高速鋼的軋軋工藝

高速鋼的軋軋工藝

根據(jù)硬度，表1中顯示了四種類型的輥之間的類型。表1中硬輥也可稱為熱軋輥,其工作條件相當(dāng)于熱鍛模;特硬輥也可稱為冷軋輥(其中包括工作輥、平整輥及中間輥),其工作條件相當(dāng)于冷作模具。因此,對(duì)熱軋輥及冷軋輥材料的性能要求基本上與熱作模具鋼及冷作模具鋼相似。對(duì)熱軋輥用材的性能要求是:高溫硬度、高溫強(qiáng)度、抗熱疲勞性、耐磨性、高淬透性及高導(dǎo)熱性;對(duì)冷軋輥用材的性能要求是:高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨、高韌性、高接觸疲勞強(qiáng)度及高淬透性。熱軋輥與冷軋輥用材都經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展過程。熱軋輥用材的發(fā)展過程是:冷硬鑄鐵→高Cr鑄鐵→半高速鋼→高速鋼→硬質(zhì)合金;冷軋輥用材的發(fā)展過程是:低合金工具鋼→中合金工具鋼→高合金工具鋼→高速鋼→硬質(zhì)合金。高速鋼用于制作軋輥始于20世紀(jì)八十年代。雖然高速鋼軋輥價(jià)格昂貴,但性價(jià)比高,故問世后立即得到軋鋼業(yè)的歡迎。遺憾的是到目前為止,我國(guó)所用高速鋼軋輥基本上依賴進(jìn)口。但許多軋輥生產(chǎn)廠都在積極試制,相信近期內(nèi)就會(huì)有所突破。1高速鋼軋輥用高速鋼包括鑄造高速鋼、鍛造高速鋼及無碳化物偏析高速鋼,目前用得最多的是鑄造高速鋼,一般都用于制作復(fù)合軋輥,輥面是高速鋼,芯部是球墨鑄鐵或結(jié)構(gòu)鋼。鍛造高速鋼用得不多,在本世紀(jì)人們寄希望的是無碳化物偏析高速鋼。1.1用高速鋼的特點(diǎn)鑄造高速鋼一般與球鐵或中碳結(jié)構(gòu)鋼制成復(fù)合軋輥。與制作刀具的高速鋼相比,制作軋輥用的鑄造高速鋼的成分有以下一些特點(diǎn):①C含量高,一般高速鋼的碳含量?jī)H1%左右,而軋輥用鑄造高速鋼的碳含量高達(dá)2%左右;②W當(dāng)量低,一般高速鋼的W當(dāng)量為18%,而軋輥用鑄造高速鋼的W當(dāng)量最低時(shí)低于10%;③Cr含量高,一般高速鋼的Cr含量均為4%,而軋輥用鑄造高速鋼的Cr含量最高可達(dá)10%甚至20%;④V含量高,一般高速鋼的V含量都在2%以下,而用得最多的軋輥用鑄造高速鋼的V含量在5%左右。故稱之為高碳高礬軋輥用高速鋼。之所以有這些差別是為了:①提高淬透性,因?yàn)檐堓伋叽绫容^大,最大直徑超過ue7881m;②提高耐氧化耐腐蝕性,以保證軋出的鋼板的表面質(zhì)量;③提高耐磨性;④降低淬火溫度,以便與芯部球鐵相配合。表2為軋輥用鑄造高速鋼的化學(xué)成分。由表2可見,軋輥用鑄造高速鋼的化學(xué)成分差別很大。1.2大u3000碳化物偏析鍛造高速鋼包括低合金高速鋼(半高速鋼)、低碳高速鋼、普通高速鋼、高硬高速鋼及超硬高速鋼。除低合金高速鋼(半高速鋼)外,其他4種高速鋼的主要差別在于碳含量的不同,由前向后碳含量不斷升高,淬、回火后能夠達(dá)到的最高硬度也隨碳含量的升高而升高,斷裂韌性則隨硬度的升高而下降。