浅析高铬铁轧辊热常见处理工艺

随着轧辊生产技术的普遍提高，以及热轧板带生产企业轧辊使用技术的日趋完善，高铬铸铁轧辊在国内的几大轧辊生产厂家逐步成为常规产品，但是随着市场竞争的激烈，生产成本压力的加大，轧辊生产厂家逐步压缩各阶段的成本，造成轧辊出现质量波动，为保证轧辊的使用性能，主要依靠后期的热处理工艺的不断优化。

1.高铬铁轧辊生产技术特性

高铬铁轧辊浇铸方式为离心复合浇铸，一般为外层、中间层、添芯部份，其中外层成份为高铬铁，中间层为石墨钢或球墨铸铁，添芯部份为球墨铸铁。

此类轧辊外层由于添加了大量的Gr元素，基体组织为马氏体+珠光体+残奥，基体组织中分布大量的Gr7C3型碳化物+Gr23C6型碳化物+菊花状碳化物，根据Gr/C比的不同碳化物比例有所改变，显微硬度可达1600-1800HV。

2.高铬铁轧辊目前三种热处理方式

目前，高铬铸铁轧辊的热处理主要有两种形式，一种是低于临界转变温度的亚临界热处理，另一种是高于临界点的高温热处理（差温处理、整体处理两种方式），研究结果显示，高铬铸铁轧辊高温热处理后，其性能可以明显改善，为了进一步提高高铬铸铁轧辊性能，研究淬火温度、冷却方式、回火温度对高铬铸铁轧辊组织和性能的影响，以提高高铬铸铁轧辊性能。

2.1高温热处理方式

在奥氏体化阶段将铸态组织中大量的珠光体、共晶碳化物转变为奥氏体，在通过淬火，将组织转变为索氏体等，提高其硬度值、耐磨性。

2.2差温热处理方式

目前国内差温热处理技术的逐渐成熟，同时差温热处理成本低于以上热处理方式，已经由铸造热轧板带支撑辊、高铬钢等逐步扩展到高铬铁轧辊，目前大型轧辊铸造厂逐步开始试验生产。

2.3低温回火处理方式

随着生产成本压力的增大，生产厂逐步都在采用二次回火热处理方式，第一段回火热处理主要减少残余奥氏体量，第二段回火热处理主要消除内应力，保证轧辊使用性能。

3.三种热处理方式的特征及温度点的确定

3.1整体高温热处理工艺中淬火方式的选择

在高温热处理中，淬火方式一般有三种，油冷、雾化、空冷，其淬透性如见图1。

图1：冷却方式对高铬铸铁轧辊淬透性的影响^【1】

图2：淬火处理对高铬铸铁轧辊硬度的影响^【1】

由图可知，油冷效果最理想，但是在实际生产中经验总结，油冷不但生产成本高，而且极易出现边部、结合层裂纹，目前生产厂大部分采用风冷或者雾化冷却，主要是为避免在热处理过程中造成裂纹，同时通过铸造工艺的不断优化，轧辊的铸造硬度也逐步在提高，风冷或者空冷处理亦可满足使用要求，目前应用最广。高温温度点的确认，有资料认为当采取较低淬火温度(如950℃),组织中除有奥氏体、共晶碳化物和马氏体外还出现大量的屈氏体组织。出现屈氏体组织说明高铬铸铁未淬透；淬火温度较高(如1000℃和1050℃)时,空冷后组织中的屈氏体基本消失,二次碳化物变得短小,直至均匀弥散分布,这对性能的改善是有利的^【2】。但在作者所接触的生产厂中，大部分采用1000℃以下。

图3：高铬铁轧辊正火+回火常用工艺范围

由于高铬铸铁导热性差，轧辊的断面尺寸很大，奥氏体加热保温后的冷却过程过快会使轧辊产生裂纹。因此，所设计的高铬铸铁成分中除合理选择碳和铬的含量外，还添加了一定量的锰、镍、钼等合金元素，以提高轧辊的淬透性，使得在空淬条件下即可形成马氏体和奥氏体的混合组织^【3】。则高铬铁辊身工作层表现出很高的耐磨性和硬度，目前使用性得到了轧钢厂的共同认可。

