鍛造冷軋工作輥材料的發(fā)展

中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)公司鍛造分廠 （黑龍江 161041） 王 爽 劉大琦

隨著熱加工工藝的不斷改進(jìn)，軋輥制造廠不斷研究開(kāi)發(fā)新鋼種，采用新工藝新技術(shù)，推動(dòng)冷軋輥用鋼的更新?lián)Q代，冷軋輥的質(zhì)量及使用性能不斷提高。冷軋工作輥的材料從最初使用的軸承鋼逐步發(fā)展到含2%Cr、3%Cr、5%Cr鋼，以及高鉻鑄鐵、高速鋼、半高速鋼。目前，高速鋼及半高速鋼軋輥都是鑄造的復(fù)合軋輥，最初用于帶鋼熱軋機(jī)工作輥，近年來(lái)已開(kāi)始用于帶鋼冷軋機(jī)工作輥。今后發(fā)展目標(biāo)必然是整體鍛造的半高速鋼及高速鋼冷軋工作輥。

1.2%～5%Cr鍛鋼軋輥

鍛鋼軋輥是經(jīng)過(guò)鋼包精煉除氣后真空澆注，鍛造工序普遍運(yùn)用了KD法（上下寬V形砧大壓下量鍛造法）、FM法和WHF法等中心壓實(shí)方法，在熱處理工藝方面也有許多獨(dú)特技術(shù)。

20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)了含3%Cr和5%Cr的冷軋輥，在我國(guó)當(dāng)時(shí)也曾經(jīng)對(duì)3%Cr軋輥的試制有過(guò)嘗試，真正成功制造并使用含3%Cr冷軋工作輥則是在1992年以后，1997年試制成功5%Cr的冷軋工作輥，含2%Cr冷軋輥用鋼發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，涉及鋼種較多，但化學(xué)成分大同小異。在我國(guó)納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13314－1991的鋼種有5個(gè)是含2%Cr，一個(gè)含3%Cr的鋼種，以及9Cr3Mo。而常用含3%Cr的鋼種是MC3A，MC3B。含5%Cr的冷軋輥用鋼目前還沒(méi)有納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但已經(jīng)普遍應(yīng)用，這些鋼種的化學(xué)成分如表1所示。使用結(jié)果表明，MC3A、MC3B、MC5軋輥的使用性能明顯優(yōu)于2%Cr軋輥。淬硬層深，耐磨性好，事故率低，軋輥返修淬火的次數(shù)減少，使用壽命增長(zhǎng)。

有報(bào)道降低鋼中C含量，提高Si含量，可以改善冷軋輥用鋼性能，所報(bào)道的鋼種相當(dāng)于65Cr2SiMoV。試驗(yàn)結(jié)果表明，此鋼種采用適當(dāng)?shù)墓に嚐崽幚砗?，疲勞性能及殘留奧氏體量與9Cr2MoV相當(dāng)，而強(qiáng)度及沖擊韌度均高于9Cr2MoV。國(guó)內(nèi)雖然有人對(duì)這種鋼進(jìn)行了研究，但并沒(méi)有投入實(shí)際應(yīng)用。

20世紀(jì)40～70年代期間，直徑減少20mm時(shí)重新淬火，當(dāng)時(shí)軋輥使用到直徑減少60mm時(shí)報(bào)廢。到20世紀(jì)80年代，軋輥使用增加到62mm，直徑減少30mm時(shí)重新淬火。20世紀(jì)80年代后期達(dá)到了不需要重新淬火的水平?，F(xiàn)在軋輥可以使用到直徑減少100mm而不必重新淬火。近年來(lái)國(guó)內(nèi)仍有對(duì)MC3、MC5冷軋工作輥研究的報(bào)道。

表1 含3%Cr、5%Cr的冷軋工作輥用鋼及化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.高Cr鑄鐵軋輥

當(dāng)軋輥鋼中Cr含量達(dá)到5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）后，是否繼續(xù)增加Cr含量，有報(bào)道采用10%Cr鋼鍛制冷軋輥，硬度在90HS以上的淬硬層深度可達(dá)80mm以上，軋輥耐磨性大幅提高。但這種軋輥沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。冷軋輥用鋼的發(fā)展又走向了另一條途徑，把帶鋼熱軋機(jī)所用高Cr鑄鐵軋輥引入了帶鋼冷軋機(jī)。近年，國(guó)內(nèi)仍有對(duì)高鉻冷軋工作輥用鋼的研究，認(rèn)為高鉻鋼制作冷軋工作輥是發(fā)展趨勢(shì)。

高Cr鑄鐵軋輥?zhàn)畛跤糜趲т摕彳垯C(jī)，擴(kuò)展應(yīng)用到帶鋼冷軋機(jī)、型鋼軋機(jī)，多制成復(fù)合軋輥，心部為灰鑄鐵，表層為高鉻白口鑄鐵。最初制造的這種軋輥常在心部與外層結(jié)合處發(fā)生早期失效，如由于心部材料因疲勞產(chǎn)生裂紋并造成嚴(yán)重剝落。但經(jīng)大量的研究改進(jìn)，這一問(wèn)題已經(jīng)得到解決。

高Cr鑄鐵軋輥的熱處理工藝與普通鍛鋼軋輥不同，其是經(jīng)350℃等溫轉(zhuǎn)變形成貝氏體與鐵素體的混合組織，能經(jīng)受500℃工作溫度而不發(fā)生軟化，軋輥內(nèi)的殘留壓應(yīng)力很低。

