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高速钢轧辊及其热处理

文档作者：戚正风1 万安元2 甘宅平2 赵晚子2 刘永志2 文档来源： 1 大连交通大学 2武钢轧辊厂		点击数：	更新时间： 2021年03月01日
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综　述高速钢轧辊及其热处理
戚正风1 ,万安元2 ,甘宅平2 ,赵晚子2 ,刘永志2
(11大连交通大学,辽宁大连　116028; 21武钢轧辊厂,湖北武汉　430082)
摘要:综述了冷、热轧辊材料的发展过程;轧辊高速钢的种类、成分;高速钢轧辊的生产工艺以及高速钢轧辊的热
处理工艺。指出高速钢在轧辊领域具有一个非常大的市场,应于重视。另外,为了提高高速钢轧辊的质量,需要
解决高速钢偏析问题及热处理问题。
关键词:高速钢轧辊;热处理;喷射成形;离心铸造
中图分类号: TG16216　　文献标识码:A　　文章编号: 025426051( 2008) 0820006204
High speed steel roll and its hea t trea tment
Q I Zheng2feng1 ,WAN An2yuan2 , GAN Zhai2p ing2 , ZHAO Wan2zi2 ,L IU Yong2zhi2
(11Dalian J iaotong University,Dalian L iaoning 116028, China; 21Roll Factory of
Wuhan Iron and Steel Group Co. ,Wuhan Hubei 430082, China)
Abstract:The development process of cold and hold rollmaterials, the types and chemical composition of high2speed steel roll
aswell as the p roducing technology and heat treatment of high2speed steel were reviewed. It was point out that high speed
steel has a bigmarket in roll field, so thatwe must pay attention to this problem. In addition, for improving the quality of high
speed steel roll, the problem of carbide segregation and heat treatment of high speed steelmust be solved.
Key words: high2speed steel roll; heat treatment; sp ray forming; centrifugal casting
作者简介:戚正风(1930—) ,男,浙江余姚人,教授,主要从事热
处理原理及工艺以及工模具钢的研究工作,已发表120余篇论
文、7本专著,并多次获国家发明奖及省、部级科技进步奖。联
系电话: 0411284608521　E2mail: qw626870@126. com
收稿日期: 2008204218
　　轧辊种类繁多,按硬度可分为表1 所示的4 类。
表1中硬辊也可称为热轧辊,其工作条件相当于热锻
模;特硬辊也可称为冷轧辊(其中包括工作辊、平整辊
及中间辊) ,其工作条件相当于冷作模具。因此,对热
轧辊及冷轧辊材料的性能要求基本上与热作模具钢及
冷作模具钢相似。对热轧辊用材的性能要求是:高温
硬度、高温强度、抗热疲劳性、耐磨性、高淬透性及高导
热性;对冷轧辊用材的性能要求是:高硬度、高强度、高
耐磨、高韧性、高接触疲劳强度及高淬透性。
热轧辊与冷轧辊用材都经历了一个发展过程。热
轧辊用材的发展过程是:冷硬铸铁→高Cr铸铁→半高
速钢→高速钢→硬质合金;冷轧辊用材的发展过程是:
低合金工具钢→中合金工具钢→高合金工具钢→高速
钢→硬质合金。
高速钢用于制作轧辊始于20 世纪八十年代[ 1 ] 。
虽然高速钢轧辊价格昂贵,但性价比高,故问世后立即
得到轧钢业的欢迎。遗憾的是到目前为止,我国所用
高速钢轧辊基本上依赖进口。但许多轧辊生产厂都在
积极试制,相信近期内就会有所突破。
表1　轧辊按硬度分类
Table 1　Roll cla ssif ica tion accord ing to roll hardness
