[科普中国]-半钢轧辊

合金半钢轧辊含碳质量分数通常在1.5%~2.3%，含 Cr、Ni、Mo、V 等多种合金元素，一般游离碳化物质量分数约 6%～10%，具有硬度降落小、耐磨性能高、韧性良好、消耗显著降低，型材和轨梁材的表面质量显著提高等特点，广泛应用于代替铸钢轧辊和普通低合金铸铁轧辊，如大型型钢粗轧辊、型钢轧机初轧和中轧机架、热轧带钢连轧机初轧和精轧前段工作辊。

组织性能碳含量小于1.8%的半钢轧辊含有铬、镍、钼等合金元素，它的显微组织为回火索氏体，其基体上分布着细粒状及棒状碳化物，其硬度范围在HS35－55之间。随着碳含量的增加，半钢轧辊的组织中出现了越来越多的共晶碳化物。

依据轧辊用途调整半钢轧辊的碳含量、合金元素含量，配合相应的热处理工艺，控制得到不同的基体、碳化物含量及形态的半钢轧辊组织，以适应不同轧机的使用要求。因此，半钢轧辊材质已经发展成为系列材质，适用于不同类型轧机的使用要求。

半钢轧辊辊身工作层的碳化物含量、形态分布沿辊身半径方向变化很小，它突出的性能特点在于轧辊使用层内硬度降落很少，适合于开孔型较深的大中型型钢轧机中轧机架、钢坯连轧机轧辊，采用预开孔型热处理工艺生产型钢半钢轧辊使用效果更好。

半钢轧辊还广泛用于小型型钢棒线材粗轧机架；热带连轧机4辊粗轧、精轧前架工作辊、小立辊。热轧中窄带钢精轧支撑辊等。1

生产方法半钢轧辊大多采用静态整体铸造方法生产，2002年国内开发试制出了离心复合半钢支撑辊，辊身外层为半钢材料，辊身心部和辊颈为球墨铸铁材料，并成功地应用于热轧中宽带钢精轧机组。半钢材质辊环采用离心铸造方法生产，辊环外层为高碳半钢，辊环内层为石墨钢或球墨铸铁材料，在高速旋转的离心机上，分别浇入两种不同材质的钢铁水复合铸造而成

半钢轧辊一定要经过高温扩散退火处理：铬和碳是形成半钢轧辊碳化物的重要元素，从而也是提高轧辊耐磨性的重要元素。但是由于轧辊凝固是一个非平衡过程，固溶体从钢液中结晶是一个选分结晶过程，因而在半钢轧辊铸态组织中存在着严重的铬偏析。奥氏体晶界处为富铬区、富碳区，二次碳化物会在此处析出并形成网状，这种碳化物对轧辊的组织性能破坏很大。因此要消除轧辊凝固偏析所造成的铬偏析，必须要对半钢轧辊进行高温扩散退火处理。

非金属夹杂物对半钢轧辊组织的影响：钢液中存在大量的高熔点非金属夹杂物时，易形成伪共晶碳化物核心，在凝固过程中析出的共晶或伪共晶碳化物优先长大，而且极易形成大块碳化物，巨大的渗碳体易成为热龟裂的发生点，并起加速裂纹扩展的作用，非金属夹杂物的存在将使半钢轧辊的断裂韧性值和塑性指标降低。所以，半钢轧辊一般要求将非金属夹杂物总量控制在0.05%以下。1

使用注意a、半钢轧辊抗热裂性能差，对冷却水要求较高，孔槽底部冷却水量少，容易形成热裂纹，应调整冷却水给水位置和方向，保证充足的冷却水。

b、生产时严格按工艺规程，正确控制压下量，避免轧制黑头钢、冷钢，减少轧制事故，增加辊面粗糙度；轧完高合金钢后，应使轧辊在没有冷却水的情况下空转，进行缓慢冷却，待轧辊温度下降到一定程度时再进行轧制。正确安装导板，并做到经常检查，防止错位。

c、加工车时应将肉眼可见的周向裂纹车削干净，再次上机要进行裂纹检测，确保无残余裂纹。

d、轧辊结构设计上加以改进，合理确定辊环宽度，钢轧辊的辊环宽度一般大于孔型深度的一半；减少辊颈与辊身连接处的应力集中，如加大过渡圆弧半径。2

合金半钢轧辊质量控制技术由于原材料控制不严，工艺方案不合理，生产操作不当，管理制度不完善等原因，会使合金半钢轧辊产生如气孔、粘砂、渣孔、残渣、缩孔、缩松、裂纹、硬度不均等各种质量缺陷。

1、钢水纯净度控制技术

轧辊钢水纯净控制技术贯穿于配料、初炼、精炼、铸造等各环节，采用全流程夹杂物控制技术控制内生夹杂物和外来夹杂物，明显减少夹杂物数量，减少大尺寸夹杂物并改善其在钢中的分布和形态。采用锰铁、硅钙、稀土镁等复合脱氧，含氧量降到（40～60）×10-6，较以前Al脱氧大幅降低。