高鉻鑄鐵軋輥用作冷軋機(jī)工作輥，由于其硬化層深，耐磨性好，事故率低，使用壽命高于普通鍛鋼軋輥。

3.高速鋼及半高速鋼軋輥

高速鋼及半高速鋼軋輥?zhàn)畛醵际怯米鲙т摕彳垯C(jī)工作輥，近年來(lái)開(kāi)始用于帶鋼冷軋機(jī)。

（1）高速鋼軋輥的性能特點(diǎn) 有報(bào)道稱高速鋼（HSS）軋輥是從高鉻鑄鐵輥轉(zhuǎn)化而來(lái)，碳化物形成元素Mo、W、Ti、V、Nb取代了一些Cr，使其中的碳化物類(lèi)型及組織形態(tài)發(fā)生變化，氧化特性與高鉻鑄鐵不同，由于其表面易形成氧化膜而起到保護(hù)作用，可提高其耐磨性。

1999年4月，在英國(guó)伯明翰召開(kāi)的軋輥會(huì)議上，報(bào)道情況表明高速鋼軋輥在帶鋼熱軋中的應(yīng)用已很普遍，高速鋼軋輥已發(fā)展到第三代，在第一代軋輥中所存在的問(wèn)題已經(jīng)解決，值得注意的是高速鋼軋輥已開(kāi)始用作帶鋼冷軋機(jī)工作輥。

（2）半高速鋼（SHSS）軋輥性能特點(diǎn) 第二次世界大戰(zhàn)期間，由于戰(zhàn)爭(zhēng)造成資源匱乏，人們?yōu)楣?jié)約合金元素而嘗試減少高速鋼中的合金元素含量，并使其仍然保持足夠的二次硬化效果，在大致相同的熱處理工藝下，可以得到與高速鋼相同的硬度，從而可以代替高速鋼使用。

作為軋輥材料半高速鋼的化學(xué)成分與傳統(tǒng)的半高速鋼不同。有文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)幾種半高速鋼軋輥的試驗(yàn)研究，其合金元素含量均較低。

對(duì)半高速鋼軋輥組織及性能的研究報(bào)道很少，說(shuō)明這方面的工作還剛剛開(kāi)始。有文獻(xiàn)報(bào)道了對(duì)一種半高速鋼冷軋輥材料的試驗(yàn)研究。鋼的化學(xué)成分如表2所示。用100kg真空感應(yīng)電爐熔煉，于900～1100℃間鍛造成φ60mm圓棒，經(jīng)球化退火后進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

試驗(yàn)鋼于1020℃淬火后的回火曲線表明，不論是經(jīng)過(guò)冷處理還是未經(jīng)冷處理的試樣都具有二次硬化的特點(diǎn)。二次硬化的峰值硬度對(duì)應(yīng)于殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)的急劇減少。未經(jīng)冷處理的試樣二次硬化的峰值硬度為740HV，高于經(jīng)過(guò)冷處理試樣的720HV。經(jīng)冷處理的試樣，其中殘留奧氏體量減少，因而在450℃回火時(shí)就達(dá)到了二次硬化的硬度峰值，而未經(jīng)冷處理的試樣在500℃回火才能達(dá)到硬度峰值。

二次硬化的效果來(lái)自兩方面：一是回火過(guò)程中所析出的碳化物粒子；二是回火過(guò)程中使殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體?；鼗疬^(guò)程中析出彌散分布的Cr、Mo、V的碳化物粒子，可增強(qiáng)鋼的耐磨性。

（3）國(guó)內(nèi)整體鍛造半高速鋼冷軋工作輥 國(guó)內(nèi)有報(bào)道，研究試制了整體鍛造半高速鋼冷軋工作輥，其化學(xué)成分如表3所示。

表3 試驗(yàn)軋輥的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

試制工藝流程為：電弧爐冶煉→電渣重熔→鍛造→粗加工→調(diào)質(zhì)→雙頻感應(yīng)淬火→高溫回火。感應(yīng)淬火溫度1090℃，回火溫度520℃。軋輥表面硬度92HSD，90HSD以上的淬硬層深度為25mm，87HSD以上的淬硬層深度為35mm。軋輥組織為回火馬氏體基體上分布著細(xì)小彌散的碳化物。

4.結(jié)語(yǔ)

冷軋工作輥材料從最初使用的軸承鋼逐步發(fā)展到含2%Cr、3%Cr、5%Cr鋼，以及高鉻鑄鐵、高速鋼、半高速鋼。材質(zhì)的發(fā)展經(jīng)歷了Cr含量由低到高的過(guò)程，而C含量則是由高到低的趨向，一定程度上打破了原來(lái)淬硬性與含C量關(guān)系的固有觀念，當(dāng)Cr含量較高時(shí)，即使C含量降低也可獲得適當(dāng)高的淬硬性，提高綜合使用性能。目前，高速鋼及半高速鋼軋輥都是鑄造的復(fù)合軋輥，最初用于帶鋼熱軋機(jī)工作輥，近年來(lái)已開(kāi)始用于帶鋼冷軋機(jī)工作輥。今后發(fā)展目標(biāo)必然是整體鍛造的半高速鋼及高速鋼冷軋工作輥。

（20121229）