熱連軋精軋工作輥高溫氧化性能的研究

杜旭景，楊金剛，胡 兵，杜江偉，高 鑫，陳 剛

（1.軋輥復合材料國家重點實驗室，河北邢臺 054025；2.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北邢臺 054025；3.武漢鋼鐵有限公司熱軋廠，湖北武漢 430080）

精軋前段工作輥是熱連軋板帶軋線的重要組成部分，是粗軋到精軋成品之間的過渡機組，承擔了80%以上精軋機組的壓下量；板坯經粗軋機組軋制成一定厚度的中間坯，其厚度一般為50mm以下，進入精軋機組的帶坯溫度一般低于1100℃，約為950～1050℃[1]。因此精軋前段機架具有軋制負荷高、壓下大以及軋制溫度高的特點，對工作輥的耐磨性和抗熱裂性能要求較高。

精軋前段工作輥常用材料為高鉻鑄鐵以及綜合性能更好的高速鋼材料，在軋制過程中，高溫帶材和工作輥的接觸使軋輥表面形成一層薄的氧化物薄膜，文獻一般稱之為“黑膜氧化物”，也就是通常所指的軋輥氧化膜[2]。連續、致密、均勻以及粘結性好的氧化膜具有潤滑作用，可以降低軋輥與軋材間的摩擦系數，同時氧化膜硬度高，對輥面起到保護作用，提高軋輥的耐磨性和表面質量。實際軋制時，氧化膜太厚、太薄以及氧化膜使用過程中完整性受到破壞的問題比較普遍，這既與軋制工藝關系密切，同時也與軋輥材料的高溫氧化性能有直接關系。

因此，對軋輥材料的高溫氧化性能研究對于研制更加優異的軋輥材料、延長軋輥使用壽命、提升軋輥使用效果具有重要意義，同時對優化軋制工藝也有一定的促進作用。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

該試驗選擇中鋼邢機高速鋼材料和高鉻鑄鐵材料軋輥以及基于熱連軋精軋前段工作輥的使用環境以及材料高溫氧化性能研制的高鉻合金工具鋼軋輥，其中高速鋼和高鉻鑄鐵的成分如表1 所示。

1.2 試驗方法

高溫氧化性能試驗在軋輥復合材料國家重點實驗室開展，其中氧化試驗采用電阻爐恒溫靜態氧化法；針對軋輥使用過程中熱態、水汽環境對氧化膜有較大的熱蝕作用，因此通過對氧化后試樣進行熱蝕試驗評價氧化膜的熱穩定性。

將三種材料軋輥的工作層試樣通過線切割、磨削制成30mm×30mm×10mm 的試樣。通過研磨機和拋光機將試樣各個表面打磨、拋光平整，去除表面的加工痕跡，然后用丙酮擦拭去除表面油污，最后將試樣放置在超聲波清洗機中用無水乙醇清洗干凈，電阻爐內120℃保溫1h 烘干，取出放在干燥皿中冷卻至室溫再進行氧化前稱重。然后在實驗室電阻爐采用恒溫靜態氧化法制備氧化膜，各試樣等距離放置在電阻爐中，其中30×30mm 面為主要觀察面。恒溫靜態氧化溫度為400℃、500℃、600℃、700℃、800℃，氧化1h，氧化出爐空冷至120℃放在干燥皿中冷卻至室溫再進行氧化后稱重。最后進行熱蝕試驗，將氧化后試樣浸沒在軋線冷卻水中并加熱至沸騰保溫1h，取出后重復進行超聲清洗、烘干、冷卻和蝕后稱重。

表1 試驗用材料各元素質量分數 ωB/%

為了保證試驗的穩定性，每組試驗均以兩塊試樣平均值進行記錄。對于氧化后的試樣以及熱蝕后試樣采用分辨率0.1mg 電子天平稱重，利用光學顯微鏡（德國ZEISS-Observer.Alm）、掃描電鏡（HITACHI S-3700N） 和能譜儀（EDAX Inc GENESIS APEX2）對金相組織及氧化物進行檢測。

2 試驗結果及處理

2.1 試驗結果

試樣完成恒溫氧化和熱蝕試驗后采用分辨率0.1mg 電子天平稱重，記錄氧化前質量（記為m0）、氧化后質量（記為m氧）以及熱蝕后質量（記為m蝕），結果如表2 所示。

2.2 試驗結果的處理

氧化增重指氧化后質量與氧化前質量的差值，熱蝕失重等于熱蝕后質量與氧化后質量的差值。為消除因加工制樣導致試樣之間的差別，以氧化增重率和熱蝕失重率作為材料高溫氧化性能和氧化膜熱穩定性的指標。考慮相較于試樣重量，氧化增重量非常小，進一步對于氧化增重率以及熱蝕失重率進行了同一化處理，即將氧化增重率和熱蝕失重率均放大105 倍作為氧化指數O 和熱蝕指數R。

