苏ICP备112451047180号-6
开发与应用压铸高速钢轧辊
摘要：在高温下由于其硬度高，良好的红硬性和耐磨性，高速钢（HSS）适合轧辊的制造。为了克服用离心铸造法来铸造高速钢轧辊所造成的偏析，压铸工艺得到发展和运用，并对高速钢轧辊性能的影响因素进行了研究。结果发现，压力，压下时间和速度是三个影响缩孔的重要因素。在浇注温度为1400 —1450℃，压力为150 - 160MPa，压下时间为120-150 秒和速度为14—16毫米/秒时，高速钢辊获得良好紧凑性，又没有产生偏析，并有较小的成本。在高速线材轧机的生产线上，高速钢轧辊寿命为高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的5至8倍。
关键词：高速钢；轧辊；压铸；收缩
轧辊如镍铬辊无限冷硬铸铁，贝氏体球墨铸铁，高铬铸铁和硬质合金辊进行了调查[1—4]。 前三种轧辊既经济又有一个较短的使用寿命。对于后者之一，它具有良好的耐磨性，但成本要高得多。近年来，高速钢（HSS）轧辊已经被运用[5—7]，通过连续浇注外层成形法[5] ,电渣重熔法[8] , 热等静压法[9] ，液态金属电渣熔接法[10]和喷射沉积成形法[11]能被制造成高硬度，耐磨性好，并且没有偏析，这些工艺有更高的生产力和较低的生产成本，比离心铸造工艺在中国更能广泛使用[12,13]。
由于合金元素密度的不同,离心力是主要的的因素,如通过高密度钨、钼在轧辊的外层,低密度的元素,如钒在内层,导致严重的高速钢轧辊的离析，从而减少了它们的力学性能和耐磨损。为了克服离心问题，研究员找出了减少钨和钼的含量和添加适量的铌等一些技巧。然而，由于钨，钼减少，红硬性和高温的高速钢的耐磨性还要减少。因此，有必要制定一个新的工艺，以生产高速钢辊。由于压铸具有结构紧凑，小的工作成本，以及一个简单的程序并且不会出现偏析现象，所以压铸高速钢轧辊是一种有效的方法。
1 高速钢轧辊的组成
为了减少高速钢辊的成本，M2高速钢废料的使用，取代了钨铁、钼铁、铬铁、钒铁、石墨，用于补充铬，钒和碳。由于钒是必不可少的形成具有高硬度硬质合金的金属，提供高速钢良好的耐磨性。钒含量必须超过3%。但是，当它超过8%时，钢水熔点上升，流动性下降，出现低硬度的M3C碳化物[15]。因此，钒的含量应限制在3.5%到6.5%这个范围之内。
碳增强了碳化物的数量和高速钢的耐磨损性。然而，应与碳钨，铬，钼，钒相平衡。可通过下列公式（质量百分数描述相平衡）：
WC =0.060 WCr +0.063WMo+0.033WW+0.235WV （1.1）
钛可以改善高速钢共晶碳化物的分布和形态。随着钛含量的增加，高速钢晶结构精致惊人。MC块状碳化物的凝固结构也增加，共晶碳化物在晶界含量明显减少[17，18]。钛提高了高速钢的结构，主要是因为对TiC的生成自由能比低，对MC和TiC都可以形成，TiC和MC都是面心立方晶格时可以结晶。朝着方向[100]是优先发展方向，所以晶体是由平面（111）包装后结晶的。在TiC和MC的晶格常数是αTic =0.432nm和αMC=0.415nm时，当MC对TiC的形核具有相同指数平面（111），TiC颗粒之间的晶格失配和MC是4.10%。它是如此小，可以作为MC的有效的异质性。因此，它可以改进MC碳化物。但是，过重钛会增加碳化物含量和碳含量的下降，从而降低红硬性和耐磨性。稀土在金属（REM）中的混合能明显提高铸态结构，从而提高高速钢的性能。由于增加REM将减少MC共晶过冷度，促进共晶M6C相的形成。REM包含发挥着为M6C相适合共晶均相沉淀细胞核的作用。高速钢辊组成（质量百分数，%）如下：C 1．2— 2．6，W 3．5— 6．5，Mo 3．5— 6．5，Cr 4．0— 12 0，V 3．5—6．5，Ti 0．15— 0．50，REM 0．08— 0．25，Si< 1．0，Mn< 1．0。
2 制备高速钢辊
