支承辊使用性能的探讨①

李世辉

(宝钢轧辊科技有限责任公司， 江苏 常州　213019)

引　言

大型轧机是现代化冶金企业的关键工艺设备，而支承辊又是轧机的关键核心部件，其使用性能直接决定着轧机稳定、产线顺行、生产消耗及产品质量。针对支承辊使用性能的探讨、剖析，对生产中正确使用支承辊具有一定的帮助。

随着市场及用户对板带精度要求的不断提高，交叉轧机、CVC轧机、HC轧机、PC轧机等结构新颖、高速度、高精度的现代化轧机的出现，要求工作辊及中间辊材质的高合金化、先进的板型控制技术的应用、毛化+镀铬的高硬度辊面、换辊周期的延长等技术都对支承辊的使用性能提出了更高的要求。

1　对支承辊使用性能的要求

1)冷轧工作辊、中间辊材质由于Cr5系列、半高速钢、高速钢的使用、推广和普及，其耐磨性和辊面的抗疲劳性能都得到提高。要求冷轧支承辊选择高合金钢材质。

2)板型控制技术——弯辊、横移、CVC、HC等技术在冷轧上的应用比热轧更为广泛，大大增加了支承辊辊面载荷的不均匀性。要求支承辊辊型保持性及抗腐蚀性好。

3)连退和热镀锌四辊轧机平整工作辊，辊面经毛化+镀铬，是辊面硬度和粗糙度最高的工作辊。要求支承辊辊面高硬度。

4)相对热轧而言，冷连轧机发生断带、粘钢、缠辊的轧制故障频率要高得多。轧机急停引起的支承打滑，工作辊、中间辊粘钢导致支承辊辊面局部载荷的突然上升，要求提高冷轧支承辊辊面抗热冲击性能。要求支承辊抗事故性要好。

5)连退和热镀锌四辊平整机支承辊辊面硬度由50～60 HSD，逐步提高到72～78 HSD。辊面金相组织中也相应发生索氏体→贝氏体→马氏体转变，M3C型碳化物转化为M7C3型碳化物。要求支承辊采用整体感应加热淬火，马氏体组织。

6)热轧管线钢和冷轧高强度汽车板产量比例的增加，较往年钢材需求旺盛和钢厂对高额利润的驱使，过高的轧制载荷和越来越长的换辊周期，支承辊的换辊周期与检修周期同步。要求支承辊耐磨性、抗接触疲劳性、抗腐蚀性、辊型保持性都要好。

2　对支承辊基本性能的要求

2.1　化学成分

目前广泛采用Cr5整体锻钢支承辊，其化学成分如表1所示。

表1　Cr5整体锻钢支承辊化学成分/%

w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Cr)w(Mo)w(V)0.40～0.550.15～0.600.50～1.00≤0.020≤0.0204.70～5.300.50～0.800.10～0.30

2.2　机械性能

由于在轧辊上的实物取样与实验室条件试验试样检验结果有较大差异，现以英国SFR轧辊公司所列数据供参考，如表2所示。

表2　Cr5锻钢支承辊典型机械性能

部位硬度/HSD屈服强度/MPa抗拉强度/MPa疲劳极限/MPa抗扭强度/MPa弯曲强度/MPa辊颈35700890265570335458451040310665390508701115335715420辊身60—1470———65—1600———72—1683———

2.3　金相组织

辊身：含有细小、弥散的颗粒状M7C3型碳化物+贝氏体或马氏体基体。

辊颈：索氏体或细珠光体+细小、弥散分布的颗粒状碳化物，特别强调不允许存在网状碳化物。

2.4　耐磨性

图1为870 ℃ Fe-Cr-C等温截面区间图。可以看到Cr5钢处在奥氏体+M7C3相区的边缘；这种成分控制保证了只有少部分被硬化以提高耐磨性，所以不影响韧性。这种碳化物非常稳定，不会在辊身表面淬硬过程中再溶解，并通过加入其他合金防止碳化物粗化。

图1　870 ℃ Fe-Cr-C等温截面区间图，Cr3和Cr5钢近似比较

图1还表明Cr3不能形成M7C3型高温碳化物。且众所周知，由于M7C3型碳化物显微硬度不仅远高于基体组织中的贝氏体或马氏体，而且也高于M3C型碳化物，因此，对Cr5支承辊耐磨性提高作出了重大贡献。可喜的是，由于Cr5锻钢材质淬透性良好，可以获得较深的淬硬层深度，在差温淬火热处理工艺条件下，其淬硬层深度可达80 mm，而若采用整体感应淬火工艺，则淬硬层更深，如图2所示。

图2　硬度曲线

关于Cr5支承辊耐磨性与辊面基体组织的关系，有两种不同的观点：英国SFR轧辊公司认为，相同硬度的马氏体与贝氏体支承辊耐磨性差别不大，支承辊耐磨性的高低取决于硬度；而JCFC(日本铸锻钢)轧辊公司则推荐耐磨性优良的马氏体基体的Cr5锻钢支承辊，事实上在宝钢公司2050热轧机上使用效果最好。还有生产数据表明：Cr5支承辊比Cr3支承辊修磨量可减少30%。

