耐磨鑄造高速鋼軋輥的研究

1、 耐磨鑄造高速鋼軋輥的研究符寒光(北京冶金設(shè)備研究院鑄造研究所北京100029摘要介紹了鑄造高速鋼軋輥的主要制造方法和使用效果,其中著重介紹了CPC工藝制造高速鋼軋輥的性能、特點(diǎn)、存在的問題及改進(jìn)方向。關(guān)鍵詞離心鑄造CPCESRESSLM高速鋼軋輥中圖分類號:TF341文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-2602(200006-0030-05THE STU DY OF WEAR2RESISTANT CASTING HIGH SPEE D STEE L R OLLFu Hanguang(Beijing Research Institute of Metallurgical Equipment,Be

2、ijing,100029AbstractThe main manufacture methods and service effects of casting high speed steel rolls were introduced. The properties,characteristics,existing problems and improving direction of high speed steel rolls manufactured by means of CPC process were introduced emphatically.K ey w ordsCent

3、rifugal casting,CPC,ESR,ESSLM,High speed steel rolls1前言提高軋材的質(zhì)量、精度和降低成本是當(dāng)今軋鋼技術(shù)發(fā)展的方向。以帶鋼軋制為例,交叉軋制(PC軋機(jī)、彎輥技術(shù)、多輥軋機(jī)、低溫及大壓下量軋制、連鑄連軋短流程等技術(shù)對軋輥耐磨性、強(qiáng)度及韌性等提出了更高的要求。為適應(yīng)這一要求,國外于80年代末開發(fā)了鑄造高速鋼軋輥,并在帶鋼熱連軋機(jī)的精軋段、粗軋段、鋼管軋機(jī)和高速線材軋機(jī)的預(yù)精軋段獲得了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)鑄造高速鋼的研究和應(yīng)用還處在起步階段,與國外先進(jìn)水平相比差距較大。為加快我國鑄造高速鋼軋輥的推廣使用,對鑄造高速鋼軋輥的制造方法、性能和特點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真總結(jié)是

4、十分必要的。2鑄造高速鋼軋輥制造方法淺析目前工業(yè)生產(chǎn)中較常見的鑄造高速鋼軋輥制造方法有:離心鑄造法(簡稱CF法、連續(xù)澆注外層成型法(簡稱CPC法、電渣重熔法(簡稱ESR法、液態(tài)金屬電渣熔接法(簡稱ESSLM法。2.1離心鑄造法離心鑄造法的主要特點(diǎn)是將液態(tài)外層材料和芯部材料以一定的時(shí)間間隔澆入鑄型內(nèi)。離心旋轉(zhuǎn)時(shí)間、輥芯金屬液澆注間隔時(shí)間、澆注溫度及防止外層金屬元素偏析和內(nèi)外層材料界面氧化是此方法制造軋輥成敗的關(guān)鍵。由于高速鋼中含有較多的W、Cr、Mo、V等合金元素,而這些元素及其形成的碳化物密度差別很大(見表1,在普通離心鑄造條件下,高速鋼軋輥合金元素偏析嚴(yán)重,外層V含量低,而W、Mo含量高,內(nèi)

5、層正好相反。筆者曾分析了離心鑄造高速鋼軋輥偏析主要是MC型碳化物的偏析,嚴(yán)重影響軋輥耐磨性。研究發(fā)現(xiàn)MC型碳化物主要是一次結(jié)晶VC的偏析,因VC與鋼水的密度相差較大所致。為防止VC偏析,采取添加Nb元素提高M(jìn)C型碳化物密度,其結(jié)果由于生成密度較大的MC型復(fù)合碳化物(W、V、Mo、Nb系碳化物,其密度與鋼水密度相接近,使VC減少,有效地控制了離心鑄造高速鋼的碳化物偏析,提高了高速鋼軋輥的耐磨性。但Nb提高鋼的淬火溫度,降低二次硬化峰值出現(xiàn)的溫度,此外高速鋼鑄造成型過程中Nb系的MC型碳化物較V系的MC型碳化物粗大1,導(dǎo)致軋輥使用過程中易發(fā)生剝落。因此如何確定在給定的工藝條件下V和Nb復(fù)合添加的最

