多輥軋機工作輥制作技術(shù)的研究與實踐

王學鋒

（中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北054025）

0 引言

中國的鋼鐵行業(yè)進入了高質(zhì)量發(fā)展時代，中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司作為冶金壓延領(lǐng)域的重要軋輥加工配套企業(yè)，也要順應(yīng)鋼鐵業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求，加快新產(chǎn)品的研發(fā)和轉(zhuǎn)型升級。傳統(tǒng)的軋制黑色產(chǎn)品的軋輥已風光不在，中鋼邢機只有加快高端軋輥技術(shù)研發(fā)，不斷開拓市場，才能持續(xù)保持軋輥加工制造領(lǐng)域的優(yōu)勢。隨著國家新材料戰(zhàn)略的發(fā)展，不銹鋼、硅鋼、鋁銅合金、鈦鎂合金等超薄極薄帶材，高精度帶材需求量日益上升，多輥軋機就是軋制此類帶材的主要設(shè)備，它具有廣闊的市場容量和市場前景，而多輥軋機的關(guān)鍵技術(shù)是其工作輥的研發(fā)。

1 多輥軋機工作輥的性能要求

多輥軋機是指具有良好剛性的塔形輥系特殊結(jié)構(gòu)軋機，其原理是利用小直徑軋輥軋制，以較大直徑軋輥支承，軋制壓力通過支承輥、中間輥施加。多輥軋機是由工作輥、中間輥和支承輥組成，有Y型軋機（七輥軋機）、八輥軋機、十二輥軋機、十四輥軋機、十八輥軋機、二十輥軋機等型式。采用小直徑工作輥，可以使軋制變形抗力顯著減小，然而輥徑的減小會出現(xiàn)剛性不夠的問題，為了解決這一矛盾，就需要有良好剛性的塔形支承輥系。因此，工作輥的基本作用是使軋制材料產(chǎn)生塑性變形，并承受產(chǎn)生的軋制力[1]。多輥軋機工作輥見圖1。

圖1 多輥軋機工作輥

不銹鋼、硅鋼、鋁銅合金、鈦鎂合金等材料屬于難軋制材料，塑性變形能力較黑色金屬差，軋材各向異性顯著，軋制反彈力高。由于軋機、軋材兩方面原因，多輥軋機工作輥工作條件十分苛刻，要求軋輥精度高、強度高、硬度及耐磨性高。基于對多輥軋機工作輥的使用條件和失效形式的分析，通常對其性能有以下要求：

（1）具有高的硬度和高的硬度均勻性。由于軋材種類、規(guī)格、軋制工藝、軋機條件等的不同，對軋輥適用性的要求也是不同的，同類型的軋機在不同廠家使用，對軋輥的硬度要求也是有差異的。多輥軋機工作輥的硬度是主要性能指標，可以保證軋材板型控制和表面質(zhì)量。硬度指標包括硬度、硬度均勻性、沿直徑方向的硬度降落。

（2）具有嚴格的組織要求。多輥軋機工作輥組織是細針狀馬氏體和均勻分布的細小碳化物。工作輥輥身表面耐磨性是依靠高耐磨的組織，主要取決于馬氏體基體組織中未溶碳化物的類型、數(shù)量及分布特征，而不是依靠組織中加入的耐磨相。

（3）具有高的抗事故能力。多輥軋機工作輥作為非標件，抗事故能力主要是指軋輥能夠適應(yīng)特定的使用條件，穩(wěn)定發(fā)揮功能的特性。對于用戶來說，無論軋輥具備什么性能要求，目的都是要保證軋鋼生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。

2 多輥軋機工作輥的技術(shù)條件

多輥軋機工作輥的性能要求決定技術(shù)條件。多輥軋機工作輥技術(shù)條件一般包含：化學成分、金相組織、機械性能、硬度、超聲波檢驗、加工精度等要素。以國內(nèi)某一鋼廠為例，多輥軋機工作輥的技術(shù)條件如下：