2.5　断裂韧性

虽然耐磨性对提高支承辊服务寿命是根本重要的，但是也要重视抗疲劳剥落性能。由于滚动接触疲劳引起的辊面加工硬化，轧机故障急停引起的支承辊辊面打滑，以及粘钢导致支承辊辊面局部载荷突然上升等因素都对支承辊继续使用带来风险；前者会引起疲劳裂纹的生成与扩展，后两者则形成热冲击裂纹扩展最终可能会导致辊面剥落。这种裂纹扩散趋势甚至脆性断裂方式直接与材料的断裂韧性有关。

图3表示了不同Cr含量及不同硬度条件下摆锤式冲击试验的结果。在同等硬度值下，Cr5钢显示出较高的耐冲击性能，推断其有较高的断裂韧性。当然也指出，硬度越高断裂性也较差，这与钢中含碳量及回火温度不无关系，也可以认为马氏体基体断裂韧性或许较差一些。

图3　硬度与成分对冲击韧性的影响

所以，在需要用各种手段提高支承辊的耐磨性时，必须告知用户：每当轧制故障产生，必须检查支承辊辊面，一旦受伤，应该及时更换；反之，用降低耐磨性的方法提供硬度较低的支承辊去应对事故频繁的轧机时，也要告知用户：为避免过度加工硬化，合理地确定支承辊更换周期十分重要。

2.6　滚动接触疲劳强度与加工硬化

在轧制过程中，支承辊辊面与工作辊或中间辊辊面接触，轧制力、压缩力反复作用在接触面上。由于支承辊换辊周期时间是数十倍甚至百倍于中间辊、工作辊，所以在支承辊表面形成了滚动接触疲劳机制。

在硬度同是60 HSD的情况下，不同材质轧辊滚动接触疲劳试验结果如图4所示。结果表明：Cr5钢的滚动接触疲劳强度大大高于Cr3钢，按滚动接触疲劳试样失效转数相比，寿命提高了5倍。

图4　在相同硬度条件下，不同材质轧辊滚动接触疲劳试验结果

辊面剥落发生时加工硬化硬度及原始硬度之间的关系如图5所示。滚动接触疲劳机制是辊身表面加工硬化形成局部高硬度区的体现。一方面，支承辊初始硬度提高，降低过度加工硬化程度，从而接触疲劳强度增强，抗剥落性能提高；另一方面，高硬度支承辊的剥落敏感性又与加工硬化硬度绝对值有关。从图5还可以看出，当使用70 HSD冷、热轧支承辊时，磨削后上轧机前允许的辊面加工硬化值约为3 HSD，而使用50 HSD的厚板支承辊时其相应值就可以放宽至5～7 HSD。

图5　剥落发生时加工硬化硬度及原始硬度之间的关系

对使用Cr3和Cr5材质支承辊辊面加工硬化深度所做的跟踪记录如图6所示。

图6　Cr3和Cr5支承辊加工硬化深度

究其原因认为，M7C3碳化物在Cr5支承辊中弥散的分布，使基体组织与工作辊接触点面积减小，从而减少了加工硬化发生数量，如图7所示。

图7　碳化物分布对Cr5支承辊加工硬化的影响

2.7　旋转弯曲疲劳强度

由于辊颈圆弧部分处在辊身与轴承过渡区，受力、应力集中最大。旋转弯曲疲劳强度对于支承辊辊颈是特别重要的一个因素。在选用Cr5锻钢支承辊的情况下，应该是有所保证的。图8显示了硬度为55HSD时Cr3和Cr5钢旋转弯曲疲劳极限。

图8　硬度为55HSD时Cr3和Cr5支承辊旋转弯曲疲劳极限

3　应用建议

(1)对于辊面是马氏体基体的支承辊，由于在热处理过程要承受巨大的淬火应力，因此对于辊颈及心部超声波探伤及金相组织有更严格的要求。

(2)对于冷轧连退、热镀锌四辊平整机所用的支承辊，由于工作辊辊面采用毛化+镀铬工艺，而且这类轧机断带、粘钢事故几率很小，可选用马氏体基体的支承辊，辊面硬度≥72 HSD。

(3)对于热轧机R2，F1～F5均已采用半高速钢、高速钢工作辊，而且较少产生卡钢、甩尾、头部轧破，极少产生断带、粘钢等事故的情况下，也可以选用辊面硬度70 HSD左右马氏体基体的支承辊。

(4)对于轧制故障较多的冷、热轧机，建议选用辊面硬度≤70 HSD的贝氏体基体的支承辊为好。

(5)应对支承辊两端倒角的设定和硬度跟踪纳入经常性工作。

(6)一旦发生异物压入、粘钢或轧制故障引起的支承辊严重打滑，应及时更换支承辊，将辊面损伤、加工硬化部分加以修磨至可控状态。

4　结束语

产品的高强化、生产的重载荷、长周期快节奏对支承辊的使用性能要求愈加严苛，渴望高品质支承辊的愿望非常迫切，宝钢轧辊科技有限责任公司正在加紧研制高耐磨抗疲劳性能的新一代锻钢支承辊，并采用当前世界上最先进的整体感应加热工艺，从而满足支承辊的使用性能和基本性能要求，为国内、外客户提供高品质的支承辊，推动支承辊制造技术的整体进步。