高铬铁轧辊中间层一般采用石墨钢或者球墨铸铁，由于正火升温至950℃以上，外皮、中间层的结合部位在正火热处理过程中极易出现裂纹，要求结合部位必须十分良好，主要原因是成份偏差大（外皮、中间层材质不同），热处理过程中存在相变，伸缩系数偏差较大，结合部位出现相变应力的集中，故造成微裂纹扩展或者应力造成直接拉裂。

最近几年铸造工艺的不断完善，铸造硬度有一定的提升；冶金行业的不景气，各生产厂不断降低生产成本；轧钢厂轧钢时轧辊使用经验积累逐步完善，基于以上三点，除使用厂家明确提出要求进行高温热处理，否则高温热处理的很少。

3.2差温热处理工艺温度点确定

高铬铁差温热处理是在冶金行业不景气、差温热处理技术逐步成熟的前提下所开始实验，差温热处理主要是高温区升温段采用燃气窑快速表层升温，差温炉进行处理，其关键点是各个温度点的确认。

图4：高铬铁差温热处理范围

差温处理的难点主要在差温炉升温速度和降温速度的选择，各厂家变化较大，主要取决于结合层的结合强度，必须在使用前用使用厂家的报废轧辊（本厂生产）多次组织实验，目前应用的厂家不多，而且差温炉设备价格昂贵，使用此项技术的集中在大生产厂。

在差温处理后在进行二次回火处理，一段目的主要是消除残余奥氏体，高温段正火会增大残余奥氏体量，故残余奥氏体消除段尤为重要，其目标是奥氏体转变为索氏体后，索氏体量的大小决定其硬度，其硬度、耐磨性将大幅度提高。二段主要是去应力回火，回火温度取决于成品要求硬度和内应力的大小，差温热处理的内应力一般小于整体正火辊内应力，一般情况下，回火温度较整体正火辊温度低5℃—10℃。

图5：差温处理后二次回火热处理

3.3低温热处理工艺中两段回火温度的确定

    在低温热处理中，由于不存在奥氏体化、淬火过程，故回火温度的选择尤为重要。轧辊铸态残余奥氏体量小于高温正火后轧辊的残余奥氏体量，第一段温度可适度降低5℃—10℃，因为轧辊铸造内应力相对高温正火辊小，其最高硬度、耐磨性主要依据此段温度决定，二段确定主要由残余内应力、成品要求硬度所决定，其温度的高低、保温时间的长短一方面消除残余奥氏体，另一方面改变碳化物形态，决定最终硬度及耐磨性。

图6：低温处理两段回火各个温度点确定

在工艺制订过程中，两段回火温度点确定需要谨慎，否则可出现热处理裂纹，第一段回火降温过快，两段回火之间空冷时间过长，第二段回火升温过快是轧辊热处理裂纹产生的主要原因，通过降低第一段回火降温速度，控制两段回火间的空冷时间，降低第二段回火的升温速度，可以消除离心复合高铬铸铁轧辊热处理裂纹。^【4】。

4.各段热处理工艺对组织的影响

4.1回火温度组织、性能的影响

第一段回火温度对残余奥氏体量的影响，回火温度过低，将存在较大量的残余奥氏体，回火温度过高，虽然可以消除大量的残余奥氏体，但组织将会大量转变为珠光体、索式体，片层间距增大，造成轧辊硬度降低。

图7：残余奥氏体量对比

① 残余奥氏体不完全转变

② 残余奥氏体基本完全转变

从金相图中可以分析出，奥氏体的完全转变（残余奥氏体量2%以下），其马氏体形态理想、分布均匀，可以判断出成品硬度值在HSD70以上，达到厂家要求。

第二段回火温度对硬度的影响较为明显，其决定成品硬度值、耐磨性，使用厂家一般主要要求其耐磨性，耐磨性的提高将减少换辊频率，提高轧机作业率，其实验数据如下:

图8：回火温度对高铬铸铁轧辊耐磨性的影响^【1】

在上图可以看出400℃—500℃其耐磨性最高，但在内应力消除上，容易消除不净，作者按照400℃—500℃二次回火的产品发往使用厂家，其掉块频率有一定程度的提高，在结合其它生产厂热处理工艺，发现大部分二段回火温度控制在500℃以上。