但對(duì)于碳含量高的高速鋼可以采取降低淬火溫度的方法來降低硬度,提高斷裂韌性。因此,這幾種高速鋼均可用于制作軋輥。高速鋼的主要缺點(diǎn)是存在碳化物偏析,尺寸越大碳化物偏析越嚴(yán)重。而軋輥尺寸一般都比較大,故碳化物偏析比較嚴(yán)重。當(dāng)直徑超過ue788120mm時(shí)鍛造高速鋼的碳化物偏析已經(jīng)與鑄造高速鋼不相上下,故只有用于制作小規(guī)格冷軋輥時(shí)鍛造高速鋼才優(yōu)于鑄造高速鋼。為了解決大軋輥碳化物偏析問題,只能采取噴射成形及熱等靜壓等工藝。表3是幾種常用鍛造高速鋼的化學(xué)成分。1.3物偏析高速鋼為消除碳化物偏析,人們都將希望寄托于無碳化物偏析高速鋼。無碳化物偏析高速鋼包括噴射成形高速鋼及熱等靜壓粉末高速鋼。這兩種高速鋼都是通過改變生產(chǎn)工藝來消除碳化物偏析。任何成分的高速鋼均可用這兩種生產(chǎn)工藝制成無碳化物偏析高速鋼。有關(guān)這兩種工藝將在下面介紹。2高速鋼輥制造方法按制造工藝可以將高速鋼軋輥分為鍛造軋輥、鑄造軋輥、噴射成形軋輥、粉末燒結(jié)軋輥。2.1采用真空脫硫工藝,高速鋼質(zhì)量提高鍛造高速鋼的生產(chǎn)過程為:電爐冶煉→澆鑄成錠→鍛軋成形。為了提高鋼的質(zhì)量,目前采用的工藝是:電爐冶煉→真空精煉→真空脫氣→澆鑄成錠→電渣重熔→鍛軋成形。采用這個(gè)工藝,雖然可以提高高速鋼的質(zhì)量,但是不能解決高速鋼偏析問題。故鍛造高速鋼難以用于制造大軋輥。2.2離心鑄造工藝大型熱軋輥一般均采用鑄造工藝生產(chǎn)。輥身外層為鑄造高速鋼,輥芯為球鐵或中碳結(jié)構(gòu)鋼。生產(chǎn)鑄造軋輥的工藝很多,許多文章都有介紹,其中包括離心鑄造工藝(CF工藝)、連續(xù)鑄造工藝(CPC工藝)、旋轉(zhuǎn)電渣重熔工藝(ESR工藝)、電渣復(fù)合工藝(ESSLM工藝)、沖洗工藝等。我國(guó)目前均采用離心鑄造工藝(CF工藝),這里僅介紹這種工藝。離心鑄造工藝分立式與臥式兩種,圖1為立式離心鑄造設(shè)備。高速鋼液注入后依靠離心力凝成高速鋼外殼,然后注入熔渣,最后注入球墨鑄鐵。離心鑄造工藝的關(guān)鍵是掌握好球鐵澆注時(shí)間,澆注早了,未充分凝固的高速鋼將被熔化而與球鐵混合在一起,澆注晚了球鐵不能與高速鋼很好結(jié)合。在國(guó)外一般均采用立式,因便于掌握。立式的缺點(diǎn)是設(shè)備比較復(fù)雜,且受重力影響,沿高度方向高速鋼外殼厚度減薄。我國(guó)均采用臥式,優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是難以掌握。在高速鋼凝固后與上下模合成立式,然后從上面澆注入球鐵。離心鑄造工藝除界面結(jié)合強(qiáng)度低且不易掌握外還存在VC容易產(chǎn)生偏析的缺點(diǎn),解決的辦法是用Nb取代V。2.3噴射成形技術(shù)噴射成形是一種新的快速冷卻工藝,用保護(hù)氣體將液態(tài)高速鋼噴成細(xì)小液滴,在將凝未凝時(shí)噴射到物體表面,凝成所需形狀。因?yàn)槭强焖倮鋮s,所以不會(huì)出現(xiàn)共晶,也就不存在碳化物偏析。因此,世界各國(guó)都將下一代大型優(yōu)質(zhì)高速鋼軋輥寄希望于噴射成形。