（1）化學成分要求，見表1。

（2）產(chǎn)品硬度要求，見表2。表中HRC 為洛氏硬度，HSD 為肖氏硬度，M2 材質(zhì)為Cr12MoV。

（3）機械性能要求，見表3。

（4）多輥軋機工作輥不得有肉眼可見的氣孔、夾渣、裂紋、砂眼、亮斑、劃痕、麻點、凸塊等缺陷，超聲波探傷檢測達到GB13314－2006 附錄A 級要求。

（5）多輥軋機工作輥輥面粗糙度≤Ra0.2 mm，圓柱度、同軸度≤Φ0.005 mm，不允許有“振紋”。

表1 工作輥的成分組成 /%

表2 工作輥的硬度要求

表3 工作輥的機械性能要求

3 多輥軋機工作輥的工藝設(shè)計

3.1 工作輥的技術(shù)分析

多輥軋機工作輥制作工藝完全不同于普通合金冷軋輥，其制作過程更加復(fù)雜，成材率大約在87%左右，多輥軋機工作輥的關(guān)鍵技術(shù)要點如下：

（1）多輥軋機工作輥材質(zhì)特殊，屬于鉬系高速鋼，淬透性較好，但易產(chǎn)生較大應(yīng)力，具有較大開裂傾向。淬火溫度較高，淬火易產(chǎn)生彎曲變形和堆積變形。

（2）多輥軋機工作輥結(jié)構(gòu)特殊，是典型的“超細長軸”，形位精度和表面粗糙度難以控制。材質(zhì)導熱性差，磨削過程中易發(fā)生磨削燒傷。

3.2 工作輥的加工工藝

根據(jù)以上的技術(shù)分析，確定了多輥軋機工作輥的加工工藝。

（1）為進一步改善工作輥的碳化物形態(tài)，淬火前增加高溫調(diào)質(zhì)處理，作好組織準備。

（2）工作輥采用垂直整體加熱淬火，進行二次預(yù)熱。淬火溫度控制在碳化物最大溶解奧氏體，同時不至晶粒過分長大的合理溫度區(qū)間內(nèi)。

（3）中心孔是軋機工作輥加工精度保證的基準，為保證同軸度Φ0.005 mm，采用強力熱壓頂研的工藝方法加工兩端中心孔。

（4）多輥軋機工作輥磨削是保證軋輥輥型的最終工序，由于軋輥剛性較差，因此采用托磨方式。

4 多輥軋機工作輥的淬火工藝

多輥軋機工作輥的制作技術(shù)中，淬火工藝是一個重要環(huán)節(jié)，其材質(zhì)屬于W－Mo 系萊氏體鋼，淬透性高，碳化物的溶解及奧氏體晶粒的長大是決定M2 材質(zhì)淬火性能的重要因素。

4.1 工作輥淬火工藝的確定

多輥軋機工作輥淬火采用新型熱處理爐，制作專用吊具，產(chǎn)品批量垂直加熱，垂直整體淬火。這樣，減少了工作輥的熱應(yīng)力和熱變形，消除了氧化脫碳層的產(chǎn)生。

為確定M2 材質(zhì)的淬火冷卻參數(shù)，試驗輥設(shè)計了四個溫度的淬火試驗。回火前和回火后分別檢測硬度對照比較，檢測回火后金相組織和晶粒度，切片分析不同溫度下殘奧量，根據(jù)檢測結(jié)果選擇目標金相組織，從而確定合理淬火溫度。

在正常淬火加熱溫度下，采用空冷方式，出現(xiàn)貝氏體組織，軋輥硬度偏低。采用水基淬火介質(zhì)，冷卻速度較快，因應(yīng)力過大軋輥極易出現(xiàn)縱向裂紋，甚至開裂、崩斷。因此，通過多次研究機理，多次進行試驗，根據(jù)淬火介質(zhì)特性，淬火采取預(yù)冷、高溫段快速冷卻，低溫段緩慢冷卻的冷卻制度。

