合金半鋼軋輥含碳質量分數通常在1.5%~2.3%，含 Cr、Ni、Mo、V 等多種合金元素，一般游離碳化物質量分數約 6%～10%，具有硬度降落小、耐磨性能高、韌性良好、消耗顯著降低，型材和軌梁材的表面質量顯著提高等特點，廣泛套用於代替鑄鋼軋輥和普通低合金鑄鐵軋輥，如大型型鋼粗軋輥、型鋼軋機初軋和中軋機架、熱軋帶鋼連軋機初軋和精軋前段工作輥。
基本介紹
- 中文名：半鋼軋輥
- 外文名：smil-steel roller
- 套用：代替鑄鋼軋輥，低合金鑄鐵軋輥
- 力學性能：鋼和鐵之間
- 通稱：“半鋼”
組織性能,生產方法,使用注意,合金半鋼軋輥質量控制技術,發展,
組織性能
碳含量小於1.8%的半鋼軋輥含有鉻、鎳、鉬等合金元素，它的顯微組織為回火索氏體，其基體上分布著細粒狀及棒狀碳化物，其硬度範圍在HS35－55之間。隨著碳含量的增加，半鋼軋輥的組織中出現了越來越多的共晶碳化物。
依據軋輥用途調整半鋼軋輥的碳含量、合金元素含量，配合相應的熱處理工藝，控制得到不同的基體、碳化物含量及形態的半鋼軋輥組織，以適應不同軋機的使用要求。因此，半鋼軋輥材質已經發展成為系列材質，適用於不同類型軋機的使用要求。
半鋼軋輥輥身工作層的碳化物含量、形態分布沿輥身半徑方向變化很小，它突出的性能特點在於軋輥使用層內硬度降落很少，適合於開孔型較深的大中型型鋼軋機中軋機架、鋼坯連軋機軋輥，採用預開孔型熱處理工藝生產型鋼半鋼軋輥使用效果更好。
半鋼軋輥還廣泛用於小型型鋼棒線材粗軋機架；熱帶連軋機4輥粗軋、精軋前架工作輥、小立輥。熱軋中窄帶鋼精軋支撐輥等。
生產方法
半鋼軋輥大多採用靜態整體鑄造方法生產，2002年國內開發試製出了離心複合半鋼支撐輥，輥身外層為半鋼材料，輥身心部和輥頸為球墨鑄鐵材料，並成功地套用於熱軋中寬頻鋼精軋機組。半鋼材質輥環採用離心鑄造方法生產，輥環外層為高碳半鋼，輥環內層為石墨鋼或球墨鑄鐵材料，在高速旋轉的離心機上，分別澆入兩種不同材質的鋼鐵水複合鑄造而成
半鋼軋輥一定要經過高溫擴散退火處理：鉻和碳是形成半鋼軋輥碳化物的重要元素，從而也是提高軋輥耐磨性的重要元素。但是由於軋輥凝固是一個非平衡過程，固溶體從鋼液中結晶是一個選分結晶過程，因而在半鋼軋輥鑄態組織中存在著嚴重的鉻偏析。奧氏體晶界處為富鉻區、富碳區，二次碳化物會在此處析出並形成網狀，這種碳化物對軋輥的組織性能破壞很大。因此要消除軋輥凝固偏析所造成的鉻偏析，必須要對半鋼軋輥進行高溫擴散退火處理。
非金屬夾雜物對半鋼軋輥組織的影響：鋼液中存在大量的高熔點非金屬夾雜物時，易形成偽共晶碳化物核心，在凝固過程中析出的共晶或偽共晶碳化物優先長大，而且極易形成大塊碳化物，巨大的滲碳體易成為熱龜裂的發生點，並起加速裂紋擴展的作用，非金屬夾雜物的存在將使半鋼軋輥的斷裂韌性值和塑性指標降低。所以，半鋼軋輥一般要求將非金屬夾雜物總量控制在0.05%以下。
使用注意
a、半鋼軋輥抗熱裂性能差，對冷卻水要求較高，孔槽底部冷卻水量少，容易形成熱裂紋，應調整冷卻水給水位置和方向，保證充足的冷卻水。