表2 試驗各階段稱重結果

△m氧=m氧-m0；

△m蝕=m蝕-m氧；

o=△m氧/m0；

r=△m蝕/m氧；

O=△m氧/m0×105；

R=△m蝕/m氧×105

式中，△m氧為氧化增重量；△m蝕為熱蝕失重量；o為氧化增重率；r 為熱蝕失重率；O 為氧化指數；R為熱蝕指數。

3 試驗結果分析

3.1 高溫氧化性能分析

從熱連軋精軋前段使用條件來看，軋輥在軋制過程中因各機架軋制冷卻水的作用，軋輥整體溫度能夠保持在100℃左右；但是軋輥與鋼板接觸后雖然能夠得到冷卻，但是在接觸瞬間由于熱傳導以及軋制熱的作用，軋輥接觸鋼板瞬時溫度較高，一般正常軋制時在500℃左右。當軋制節奏較慢時軋輥冷卻效率較高，輥面溫度將低于500℃，而在軋制節奏快或軋制一些高溫板材時，軋輥的瞬時溫度將增加到550℃以上，如軋線冷卻能力較差時，軋輥瞬時溫度可到600℃以上。可見，從使用條件來看，要求軋輥材料具有在500℃低溫階段快速形成氧化膜，但同時又不能在500℃以上的高溫階段迅速氧化的性能，可以有效發揮氧化膜的有益效果。

表3 試驗材料氧化指數和熱蝕指數

圖1 各材料不同溫度氧化指數對比

圖2 高鉻鑄鐵和高鉻合金工具鋼氧化指數對比

恒溫氧化試驗數據來看，三種材料在正常軋制溫度情況下高溫氧化性能相差不明顯，各材料隨著恒溫氧化溫度的升高，氧化指數均呈現增加的趨勢，其中高速鋼材料在溫度700℃恒溫氧化時氧化指數增加幅度超過了高鉻鑄鐵和高鉻合金工具鋼材料，尤其是升高到800℃時高速鋼的氧化指數達到了4114.9；高鉻鑄鐵以及高鉻合金工具鋼的氧化指數增加幅度均較為平穩，并且高鉻合金工具鋼材料高溫氧化性能更好。

進一步對比高鉻合金工具鋼材料的高溫氧化性能，在恒溫氧化溫度為400℃時高鉻合金工具鋼材料表現出最高的氧化指數，在500℃時處于高速鋼和高鉻鑄鐵材料的中間水平；在600℃時表現出與高速鋼材料相當的氧化性能，但當恒溫氧化溫度達到700℃時未如高速鋼一樣氧化指數出現大幅變化，尤其在800℃時，高鉻合金工具鋼材料的氧化指數處于最低的水平。可見，高鉻合金工具鋼材料具有更好的低溫氧化性能，同時又表現出良好的高溫抑制氧化的特性。

3.2 氧化膜熱穩定性分析

軋輥在軋制過程中，輥面氧化膜的穩定性受到兩方面軋制因素的影響，其一是軋制過程中軋制力對氧化膜產生的剪切作用以及軋制過程中鋼板對軋輥摩擦作用；其二是軋制過程中冷卻水噴淋沖刷以及冷卻水高溫霧化對輥面的熱蝕作用。由于在實驗室很難模擬軋制力和摩擦過程對氧化膜的損傷，因此對于氧化膜穩定性的評價主要基于熱蝕試驗，熱蝕指數絕對值越大，熱蝕失重越多，氧化膜的熱穩定性越差。

對比各材料的熱蝕指數，在400℃恒溫氧化形成的氧化膜熱穩定性對比，高鉻鑄鐵的熱穩定性最差，高速鋼和高鉻合金工具鋼的熱穩定性相當；500℃恒溫氧化形成的氧化膜熱穩定性對比，高鉻合金工具鋼的熱穩定性最好。高溫氧化時，高速鋼在600℃和700℃形成的氧化膜熱穩定性最好，但是到800℃形成的氧化膜熱穩定性最差；相較于高鉻鑄鐵，高鉻合金工具鋼的高溫熱穩定性略低于高鉻鑄鐵。考慮軋制時，輥面溫度一般為500℃左右，可見，高鉻合金工具鋼氧化膜的熱穩定性較高。

