万能型钢轧机高铬合金辊环的研制与应用

朱玉龙，朱志磊，刘永锋，孙熙钊

（1.轧辊复合材料国家重点实验室，河北 邢台054025；2.中钢集团邢台机械轧辊有限公司，河北 邢台054025）

中钢集团邢台机械轧辊有限公司（以下简称中钢邢机）始建于1958年，是国内第一家专业生产冶金轧辊和冶金成台（套）设备的冶金机械及备件制造企业，是目前世界上引领行业发展、产销规模最大、市场占有率最高、研发实力最强的冶金轧辊专业研发制造企业。60年来，冶金轧辊和冶金设备产品作为中钢邢机公司制造的主打产品，已成为世界多家知名钢铁企业的战略首选和必选产品。公司与国内多家钢企，包括宝武集团、首钢京唐、鞍钢等，建立了长期战略合作伙伴关系，轧辊产品远销澳大利亚、美国、韩国、日本、英国等五十多个国家和地区，在多年的营销过程中，也与世界排名前10名的钢铁企业，包括阿赛洛·米塔尔、新日铁、韩国浦项、塔塔钢铁集团等，建立起了密切的合作关系。中钢邢机自建厂以来，累计生产各类冶金轧辊65余万支，用中钢邢机轧辊轧制的各类钢材超过80亿t，为中国和世界经济建设及发展做出了重要贡献。

高铬合金轧辊作为新一代高合金材质的代表，已经应用于板带轧机，并表现出极好的耐磨性和优良的综合性能。以下简称中钢邢机针对国内某钢厂万能轨梁轧线研制了新一代万能型钢轧机新材质的高铬合金辊环，并得到了成功应用。

1 新材质辊环的研究

随着轧制技术的发展，轧材质量的不断提高，对轧辊的综合性能也提出了更高要求，特别是轨梁厂万能轧机生产线，对铁路建设起着重要作用。万能机架的辊环是轧机上的主要易损件，为提升辊环使用水平，实现材质更新换代，中钢邢机进行了新材质辊环的科研攻关。

1.1 化学成分设计

为了提高辊环的轧制寿命，首先对万能机架的立辊进行了研发。万能机架立辊属从动辊，为环套式结构，安装在两个水平辊之间同一垂直面内的箱形结构里，轧制力不大，其磨损程度远比水平辊环大，水冷条件也没有水平辊环好，因此需要良好的耐磨性和更高的抗热裂性。

为了提升辊环的使用水平，在高铬系列轧辊化学成分的基础上，设计了高铬合金辊环材质。高铬合金材质相对于通常使用的高碳半钢材质，化学成分中成倍加入了Mo、V等合金元素，合金含量高，使辊环具有高的耐磨性，良好的抗热裂性，综合抗事性。

碳是提高材质硬度和耐磨性的重要因素，碳能较多地溶于奥氏体(A)，增大A-M转变后的硬度，形成高碳马氏体，以提高基体的硬度和耐磨性。但过量碳能使M相变的温度显著下移并降低淬透性，使材质脆性增大，机械性能恶化。综合考虑将碳含量（质量分数）确定为1.5%～2.0%。

铬是主要合金元素，部分溶于基体，增加淬透性，部分形成合金碳化物，有利于耐磨性的增加，铬含量应以形成稳定的（Cr，Fe）7C3型碳化物并与碳含量平衡来决定，确定铬含量（质量分数）为12.0%～17.0%。钼和镍加入的目的主要是为了提高淬透性及耐磨性。

设计万能轨梁轧机辊环新材质高铬合金化学成分见表1。

表1 高铬合金辊环外层化学成分 %

1.2 技术性能参数设计

万能机架辊环常用材质为高碳半钢，环面硬度55-63H5D，基体组织：珠光体+碳化物。

新材质高铬合金辊环工艺设计为双层离心复合铸造，芯部仍采用韧性较好的石墨钢材质，设计高铬合金辊环环面硬度70-80HSD。

试验辊环选择了国内某钢厂万能轧机生产线60 kg万能粗轧立辊。

1.3 试验工艺

高铬合金辊环采用双层离心复合铸造，要确保复合材质浇注工艺达到工艺要求，各工序工艺参数的确定至关重要。

1.3.1 治炼浇注工艺

1）外层钢水治炼采用中频炉，优质废钢、高品位合金配料，通过造渣充分去除P、S，再调整Cr、Mo、V成分。对钢水进行变质处理，以增加材料硬质点及改善碳化物质点形态。

