萬能型鋼軋機高鉻合金輥環(huán)的研制與應用

朱玉龍，朱志磊，劉永鋒，孫熙釗

（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）

中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司（以下簡稱中鋼邢機）始建于1958年，是國內(nèi)第一家專業(yè)生產(chǎn)冶金軋輥和冶金成臺（套）設備的冶金機械及備件制造企業(yè)，是目前世界上引領行業(yè)發(fā)展、產(chǎn)銷規(guī)模最大、市場占有率最高、研發(fā)實力最強的冶金軋輥專業(yè)研發(fā)制造企業(yè)。60年來，冶金軋輥和冶金設備產(chǎn)品作為中鋼邢機公司制造的主打產(chǎn)品，已成為世界多家知名鋼鐵企業(yè)的戰(zhàn)略首選和必選產(chǎn)品。公司與國內(nèi)多家鋼企，包括寶武集團、首鋼京唐、鞍鋼等，建立了長期戰(zhàn)略合作伙伴關系，軋輥產(chǎn)品遠銷澳大利亞、美國、韓國、日本、英國等五十多個國家和地區(qū)，在多年的營銷過程中，也與世界排名前10名的鋼鐵企業(yè)，包括阿賽洛·米塔爾、新日鐵、韓國浦項、塔塔鋼鐵集團等，建立起了密切的合作關系。中鋼邢機自建廠以來，累計生產(chǎn)各類冶金軋輥65余萬支，用中鋼邢機軋輥軋制的各類鋼材超過80億t，為中國和世界經(jīng)濟建設及發(fā)展做出了重要貢獻。

高鉻合金軋輥作為新一代高合金材質(zhì)的代表，已經(jīng)應用于板帶軋機，并表現(xiàn)出極好的耐磨性和優(yōu)良的綜合性能。以下簡稱中鋼邢機針對國內(nèi)某鋼廠萬能軌梁軋線研制了新一代萬能型鋼軋機新材質(zhì)的高鉻合金輥環(huán)，并得到了成功應用。

1 新材質(zhì)輥環(huán)的研究

隨著軋制技術的發(fā)展，軋材質(zhì)量的不斷提高，對軋輥的綜合性能也提出了更高要求，特別是軌梁廠萬能軋機生產(chǎn)線，對鐵路建設起著重要作用。萬能機架的輥環(huán)是軋機上的主要易損件，為提升輥環(huán)使用水平，實現(xiàn)材質(zhì)更新?lián)Q代，中鋼邢機進行了新材質(zhì)輥環(huán)的科研攻關。

1.1 化學成分設計

為了提高輥環(huán)的軋制壽命，首先對萬能機架的立輥進行了研發(fā)。萬能機架立輥屬從動輥，為環(huán)套式結(jié)構，安裝在兩個水平輥之間同一垂直面內(nèi)的箱形結(jié)構里，軋制力不大，其磨損程度遠比水平輥環(huán)大，水冷條件也沒有水平輥環(huán)好，因此需要良好的耐磨性和更高的抗熱裂性。

為了提升輥環(huán)的使用水平，在高鉻系列軋輥化學成分的基礎上，設計了高鉻合金輥環(huán)材質(zhì)。高鉻合金材質(zhì)相對于通常使用的高碳半鋼材質(zhì)，化學成分中成倍加入了Mo、V等合金元素，合金含量高，使輥環(huán)具有高的耐磨性，良好的抗熱裂性，綜合抗事性。

碳是提高材質(zhì)硬度和耐磨性的重要因素，碳能較多地溶于奧氏體(A)，增大A-M轉(zhuǎn)變后的硬度，形成高碳馬氏體，以提高基體的硬度和耐磨性。但過量碳能使M相變的溫度顯著下移并降低淬透性，使材質(zhì)脆性增大，機械性能惡化。綜合考慮將碳含量（質(zhì)量分數(shù)）確定為1.5%～2.0%。

鉻是主要合金元素，部分溶于基體，增加淬透性，部分形成合金碳化物，有利于耐磨性的增加，鉻含量應以形成穩(wěn)定的（Cr，F(xiàn)e）7C3型碳化物并與碳含量平衡來決定，確定鉻含量（質(zhì)量分數(shù)）為12.0%～17.0%。鉬和鎳加入的目的主要是為了提高淬透性及耐磨性。

設計萬能軌梁軋機輥環(huán)新材質(zhì)高鉻合金化學成分見表1。

表1 高鉻合金輥環(huán)外層化學成分 %

1.2 技術性能參數(shù)設計

萬能機架輥環(huán)常用材質(zhì)為高碳半鋼，環(huán)面硬度55-63H5D，基體組織：珠光體+碳化物。

新材質(zhì)高鉻合金輥環(huán)工藝設計為雙層離心復合鑄造，芯部仍采用韌性較好的石墨鋼材質(zhì)，設計高鉻合金輥環(huán)環(huán)面硬度70-80HSD。

