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20世紀(jì)50～60年代，這一時期的軋件多為碳素結(jié)構(gòu)鋼，強(qiáng)度和硬度不高，所以軋輥一般采用1.5%～2%Ｃｒ鍛鋼。此類鋼的最終熱處理通常采用淬火加低溫回火，常見的淬火方式有感應(yīng)表面淬火和整體加熱淬火。其主要任務(wù)是考慮如何提高軋輥的耐磨性能、抗剝落性能，并提高淬硬層深度，盡量保證軋輥表面組織均勻，改善軋輥表層金屬組織的穩(wěn)定性。
    
從20世紀(jì)70年代開始，隨著軋件合金化程度的提高，高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼(HSLA)的廣泛應(yīng)用，軋件的強(qiáng)度和硬度也隨之增加，對軋輥材料的強(qiáng)度和硬度也提出了更高的要求，國際上普遍開始采用鉻含量約2%的Cr-Mo型或Cr-Mo-V型鋼工作輥，如我國一直使用的9Cr2Mo、9Cr2Mov和86CrMov7、俄羅斯的9X2MΦ、西德的86Cr2MoV7、日本的MC2等。這類材質(zhì)的合金化程度較低，在經(jīng)過最終熱處理后，其淬硬層深度一般為12～15ｍｍ(半徑)，僅能滿足一般要求，而且使用中剝落和裂紋傾向嚴(yán)重，軋制壽命低。
    
通過改進(jìn)熱處理方式，即進(jìn)行重淬1～2次，提高了該類軋輥的淬硬層，但每次重淬不僅需要一定的熱處理費(fèi)用，而且會使軋輥直徑都要損失5mm左右，同時軋輥在經(jīng)過多次熱處理后容易變形，難以滿足高精度軋輥的形位公差要求。因此，研制深淬硬層冷軋輥不僅可以大幅度地降低冷軋輥的消耗，減少軋輥在使用過程中的重新淬火次數(shù)，延長軋輥壽命，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益。
    
為了減少重淬消耗，提高軋輥的淬硬層深度、接觸疲勞強(qiáng)度、韌性，延長其使用壽命，從20世紀(jì)70年代后期到80年代中期，國內(nèi)外開始研究使用鉻含量在3%～5%的深淬硬層冷軋工作輥鋼。3%鉻冷軋輥不需重淬，且有效淬硬層深度可達(dá)到25～30mm，5%Cr冷軋輥有效淬硬層深度則達(dá)到40mm，其耐磨性和抗事故性能也有顯著提高。在這一階段，國內(nèi)試制了9Cr3MoV鋼，國外一些制造廠也先后開發(fā)推廣了深淬硬層冷軋輥，如美國的3.25%Cr鋼和5%Cr鋼，日本的KantocRP53、FH13、MnMC3和MC5等。這些鋼都采用高碳高合金材料，具有良好的硬度和耐磨性，但軋輥淬硬表面脆性大，接觸疲勞壽命低，質(zhì)量不穩(wěn)定。
    
為提高淬硬層深及接觸疲勞壽命，降低淬硬層脆性及過熱敏感性，同時也為滿足軋件對冷軋工作輥力學(xué)性能和使用性能的進(jìn)一步要求，自20世紀(jì)80年代中、后期，國外軋輥生產(chǎn)廠對5%Cr冷軋輥鋼進(jìn)行了化學(xué)成分的優(yōu)化工作，主要是在5%Ｃｒ鋼中增加鉬、釩的含量或加入鈦、鎳等元素。
    
添加0.1%左右鈦的5%Cr鋼軋輥中，鈦以碳氮化合物(TiCN)形式在基體中微細(xì)析出，經(jīng)過摩擦損耗后TiCN脫落，在軋輥表面形成劃痕，使適度的粗度再生。在鍍錫板軋機(jī)的實(shí)際操作中，有效利用粗糙度降低小的優(yōu)點(diǎn)，從軋制初期就可高速軋制。
    
在最終熱處理過程中，對軋輥鋼的淬火和加熱限制在奧氏體中含碳量不超過0.6%的程度，然后進(jìn)行盡可能強(qiáng)烈的冷卻，這樣就可以得到較深的淬硬層。此時，軋輥的淬硬層組織除隱針馬氏體(以板條為主)外，尚有約4%的碳化物和10%左右的殘留奧氏體。軋輥的表面硬度(包括殘余壓應(yīng)力的影響)約為HS(D)95～99。最后，用低溫回火將軋輥表面硬度調(diào)整到規(guī)定值，低溫回火越充分，硬度偏低時韌性越好，抗熱裂能力越高。鉬、釩含量的增加導(dǎo)致淬火后鋼中含有較多的殘余奧氏體，回火后大部分又轉(zhuǎn)變?yōu)樾埋R氏體，這樣就有助于提高軋輥硬度，增強(qiáng)耐磨性并降低磨損面粗糙度。
    