类型硬度(HS) 硬度(HRC) 用途
软　辊30～40 < 30 大型初轧机
半硬辊40～60 28～45 钢板初轧机
硬　辊60～85 45～62 钢板热轧机
特硬辊> 85 > 62 钢板冷轧机
1　轧辊用高速钢及其性能
轧辊用高速钢包括铸造高速钢、锻造高速钢及无
碳化物偏析高速钢,目前用得最多的是铸造高速钢,一
般都用于制作复合轧辊,辊面是高速钢,芯部是球墨铸
铁或结构钢。锻造高速钢用得不多,在本世纪人们寄
希望的是无碳化物偏析高速钢。
111　铸造高速钢
铸造高速钢一般与球铁或中碳结构钢制成复合轧
辊。与制作刀具的高速钢相比,制作轧辊用的铸造高
速钢的成分有以下一些特点: ①C含量高,一般高速钢
的碳含量仅1%左右,而轧辊用铸造高速钢的碳含量
高达2%左右; ②W当量低,一般高速钢的W 当量为
18% ,而轧辊用铸造高速钢的W 当量最低时低于
10%; ③Cr含量高,一般高速钢的Cr含量均为4%,而
轧辊用铸造高速钢的Cr 含量最高可达10%甚至
20%; ④V 含量高,一般高速钢的V 含量都在2%以
下,而用得最多的轧辊用铸造高速钢的V含量在5%
左右。故称之为高碳高矾轧辊用高速钢。
6 《金属热处理》2008年第33卷第8期
之所以有这些差别是为了: ①提高淬透性,因为轧
辊尺寸比较大,最大直径超过<1m; ②提高耐氧化耐
腐蚀性,以保证轧出的钢板的表面质量; ③提高耐磨
性; ④降低淬火温度,以便与芯部球铁相配合。表2为
轧辊用铸造高速钢的化学成分。由表2可见,轧辊用
铸造高速钢的化学成分差别很大。
表2　轧辊用铸造高速钢化学成分(质量分数, %)
Table 2　Chem ica l composition of roll ca sting
h igh2speed steels( wt%)
No. C W Mo Cr V Si Co Nb
1 1150～2150 0～5 3～5 4～7 4～6 015～110 — 0～2
2 2100～4100 2～15 5～20 4～6 — — — 1～2
3 1150～2150 2～10 2～10 2～10 — — — —
4 1100～2150 2～8 4～8 3～9 — — — 2～8
5 1100～3100 115～10 0～9 2～10 0～10 0～2 0～5 0～10
6 1150～2100 0～1 4～6 4～6 4～5 — — 0～1
112　锻造高速钢
锻造高速钢包括低合金高速钢(半高速钢) 、低碳
高速钢、普通高速钢、高硬高速钢及超硬高速钢。除低
合金高速钢(半高速钢)外,其他4种高速钢的主要差
别在于碳含量的不同,由前向后碳含量不断升高,淬、
回火后能够达到的最高硬度也随碳含量的升高而升
高,断裂韧性则随硬度的升高而下降。但对于碳含量
高的高速钢可以采取降低淬火温度的方法来降低硬
度,提高断裂韧性。因此,这几种高速钢均可用于制作
轧辊。
高速钢的主要缺点是存在碳化物偏析,尺寸越大
碳化物偏析越严重。而轧辊尺寸一般都比较大,故碳
化物偏析比较严重。当直径超过<120 mm时锻造高
速钢的碳化物偏析已经与铸造高速钢不相上下,故只
有用于制作小规格冷轧辊时锻造高速钢才优于铸造高
速钢。为了解决大轧辊碳化物偏析问题,只能采取喷
射成形及热等静压等工艺。表3是几种常用锻造高速
钢的化学成分。
113　无碳化物偏析高速钢
表3　轧辊用锻造高速钢化学成分(质量分数, %)
Table 3　Chem ica l composition of roll forg ing
h igh2speed steels( wt%)
钢号C W Mo Cr V Co 硬度(HRC)
半高速钢0170 215 1175 4 015 — —
低碳M2 0160 610 5 4 110 — ≥60
M2 0184 610 5 4 210 — 60～65
M35 0190 610 5 4 210 5 63～67
M42 1110 1150 9 4 110 8 63～70
M22R42 1105 610 5 4 210 — 63～68
　　为消除碳化物偏析,人们都将希望寄托于无碳化
物偏析高速钢。无碳化物偏析高速钢包括喷射成形高
速钢及热等静压粉末高速钢。这两种高速钢都是通过
改变生产工艺来消除碳化物偏析。任何成分的高速钢
均可用这两种生产工艺制成无碳化物偏析高速钢。有
关这两种工艺将在下面介绍。
2　高速钢轧辊制造方法
按制造工艺可以将高速钢轧辊分为锻造轧辊、铸
造轧辊、喷射成形轧辊、粉末烧结轧辊。
211　锻造轧辊
锻造高速钢的生产过程为:电炉冶炼→浇铸成锭