b、生產時嚴格按工藝規程，正確控制壓下量，避免軋制黑頭鋼、冷鋼，減少軋制事故，增加輥面粗糙度；軋完高合金鋼後，應使軋輥在沒有冷卻水的情況下空轉，進行緩慢冷卻，待軋輥溫度下降到一定程度時再進行軋制。正確安裝導板，並做到經常檢查，防止錯位。
c、加工車時應將肉眼可見的周向裂紋車削乾淨，再次上機要進行裂紋檢測，確保無殘餘裂紋。
d、軋輥結構設計上加以改進，合理確定輥環寬度，鋼軋輥的輥環寬度一般大於孔型深度的一半；減少輥頸與輥身連線處的應力集中，如加大過渡圓弧半徑。
合金半鋼軋輥質量控制技術
由於原材料控制不嚴，工藝方案不合理，生產操作不當，管理制度不完善等原因，會使合金半鋼軋輥產生如氣孔、粘砂、渣孔、殘渣、縮孔、縮松、裂紋、硬度不均等各種質量缺陷。
1、鋼水純淨度控制技術
軋輥鋼水純淨控制技術貫穿於配料、初煉、精煉、鑄造等各環節，採用全流程夾雜物控制技術控制內生夾雜物和外來夾雜物，明顯減少夾雜物數量，減少大尺寸夾雜物並改善其在鋼中的分布和形態。採用錳鐵、矽鈣、稀土鎂等複合脫氧，含氧量降到（40～60）×10-6，較以前Al脫氧大幅降低。
2、鋼水化學成分控制技術
按照不同用途調整合金半鋼中碳和合金元素的含量，最佳化合金窄成分控制，添加 V、Ti 元素，起到細化晶粒和彌散強化的作用，在彌散強化和析出強化的共同作用下，達到了提高軋輥組織性能的目的。鋼水採用稀土孕育方法使碳化物孤立化與球團化，增加耐磨性。珠光體以不同形態在組織中的存在將影響熱處理產生的組織應力及內應力的形成，片狀或針狀珠光體有可能導致微裂紋的形成，在內應力的促進作用下有可能使裂紋擴大並最終造成軋輥開裂，而粒狀珠光體形成後就大大減少了熱裂傾向的發生，對軋輥的抗事故能力也有所提高。
3、軋輥外在質量控制技術
1）縮孔、縮（疏）松
軋輥產品結構特殊，橫截面大，軸向長決定了鑄造時不可避免的會產生縮松、疏鬆等鑄造缺陷。縮孔易產生於大型半鋼軋輥冒口端，縮（疏）松易產生於在下輥頸，出現的縮孔縮松類缺陷在軋輥輥身工作面範圍內，影響軋輥質量。鑄造工藝設計採取了下輥頸砂型≤30 mm，輥身冷型掛砂 12 mm~15 mm，冒口砂型≥60 mm 等工藝措施；準確控制開澆溫度，一般在液相線以上 50℃~60℃；嚴格控制冷型模溫，一般在 80℃～100℃；用高溫鋼水點鑄冒口時間一般掌握在 30 min 之內，溫度超過液相線 80℃~100℃，距冒口上平面以下400 mm 處開始點注冒口，點注時間 6 min 以上，點滿為上，加發熱劑 2 kg/t，蓋保溫罩；引用自主研發的電加熱專利技術，採用合理的電加熱工藝，使冒口的補縮通道仍保持暢通；採用凝固模擬技術設計冒口尺寸滿足補縮要求 ，以保證體積收縮所需要的鋼液。
採取以上工藝措施，可以減緩縮孔、縮（疏）松缺陷的產生。
2）夾渣、夾砂
採用專用砂輪器具打磨冷型內表面，清除冷型及其他砂箱內腔表面髒物，保證表面無粘結物。砂型採用緩慢升溫至 400℃乾燥工藝。合箱前各接合部要求磨平整，吸出內腔、澆注管道雜物，嚴格檢查型腔質量，如有損壞要修補烘乾後方可使用，冷型內壁不允許有裂紋和塗料剝落。用切線型內澆道，使雜質集中在軋輥中心部位，以利於夾雜物上浮，澆口杯採用平穩封閉階梯式設計。