6、佳比例,及怎樣盡量控制形成粗大的NbC,是離心鑄造高速鋼軋輥生產(chǎn)中亟待解決的問題,我們前期研究表明,復(fù)合變質(zhì)處理是一種有效措施。2.2連續(xù)澆注外層成型法連續(xù)澆注外層成型法(CPC-Continuous Pour2ing Process for Cladding具有工藝簡單、節(jié)能和軋輥第24卷第6期2000年12月中國鉬業(yè)CHINA MOL Y BDENUM INDUSTR YVol.24No.6December2000性能好等特點(diǎn),既可制造新軋輥,也可修復(fù)舊軋輥,還可生產(chǎn)多種截面形狀軋輥。表1高速鋼中常見元素的碳化物的密度2碳化物W 2CWCMo 2CNbC VC Fe 3C 密度/kg m

7、-317200158009100790057007200元素WMoNbFe Cr V 密度/kg m -319300102008600790072006 100圖1CPC 法生產(chǎn)高速鋼復(fù)合軋輥示意圖1-軋輥外層2-冷卻水入口3-水冷卻器4-石墨5-澆口杯6-感應(yīng)加熱圈7-高速鋼液體8-輥芯9-玻璃保護(hù)渣10-預(yù)熱感應(yīng)圈11-渣層12冷卻水出口13-托板CPC 法是將軋輥輥芯軸垂直放于水冷鑄型中,然后將熔融的外層高速鋼鋼水澆入到碳鋼芯軸和水冷結(jié)晶模之間,使外層金屬和輥芯熔合,并按自下而上的順序凝固,將凝固部分連續(xù)向下拉拔,實(shí)現(xiàn)連續(xù)鑄造外層。該方法首先由日本新日鐵公司3開發(fā),CPC 法示意圖見圖1

8、。采用CPC 法制造的高速鋼復(fù)合軋輥,輥身組織細(xì)小、均勻、夾雜物少,幾乎沒有縮孔、疏松和元素偏析等缺陷發(fā)生,綜合性能明顯優(yōu)于普通離心鑄造高速鋼軋輥。采用該工藝,軋輥內(nèi)外層材質(zhì)選擇范圍寬,結(jié)合層強(qiáng)度高,生產(chǎn)成本低,成本比電渣重熔法低1/2,比埋弧堆焊法低2/3。設(shè)計(jì)CPC 設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)是:加熱器和加熱器熱量,澆注溫度,拉拔速度和冷卻器高度,國內(nèi)吳春京等人4通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬溫度場,可以定量了解連續(xù)鑄造過程中軋輥復(fù)合層與輥芯良好結(jié)合的工藝參數(shù),從而優(yōu)化設(shè)計(jì)出CPC 設(shè)備。2.3電渣重熔法電渣重熔法(ESR 是在作為芯部材料的圓柱狀高強(qiáng)度合金鋼周圍放置同心水冷鑄模,并在鍛鋼和鑄模之間放置由高速鋼或

9、半高速鋼制成的自耗電極,自耗電極熔化后即作為外層材料連續(xù)填充此空間(見圖2。而且可以通過采用不同的自耗電極制成具有梯度分布的結(jié)合界面,以改善界面特性。由于外層材料經(jīng)電渣精煉,潔凈度高,可滿足冷軋的要求,用作冷軋工作輥,日本日立公司5用ESR 法生產(chǎn)了尺寸為 425mm ×1880mm 的復(fù)合冷軋半高速鋼軋輥,其成分見表2。ESR 法的最大特點(diǎn)是成本較高,且難以制造較大的軋輥。生產(chǎn)的輥坯經(jīng)輕鍛后,在1060淬火和500回火后加工成復(fù)合軋輥,表面硬度為HS97,有良好的耐磨性和抗事故能力。表2復(fù)合半高速鋼冷軋輥化學(xué)成分%元素CSiMnCrMoV WSP外層 1.05 3.100.70 4

