轧钢生产工艺技术3000问第十三章轧辊生产、使用、检测及表面强化

轧钢生产工艺技术3000问第十三章轧辊生产、使用、检测及表面强化内容摘要：

状，而不是层片状。 通常合金铸钢轧辊、半钢轧辊控制为索氏体基 体。 屈氏体是奥氏体在 550～ 600℃ 之间的形成物，也可通过淬火在 300～ 500℃ 范围之间回火得到回火屈氏体，由于形成温度低，屈氏体的硬度、强度较珠光体、索氏体要高，高铬铸铁轧辊基体组织控制为回火屈氏体。 贝氏体是奥氏体在 Ms～ 550℃ 转变的产物，根据转变区间的不同分为上贝氏体和下贝氏体。 和珠光体不同，贝氏体中碳化物片已断开，加之形成温度较低，除具有较高的强度、硬度外，还具有较好的韧性，因而具有较好的综合性能。 基体组织控制为贝氏体的轧辊类型较多，如复合铸钢支承辊外层、高镍铬无限冷硬铸铁轧辊、 贝氏体球铁轧辊、高碳半钢等。 马氏体是奥氏体低温转变的产物，在足够快的冷却速度下，碳来不及从奥氏体中析出而形成过饱和固溶体。 在所有的基体组织中，马氏体基体具有最高的硬度和强度，但脆性较大，且转变时会形成很大的组织转变应力。 随着对轧辊性能要求的提高，目前许多轧辊的基体组织控制为马氏体基体，以增加轧辊硬度和耐磨性，如高铬铸钢轧辊、高速钢轧辊、半高速钢轧辊、高硬度高铬铸铁轧辊、锻钢冷轧辊等。 1591．石墨对铸铁轧辊性能有什么影响 ? 石墨在铸铁轧辊组织中是一个很重要的相组分，除冷硬铸铁轧辊 和高铬铸铁轧辊外其余铸铁轧辊都含有不同形态和数量的石墨，石墨和碳化物对基体性能都是减弱的作用，所以铸铁轧辊的性能在很大程度上取决于石墨和碳化物的特征。 石墨在铸铁轧辊中碳是以游离状态存在的，质软而脆，强度很低，可以把石墨看作是铸铁轧辊基体中存在的微裂纹或空洞，使轧辊有效承载面积减小，称之为石墨的“减缩作用”。 石墨含量越高，对基体的减缩作用越严重，铸铁轧辊的强度、伸长率、冲击韧性越低。 在石墨面积含量相同的条件下，石墨颗粒尺寸越大，或个别颗粒很大，对基体的减缩作用越严重，铸铁轧辊的强度、伸长率、冲击韧性 也越低，所以石墨的形态球状优于片状，以细小圆整、均匀分散为好。 1592．石墨的形态有哪些，不同形态的石墨对铸铁轧辊性能有什么影响 ? 铸铁轧辊中常见的石墨形态有片状、球状和蠕虫状几种，有时会因某些条件变化，会出现如开花状、枝晶状等不规则的形状。 无论何种形态的石墨对基体均有减缩作用，片状石墨就像基体中的微裂纹，在承受负荷时其尖锐的边缘产生应力集中现象，对基体形成“切割作用”，使基体强度不能充分发挥，降低材料抗拉强度，塑性和韧性几乎表现不出来；而球状石墨像基体中的空洞，但由于球形石墨边缘圆 钝，受负荷时应力集中轻微，对基体的切割作用相对于片状石墨大大降低，基体的强度得以充分发挥，韧性、塑性也得以体现，耐磨性也好于片状石墨铸铁。 蠕虫状石墨是介于片状和球状之间的一种过渡型石墨，相对于片状石墨，片形短而粗厚，头部较圆整，外形相互连结，本身结构又近似球形石墨，对基体的切割作用介于片状和球形之间，所以蠕墨铸铁强度、韧性等指标介于灰铁和球铁之间，更接近于球墨铸铁。 1593．碳化物对铸铁轧辊性能有什么影响 ? 碳化物是铸铁轧辊中的耐磨相，铸铁轧辊的耐磨性主要由碳化物来提供，在碳化物类型相同的情况下， 碳化物量越大，轧辊的耐磨性越好；同等数量的碳化物，粒度越小、分布越均匀、弥散，其耐磨性越好。 