→锻轧成形。为了提高钢的质量,目前采用的工艺是:
电炉冶炼→真空精炼→真空脱气→浇铸成锭→电渣重
熔→锻轧成形。采用这个工艺,虽然可以提高高速钢
的质量,但是不能解决高速钢偏析问题。故锻造高速
钢难以用于制造大轧辊。
212　铸造轧辊
大型热轧辊一般均采用铸造工艺生产。辊身外层
为铸造高速钢,辊芯为球铁或中碳结构钢。生产铸造
轧辊的工艺很多,许多文章都有介绍[ 2 - 4 ] ,其中包括离
心铸造工艺(CF工艺) 、连续铸造工艺(CPC工艺) 、旋
转电渣重熔工艺( ESR工艺) 、电渣复合工艺( ESSLM
工艺) 、冲洗工艺等。我国目前均采用离心铸造工艺
(CF工艺) ,这里仅介绍这种工艺。
离心铸造工艺分立式与卧式两种,图1为立式离心
铸造设备。高速钢液注入后依靠离心力凝成高速钢外
壳,然后注入熔渣,最后注入球墨铸铁。离心铸造工艺
的关键是掌握好球铁浇注时间,浇注早了,未充分凝固
的高速钢将被熔化而与球铁混合在一起,浇注晚了球铁
不能与高速钢很好结合。在国外一般均采用立式,因便
于掌握。立式的缺点是设备比较复杂,且受重力影响,
沿高度方向高速钢外壳厚度减薄。我国均采用卧式,优
图1　离心铸造示意图
Fig. 1　Schematic illustration of centrifugal casting p rocess
《金属热处理 》2008年第 33卷第 8期 7
点是设备简单,缺点是难以掌握。在高速钢凝固后与
上下模合成立式,然后从上面浇注入球铁。离心铸造
工艺除界面结合强度低且不易掌握外还存在VC容易
产生偏析的缺点,解决的办法是用Nb取代V。
213　喷射成形轧辊
喷射成形是一种新的快速冷却工艺,用保护气体
将液态高速钢喷成细小液滴,在将凝未凝时喷射到物
体表面,凝成所需形状。因为是快速冷却,所以不会出
现共晶,也就不存在碳化物偏析。因此,世界各国都将
下一代大型优质高速钢轧辊寄希望于喷射成形。
图2a为喷射成形整体轧辊,即将高速钢喷射在一
个旋转并不断下移的圆盘上,在两侧有两对整形用的
旋转的小轧辊;图2b为喷射成形复合轧辊,即将高速
钢喷射在一根旋转并左右移动的结构钢钢棒上。
图2　喷射成形工艺示意图
( a)整体轧辊　( b)复合轧辊
Fig. 2　Schematic illustration of sp ray forming technology
( a)whole roll　( b) compound roll
喷射成形所得高速钢的致密度不高,必须经过锻
造或热等静压提高致密度后才能使用,这是喷射成形
轧辊的成败关键。
214　粉末烧结轧辊
用热等静压(H IP)工艺生产的粉末高速钢是最好
的高速钢。其生产工艺见图3。由图3可见,粉末高
速钢生产过程十分复杂,包括将液态高速钢喷成粉,装
套、抽真空、密封、冷等静压、热等静压,最后剥去外套,
进行锻造(最新一代粉末高速钢可以不经锻造) ,且热
图3　热等静压工艺(H IP)生产粉末高速钢
Fig. 3　H IP technology for p roducing powdered
high2speed steel
等静压炉十分昂贵。因此采用此工艺生产大规格轧辊
至少在目前还没有可能,只能用于生产一些小型冷
轧辊。
3　轧辊用高速钢性能
轧辊用高速钢性能以铸造高速钢最差,锻造高速
钢优于铸造高速钢,但优越程度与碳化物不均匀程度
有关,无碳化物偏析高速钢性能最好。
311　铸造高速钢
在各类高速钢中,铸造高速钢的性能最差,淬、回
火后的抗弯强度仅1000 MPa左右[ 5 ] 。但对于热轧辊
来说,已经能够满足要求。影响热轧辊用铸造高速钢
性能的因素有: ①致密度低; ②用CF工艺生产时产生
的VC比重偏析; ③凝固时形成的网状碳化物及莱氏
共晶。为提高致密度可以采用CPC、ESR、ESSLM等工
艺来取代CF工艺,但这几种工艺均较CF工艺复杂。
为消除VC偏析,可以用Nb代替V。为使碳化物网断
开,可以采用变质处理。
对于铸造高速钢复合热轧辊的性能要求见表
4。由表4知,铸造高速钢及球铁能够满足热轧辊
要求。
表4　铸造高速钢复合热轧辊性能要求
Table 4　Requ ired properties of hot compound
roll ca sting h igh2speed steel
部位硬度(HS) 抗拉强度/MPa 抗弯强度/MPa
高速钢表层85 ±3 600～900 600～900
芯部40 ±5 350～450 350～450
312　锻造高速钢
锻造高速钢的性能优于铸造高速钢,但锻造高速
钢的性能除与钢的质量、成分及热处理有关外还与碳
化物不均匀度有关,随碳化物不均匀度增加急剧下降,
见表5。