2、钢水化学成分控制技术

按照不同用途调整合金半钢中碳和合金元素的含量，优化合金窄成分控制，添加 V、Ti 元素，起到细化晶粒和弥散强化的作用，在弥散强化和析出强化的共同作用下，达到了提高轧辊组织性能的目的。钢水采用稀土孕育方法使碳化物孤立化与球团化，增加耐磨性。珠光体以不同形态在组织中的存在将影响热处理产生的组织应力及内应力的形成，片状或针状珠光体有可能导致微裂纹的形成，在内应力的促进作用下有可能使裂纹扩大并最终造成轧辊开裂，而粒状珠光体形成后就大大减少了热裂倾向的发生，对轧辊的抗事故能力也有所提高。

3、轧辊外在质量控制技术

1）缩孔、缩（疏）松

轧辊产品结构特殊，横截面大，轴向长决定了铸造时不可避免的会产生缩松、疏松等铸造缺陷。缩孔易产生于大型半钢轧辊冒口端，缩（疏）松易产生于在下辊颈，出现的缩孔缩松类缺陷在轧辊辊身工作面范围内，影响轧辊质量。铸造工艺设计采取了下辊颈砂型≤30 mm，辊身冷型挂砂 12 mm~15 mm，冒口砂型≥60 mm 等工艺措施；准确控制开浇温度，一般在液相线以上 50℃~60℃；严格控制冷型模温，一般在 80℃～100℃；用高温钢水点铸冒口时间一般掌握在 30 min 之内，温度超过液相线 80℃~100℃，距冒口上平面以下400 mm 处开始点注冒口，点注时间 6 min 以上，点满为上，加发热剂 2 kg/t，盖保温罩；引用自主研发的电加热专利技术，采用合理的电加热工艺，使冒口的补缩通道仍保持畅通；采用凝固模拟技术设计冒口尺寸满足补缩要求 ，以保证体积收缩所需要的钢液。

采取以上工艺措施，可以减缓缩孔、缩（疏）松缺陷的产生。

2）夹渣、夹砂

采用专用砂轮器具打磨冷型内表面，清除冷型及其他砂箱内腔表面脏物，保证表面无粘结物。砂型采用缓慢升温至 400℃干燥工艺。合箱前各接合部要求磨平整，吸出内腔、浇注管道杂物，严格检查型腔质量，如有损坏要修补烘干后方可使用，冷型内壁不允许有裂纹和涂料剥落。用切线型内浇道，使杂质集中在轧辊中心部位，以利于夹杂物上浮，浇口杯采用平稳封闭阶梯式设计。

3） 裂纹、断辊

铸造裂纹有热裂纹和冷裂纹，热裂产生一般是工艺原因，如果轴向收缩受阻，容易造成热裂。轧辊能够自由收缩变形，要有良好的由底至顶的顺序定向凝固；模型尽可能与最终轧辊外形接近，表面良好的柱状晶组织在最终轧辊中能表现出良好的耐磨性。必须严格执行浇注工艺参数，及时撤离插入节支撑体等。Ni、Mn、Mo 等元素增加了白点的敏感性，容易产生裂纹，必须控制好入炉原料的干燥。热处理出现裂纹原因：轧辊经热处理高温扩散退火后，在距下辊颈端辊身三分之一处产生横向裂纹，在热处理高温扩散退火阶段产生，温度范围在680℃~1 040℃之间。

轧辊在冷却和加热过程中主要有两种应力，即热应力和组织应力。热处理升温加热阶段，表面受热膨胀在轴向和径向产生拉应力，温度相对偏低的地方产生压应力，从轧辊装炉位置和炉内温度分布来看，炉内上部温度高，下部温度低，结合裂纹位置氧化程度分析，轧辊在升温加热过程中存在高温长时间过烧，温度高，必然加大上下温度梯度，有可能造成轧辊组织产生内应力，形成微裂纹，并逐渐发展形成裂纹。

轧辊结构轴向长，横截面大，半钢轧辊的导热性仅为 45 钢的一半，导热性差；铸造时，冒口端温度高，下端温度低，客观上存在上下温度梯度，其轴向拉应力远远大于切向及径向应力，造成轧辊身产生横向裂纹的可能性存在；吹风冷却时，风机风量小，吹风位置调整不合适，使风履盖轧辊辊身面不完全，轧辊局部膨胀或收缩不一致，也有可能造成轧辊身产生横向裂纹；加工过程台肩倒角小或径向扩展。采用热拆箱，严格控制升温速度，特别是680℃以后的升温速度尽可能缓慢升温，680℃保温时间延长至 16 h，升温速度修改为小于或等于 100℃。在升温和保温阶段，根据炉内温度变化情况，及时调整控制温度；辊身上表面覆盖硅酸铝纤维毡防护；调整好风机高度，使之对准辊身中线或转入喷拌机进行旋转吹风。

4）粘砂

轧辊粘砂不仅影响铸件的外观质量，甚至引起报废。金属液渗入砂型或砂芯砂粒间隙中，与砂烧结并粘附在轧辊表面或金属液化学反应生成的金属氧化物与造型材料作用形成的粘着力很强的硅酸铁浮渣形成粘砂。保证砂型干强度在 70 MPa 以上，浇注过热度在50℃~60℃；保证石英砂SiO2纯度在 95%以上，用砂粒度 40 目 ~100 目；使用醇基锆英耐火涂料，涂料厚度2mm～3 mm。