圖2a為噴射成形整體軋輥,即將高速鋼噴射在一個(gè)旋轉(zhuǎn)并不斷下移的圓盤上,在兩側(cè)有兩對(duì)整形用的旋轉(zhuǎn)的小軋輥;圖2b為噴射成形復(fù)合軋輥,即將高速鋼噴射在一根旋轉(zhuǎn)并左右移動(dòng)的結(jié)構(gòu)鋼鋼棒上。噴射成形所得高速鋼的致密度不高,必須經(jīng)過鍛造或熱等靜壓提高致密度后才能使用,這是噴射成形軋輥的成敗關(guān)鍵。2.4粉末高速鋼的鑄造用熱等靜壓(HIP)工藝生產(chǎn)的粉末高速鋼是最好的高速鋼。其生產(chǎn)工藝見圖3。由圖3可見,粉末高速鋼生產(chǎn)過程十分復(fù)雜,包括將液態(tài)高速鋼噴成粉,裝套、抽真空、密封、冷等靜壓、熱等靜壓,最后剝?nèi)ネ馓?進(jìn)行鍛造(最新一代粉末高速鋼可以不經(jīng)鍛造),且熱等靜壓爐十分昂貴。因此采用此工藝生產(chǎn)大規(guī)格軋輥至少在目前還沒有可能,只能用于生產(chǎn)一些小型冷軋輥。3高速鋼的速度與性能軋輥用高速鋼性能以鑄造高速鋼最差,鍛造高速鋼優(yōu)于鑄造高速鋼,但優(yōu)越程度與碳化物不均勻程度有關(guān),無碳化物偏析高速鋼性能最好。3.1復(fù)合熱u3000單元的性能要求在各類高速鋼中,鑄造高速鋼的性能最差,淬、回火后的抗彎強(qiáng)度僅1000MPa左右。但對(duì)于熱軋輥來說,已經(jīng)能夠滿足要求。影響熱軋輥用鑄造高速鋼性能的因素有:①致密度低;②用CF工藝生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的VC比重偏析;③凝固時(shí)形成的網(wǎng)狀碳化物及萊氏共晶。為提高致密度可以采用CPC、ESR、ESSLM等工藝來取代CF工藝,但這幾種工藝均較CF工藝復(fù)雜。為消除VC偏析,可以用Nb代替V。為使碳化物網(wǎng)斷開,可以采用變質(zhì)處理。對(duì)于鑄造高速鋼復(fù)合熱軋輥的性能要求見表4。由表4知,鑄造高速鋼及球鐵能夠滿足熱軋輥要求。3.2碳化物不均勻度鍛造高速鋼的性能優(yōu)于鑄造高速鋼,但鍛造高速鋼的性能除與鋼的質(zhì)量、成分及熱處理有關(guān)外還與碳化物不均勻度有關(guān),隨碳化物不均勻度增加急劇下降,見表5。由表5可見,不均勻度為2級(jí)時(shí),抗彎強(qiáng)度可以達(dá)到2500MPa;7級(jí)以上時(shí)降至1000MPa以下,與鑄造高速鋼處于同一水平,不能滿足冷軋輥的需要。故鍛造高速鋼在軋輥生產(chǎn)中用途有限,只能用于制造小型冷軋輥。表6是幾種常用鍛造高速鋼的性能,但需要強(qiáng)調(diào)指出的是表中數(shù)據(jù)都是用細(xì)棒料、小試樣得出的。3.3壓粉末高速鋼無碳化物偏析高速鋼包括噴射成形高速鋼及熱等靜壓粉末高速鋼。這兩種高速鋼由于不存在碳化物偏析,故性能與軋輥尺寸無關(guān),因此,只要生產(chǎn)設(shè)備允許,可用于制作任何鋼種、任何規(guī)格的冷、熱軋輥。4u3000受軋軋熱處理的工藝研究生產(chǎn)軋輥的關(guān)鍵在于熱處理,尤其是大型軋輥。