但碳化物硬而脆，对基体也存在减缩作用，碳化物量的多少又直接影响铸铁轧辊的抗拉强度、韧性、塑性等力学性能指标。 碳化物含量越大，分布越聚集，对材料的减缩作用越严重，材料的力学性能指标越差。 而且碳化物与基体接触的边角部位容易引起应力集中，对基体也存在割裂作用，常常是裂纹发生的起源。 因此，在保证铸铁轧辊具有足够耐磨性的前提下，要控制碳化物总量。 1594．碳化物的类型有哪些，碳化物形态、数量及分布对铸铁轧辊性能有什么影响 ? 由于铸铁轧辊碳含量不同，加人的合金元素种类、含量高低不同，形成的碳化物类型也多种多样。 在铸铁轧辊中常见的碳化物类型主要有：渗碳体型碳化物，即 M3C 型、 M7C3型、M6C 型、 M2C型、 MC 型等。 碳化物的类型决定了其形态和分布，特殊合金如钨、钼、钒、铌等形成的碳化物，粒度小，呈孤立或不连续分布，特殊类型碳化物的显微硬度远高于渗碳体型碳化物，表现出了优良的耐磨性能。 从抗裂纹扩展角度而言，裂纹在断续分布的碳化物中扩展比在连续、大块碳化物中扩展要消耗更多能量。 另外，大块碳化物的存在，相当于 基体中存在较大尺寸的裂纹源，大的裂纹源在较小的应力作用下即可产生失稳扩展。 因此，铸铁轧辊中应力求得到粒度小的特殊类 型碳化物。 从导热角度而言，碳化物的导热性很差，轧辊的导热主要依靠基体来完成，这样成网的碳化物，由于隔断了基体间的连接会使导热性下降，从而影响轧辊的抗热裂性。 1595．铸铁轧辊硬度和耐磨性有何关系 ? 一般而言，轧辊的耐磨性和硬度成正比关系，即轧辊硬度越高，耐磨性越好。 但对于铸铁轧辊这种脆性材料，除考虑其在机磨损之外，还应考虑因热裂纹或剥落造成的轧辊修磨损失，即应考虑综合耐磨性。 热裂纹和小剥落是铸铁轧辊中碳化物在应力作用下扩展的直接结果。 断裂力学认为，材料中裂纹的失稳扩展和材料的断裂韧性值 K1C 有很大关系，而 K1C= cY  ，其中 Y为形状因子， α为裂纹源长度， ζc是许用最大工作应力。 对于一定硬度的轧辊，其材料的 K1C值是一定的，也就是说如果工作应力较大，则允许存在的裂纹长度就小；反之，工作应力较小时，允许的裂纹长度就大。 铸铁轧辊中成网的碳化物、片状的石墨、条状碳化物等因强度和韧性都很差，可近似认为是轧辊中的裂纹源，事实也证明裂纹 的产生和扩展都是沿这类脆性相进行的。 铸铁轧辊的碳化物、石墨形态和硬度确定后，轧辊的断裂韧性值 K1C 也就确定，相对应一个引起碳化物周围裂纹快速扩展的最大工作应力，超过此应力，就可能导致轧辊剥落。 而 K1C 随硬度降低而增大，也就是说，如果轧制压力增大，可适当降低轧辊硬度，使材料的 K1C 增大，从而避免裂纹在较大的应力作用下失稳扩展导致剥落。 另一方面，如果轧制压力、硬度、 K1C 已经确定，要想不引起裂纹快速扩展，就是将裂纹源长度减小，即将轧辊组织中的碳化物、石墨细化，也就是将轧辊晶粒作细。 从另外角度 讲，如果轧辊的基体组织、碳化物、石墨形态确定，对于轧制载荷较高的轧辊，宜控制较低的硬度，以避免产生剥落。 总之，要提高铸铁轧辊的耐磨性，并不是简单地提高轧辊硬度，应区分因轧制磨损也就是在机磨损大，还是修磨量大，如果是前者，提高硬度可增加铸铁轧辊的耐磨性；但若是后者，应适当降低硬度，否则会进一步加大修磨量，而整体耐磨性并未增加。 