2.1 熔化
高速钢被一个150公斤的中频感应电炉和铝脱氧来熔化。REM主要是混合稀土中
（WLa+WCe）的质量分数大于98%，排放的钢水温度为1600℃。
2.2 压铸
压铸高速钢辊的设备是160吨四柱液压机。外径内径及卷长分别是300毫米，145毫米和100毫米。钢液是注入模具和容器中，用来结晶并根据它的压力固化。图1是一种挤压铸造素描。对压力，压下时间和速度影响缩孔体积进行了研究，如在图2一图4所示。当压力小的时候，缩孔量是一个常数。当压力超过80MPa时，缩孔量大幅下降，直至达到零，表明有一个临界压力和密实挤压铸造压力。当压力小，坯壳上的压力比材料的屈服极限小。由于这个原因，压力不会执行填补规则。曲线保持水平时，较小的压力大于临界压力。在实验中，发现小的压力可能增大工件缩孔量。快速的压头热传导加速了工件上方凝固，与工件形成凝固的压头，这使钢水四面封闭凝固成壳。无论是压力还是自由填充发生时，小的压力比没有任何压力的缩孔体积要大。当压力达到80MPa，临界压力，缩孔量将大幅减少。当压力达到120MPa，压缩压力，缩孔量将为零。在挤压铸造的初始阶段，缩孔量将大幅减少和压下时间的增加，那么这一趋势放缓。当务之急时间应配合固化时间，如果在规定的凝固压力，体积收缩率不可能得到补充，形式缩孔。如果压下时间过长，热有可能出现裂缝，因为收缩轧辊受到阻碍。在缩孔量明显降低时，将导致压下速度的增加。当压下速度很小时，只是填补紧缩的压力可以得到部分。因此，缩孔仍然存在。当压下速度超过14毫米/秒，缩孔量为零。如果压下速度过高，模具将会增大，轧辊裂纹容易磨损。因此，高速钢辊模具的工艺参数，铸件如下：浇注温度1400—1450℃，模具预热温度180—240℃。压力150MPa，压下时间是120—150s，然后按14—16毫米/秒的速度，压铸辊没有隔离，以及外观质量明显优于普通铸造方法生产的。工作成本比普通铸造的下降了50％，比压铸金属节省工作时间。
图2 压力对缩孔体积的影响
图3 压下时间对缩孔体积的影响
图4 压下速度对缩孔体积的影响
2.3 对高速钢辊的热处理
样品尺寸为15毫米× 15毫米× 25毫米的高速钢辊使用线性切割机切割。对高速钢硬度淬火温度的影响图如图5所示。硬度随淬火温度的升高而逐渐增大。及其峰值出现在1050℃，是由合金结构的硬度，马氏体中碳和合金元素的数量，以及残余奥氏体决定。当淬火温度较低时，溶解在奥氏体中碳和合金元素量较小，碳和合金元素在马氏体转变后的数量也较小，硬度相对较低。当温度达到1050℃，并继续增加，过度溶解在奥氏体中碳和合金元素会增加奥氏体的稳定性。奥氏体不能转化为马氏体在冷却，所以残留奥氏体增加，硬度降低。当温度为1050℃。硬度出现峰值，可由于碳和合金元素得含量，马氏体和残余奥氏体达到合适的程度。
图5 淬火温度对高速钢硬度的影响
根据淬火实验结果显示，高速钢辊回火处理后是在温度、硬度达到峰值、石油中淬火进行的，回火温度对高速钢硬度的影响，在图6所示。随回火温度升高，硬度首先减弱，然后开始增加在475℃。并在525℃达到最大值。当回火温度低于475℃。碳从马氏体中分离出来，形成碳化物。硬化不能发生分散，因为小碳化物含量，使碳内容马氏体和高速钢硬度下降。当回火温度为525℃。马氏体转化为回火马氏体形成微小合金与碳化物分开。残余奥氏体转变为马氏体冷却，从而导致更高的硬化和最大的硬度。当温度继续上升，合金碳化物开始聚集和成长，这将导致硬度下降。与传统的高速钢不同的是，获得峰值硬度温度降低，因为实验淬火温度是1°时，淬火硬度达到峰值。相对于传统的高速钢（淬火温度通常高于1150℃），淬火温度相对较低。因此，溶解碳奥氏体高温合金元素少，高温奥氏体是不稳定的。淬火组织中残留奥氏体含量较小，其稳定性较低。残余奥氏体很容易转化为马氏体的回火温度非常低。因此，回火温度获得峰值硬度降低。此外，由于残余奥氏体不稳定，高速钢可以达到两次回火后的最高硬度。相反，三次回火后硬度降临。根据以上结果，高速钢辊的热处理工艺是：（1025-1050）℃×2小时。油冷却+（520-540）℃×6小时空气冷却，两次回火。图7显示了微处理高速钢热处理卷。可以看出，高速钢辊显微细小的碳化物均匀分布。这些因素促进了高速钢的耐磨性增加。