4.2 工作輥回火工藝的確定

多輥軋機工作輥回火在電加熱空氣循環(huán)爐進行，同淬火相同，軋輥垂直懸置，減少回火變形。由于M2 材質(zhì)有二次硬化特性，所以進行三次高溫回火，促使殘奧充分轉(zhuǎn)變，消除內(nèi)應(yīng)力。

4.3 工作輥淬火后硬度檢測

多輥軋機工作輥淬火后硬度檢測結(jié)果：輥面硬度檢測兩條母線8 個檢測點，其硬度為64～65HRC，滿足表2 中規(guī)定的工作輥的硬度要求。通過解剖試驗輥檢測淬硬層深度，心部硬度達到60HRC 以上。

4.4 工作輥熱處理后金相檢測

圖2 為多輥軋機工作輥熱處理后金相組織照片。從圖3 中可以看出工作輥金相組織主要是：馬氏體+少量殘奧+碳化物，晶粒度11 級。

圖2 工作輥熱處理后金相組織

5 多輥軋機工作輥的磨削工藝

多輥軋機工作輥最終加工是磨削工序，是保證軋輥精度、保持軋輥輥型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的疊加因素，多輥軋機工作輥磨削加工難度系數(shù)極大，磨削中易出現(xiàn)：輥面粗糙度偏低，達不到軋制要求；輥面直線度差，出現(xiàn)中凸現(xiàn)象；輥面有輕微振紋、螺旋紋等質(zhì)量問題。

5.1 多輥軋機工作輥磨削工藝的確定

磨削多輥軋機工作輥，要具有三要素：磨床、砂輪、磨削方法。

（1）磨床的選擇。要選用高精度數(shù)控軋輥磨床，這是保證產(chǎn)品精度的設(shè)備條件。

（2）砂輪的選擇。砂輪的選擇主要包含砂輪材質(zhì)、粒度、硬度、結(jié)合劑等技術(shù)參數(shù)，經(jīng)多次磨削試驗，選定了綠色碳化硅砂輪，樹脂結(jié)合劑，硬度為中硬，粗磨選用80#砂輪，精選用180#砂輪。

（3）磨削方法的確定。磨削方法分為粗磨、精磨、光磨三個工步。磨削前檢測磨削部位直徑，從余量最大處開始磨削，砂輪進給均勻，砂輪同時要及時修整，保持鋒利，冷卻液要充足，嚴禁任何程度的燒傷現(xiàn)象。

5.2 多輥軋機工作輥磨削注意事項

（1）勤測量，保證合理的磨削量，避免產(chǎn)生磨削燒傷和磨削裂紋。

（2）合理選擇冷卻方法，磨削過程的冷卻效果不僅取決于磨削液，更取決于磨削液是否能有效注入磨削區(qū)。

（3）及時更換切削液，保證切削液的純凈度，無磨削拉毛現(xiàn)象。

5.3 多輥軋機工作輥磨削檢測結(jié)果

多輥軋機工作輥磨削檢測結(jié)果見表4，從表4 的結(jié)果可以看出，按上述磨削工藝加工的工作輥符合客戶對工作輥輥面粗糙度、圓柱度和同軸度的要求。

表4 工作輥磨削檢測結(jié)果

6 結(jié)論

在多輥軋機工作輥的研制過程中，根據(jù)多輥軋機工作輥的性能要求和技術(shù)條件要求，通過技術(shù)分析制定了軋輥的加工工藝、熱處理工藝和磨削。經(jīng)過反復(fù)試驗和工藝的調(diào)整，最后成功的研制出多輥軋機工作輥產(chǎn)品，一次通過用戶驗收，完全達到圖紙技術(shù)要求。經(jīng)過上機試軋制3 個月，換輥周期延長了10%，輥耗較同類產(chǎn)品降低了16%，受到用戶的高度評價。多輥軋機工作輥制作是系統(tǒng)工程，需要冶煉、鍛造、熱處理、車削、磨削綜合因素，才能生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。