2）高铬合金复合辊环，材质内外层成分差距很大，两种成分的冶金结合较困难。既要防止外层高铬合金钢水氧化，又要控制芯部石墨钢钢水浇入量、浇注温度，以保证良好的组织形态。

3）保证外层与芯部良好治金结合。

1.3.2 热处理工艺

由于高铬合金辊环含有较高的Cr和C，属于莱氏体钢成分，在凝固过程中易形成粗大网状结构碳化物，其铸态组织主要由粗大网状原始共晶碳化物和奥氏体基体组成。为满足设计时的技术性能要求，热处理工艺制定起着关键作用。参考高铬系列轧辊基础试验参数，设计热处理工艺如下：

第一段热处理：球化退火，改善高铬合金显微组织中原始碳化物的形态、大小和分布。球化处理一方面使溶入钢中的合金元素增多，在淬火回火后能够产生足够的二次硬化效应，同时基体得到充分强化使部分合金碳化物分解和合金元素均匀化，减小成分偏析。

第二段热处理：淬火+多次回火，消除残余奥氏体，消除应力，得到理想的组织和硬度。

2 试验结果与分析

按照以上工艺设计，中钢邢机进行了高铬合金辊环的生产。

2.1 组织

中钢邢机公司生产的高铬合金辊环外层金相组织照片如图1，图2，与高碳半钢金相组织照片如图3相比，基体组织由珠光体基体改变为马氏体基体，基体显微硬度更高，且碳化物形态明显改善。高碳半钢为M3C碳化物（850-1 000 HV），高铬合金为具有更高显微硬度的M7C3型碳化物（1 200-1 600 HV），同时基体上弥散分布着细小、颗粒状M2C型碳化物（≥1 500 HV）使得高铬合金立辊硬度高、耐磨性好。

图1 高铬合金辊环外层铸态组织

图2 高铬合金辊环外层成品组织

图3 高碳半钢辊环外层成品组织

2.2 硬度（见表2）

表2高铬合金辊环硬度

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2.3 分析

高铬合金基体相织已不是高碳半钢基体组织的珠光体，而是具有更高显微硬度的回火马氏体。较高显微硬度的回火马氏体与高硬度M7C3、M2C碳化物匹配有效保证了立辊辊面的磨损均匀性。考虑万能轨梁轧制特点及加工设备问题，对各合金元素进行了调整，设计外层时更侧重于依靠基体的耐磨性，适当降低了碳化物形成元素的含量，碳化物的形态与数量相比，更侧重于形态的改善。试验产品达到了预期的目的。

3 应用情况

中钢邢机公司研制的高铬合金立辊环，在国内某钢厂万能轨梁轧机万能机架立辊使用，轧制60 kg重轨。经过上机实轧，表现良好。

1）与高碳半钢相比，高铬合金辊环表现出更加忧良的耐性和抗热裂性。

2）在相同的轧制条件及相当的轧制量条件下，高铬合金辊环下机后表面光滑、无裂纹，使用效果良好。

3）高铬合金立辊辊环采用离心复合生产，外层为具有高耐磨的高铬合金，芯部为具有高韧性的石墨钢，有效满足了轧机对立辊不同部位的性能要求，保证了高铬合金辊环的使用安全性。高铬合金辊环组织热稳定性强，裂纹扩展速度慢、具有良好的抗热裂性、强韧性，对轧机冷却水的要求不那么苛刻。

4 结论

1）高铬合金辊环硬度控制70-80HSD，与传统的高碳半钢相比，高铬合金辊环表现出更加优良的耐磨性和较好的抗热裂性，提升了使用效果。

2）在相同的轧制条件及相当的轧制量条件下，高铬合金辊环下机后表面光滑，轧材质量更高。