5.不同热处理工艺轧辊使用性能对比

5.1轧辊实验确定

针对不同的热处理生产工艺，以唐钢第一钢轧厂1810生产线中F1-F3轧机工作辊（高铬铸铁）∮825x1810组织实验生产，以实际性能选取最佳热处理方式，共选取6对轧辊，为保证铸造性能基本一致，挑选的12支轧辊，成份偏差在0.05%以内、铸造毛坯硬度在HSD:75-77，每2对轧辊各选取一种热处理方式（整体高温热处理、差温热处理、低温热处理）。

5.2成品轧辊入库前性能对比

每2对轧辊采用同一种热处理方式，为保证检验结果具有说服性，包括低温热处理轧辊全部采用粗车后热处理，具备检验条件之后组织探伤、硬度、金相检测。

探伤检验：采用超声波探伤，全部击穿、未出现反射波，高温处理的轧辊也未曾出现裂纹缺陷。

硬度检验：便携式硬度计检测，工艺要求辊身硬度HSD：72-78、辊颈硬度HSD：39-45，具体检测数据见图1。

表1:不同热处理方式轧辊硬度检测结果

通过表1分析：全部满足工艺要求，其中低温热处理辊身硬度检测结果较其它两种热处理方式的硬度检测结果，高1-2（HSD）

金相检测：见图9、图10、图11.

图9：整体高温热处理辊身金相X500   图10：差温热处理辊身金相X500

图11：低温热处理辊身金相X500

通过图9、图10、图11金相可知：整体高温热处理、差温热处理残余奥氏体转变较为完全（残余奥氏体量2%以下），低温热处理残余奥氏体较多，转变不充分，这也就也可以说明低温热处理轧辊硬度检测较高的原因，唐钢第一钢轧厂高铬铁辊辊身硬度较其它厂家要求高HSD3-5，为保证其硬度值，回火温度较低，这也是本次残余奥氏体较多的原因之一。

5.3轧辊使用情况对比

通过轧辊使用跟踪，得出毫米轧制量，可最终说明轧辊的使用性能，具体数据见表2：

表2：轧辊使用情况统计表

通过上述数据可知，整体热处理轧辊优于差温热处理轧辊，但差距不大，但上述两类轧辊性能优于低温热处理，而且有一定差距。目前唐钢重机公司高铬铸铁轧辊以低温热处理为主，逐渐扩大差温热处理产品，并逐步取代低温热处理产品。

6.结论

6.1高铬铸铁轧辊在热处理过程中，其基本工艺曲线已经成熟，根据使用厂家的技术要求通常采用高温热处理或者低温热处理进行处理，随着铸造技术的不断提升、利润空间的降低，目前低温热处理已经逐步成为主流，高温热处理作为升硬度值补充或者高附加值产品时使用，逐步推广采用差温热处理技术。

6.2在各温度点及时间的控制上，各生产厂存在一定差别，一方面是化学成份及铸造水平影响，另一方面也决定着各生产厂家最终产品使用性能。

6.3碳化物形态及组织类型决定轧辊耐磨性、过钢量，故热处理工艺中，各关键温度点的确定及保温时间依然是研究的方向。

参考文献

【1】 符寒光、张孝红《高铬铸铁轧辊热处理工艺研究》  《中国铸造装备与技术》2005年第2期第10页-14页

【2】 谈淑咏《热处理对高铬铸铁组织和性能的影响》  《盐城工学院报》2008年第1期第23卷 第62页-第65页

【3】 艾忠诚、刘 娜、宗先泉、王素红、杨作平、马忠辉《高硬度高铬复合铸铁轧辊的研制》  《首届中国大型铸锻件制造技术发展论坛论文集》第61页—第67页

【4】   张海臣《离心复合高铬铸铁轧辊热处理裂纹的防止》  《热加工工艺》2010年第14期

 

作者简介

李仕源：（1981-  ）汉族

毕业学校：河北理工大学

职称：高级工程师

工作单位：唐山钢铁集团有限公司