傳統(tǒng)熱軋輥材料的選用及熱處理工藝
    
熱軋輥常工作在700℃～800℃的高溫環(huán)境，與灼熱的鋼坯相接觸，需要承受強(qiáng)大的軋制力，同時表面要承受軋材的強(qiáng)力磨損，反復(fù)被熱軋材加熱及冷卻水冷卻，經(jīng)受溫度變化幅度較大的熱疲勞作用。這就要求熱軋輥材料必須具有高的淬透性、低的熱膨脹系數(shù)、高的熱傳導(dǎo)能力和高的高溫屈服強(qiáng)度及高的抗氧化性。
    
國內(nèi)曾經(jīng)使用過鍛鋼軋輥和無限冷硬鑄鐵軋輥，除普通冷硬鑄鐵外，還有低鎳鉻鉬、中鎳鉻鉬、高鎳鉻鉬鑄鐵材料，高檔次的冷硬鑄鐵材料為高鎳鉻鉬冷硬鑄鐵。這類材質(zhì)軋輥的缺點(diǎn)是硬度低，耐磨性不好。后來采用了球墨復(fù)合鑄鐵軋輥，相對而言，使用壽命提高了幾倍，至今仍然在使用。國外則一般采用半鋼和高硬度特殊半鋼材質(zhì)，對克服表面粗糙和抗磨損都很有效。
    
為了提高熱軋輥的表面耐磨性，熱軋輥的材料不斷地得到改進(jìn)，其基本的發(fā)展過程是從冷硬鑄鐵到高鉻鑄鐵到半高速鋼和高速鋼。
    
高鉻鑄鐵軋輥的化學(xué)成分為：2.0%～4.0%C，10%～30%Cr，0.15%～1.6%nI，0.3%～2.9%Mo。其本質(zhì)是一種高耐磨性的高合金白口鐵，鉻含量一般在10%～15%，其碳化物主要是M7C3型，與白口鑄鐵的連續(xù)的M8C型碳化物不同，它不但具有良好的耐磨性，還有較高的硬度(HV可達(dá)1800)，基體為奧氏體、馬氏體，因而其硬度和韌性結(jié)合較好。實(shí)際的軋制生產(chǎn)表明，高鉻鑄鐵軋輥有較好的抗熱裂性能，原因是軋輥表面生成一層致密且有韌性的鉻的氧化膜，能減少熱裂紋的數(shù)量和深度。因此，高鉻鑄鐵輥在20世紀(jì)80年代被非常廣泛用于精軋前架。目前，高鉻鑄鐵復(fù)合軋輥已廣泛用作熱軋帶 (鋼)連軋機(jī)，粗軋和精軋前段工作輥、寬中厚板；粗軋和精軋工作輥及小型型鋼和棒材軋機(jī)精軋輥等。
    
高鉻鑄鐵軋輥的熱處理有兩種形式，一是低于臨界轉(zhuǎn)變溫度的亞臨界熱處理，另一種是高于臨界點(diǎn)A3的高溫?zé)崽幚?。高鉻軋輥表面材料的珠光體基體，希望具有極細(xì)的片間距，并在基體上有大量彌散分布的二次碳化物，要求有盡量低的殘余奧氏體和殘余應(yīng)力，所以一般選用后一種形式的熱處理，具體為正火加回火。
    
高速鋼作為熱軋輥材料的應(yīng)用在1988年始于日本，20世紀(jì)90年代初期美國和歐洲也進(jìn)行了研制，我國在20世紀(jì)90年代后期開始研制和使用高速鋼軋輥。一般高速鋼的成分為1%～2%C，0%～5%Co，0%～5%Nb，3%～10%Cr，2%～7%Mo，2%～7%V，1%～5%W。因?yàn)閾碛写罅靠尚纬蓮?qiáng)碳化物的合金元素如W和V，其最終的顯微組織含有大約10%～15%具有極高硬度和高溫穩(wěn)定性的碳化物，所以在高溫下工作能保持較高的強(qiáng)度和硬度。其工作層硬度高，可達(dá)到80～85HS，具有較好的耐磨性和抗熱裂性，軋輥表面沒有出現(xiàn)熱裂紋，一般沒有剝落現(xiàn)象。
    