3） 裂紋、斷輥
鑄造裂紋有熱裂紋和冷裂紋，熱裂產生一般是工藝原因，如果軸向收縮受阻，容易造成熱裂。軋輥能夠自由收縮變形，要有良好的由底至頂的順序定向凝固；模型儘可能與最終軋輥外形接近，表面良好的柱狀晶組織在最終軋輥中能表現出良好的耐磨性。必須嚴格執行澆注工藝參數，及時撤離插入節支撐體等。Ni、Mn、Mo 等元素增加了白點的敏感性，容易產生裂紋，必須控制好入爐原料的乾燥。熱處理出現裂紋原因：軋輥經熱處理高溫擴散退火後，在距下輥頸端輥身三分之一處產生橫向裂紋，在熱處理高溫擴散退火階段產生，溫度範圍在680℃~1 040℃之間。
軋輥在冷卻和加熱過程中主要有兩種應力，即熱應力和組織應力。熱處理升溫加熱階段，表面受熱膨脹在軸向和徑向產生拉應力，溫度相對偏低的地方產生壓應力，從軋輥裝爐位置和爐內溫度分布來看，爐內上部溫度高，下部溫度低，結合裂紋位置氧化程度分析，軋輥在升溫加熱過程中存在高溫長時間過燒，溫度高，必然加大上下溫度梯度，有可能造成軋輥組織產生內應力，形成微裂紋，並逐漸發展形成裂紋。
軋輥結構軸向長，橫截面大，半鋼軋輥的導熱性僅為 45 鋼的一半，導熱性差；鑄造時，冒口端溫度高，下端溫度低，客觀上存在上下溫度梯度，其軸向拉應力遠遠大於切向及徑向應力，造成軋輥身產生橫向裂紋的可能性存在；吹風冷卻時，風機風量小，吹風位置調整不合適，使風履蓋軋輥輥身面不完全，軋輥局部膨脹或收縮不一致，也有可能造成軋輥身產生橫向裂紋；加工過程台肩倒角小或徑向擴展。採用熱拆箱，嚴格控制升溫速度，特別是680℃以後的升溫速度儘可能緩慢升溫，680℃保溫時間延長至 16 h，升溫速度修改為小於或等於 100℃。在升溫和保溫階段，根據爐內溫度變化情況，及時調整控制溫度；輥身上表面覆蓋矽酸鋁纖維氈防護；調整好風機高度，使之對準輥身中線或轉入噴拌機進行旋轉吹風。
4）粘砂
軋輥粘砂不僅影響鑄件的外觀質量，甚至引起報廢。金屬液滲入砂型或砂芯砂粒間隙中，與砂燒結並粘附在軋輥表面或金屬液化學反應生成的金屬氧化物與造型材料作用形成的粘著力很強的矽酸鐵浮渣形成粘砂。保證砂型乾強度在 70 MPa 以上，澆注過熱度在50℃~60℃；保證石英砂SiO2純度在 95%以上，用砂粒度 40 目 ~100 目；使用醇基鋯英耐火塗料，塗料厚度2mm～3 mm。
5）氣孔
通常在軋輥內部和表面上經常看到一些太小不等的光滑孔洞，常見的有侵入性氣孔、析出性氣孔以及皮下氣孔等。出現氣孔的原因有很多，例如爐料不乾或含氧化物、雜質多；型砂含水過多或起 模和修型時刷水過多；型芯烘乾不充分或型芯通氣孔被堵塞；澆注溫度過低或澆注速度太快等。對侵入性氣孔儘快控制型砂或芯砂中發氣物質的含量，減少發氣量，而且要降低濕型砂的含水量，保證砂芯的乾燥。對皮下氣孔的預防控制，包括適當提高澆注溫度。排氣系統，考慮冒口系統設計最佳化，排氣系統布局合理，使型腔和砂芯排氣順暢，有利於防止產生氣孔和粘砂等缺陷，砂型和砂芯不僅排氣好，還要發氣量低、透氣性好。
6）砂眼、渣孔