10、.45 3.25 1.300.370.0010.015內(nèi)層0.880.550.41 2.950.250.04-0.0040. 017圖2電渣重熔法示意圖1-電極2-結(jié)晶器3-渣池4-金屬熔池5-底板6-外層7-輥芯13第24卷第6期符寒光:耐磨鑄造高速鋼軋輥的研究2.4液態(tài)金屬電渣熔接法最近,烏克蘭ELM ET 軋輥公司6開發(fā)了液態(tài)金屬電渣熔接法制造高速鋼復(fù)合軋輥新工藝,它是在CPC 法的基礎(chǔ)上加上電渣凈化作用的一種新的軋輥制造方法,圖3是ESSLM 法示意圖。用ESSLM 法制造軋輥時(shí),其外層是在特殊設(shè)計(jì)的導(dǎo)電水冷銅結(jié)晶中凝固形成的,結(jié)晶器不僅使?jié)踩氲耐鈱愉撍?而且也可保持電渣過程中不消

11、耗電極。過程開始時(shí),先將作為高速鋼復(fù)合輥芯部的芯軸插入結(jié)晶器中,并與其同軸。軸的外表面和結(jié)晶器的內(nèi)表面的間隙決定復(fù)合輥外層厚度。 然后將在另外的熔化裝置中熔化的渣液澆入結(jié)晶器和芯軸的間隙中,渣液形成渣池,它的熱量將芯軸表面預(yù)熱。然后再澆入外層高速鋼水,可連續(xù)澆入,也可按預(yù)先設(shè)定的程序澆入。鋼水將熔渣上浮,同時(shí)在通過渣池時(shí)被渣精煉。鋼液與已經(jīng)預(yù)熱的芯軸表面熔合,并因結(jié)晶器的冷卻而凝固,形成復(fù)合層。借助移動(dòng)裝置不斷由結(jié)晶器中拉出已經(jīng)凝固的部分(或結(jié)晶器上移,同時(shí)上部鋼水不斷注入,直至達(dá)到預(yù)定的復(fù)合輥長度為止。已用此方法生產(chǎn)了 344mm ×650mm 的高速鋼復(fù)合軋輥用作熱帶鋼工作輥,其

12、外層化學(xué)成分為(%:1.8C 、0.3Si 、0.7Mn 、4.5Cr 、1.5Ni 、3.5Mo 、6.1V 、4.4W 。圖3ESSLM 法制造高速鋼復(fù)合軋輥示意圖1-外層2-渣池3-芯軸4-澆包6-金屬液6-水冷結(jié)晶器國內(nèi)楊國民7發(fā)明的復(fù)合軋輥制造方法和裝置與烏克蘭ELM ET 軋輥公司開發(fā)的液態(tài)金屬電渣熔接法類似,其裝置包括結(jié)晶器、輥芯把持器、固定架、引錠頭、中間包、電源及其電回路。該復(fù)合軋輥的制造方法是預(yù)先將輥芯制備好,然后將它置于結(jié)晶器的中心,并以輥芯為導(dǎo)體,作為電回路的一部分,組成電加熱回路,將輥芯直接加熱,當(dāng)輥芯預(yù)熱到一定溫度后,向結(jié)晶器中澆入熱渣和鋼水,鋼水開始凝固后,向下抽

13、動(dòng)輥芯和引錠頭,使鋼水逐步凝固在輥芯周圍,形成復(fù)合軋輥。3鑄造高速鋼軋輥的性能80年代末以前,鍛造高速鋼軋輥已用于制造多輥軋機(jī)的工作輥和中間輥,使用的是標(biāo)準(zhǔn)類型鎢鉬高速鋼,如美國M2、M4以及高碳類型T15。但高速鋼大型鑄錠不但鍛造和熱處理難度大,而且易因組織的不均勻、偏析和疏松等缺陷影響軋輥性能,因此鍛造高速鋼軋輥的推廣使用進(jìn)展緩慢。鑄造高速鋼軋輥是利用具有高硬度,尤其是具有很好的硬性、耐磨性和淬透性的高速鋼作為軋輥的工作層,用韌性滿足要求的鍛鋼、鑄鋼或球墨鑄鐵作為軋輥的輥芯材料,把工作層和輥芯以熔鑄的方式復(fù)合起來的高性能軋輥。高速鋼軋輥與普通軋輥的冶金性能、力學(xué)性能和物理性能示于表3、表4