表5　182421高速钢碳化物不均匀度对抗弯强度的影响
Table 5　Influence of carb ide heterogene ity on bend ing
strength of 182421 h igh speed steel
碳化物不均匀度(级) 2 3 4～5 7～8
抗弯强度/MPa 3500 2200 1700 < 1000
　　由表5可见,不均匀度为2级时,抗弯强度可以
达到2500 MPa; 7 级以上时降至1000 MPa以下,与
铸造高速钢处于同一水平,不能满足冷轧辊的需要。
故锻造高速钢在轧辊生产中用途有限,只能用于制
造小型冷轧辊。表6 是几种常用锻造高速钢的性
能,但需要强调指出的是表中数据都是用细棒料、小
试样得出的。
8 《金属热处理》2008年第33卷第8期
表6　锻造高速钢性能
Table 6　Properties of roll forg ing h igh speed steel
钢号硬度(HRC) 抗弯强度/MPa 冲击韧度/J·cm - 2
T1 63～66 2500～3000 18～32
M2 63～66 3500～4000 41～46
M35 64～67 ～3500 ～25
M42 67～70 2700～3800 23～30
313　无碳化物偏析高速钢
无碳化物偏析高速钢包括喷射成形高速钢及热等
静压粉末高速钢。这两种高速钢由于不存在碳化物偏
析,故性能与轧辊尺寸无关,因此,只要生产设备允许,
可用于制作任何钢种、任何规格的冷、热轧辊。
4　高速钢轧辊热处理
生产轧辊的关键在于热处理,尤其是大型轧辊。因
为与各种冷、热模具相比,轧辊的工作条件较好,故对性
能要求低于模具。但轧辊尺寸远大于模具,大大增加了
热处理的难度。轧辊热处理的要点是在保证性能的前
提下防止开裂。对于生产厂来说,轧辊热处理工艺均为
绝密资料,不对外公开,故在国外杂志中鲜有报道轧辊
热处理工艺的文章。国内已有不少涉及轧辊热处理及
防止热处理开裂的文章[ 6 - 10 ] ,但都限于一般性叙述而
缺乏具体参数。对于生产厂来说,针对自己的产品,还
得通过实践,摸索出有关热处理工艺参数。本文将根据
大型高速钢轧辊热处理特点提出热处理原则。
411　高速钢轧辊退火
高速钢轧辊浇铸成形必须进行等温退火。目的是
消除可能引起开裂的硬度高的不平衡组织及内应力以
及便于机械加工。退火加热温度及等温温度与通用的
高速钢等温退火基本相同。为了防止退火时发生开
裂,加热速度要慢;为了防止在等温后的冷却过程中产
生新的内应力,等温后的冷却速度也要慢。退火后进
行机械加工。
412　高速钢轧辊淬火
淬火在机械加工后进行。淬火加热温度的确定与
一般高速钢淬火基本相同,因为轧辊尺寸比较大,故淬
火加热温度可适当降低。加热时必须采取措施防止脱
碳。在500 ℃以下,加热速度要慢一些, 500 ℃以上应
快加热。炉温到温后可以保温一段时间再出炉,也可
以在轧辊表面温度达到淬火温度时立即出炉,即进行
所谓差温淬火。淬火冷却应采取喷水冷, 500 ℃以上
应尽可能快冷, 500 ℃以下应慢冷。冷至200 ℃左右
立即入炉回火。
413　高速钢轧辊回火
回火温度与一般高速钢回火相同,亦为550～560
℃。回火加热与冷却速度应较慢以防止开裂,回火次
数为3～4次。
根据生产实际情况按以上原则确定热处理工艺,
在确定工艺参数时可以参考《热处理手册》第3版第2
卷第7章“大型铸锻件的热处理”。
5　结语
将高速钢用于制作轧辊是高速钢应用的一个新的
领域,这个领域非常广阔, 2007 年我国钢产量已经达
到4189亿吨,占世界钢产量的36144%[ 11 ] ,这些钢都
要用轧辊轧成钢材,用现用轧辊轧制,吨钢消耗轧辊约
1 kg,故2007年共约消耗轧辊50万吨,如改用高速钢
轧辊,即或使吨钢消耗降为011 kg,高速钢年消耗也将
以万吨计,由此可见市场之大,应该引起工模具材料工
作者的重视。
轧辊尺寸远远大于切削刀具,故存在碳化物偏析
问题。为了提高高速钢轧辊性能,必须解决高速钢碳
化物偏析问题。国际上一般认为解决的办法是发展无
碳化物偏析高速钢。对于一个钢产量世界第一大国来
说,我们不能总是用进口的轧辊来轧我们生产的钢锭,
为此,我们不仅要能生产高速钢轧辊,而且要能生产出
世界一流的高速钢轧辊。
最后,还应指出,由于轧辊尺寸远大于切削刀具,
因此高速钢轧辊热处理的难度也远高于高速钢刀具热
处理,热处理能否取得成功往往是高速钢轧辊生产的
关键,我们必须加以重视。
参考文献:
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