砂眼、渣孔產生原因：型砂的強度過低、或者是砂型和型芯不夠結實、合箱時砂型出現了局部破壞、澆注系統不合理，合型時型腔或澆口內散砂未清理乾淨，形狀呈現出不規則性，且缺陷內部填充著夾雜物。儘量提高型砂的強度以及砂型的結實度，緊實度，減少砂芯的毛刺，從而防止出 現沖砂的現象；合型前將型腔和砂芯表面的浮砂清理乾淨，嚴格避免鋼液對型壁過大的沖刷力。
7）硬度不合
對平輥進行粗開孔型再進行淬火處理，半鋼軋輥基體組織決定了軋輥的耐磨性和抗事故性能。軋輥顯微組織，基本上可以看作是滲碳體和鐵素體的混合物，尤其是高碳材質 ，雖然需要滲碳體量來保證其硬度和耐磨性，但在凝固過程中必須控制滲碳體網的發展，將鑄態碳化物網切斷並球化，以免過脆。通過最佳化改進熱處理工藝，滿足軋輥硬度均勻性。
發展
半鋼軋輥起源於美國，20世紀40年代末期，熱軋帶鋼連軋機在美國迅速發展，當時軋機的精軋前段使用的是合金冷硬鑄鐵軋輥，帶鋼表面出現大量的“斑帶”缺陷，嚴重影響軋機效率。為解決這一問題，美國冶金學家研製出兼有鑄鋼軋輥的高強度和韌性、類似鑄鐵軋輥的良好耐磨性的半鋼軋輥。半鋼軋輥在國外被稱為Adamite軋輥，20世紀70年代在國外得到廣泛的套用，在一定程度上代表r當時軋輥生產的國際水平和發展方向。這種軋輥的碳含量在1.4%～2.4%之間，日本將其歸屬於鑄鐵類，稱其為“特殊高碳鉻鎳耐磨鑄鐵”軋輥；前蘇聯及東歐將其歸屬於鑄鋼類，稱其為“過共析鋼”軋輥；我國稱其為半鋼軋輥。半鋼中游離碳化物的體積分數約為6%～10%，共析成分以外的碳可以是碳化物或石墨。
以碳化物為主要存在形式的稱做半鋼，以石墨為主要存在形式的稱做球墨鑄鋼或石墨鋼。半鋼中常加入Si、Mn、Ni、Mo等合金元素，其加入量根據期望的組織與性能而定。半鋼的強韌性接近於鋼輥而優於鐵輥，其硬度與耐磨性接近於鐵輥而優於鋼輥，它綜合了鋼與鑄鐵兩者的優點。
半鋼軋輥的另一特點是斷面硬度落差小，能切削較深的孔型。半鋼軋輥最適於工作繁重的鋼坯軋機、大型型材軋機、中型軋機、萬能型鋼軋機、熱連軋粗軋機及熱連軋精軋機（前段）等。
近年來，國內也開展了離心鑄造半鋼複合軋輥的研究，其外層材質的化學成分設計為高碳、中合金鋼。這樣，可以得到較多的一次碳化物和二次碳化物，可提高輥身的耐磨性。由於半鋼與球鐵液相線的溫度相差很大，如果採用一次複合的方法，在臥式離心機的條件下，因合箱時間的耽擱，填心鐵水溫度稍低便會結合不好；鐵水溫度過高，既增加外層鋼水回熔，又使心部組織粗大，二者均會降低輥心性能。因此，添加合適的中間層及並控制其厚度，可減少輥身和輥心不同材質之間的線膨脹係數差；可有效防止外層鉻等碳化物形成元素凹熔造成的不利影響，從而實現內外層材質的冶金結合。
半鋼複合軋輥用於本鋼1700 mm熱軋機精軋前段Fi～F3機架，毫米軋制量為3800 t。 由於半鋼軋輥的硬度不及冷硬鑄鐵軋輥，以及它受熱時易膨脹等特點，它一般不用於精軋機及成品機架。半鋼軋輥還存在一些問題，如熱處理周期長，工藝和生產技術較複雜，質量要求嚴，硬度與韌性的配合還沒有達到更理想的境地，成本較高。自20世紀80年代以來，在許多場合它逐漸被高鉻鑄鐵軋輥和鍛造白口鑄鐵軋輥替代。
