性損失并減小鑄造應(yīng)力，中鋼邢機(jī)通過一系列的回火溫度、時(shí)間及升降溫速度的再優(yōu)化實(shí)踐，摸索出了完善的多段回火處理工藝，實(shí)現(xiàn)了工作層組織的穩(wěn)定控制。

3 高碳高速鋼軋輥的特點(diǎn)

3.1 工作層硬度一致性

高碳高速鋼軋輥工作層石墨、碳化物含量變化小，組織控制穩(wěn)定一致，工作層內(nèi)硬度落差小。采用同樣規(guī)格尺寸生產(chǎn)了ICDP、高碳高速鋼軋輥各一支進(jìn)行工作層內(nèi)硬度解剖檢測(cè)試驗(yàn)，高碳高速鋼軋輥在50mm 的半徑范圍內(nèi)硬度落差能夠控制到2HS 左右，較ICDP 軋輥明顯改善（如圖3所示），良好的硬度落差使得高碳高速鋼軋輥在整個(gè)使用壽命內(nèi)軋制表現(xiàn)穩(wěn)定性提高。

圖3 工作層硬度落差對(duì)比

3.2 組織特點(diǎn)

如圖4 中50×金相照片所示，高碳高速鋼軋輥中彌散分布著石墨顆粒，石墨顆粒較ICDP 軋輥更加均勻細(xì)小。石墨顆粒一方面能夠有效緩解裂紋尖端應(yīng)力，降低裂紋的擴(kuò)展傾向，提高軋輥抗事故性能，另一方面軋輥表面石墨顆粒在軋制中能夠脫落于軋輥及鋼板之間，起到良好的潤滑作用，改善表面質(zhì)量。

高碳高速鋼軋輥以M3C 型共晶碳化物為骨架，基體中彌散分布了大量的MC 型顆粒碳化物，同時(shí)也存在只有在精軋前段高速鋼軋輥中才存在的M2C、M6C 等復(fù)合型碳化物[2]。高顯微硬度的MC、M2C、M6C 型碳化物是軋輥耐磨性提高的重要保障。

在試驗(yàn)室使用LECIA-QWIN 分析軟件對(duì)高碳高速鋼組織中碳化物的面積尺寸及數(shù)量進(jìn)行測(cè)量，在0.35mm2的面積中，測(cè)得的結(jié)果如表1 所示，可以看出高碳高速鋼軋輥93%左右的碳化物面積尺寸小于5μm2，碳化物顆粒數(shù)量多，最小顆粒面積達(dá)到0.06μm2。

高碳高速鋼軋輥共晶碳化物尺寸較ICDP 軋輥減小，且網(wǎng)狀碳化物斷開，減小了裂紋沿碳化物與基體邊緣快速擴(kuò)展的傾向，進(jìn)一步提高了軋輥的抗事故性能。

表1 高碳高速鋼碳化物尺寸及數(shù)量測(cè)量

圖4 高碳高速鋼石墨、碳化物與組織

高碳高速鋼軋輥基體組織中存在馬氏體組織，與傳統(tǒng)ICDP 軋輥的貝氏體基體相比，基體硬度大幅提高，接近精軋前段高速鋼的水平，如表2所示。高硬度的基體能夠?qū)μ蓟锾峁┯行У闹危玫陌l(fā)揮碳化物的耐磨性，且馬氏體基體強(qiáng)度更高，對(duì)碳化物顆粒包裹作用更強(qiáng)，能夠避免軋制過程中顆粒碳化物的脫落，影響耐磨性的發(fā)揮。

表2 高碳高速鋼基體組織與顯微硬度

3.3 耐磨性試驗(yàn)

在試驗(yàn)室模擬軋鋼時(shí)滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，在相同材質(zhì)的對(duì)磨試樣及行程下檢測(cè)了高碳高速鋼材質(zhì)及ICDP 軋輥的相對(duì)耐磨性，檢測(cè)結(jié)果（圖5）表明，高碳高速鋼軋輥相對(duì)耐磨性達(dá)到ICDP 軋輥的2 倍以上。

圖5 試驗(yàn)室相對(duì)耐磨性檢測(cè)

3.4 冷熱疲勞試驗(yàn)

在試驗(yàn)室采用同樣的加熱溫度、加熱時(shí)間、冷卻時(shí)間及固定的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行冷熱疲勞試驗(yàn)，檢測(cè)最終試樣的裂紋深度如圖6 所示，高碳高速鋼的裂紋深度較ICDP 軋輥明顯降低，表明軋輥抗事故性能增強(qiáng)。

圖6 試驗(yàn)室冷熱疲勞檢測(cè)

4 高碳高速鋼的使用

中鋼邢機(jī)生產(chǎn)的4 支高碳高速鋼軋輥在國內(nèi)某鋼廠使用，在軋機(jī)未進(jìn)行任何調(diào)整的情況下使用正常，與同期上機(jī)的改進(jìn)型高鎳鉻材質(zhì)毫米軋制量對(duì)比如圖7 所示。

圖7 國內(nèi)某鋼廠高碳高速鋼與ICDP 毫米軋制量對(duì)比

從圖7 中可以看出，高碳高速鋼產(chǎn)品平均毫米軋制量為5841.23t/mm，與ICDP 材質(zhì)的2976.51 t/mm 相比，毫米軋制量提高了96%，接近ICDP 的2 倍。更為重要的是，高碳高速鋼的使用解決了長期困擾用戶的輥面色差現(xiàn)象，表面質(zhì)量大幅提高，如圖8 所示。

5 結(jié)論

（1）高碳高速鋼工作層石墨、碳化物、組織一致性高，工作層硬度落差小，軋輥在整個(gè)使用壽命內(nèi)表現(xiàn)更加穩(wěn)定。

（2）高碳高速鋼軋輥石墨、顆粒碳化物均勻細(xì)小彌散分布，碳化物類型出現(xiàn)多元化，基體強(qiáng)度硬度更高，使得高碳高速鋼軋輥具有較ICDP 軋輥更加優(yōu)異的耐磨性、抗事故性及表面質(zhì)量。

圖8 ICDP 軋輥（左）與高碳高速鋼軋輥（右）下機(jī)表面質(zhì)量對(duì)比

（3）高碳高速鋼軋輥不需要軋機(jī)做出調(diào)整即可直接上機(jī)使用，實(shí)軋表明，高碳高速鋼軋輥毫米軋制量達(dá)到了ICDP 軋輥的近2 倍，下機(jī)后表面質(zhì)量大幅提高。高碳高速鋼軋輥必將成為未來熱帶連軋機(jī)精軋后段軋輥的主流材質(zhì)。