朱玉龍，朱志磊，劉永鋒，孫熙釗

（1.軋輥復合材料國家重點實驗室，河北 邢臺054025；2.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北 邢臺054025）

中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司（以下簡稱中鋼邢機）始建于1958年，是國內第一家專業生產冶金軋輥和冶金成臺（套）設備的冶金機械及備件制造企業，是目前世界上引領行業發展、產銷規模最大、市場占有率最高、研發實力最強的冶金軋輥專業研發制造企業。60年來，冶金軋輥和冶金設備產品作為中鋼邢機公司制造的主打產品，已成為世界多家知名鋼鐵企業的戰略首選和必選產品。公司與國內多家鋼企，包括寶武集團、首鋼京唐、鞍鋼等，建立了長期戰略合作伙伴關系，軋輥產品遠銷澳大利亞、美國、韓國、日本、英國等五十多個國家和地區，在多年的營銷過程中，也與世界排名前10名的鋼鐵企業，包括阿賽洛·米塔爾、新日鐵、韓國浦項、塔塔鋼鐵集團等，建立起了密切的合作關系。中鋼邢機自建廠以來，累計生產各類冶金軋輥65余萬支，用中鋼邢機軋輥軋制的各類鋼材超過80億t，為中國和世界經濟建設及發展做出了重要貢獻。

高鉻合金軋輥作為新一代高合金材質的代表，已經應用于板帶軋機，并表現出極好的耐磨性和優良的綜合性能。以下簡稱中鋼邢機針對國內某鋼廠萬能軌梁軋線研制了新一代萬能型鋼軋機新材質的高鉻合金輥環，并得到了成功應用。

1 新材質輥環的研究

隨著軋制技術的發展，軋材質量的不斷提高，對軋輥的綜合性能也提出了更高要求，特別是軌梁廠萬能軋機生產線，對鐵路建設起著重要作用。萬能機架的輥環是軋機上的主要易損件，為提升輥環使用水平，實現材質更新換代，中鋼邢機進行了新材質輥環的科研攻關。

1.1 化學成分設計

為了提高輥環的軋制壽命，首先對萬能機架的立輥進行了研發。萬能機架立輥屬從動輥，為環套式結構，安裝在兩個水平輥之間同一垂直面內的箱形結構里，軋制力不大，其磨損程度遠比水平輥環大，水冷條件也沒有水平輥環好，因此需要良好的耐磨性和更高的抗熱裂性。

為了提升輥環的使用水平，在高鉻系列軋輥化學成分的基礎上，設計了高鉻合金輥環材質。高鉻合金材質相對于通常使用的高碳半鋼材質，化學成分中成倍加入了Mo、V等合金元素，合金含量高，使輥環具有高的耐磨性，良好的抗熱裂性，綜合抗事性。

碳是提高材質硬度和耐磨性的重要因素，碳能較多地溶于奧氏體(A)，增大A-M轉變后的硬度，形成高碳馬氏體，以提高基體的硬度和耐磨性。但過量碳能使M相變的溫度顯著下移并降低淬透性，使材質脆性增大，機械性能惡化。綜合考慮將碳含量（質量分數）確定為1.5%～2.0%。

鉻是主要合金元素，部分溶于基體，增加淬透性，部分形成合金碳化物，有利于耐磨性的增加，鉻含量應以形成穩定的（Cr，Fe）7C3型碳化物并與碳含量平衡來決定，確定鉻含量（質量分數）為12.0%～17.0%。鉬和鎳加入的目的主要是為了提高淬透性及耐磨性。

設計萬能軌梁軋機輥環新材質高鉻合金化學成分見表1。

表1 高鉻合金輥環外層化學成分 %

1.2 技術性能參數設計

萬能機架輥環常用材質為高碳半鋼，環面硬度55-63H5D，基體組織：珠光體+碳化物。

新材質高鉻合金輥環工藝設計為雙層離心復合鑄造，芯部仍采用韌性較好的石墨鋼材質，設計高鉻合金輥環環面硬度70-80HSD。

試驗輥環選擇了國內某鋼廠萬能軋機生產線60 kg萬能粗軋立輥。

1.3 試驗工藝

高鉻合金輥環采用雙層離心復合鑄造，要確保復合材質澆注工藝達到工藝要求，各工序工藝參數的確定至關重要。

1.3.1 治煉澆注工藝

1）外層鋼水治煉采用中頻爐，優質廢鋼、高品位合金配料，通過造渣充分去除P、S，再調整Cr、Mo、V成分。對鋼水進行變質處理，以增加材料硬質點及改善碳化物質點形態。