14、和表5?？梢?普通軋輥工作層,其基體上分布的多為M 3C 型或M 7C 3型共晶碳化物,組織粗大,硬度較低,而鑄造高速鋼軋輥的工作層一般采用高碳高釩類型高速鋼,工作層的基體上分布著粒狀的高硬度MC 型碳化物,而且隨著含釩量的增加,高速鋼組織的骨骼狀M 6C 型碳化物的MC 型轉(zhuǎn)化,因此高速鋼軋輥具有優(yōu)良的耐磨性能。表3軋輥材質(zhì)的主要化學(xué)成分和冶金特性8軋輥材質(zhì)化學(xué)成分/%金屬組織上:石墨中:碳化物下:基體硬度,HS高速鋼C :1.52.4,W :210,V :210,Cr :210,Mo :210,Co :10無MC +M 6C 回火馬氏體8090高鉻鑄鐵C :1.03.0,V 3,Ni :1

15、2,Cr :1025,Mo :13無M 7C 3回火馬氏體7090高合金無限冷硬鑄鐵C :3.03.4,Ni :45,Cr 2,Mo 15%M 3C貝氏體70854鑄造高速鋼軋輥的應(yīng)用4.1國外鑄造高速鋼軋輥的應(yīng)用鑄造高速鋼軋輥正式采用是從1988年開始的,當(dāng)時(shí)用在日本一家?guī)т摕徇B軋機(jī)上。隨后美國和歐23中國鉬業(yè)2000年12月洲也開始引入鑄造高速鋼軋輥制造技術(shù)。鑄造高速鋼軋輥?zhàn)畛跤糜趲т摕徇B軋機(jī)精軋機(jī)前段代替高鉻鑄鐵軋輥,后來精軋后段和粗軋段、鋼管軋機(jī)和線材、棒材及冷軋帶鋼軋機(jī)上也開始使用鑄造高速鋼軋輥,并獲得了滿意的效果。日本新日鐵公司用CPC法生產(chǎn)的鑄造高速鋼復(fù)合軋輥具有極高的耐磨性(見

16、表6。使用鑄造高速鋼軋輥后,輥耗明顯下降,換輥次數(shù)顯著減少,軋輥研磨量減少。軋機(jī)能力提高,燃料和動(dòng)力消耗降低,有助于降低軋制成本和提高帶鋼質(zhì)量。表4軋輥的主要力學(xué)性能8部位項(xiàng)目軋輥材質(zhì)(外層高合金無限冷硬鑄鐵高鉻鑄鐵高速鋼外層硬度/HS708570908090抗拉強(qiáng)度/MPa4006007009007001000抗壓強(qiáng)度/MPa190025001700220025003200破壞韌性值/MPa.m0.5182521342528結(jié)合層抗拉強(qiáng)度/MPa300500300400500700芯部抗拉強(qiáng)度/MPa3005004005007001000表5軋輥的主要物理性能9制造方法材質(zhì)外層內(nèi)層熱導(dǎo)率k/

17、Wm-1k-1比熱容C/Jkg-1k-1密度/kgm-3線膨脹系數(shù),×10-5/k楊氏模量,E×104/MPa泊松比/vCPC高速鋼合金鍛鋼25.542.00.500.507700785013.014.023.520.60.270.29CF高鉻鑄鐵球墨鑄鐵20.027.00.590.597600720013.012.022.020.50.300.30無限冷硬鑄鐵球墨鑄鐵23.527.00.540.59750072008.012.017.520.50.270.30表6新日鐵公司各種軋輥的輥耗比較10軋輥類型前部軋機(jī)/tmm-1后部軋機(jī)/tmm-1硬度,HSCPC(1%Co高速

18、鋼33680117258090 CPC(5%Co高速鋼-172358090 CF高速鋼21827-7585 CF高鉻鑄鐵4163-7080 CF無限冷硬鑄鐵-21577585加拿大Dofasco公司自1993年試用鑄造高速鋼軋輥以來,比例不斷提高,目前F2、F3和F4機(jī)架上已全部采用鑄造高速鋼軋輥,使用鑄造高速鋼軋輥后,軋輥消耗明顯減少,軋機(jī)作業(yè)率明顯提高,F4機(jī)架的平均過鋼量從1992年6月的360t/h提高到1994年11月的490t/h,帶鋼表面質(zhì)量已提高了20%。為提高鋼管軋機(jī)生產(chǎn)效率和降低軋輥輥耗,在鋼管軋機(jī)上采用高速鋼軋輥也是相當(dāng)成功的。高速鋼軋輥和傳統(tǒng)材質(zhì)(石墨鋼、球墨鑄鐵軋輥相