圖3 各材料不同溫度熱蝕指數對比

3.3 成分及組織對氧化性能的分析

軋輥材料高溫氧化性能的差異與成分和組織狀態有關，圖4～7 為高速鋼、高鉻鑄鐵以及高鉻合金工具鋼材料軋輥的典型的顯微組織照片。從組織對比，高速鋼成分中添加了大量的Mo、V、W 等強碳化物形成元素，其碳化物以顆粒狀分布的MC、M2C 以及M6C 型碳化物為主（見圖4），高鉻鑄鐵以菊花狀分布的Cr7C3型的碳化物為主（見圖5）。

圖4 高速鋼材料工作層100×金相組織照片

圖5 高鉻鑄鐵工作層100×金相組織照片

高鉻合金工具鋼材料是介于高速鋼和高鉻鑄鐵之間的材料，不僅具有高鉻鑄鐵Cr7C3碳化物特征（見圖6），同時從電鏡照片可以看出基體中密布顆粒碳化物（見圖7），相較于高速鋼材料其顆粒碳化物更加細小，這些基體中分布的顆粒碳化物主要是熱處理過程中析出的鉻系二次碳化物（見圖8）。

從氧化過程來看，由于基體和碳化物的抗氧化性能不同，氧化主要發生在基體表面，而碳化物基本不被氧化。對比各合金元素氧化物的熔點[3]，可以看到釩的氧化物V2O5熔點最低，在高溫作用下容易汽化導致氧化膜破損，而鉻的氧化物Cr2O3熔點最高，熱穩定性更好。

圖6 高鉻合金工具鋼工作層100×金相組織照片

圖7 高鉻合金工具鋼2100×電鏡照片

圖8 能譜儀檢測高鉻合金工具鋼基體中顆粒碳化物成分

表4 各合金元素氧化物的熔點（℃）

圖9 高速鋼材料700℃氧化膜電鏡照片

圖10 能譜儀檢測高速鋼材料氧化膜成分

通過觀察高速鋼材料700℃的氧化膜的電鏡照片可以看到（見圖9），對氧化膜采用能譜儀進行成分檢測，主要為釩的氧化物（圖10）；可見氧化試樣表面粗糙，氧化膜較為疏松，并且存在類似氣泡破損的盆底狀形貌，分析為高溫狀態下釩的氧化膜汽化所致；通過恒溫氧化試驗也可以看出，高速鋼材料的氧化指數在700℃時有急劇的上升，可見釩的氧化膜在高于熔點的高溫下汽化，破壞了氧化膜的連續性，導致內部金屬的進一步氧化。相較而言，由于鉻元素形成的Cr2O3型氧化物熔點高，熱穩定性好，無論是高鉻鑄鐵還是高鉻合金工具鋼均有較多的鉻含量，高溫時可以在輥面形成一層致密的Cr2O3氧化膜，能夠對軋輥材料起到保護作用，即便溫度進一步升高，由于Cr2O3氧化膜對氧化的鈍化作用，可以避免高溫時的進一步氧化，而高鉻合金工具鋼材料表現了更好的高溫抗氧化性能。

軋輥在軋制過程中，輥面的熱裂紋將破壞氧化膜的完整性，因此軋輥的抗熱裂性能是影響氧化膜的關鍵因素。由于基體與碳化物的熱膨脹系數不同，兩者交界處是強度最低的區域，在軋制時交變的熱應力作用下容易在結合處發生裂紋。可見，軋輥的抗熱裂性能與組織形態尤其是碳化物的分布有直接關系，并且碳化物越細小、越彌散，其與基體的界面越小，越不容易發生熱裂。高速鋼材料軋輥碳化物以顆粒碳化物為主，其抗熱疲勞性能優于高鉻鑄鐵材料，而高鉻合金工具鋼材料，基體中彌散的顆粒碳化物更加細小，其抗熱疲勞性能也更加優良，提高了高鉻合金工具鋼材料在高溫軋制時氧化膜保持能力。

4 結論

（1）通過對軋輥材料進行恒溫氧化試驗和熱蝕試驗可以達到綜合評價高溫氧化性能的目標，本文所用氧化指數O 和熱蝕指數R 很好地表征了軋輥材料的高溫氧化性能。

（2）從高溫氧化性能試驗結果來看，高速鋼材料形成良好的氧化膜需要保持合適的輥面溫度，過高情況下氧化膜穩定性受到影響，需要提高軋線的冷卻能力；基于高溫氧化性能試驗設計的高鉻合金工具鋼軋輥，具有優良的高溫氧化性能。

（3）對于高溫情況下形成氧化膜的軋輥材料設計時，需要充分考慮高溫氧化性能，通過成分和組織的合理匹配，可以實現氧化性能的綜合提升。