5）气孔

通常在轧辊内部和表面上经常看到一些太小不等的光滑孔洞，常见的有侵入性气孔、析出性气孔以及皮下气孔等。出现气孔的原因有很多，例如炉料不干或含氧化物、杂质多；型砂含水过多或起 模和修型时刷水过多；型芯烘干不充分或型芯通气孔被堵塞；浇注温度过低或浇注速度太快等。对侵入性气孔尽快控制型砂或芯砂中发气物质的含量，减少发气量，而且要降低湿型砂的含水量，保证砂芯的干燥。对皮下气孔的预防控制，包括适当提高浇注温度。排气系统，考虑冒口系统设计优化，排气系统布局合理，使型腔和砂芯排气顺畅，有利于防止产生气孔和粘砂等缺陷，砂型和砂芯不仅排气好，还要发气量低、透气性好。

6）砂眼、渣孔

砂眼、渣孔产生原因：型砂的强度过低、或者是砂型和型芯不够结实、合箱时砂型出现了局部破坏、浇注系统不合理，合型时型腔或浇口内散砂未清理干净，形状呈现出不规则性，且缺陷内部填充着夹杂物。尽量提高型砂的强度以及砂型的结实度，紧实度，减少砂芯的毛刺，从而防止出 现冲砂的现象；合型前将型腔和砂芯表面的浮砂清理干净，严格避免钢液对型壁过大的冲刷力。

7）硬度不合

对平辊进行粗开孔型再进行淬火处理，半钢轧辊基体组织决定了轧辊的耐磨性和抗事故性能。轧辊显微组织，基本上可以看作是渗碳体和铁素体的混合物，尤其是高碳材质 ，虽然需要渗碳体量来保证其硬度和耐磨性，但在凝固过程中必须控制渗碳体网的发展，将铸态碳化物网切断并球化，以免过脆。通过优化改进热处理工艺，满足轧辊硬度均匀性。23

发展半钢轧辊起源于美国，20世纪40年代末期，热轧带钢连轧机在美国迅速发展，当时轧机的精轧前段使用的是合金冷硬铸铁轧辊，带钢表面出现大量的“斑带”缺陷，严重影响轧机效率。为解决这一问题，美国冶金学家研制出兼有铸钢轧辊的高强度和韧性、类似铸铁轧辊的良好耐磨性的半钢轧辊。半钢轧辊在国外被称为Adamite轧辊，20世纪70年代在国外得到广泛的应用，在一定程度上代表r当时轧辊生产的国际水平和发展方向。这种轧辊的碳含量在1.4%～2.4%之间，日本将其归属于铸铁类，称其为“特殊高碳铬镍耐磨铸铁”轧辊；前苏联及东欧将其归属于铸钢类，称其为“过共析钢”轧辊；我国称其为半钢轧辊。半钢中游离碳化物的体积分数约为6%～10%，共析成分以外的碳可以是碳化物或石墨。

以碳化物为主要存在形式的称做半钢，以石墨为主要存在形式的称做球墨铸钢或石墨钢。半钢中常加入Si、Mn、Ni、Mo等合金元素，其加入量根据期望的组织与性能而定。半钢的强韧性接近于钢辊而优于铁辊，其硬度与耐磨性接近于铁辊而优于钢辊，它综合了钢与铸铁两者的优点。

半钢轧辊的另一特点是断面硬度落差小，能切削较深的孔型。半钢轧辊最适于工作繁重的钢坯轧机、大型型材轧机、中型轧机、万能型钢轧机、热连轧粗轧机及热连轧精轧机（前段）等。

近年来，国内也开展了离心铸造半钢复合轧辊的研究，其外层材质的化学成分设计为高碳、中合金钢。这样，可以得到较多的一次碳化物和二次碳化物，可提高辊身的耐磨性。由于半钢与球铁液相线的温度相差很大，如果采用一次复合的方法，在卧式离心机的条件下，因合箱时间的耽搁，填心铁水温度稍低便会结合不好；铁水温度过高，既增加外层钢水回熔，又使心部组织粗大，二者均会降低辊心性能。因此，添加合适的中间层及并控制其厚度，可减少辊身和辊心不同材质之间的线膨胀系数差；可有效防止外层铬等碳化物形成元素凹熔造成的不利影响，从而实现内外层材质的冶金结合。

半钢复合轧辊用于本钢1700 mm热轧机精轧前段Fi～F3机架，毫米轧制量为3800 t。 由于半钢轧辊的硬度不及冷硬铸铁轧辊，以及它受热时易膨胀等特点，它一般不用于精轧机及成品机架。半钢轧辊还存在一些问题，如热处理周期长，工艺和生产技术较复杂，质量要求严，硬度与韧性的配合还没有达到更理想的境地，成本较高。自20世纪80年代以来，在许多场合它逐渐被高铬铸铁轧辊和锻造白口铸铁轧辊替代。2

本词条内容贡献者为:

王伟 - 副教授 - 上海交通大学