19、比,含有硬質(zhì)MC型碳化物和在高溫下基體硬度高,具有極好的耐磨性和抗表面桔皮狀缺陷,使用壽命比傳統(tǒng)材質(zhì)軋輥高610倍,而且無粘鋼等現(xiàn)象發(fā)生11。4.2國內(nèi)鑄造高速鋼軋輥的應(yīng)用北京鋼鐵研究總院12選用高速鋼作工作層材料,用合金球墨鑄鐵作輥芯材料,借助離心鑄造方法將這兩種性能差異較大的材料復(fù)合在一起,于1997年研制成功了高速鋼復(fù)合軋輥。具有工作層硬度高(7982.5HS、輥頸強(qiáng)度高(580MPa、輥身硬度均勻(均勻度1.52.5HS、輥身硬度落差小等特點(diǎn)。用于熱軋窄帶鋼軋機(jī)時(shí)的綜合壽命比原來的高合金鑄鐵軋輥提高10.5倍,用于高速線材軋機(jī)時(shí)的綜合壽命比原來提高3倍。鄂城鋼廠原來使用高合金軋輥每年需

20、用347t,改用高速鋼軋輥后每年僅需33t,由此每年節(jié)約軋輥費(fèi)用318萬元,并可多創(chuàng)效益51萬元。北京冶金設(shè)備研究院鑄造研究所與浙江新安江特種合金鑄造廠合作,開發(fā)了高性能的鑄造高速鋼輥環(huán),其基本成分是:1.5%2.5%C,8%20% W,2%3.5%Mo,4.2%4.6%Cr,4%7.5% V,3%5%Co,0.2%0.6%Mn,0.4%0.6% Ti。主要性能指標(biāo)如下:金相組織為回火馬氏體+共晶碳化物+二次碳化物+殘留奧氏體(10%;硬度6065HRC,沖擊韌性510J/cm2,抗拉強(qiáng)度400600MPa,抗彎強(qiáng)度1000MPa,抗壓強(qiáng)度2800MPa。鑄造高速鋼輥環(huán)在三明鋼廠高速線材軋機(jī)預(yù)

21、精軋機(jī)架使用,結(jié)果見表7。從表中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出:雖然高速鋼輥環(huán)的耐磨性不如硬質(zhì)合金輥環(huán)的耐磨性,但高速鋼輥環(huán)的單槽軋鋼量高于硬質(zhì)合金輥環(huán),原因在于硬質(zhì)合金輥環(huán)當(dāng)軋鋼量超過3500t時(shí),其槽孔的小裂紋變大,龜裂嚴(yán)重。使用高速鋼輥環(huán),可以減少換槽次數(shù),節(jié)省換槽時(shí)間,提高軋機(jī)作業(yè)率。5鑄造高速鋼軋輥在我國的應(yīng)用展望為了成功地推動(dòng)鑄造高速鋼軋輥在我國的應(yīng)用,應(yīng)該注意著重解決以下4個(gè)問題。33第24卷第6期符寒光:耐磨鑄造高速鋼軋輥的研究表7輥環(huán)使用效果對比指標(biāo)磨損量h/mm修磨情況一次修磨量/mm總量/mm次數(shù)單槽軋鋼量/t裂紋情況脆輥高速鋼0.50.6 1.51.8301650006500少少硬