1596．什么是残余应力。 轧辊生产中残余应力是怎样产生的 ? 应力是金属内部产生的用于平衡外力或抵抗变形的内力。 在轧辊生产中，静态整体铸造轧辊，由于凝固时选分结 晶、偏析、疏松等原因，轧辊内外的组织和性质不尽相同；复合铸造轧辊时除上述因素外，轧辊的外层和心部采用不同的材质、凝固特性不同，这样在轧辊制造完成后，在轧辊内部会存在一种因变形不协调而产生的内力，称为残余应力。 理论上讲，只要有变形不协调，就会造成残余应力存在，但在轧辊制造中，造成较大残余应力有两方面因素：主要为铸后冷却及轧辊热处理过程。 通常，整体铸造轧辊辊身表层存在残余压应力，内部则为拉应力，复合铸造轧辊也一样，只是存在的残余应力的级别不同。 1597．轧辊生产中为什么要控制残余应力的级别 ? 残余应力是轧辊生产中不可避免的现象，残余应力的存在，对轧辊的使用有利，但也有弊端。 断裂力学认为，疲劳裂纹的扩展速率和疲劳应力的峰值及平均值有关，特别对于脉动疲劳循环，在峰值确定的情况下，平均值越低，引起疲劳裂纹扩展的有效拉应力就越低，疲劳裂纹的扩展速率越低。 因此，控制轧辊辊身外层存在一定的压应力，可增加轧辊外层组织抗疲劳裂纹扩展能力，减缓裂纹的扩展速度，增加轧辊的使用寿命。 如轧辊使用中常采用喷丸处理，就可增加轧辊表面的压应力，提高轧辊的抗疲劳性能。 但轧辊外层的压应力也不能控制得太高，因为 太高的外层压应力意味着较大的心部拉应力，这样会增加轧辊使用时对心部的附加拉应力，增加断辊的潜在危险程度。 另外，外层过高的残余压应力，会促使表面热裂纹的产生，因为过高的压应力和轧制时的热应力、机械应力叠加超过材料的屈服极限，将会引起外层材料产生塑性变形，待表层冷却后，外层塑性变 形区因受次表层的拉应力而导致裂纹产生。 因此，轧辊制造时应合理控制辊身的残余应力的级别。 通常离心轧辊应控制在一 300MPa以内，较高合金的轧辊可控制在一 400MPa 以内，高速钢、半高速钢轧辊的辊身残余应力可适当控制得更低一些。 1598．什么是冷硬铸铁轧辊 ? 冷硬铸铁轧辊是利用铁水自身的过冷度和铸模表面的激冷作用获得的一种铸铁轧辊，它的碳含量一般为 2． 9％一 3． 2％，硅含量为 0． 25％一 0． 8％，冷硬铸铁轧辊的材料属于亚共晶铸铁，按合金含量和种类不同分为普通冷硬铸铁与合金冷硬铸铁轧辊。 1599．冷硬铸铁轧辊的组织和性能特点是什么。 冷硬铸铁轧辊辊身工作层因激冷而生成较纯净的白口组织，基本没有游离石墨，普通冷硬铸铁轧辊的显微组织为珠光体加渗碳体型碳化物；合金冷硬铸铁轧辊的显微组织为贝氏体和马氏体加碳 化物。 冷硬铸铁轧辊的碳化物含量可达到 35％～ 40％，硬度 HS55— 80，白口层深度在 8～ 45mm 范围。 整体冷硬铸铁轧辊的辊身内层由麻口过渡到灰口，辊身心部为灰口，有一定强度，一般大于 150MPa；离心复合冷硬铸铁轧辊外层为合金冷硬铸铁，心部是球墨铸铁材料。 冷硬铸铁轧辊的耐磨性和高热裂性能取决于纯白口层的基体组织和碳化物形态与数量。 1600．怎样生产冷硬铸铁轧辊。 该轧辊有哪些用途 ? 冷硬铸铁轧辊一般采用整体静态铸造而成，或用半冲洗复合铸造方法生产冷硬球墨复合轧辊；合金冷硬铸铁轧辊可采用离心复 合工艺生产。 