图6 回火温度（a）和回火时间（b）对高速钢硬度的影响
图7 微观的高速钢辊
2.4 压铸高速钢性能的影响因素
利用模标本铸造高速钢辊和重力铸造高速钢辊具有相同的成分，对性能如硬度试验，红硬性，密度，拉伸强度，冲击韧性，断裂韧性和耐磨性的比较，如在表1。可以看出，模具的高速钢的性能，铸造明显优于高速钢的铸造，特别是冲击韧性。这是因为压铸使得高速钢微观结构紧凑，并降低了缩孔和缩松。在此外，压铸可以细化晶粒，从而明显改善高压下的高速钢的属性。合金的过冷度增大，而合金在流体压力作用下流动使得早期凝固的晶体自由。关于平衡合金相变温度压力的影响可以表明了克劳修斯一克拉珀龙方程[22]：
dTp/dP=-Tm△V/△H （2.1）
其中T是平衡相变温度，和△H是在液固转变固体的摩尔量。
表1 模铸造和重力铸造高速钢的性能对比
根据方程（2.1），当相变转化下降时，压力增加，出现平衡温度。当它凝固时，高速钢总量保持不变。因此，在模具与越来越大的压力铸造中，升高均衡温度，并相应过冷度上升时，固化。如果考虑钢水和高压下模界面热传导之间的优势。铸造期间的边界层和温度梯度将增加过冷度。非均相成核晶体合金凝固特性，需要的仅仅是过冷度。在凝固过程中的过冷度增加值大大促进合金抑制形核和细化。与此同时，在压铸期间，高压引起钢液流动，并导致模具壁的剥落，落入晶体内。由于是钢水流动的，自由的晶核的形成将导致非均相成核，并促进了细化压铸高速钢。
3 应用压铸高速钢轧辊
3.1 压铸高速钢辊的使用结果
压铸高速钢辊使用前完成105米/秒线材轧机的轧件是普通碳钢，其直径为6.5毫米。结果表明，压铸高速钢辊模具的磨损是0.15 -0.20毫米的千吨滚动钢材，并且由于离心，达到0.18 - 0.40毫米轧制的千吨钢材，对离心铸造高速钢辊磨损并不均匀。对于压铸高速钢辊，槽磨损均匀，没有裂纹。较好的耐磨性是在平滑的轧件表面，具有较高的尺寸精度。使用寿命为5 - 8倍以上的高镍铬无限冷硬铸铁轧辊。应用的压铸件高速钢辊可以提高轧机生产率，降低生产成本并带来较高的经济效益。
3.2 高速钢辊应用注意事项
高速钢辊具有不同的性质。对高速钢辊冷却应该强于高铬铸铁轧辊，高镍铬无限冷硬铸铁轧辊。冷却水的数量应充足，75％应适用于钢液的一面。表面温度应低于50℃。表面温度通常应测量冷却后供水10-12分钟停止。冷却水的数量应与轧辊表面的温度相适应。表面温度的要求不同卷材见表2。
表2表面温度不同辊
摩擦辊和高速钢轧件系数是很大的。当轧制负荷增加时，很容易出现下滑。每个框架的变形必须适度控制，以减少轧制负荷后，高速钢辊的磨损。必须通过涡流测试来衡量。轧辊不能推迟裂纹和疲劳层到完全消除重复使用。
4 结论
（1）在废料加入钒铁，铬铁供应M2高速钢过程中，通过增加石墨、钛和REM来增加碳，可获得高碳和性能优良的高钒高速钢轧辊。
（2）高速钢辊制造的压铸件。通过监测压力，压下时间和压下速度，没有辊缩孔，缺陷的出现，并且结构致密和小工作成本。压铸件高速钢辊还具有良好的强度，韧性和耐磨性。
（3）淬火温度上升时可以减少高速钢的硬度。当温度超过1050°时，反过来硬度可以减少。当高速钢回火温度达525℃。硬度高峰出现。最大硬度可以通过两次回火获得。三次回火后硬度降低。
（4）用压铸在预高速钢辊整理高速线材轧机列车，其使用寿命是高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的5-8倍以上。
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