近年來國外在熱軋薄板粗軋機(jī)架采用半高速鋼軋輥也獲成功，其耐磨性是高鉻鋼軋輥的2倍，且咬入性能和抗熱疲勞性能好，因而成為熱軋薄板粗軋機(jī)架和線棒材中軋機(jī)架軋輥的理想選擇，半高速鋼的化學(xué)成分范圍為：1.5%～2.5%C，0.5%～1.5%Si，0.4%～1.0%Mn，1.0%～6.0%Cr，0.1%～4.0%Mo，0.1%～3.0%V，0.1%～4.0%W。
    
高速鋼熱軋輥的熱處理方式一般采用淬火加回火，在加熱到高溫時，鋼中的二次碳化物充分溶解，一次共晶碳化物部分溶解。這些碳化物所含有的碳和合金元素溶入奧氏體中，增加了奧氏體中碳和合金元素的含量。在淬火時它們固溶于貝氏體和馬氏體中，而在回火時析出了彌散的碳化物，使鋼呈現(xiàn)出比淬火時硬度還要高的二次硬度。因此為了增加基體的硬度，應(yīng)提高淬火溫度，同時，為了防止基體中出現(xiàn)塊狀粗大的碳化物，應(yīng)盡量降低淬火溫度，一般確定最佳淬火溫度為1050℃～1150℃，同時回火溫度為550℃～600℃。
    
為了保證基體中含有大量彌散分布的球狀MC型碳化物，應(yīng)增加V含量，但V不宜過高，因?yàn)閂會降低淬透性，凝固時生成粗大的一次碳化物，淬火時不能完全溶入奧氏體，從而降低了斷裂韌性，同時還會降低軋輥的表面粗糙度。
    
焊管軋輥的發(fā)展趨勢
   
冷軋輥的發(fā)展方向?qū)⑹窃谶M(jìn)一步提高強(qiáng)度硬度和淬硬層深度的同時，保證一定的韌性。大型冷軋工作輥將普遍采用含釩、銑、鎳等元素的改進(jìn)型5%Cr鋼制造。為提高材料的淬透性，Cr的含量將進(jìn)一步增加，如8%～10%Cr及更高鉻的鍛鋼已開始用于實(shí)際生產(chǎn)，但含Cr量的增加會導(dǎo)致較差的韌性，因此需要適當(dāng)平衡C和Cr含量，在較低的溫度下淬火獲得所需要的冷軋輥硬度，從而減少軋輥的斷裂和降低其斷裂敏感性。
    
另外，隨著鍛件制造技術(shù)的進(jìn)一步完善，高鉻鋼工作輥將更多地應(yīng)用于大型冷連軋機(jī)。5%Cr及其含釩的改進(jìn)型鋼廣泛用于大型支承輥鍛件，高鉻含量的大型鍛鋼支承輥進(jìn)入實(shí)用階段。大型冷軋工作輥要求采用電渣重熔錠鍛制，而大型支承輥鍛件用鋼則被廣泛采用鋼包精煉并真空除氣的冶鑄工藝生產(chǎn)，鋼水的純凈度均達(dá)到較高水平。
    
熱軋輥工作在交變的高溫和力的作用下，其表面反復(fù)受到摩擦，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨損，因此熱軋輥的發(fā)展主要在于進(jìn)一步提高其耐磨性。在實(shí)際的軋制生產(chǎn)中，表面淬火和滲碳強(qiáng)化處理的熱軋輥己不能滿足對其高耐磨性的要求，但整體的高速鋼或硬質(zhì)合金軋輥成本極高，對于軋輥芯部材料將造成浪費(fèi)。因此，軋輥的生產(chǎn)迫切需要進(jìn)行表面處理，將硬質(zhì)合金或陶瓷材料熔覆在軋輥的表面作為軋輥的工作表層。表面鍍鉻、火焰噴涂、等離子噴涂以及激光毛化都是工具表面合金強(qiáng)化技術(shù)，將進(jìn)一步用于提高的軋輥的性能。
    
總之，合理選材及采用合適的熱處理方式高質(zhì)量地制造軋輥，可以節(jié)約大量的輥材，降低軋鋼生產(chǎn)成本，同時提高軋輥的質(zhì)量和產(chǎn)量。因此，應(yīng)重視軋輥選材的新動向，從軋鋼的實(shí)際條件出發(fā).開發(fā)軋輥的新材質(zhì)，提高軋輥的制造質(zhì)量。