整体冷硬铸铁轧辊和离心冷硬铸铁轧辊都可用于棒线材及小型型钢精轧机架；冷硬球墨复合铸铁轧辊主要用于叠轧薄板、三辊劳特中板轧机；离心合金冷硬铸铁辊环则用于无缝钢管轧机均整和张力减径机。 1601．影响冷硬铸铁轧辊白口层深度的因素有哪些 ? 影响冷硬铸铁轧辊白口层深度的因素主要有以下五种： (1)化学成分，特别是碳和硅的影响； (2)浇铸温度； (3)冷型温度； (4)冷型内壁涂料厚度及其导热系数； (5)铁水与冷型的实际接触时间等。 因此，控制冷硬铸铁白口层深度必须从以上几方面同时控制。 1602．冷硬球墨复合铸铁轧辊有何特点和用途 ? 冷硬球墨复合铸铁轧辊属于冷硬铸铁轧辊，辊身从外层向里出现三层组织，最外层为白口冷硬层，由碳化物、莱氏体和极少量的点球状石墨组成，碳化物含量高，具有较高的硬度和耐磨性；轧辊的中心及辊颈由珠光体、铁素体和球状石墨及少量碳化物组成，具有一定的强度和韧性；两部分之间为过渡层，过渡层组织由珠光体、球状石墨及碳化物组成，其厚度与冲洗工艺关系密切，一般冲硅铁粒要比冲高硅铁水要薄。 常用的有 铬钼冷硬球墨复合铸铁轧辊和铬钼钒冷硬球墨复合铸铁轧辊。 冷硬球墨复合铸铁轧辊辊身表面具有耐磨性，辊颈有一定强度和韧性。 1603．冷硬球墨复合铸铁轧辊有哪些生产工艺特点 ? 将经过球化处理的冷硬铸铁铁液注入冷型喷涂料的轧辊型腔，达到辊身上端要求的高度，辊身表层首先形成一定厚度的冷硬层，这种冷硬铸铁液硅含量高于整体铸造的冷硬铸铁，可达 1． 2％，然后在原外层铁液中冲人一定数量的硅铁粒，或改用另外一种材质 (高硅 )的铁液继续浇铸完成冒口高度，后浇铁液与原辊身外层铁液部分混溶而成为具有球墨铸铁成 分和性能的球铁辊颈，形成辊身外层为白口冷硬层而辊身心部和辊颈为球墨铸铁的复合铸铁轧 辊。 这种生产方法相对与“溢流法 (全冲洗 )”，区别在于辊身中心部位外层铁液没有被冲洗铁液溢流置换出来，而是部分混溶，即不完全的冲洗，故这种方法称为“半冲洗复合铸造”。 用这种方法，若首先浇人无限冷硬铸铁铁液，得到辊身外层为无限冷硬材质内部为球墨铸铁的轧辊，称为无限冷硬球墨复合铸铁轧辊。 1604．什么是无限冷硬铸铁轧辊 ? 无限冷硬铸铁轧辊也叫麻口细晶铸铁轧辊，它是介于冷硬铸铁和灰口铸铁之间的一种铸铁轧辊， 碳含量一般 2． 5％～ 3． 5％，硅含量一般为 0． 7％ ~1． 6％，因其辊身组织自外向内是均匀变化的，冷硬组织向灰口组织逐渐过渡，冷硬层深度没有明显界限，故称之为不定界冷硬铸铁，我国目前称作无限冷硬铸铁。 按合金含量不同分为低合金无限冷硬铸铁、中合金无限冷硬铸铁和高合金无限冷硬铸铁。 1605．无限冷硬铸铁轧辊的组织和性能有何特点 ? 无限冷硬铸铁辊身工作层显微组织为 25％一 35％的碳化物，少量球状、团状、蠕虫或片状石墨和不同的基体组织构成，随着碳化物、石墨含量和基体组织类型的变化，辊面硬度可在 HS55～ 85 之间变化。 辊身基体组织随合金含量和热处理工艺变化而有所不同，低合金和中合金无限冷硬铸铁以细珠光体或屈氏体为主，高合金无限冷硬铸铁以贝氏体和屈氏体为主，甚至出现马氏体残奥，基体显微硬度逐步提高。 由于由表及里冷却强度逐渐降低，工作层显微组织从辊面近乎冷硬组织向心部灰口组织逐渐过渡，贝氏体、马氏体和。