試驗輥環(huán)選擇了國內(nèi)某鋼廠萬能軋機生產(chǎn)線60 kg萬能粗軋立輥。

1.3 試驗工藝

高鉻合金輥環(huán)采用雙層離心復合鑄造，要確保復合材質(zhì)澆注工藝達到工藝要求，各工序工藝參數(shù)的確定至關重要。

1.3.1 治煉澆注工藝

1）外層鋼水治煉采用中頻爐，優(yōu)質(zhì)廢鋼、高品位合金配料，通過造渣充分去除P、S，再調(diào)整Cr、Mo、V成分。對鋼水進行變質(zhì)處理，以增加材料硬質(zhì)點及改善碳化物質(zhì)點形態(tài)。

2）高鉻合金復合輥環(huán)，材質(zhì)內(nèi)外層成分差距很大，兩種成分的冶金結(jié)合較困難。既要防止外層高鉻合金鋼水氧化，又要控制芯部石墨鋼鋼水澆入量、澆注溫度，以保證良好的組織形態(tài)。

3）保證外層與芯部良好治金結(jié)合。

1.3.2 熱處理工藝

由于高鉻合金輥環(huán)含有較高的Cr和C，屬于萊氏體鋼成分，在凝固過程中易形成粗大網(wǎng)狀結(jié)構碳化物，其鑄態(tài)組織主要由粗大網(wǎng)狀原始共晶碳化物和奧氏體基體組成。為滿足設計時的技術性能要求，熱處理工藝制定起著關鍵作用。參考高鉻系列軋輥基礎試驗參數(shù)，設計熱處理工藝如下：

第一段熱處理：球化退火，改善高鉻合金顯微組織中原始碳化物的形態(tài)、大小和分布。球化處理一方面使溶入鋼中的合金元素增多，在淬火回火后能夠產(chǎn)生足夠的二次硬化效應，同時基體得到充分強化使部分合金碳化物分解和合金元素均勻化，減小成分偏析。

第二段熱處理：淬火+多次回火，消除殘余奧氏體，消除應力，得到理想的組織和硬度。

2 試驗結(jié)果與分析

按照以上工藝設計，中鋼邢機進行了高鉻合金輥環(huán)的生產(chǎn)。

2.1 組織

中鋼邢機公司生產(chǎn)的高鉻合金輥環(huán)外層金相組織照片如圖1，圖2，與高碳半鋼金相組織照片如圖3相比，基體組織由珠光體基體改變?yōu)轳R氏體基體，基體顯微硬度更高，且碳化物形態(tài)明顯改善。高碳半鋼為M3C碳化物（850-1 000 HV），高鉻合金為具有更高顯微硬度的M7C3型碳化物（1 200-1 600 HV），同時基體上彌散分布著細小、顆粒狀M2C型碳化物（≥1 500 HV）使得高鉻合金立輥硬度高、耐磨性好。

圖1 高鉻合金輥環(huán)外層鑄態(tài)組織

圖2 高鉻合金輥環(huán)外層成品組織

圖3 高碳半鋼輥環(huán)外層成品組織

2.2 硬度（見表2）

表2高鉻合金輥環(huán)硬度

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2.3 分析

高鉻合金基體相織已不是高碳半鋼基體組織的珠光體，而是具有更高顯微硬度的回火馬氏體。較高顯微硬度的回火馬氏體與高硬度M7C3、M2C碳化物匹配有效保證了立輥輥面的磨損均勻性。考慮萬能軌梁軋制特點及加工設備問題，對各合金元素進行了調(diào)整，設計外層時更側(cè)重于依靠基體的耐磨性，適當降低了碳化物形成元素的含量，碳化物的形態(tài)與數(shù)量相比，更側(cè)重于形態(tài)的改善。試驗產(chǎn)品達到了預期的目的。

3 應用情況

中鋼邢機公司研制的高鉻合金立輥環(huán)，在國內(nèi)某鋼廠萬能軌梁軋機萬能機架立輥使用，軋制60 kg重軌。經(jīng)過上機實軋，表現(xiàn)良好。

1）與高碳半鋼相比，高鉻合金輥環(huán)表現(xiàn)出更加憂良的耐性和抗熱裂性。

2）在相同的軋制條件及相當?shù)能堉屏織l件下，高鉻合金輥環(huán)下機后表面光滑、無裂紋，使用效果良好。

3）高鉻合金立輥輥環(huán)采用離心復合生產(chǎn)，外層為具有高耐磨的高鉻合金，芯部為具有高韌性的石墨鋼，有效滿足了軋機對立輥不同部位的性能要求，保證了高鉻合金輥環(huán)的使用安全性。高鉻合金輥環(huán)組織熱穩(wěn)定性強，裂紋擴展速度慢、具有良好的抗熱裂性、強韌性，對軋機冷卻水的要求不那么苛刻。

4 結(jié)論

1）高鉻合金輥環(huán)硬度控制70-80HSD，與傳統(tǒng)的高碳半鋼相比，高鉻合金輥環(huán)表現(xiàn)出更加優(yōu)良的耐磨性和較好的抗熱裂性，提升了使用效果。

2）在相同的軋制條件及相當?shù)能堉屏織l件下，高鉻合金輥環(huán)下機后表面光滑，軋材質(zhì)量更高。