22、質(zhì)合金0.30.35 1.2302535004000多且較大多5.1解決鑄造高速鋼軋輥熱處理中輥芯強(qiáng)度下降問題從提高高速鋼復(fù)合軋輥外層材料耐磨性出發(fā),希望提高淬火溫度。但復(fù)合高速鋼軋輥的輥芯材料通常選用灰鑄鐵、球鐵、鑄鋼或鍛鋼,若高速鋼軋輥的淬火溫度選擇在1250以上,則輥芯組織顯著粗大,甚至出現(xiàn)局部熔化現(xiàn)象,使輥芯強(qiáng)度顯著降低,軋輥使用中易出現(xiàn)斷輥現(xiàn)象,影響軋機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)行。國外已開發(fā)成功了高速鋼軋輥的亞溫?zé)崽幚砉に?但未對工藝作詳細(xì)報(bào)道。我們應(yīng)立足于國內(nèi),盡快開發(fā)高速鋼軋輥的熱處理工藝,新工藝應(yīng)該在取消高溫淬火,保證輥芯具有高強(qiáng)度的前提下,簡便易行,能耗低,污染少。表面感應(yīng)淬火工藝具有操

23、作方便,對輥芯強(qiáng)度影響小等特點(diǎn),在鑄造高速鋼復(fù)合軋輥中應(yīng)用將是可行的。為保證淬硬層深度,建議采用雙感應(yīng)器應(yīng)淬火工藝。5.2解決鑄造高速鋼軋輥外層與輥芯結(jié)合層強(qiáng)度低的問題傳統(tǒng)離心鑄造復(fù)合高速鋼軋輥,輥芯材料通常是有石墨析出的灰鑄鐵或球鐵,由于外層材料高速鋼中含有大量促進(jìn)鑄鐵白口化的元素,因而使外層與輥芯結(jié)合部位石墨化惡化,加上碳化物的析出,使結(jié)合部變脆,促使復(fù)合輥外層剝落。當(dāng)輥芯材料采用高速度和高延伸率的鑄鋼時(shí),由于其熔點(diǎn)比高速鋼高,澆注時(shí)將與已經(jīng)凝固的外層高速鋼的內(nèi)表面熔融混合。這一熔融層的熔點(diǎn)比心部鋼液低,成為最后凝固的部位,極易產(chǎn)生鑄造缺陷,降低結(jié)合部位的強(qiáng)度。采用在高速鋼和芯部材料之間加

24、一低合金中間層的方法,有望改善界面結(jié)合狀態(tài)和提高復(fù)合層結(jié)合強(qiáng)度,但關(guān)鍵是中間層的選用和簡化工藝。5.3解決鑄造高速鋼軋輥易出現(xiàn)偏析問題用CPC、ESR和ESSLM等方法制造高速鋼軋輥,性能較好,但設(shè)備投資大。而我國普通離心機(jī)多,用普通離心鑄造方法生產(chǎn)高速鋼軋輥極易產(chǎn)生偏析,影響軋輥使用效果。筆者認(rèn)為采用降低澆注溫度、澆注過程中增加電磁攪拌和采用水冷金屬鑄型等工藝措施,可減輕甚至消除合金元素偏析,改善軋輥使用效果。5.4解決鑄造高速鋼軋輥易出現(xiàn)鑄造裂紋問題由于鑄造高速鋼軋輥中含有較多的合金元素,而合金元素的加入會降低鋼的導(dǎo)熱性,加大了軋輥冷卻時(shí)的不均勻性,因此增加了軋輥的殘余應(yīng)力;同時(shí),在凝固過

25、程中由于合金元素的偏析,將會加大鋼中相變的不同時(shí)性,從而增加了相變應(yīng)力。而相變應(yīng)力和殘余應(yīng)力的疊加,使得離心鑄造高速鋼軋輥時(shí)表現(xiàn)出較大的裂紋傾向。通過對鋼液進(jìn)行變質(zhì)處理以提高抗熱裂性能和選擇合適的離心鑄造工藝參數(shù),如使用雙層涂料(底層為隔熱層,面層為耐火層,澆注過程中變換離心機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)等,有望減輕甚至消除高速鋼軋輥的鑄造裂紋。參考文獻(xiàn)1Ichino K.,K ataoka Y K oseki T.Development of Centrifugal cast Roll with High Wear Resistance for Finishing Stands of Hot Strip Mill.K awasaki Steel Technical Re port,No.37, Octor.,1997,1318.2K arag¨o z S.,Fischmeister H.F.Niobium-Alloyed High Speed Steel by Powder MetallurgyJ,Met.Trans.,19A