因?yàn)榕c各種冷、熱模具相比,軋輥的工作條件較好,故對(duì)性能要求低于模具。但軋輥尺寸遠(yuǎn)大于模具,大大增加了熱處理的難度。軋輥熱處理的要點(diǎn)是在保證性能的前提下防止開裂。對(duì)于生產(chǎn)廠來說,軋輥熱處理工藝均為絕密資料,不對(duì)外公開,故在國(guó)外雜志中鮮有報(bào)道軋輥熱處理工藝的文章。國(guó)內(nèi)已有不少涉及軋輥熱處理及防止熱處理開裂的文章,但都限于一般性敘述而缺乏具體參數(shù)。對(duì)于生產(chǎn)廠來說,針對(duì)自己的產(chǎn)品,還得通過實(shí)踐,摸索出有關(guān)熱處理工藝參數(shù)。本文將根據(jù)大型高速鋼軋輥熱處理特點(diǎn)提出熱處理原則。4.1熱壓機(jī)高速鋼軋輥澆鑄成形必須進(jìn)行等溫退火。目的是消除可能引起開裂的硬度高的不平衡組織及內(nèi)應(yīng)力以及便于機(jī)械加工。退火加熱溫度及等溫溫度與通用的高速鋼等溫退火基本相同。為了防止退火時(shí)發(fā)生開裂,加熱速度要慢;為了防止在等溫后的冷卻過程中產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力,等溫后的冷卻速度也要慢。退火后進(jìn)行機(jī)械加工。4.2加熱、冷卻淬火在機(jī)械加工后進(jìn)行。淬火加熱溫度的確定與一般高速鋼淬火基本相同,因?yàn)檐堓伋叽绫容^大,故淬火加熱溫度可適當(dāng)降低。加熱時(shí)必須采取措施防止脫碳。在500℃以下,加熱速度要慢一些,500℃以上應(yīng)快加熱。爐溫到溫后可以保溫一段時(shí)間再出爐,也可以在軋輥表面溫度達(dá)到淬火溫度時(shí)立即出爐,即進(jìn)行所謂差溫淬火。淬火冷卻應(yīng)采取噴水冷,500℃以上應(yīng)盡可能快冷,500℃以下應(yīng)慢冷。冷至200℃左右立即入爐回火。4.3加熱與冷卻速度回火溫度與一般高速鋼回火相同,亦為550~560℃?；鼗鸺訜崤c冷卻速度應(yīng)較慢以防止開裂,回火次數(shù)為3~4次。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況按以上原則確定熱處理工藝,在確定工藝參數(shù)時(shí)可以參考《熱處理手冊(cè)》第3版第2卷第7章“大型鑄鍛件的熱處理”。5生產(chǎn)高效高速鋼u將高速鋼用于制作軋輥是高速鋼應(yīng)用的一個(gè)新的領(lǐng)域,這個(gè)領(lǐng)域非常廣闊,2007年我國(guó)鋼產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到4.89億噸,占世界鋼產(chǎn)量的36.44%,這些鋼都要用軋輥軋成鋼材,用現(xiàn)用軋輥軋制,噸鋼消耗軋輥約1kg,故2007年共約消耗軋輥50萬噸,如改用高速鋼軋輥,即或使噸鋼消耗降為0.1kg,高速鋼年消耗也將以萬噸計(jì),由此可見市場(chǎng)之大,應(yīng)該引起工模具材料工作者的重視。軋輥尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于切削刀