2）高鉻合金復合輥環，材質內外層成分差距很大，兩種成分的冶金結合較困難。既要防止外層高鉻合金鋼水氧化，又要控制芯部石墨鋼鋼水澆入量、澆注溫度，以保證良好的組織形態。

3）保證外層與芯部良好治金結合。

1.3.2 熱處理工藝

由于高鉻合金輥環含有較高的Cr和C，屬于萊氏體鋼成分，在凝固過程中易形成粗大網狀結構碳化物，其鑄態組織主要由粗大網狀原始共晶碳化物和奧氏體基體組成。為滿足設計時的技術性能要求，熱處理工藝制定起著關鍵作用。參考高鉻系列軋輥基礎試驗參數，設計熱處理工藝如下：

第一段熱處理：球化退火，改善高鉻合金顯微組織中原始碳化物的形態、大小和分布。球化處理一方面使溶入鋼中的合金元素增多，在淬火回火后能夠產生足夠的二次硬化效應，同時基體得到充分強化使部分合金碳化物分解和合金元素均勻化，減小成分偏析。

第二段熱處理：淬火+多次回火，消除殘余奧氏體，消除應力，得到理想的組織和硬度。

2 試驗結果與分析

按照以上工藝設計，中鋼邢機進行了高鉻合金輥環的生產。

2.1 組織

中鋼邢機公司生產的高鉻合金輥環外層金相組織照片如圖1，圖2，與高碳半鋼金相組織照片如圖3相比，基體組織由珠光體基體改變為馬氏體基體，基體顯微硬度更高，且碳化物形態明顯改善。高碳半鋼為M3C碳化物（850-1 000 HV），高鉻合金為具有更高顯微硬度的M7C3型碳化物（1 200-1 600 HV），同時基體上彌散分布著細小、顆粒狀M2C型碳化物（≥1 500 HV）使得高鉻合金立輥硬度高、耐磨性好。

圖1 高鉻合金輥環外層鑄態組織

圖2 高鉻合金輥環外層成品組織

圖3 高碳半鋼輥環外層成品組織

2.2 硬度（見表2）

表2高鉻合金輥環硬度

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2.3 分析

高鉻合金基體相織已不是高碳半鋼基體組織的珠光體，而是具有更高顯微硬度的回火馬氏體。較高顯微硬度的回火馬氏體與高硬度M7C3、M2C碳化物匹配有效保證了立輥輥面的磨損均勻性。考慮萬能軌梁軋制特點及加工設備問題，對各合金元素進行了調整，設計外層時更側重于依靠基體的耐磨性，適當降低了碳化物形成元素的含量，碳化物的形態與數量相比，更側重于形態的改善。試驗產品達到了預期的目的。

3 應用情況

中鋼邢機公司研制的高鉻合金立輥環，在國內某鋼廠萬能軌梁軋機萬能機架立輥使用，軋制60 kg重軌。經過上機實軋，表現良好。

1）與高碳半鋼相比，高鉻合金輥環表現出更加憂良的耐性和抗熱裂性。

2）在相同的軋制條件及相當的軋制量條件下，高鉻合金輥環下機后表面光滑、無裂紋，使用效果良好。

3）高鉻合金立輥輥環采用離心復合生產，外層為具有高耐磨的高鉻合金，芯部為具有高韌性的石墨鋼，有效滿足了軋機對立輥不同部位的性能要求，保證了高鉻合金輥環的使用安全性。高鉻合金輥環組織熱穩定性強，裂紋擴展速度慢、具有良好的抗熱裂性、強韌性，對軋機冷卻水的要求不那么苛刻。

4 結論

1）高鉻合金輥環硬度控制70-80HSD，與傳統的高碳半鋼相比，高鉻合金輥環表現出更加優良的耐磨性和較好的抗熱裂性，提升了使用效果。

2）在相同的軋制條件及相當的軋制量條件下，高鉻合金輥環下機后表面光滑，軋材質量更高。