轧辊热处理

轧辊热处理

轧辊按工作状态可分为热轧辊和冷轧辊，按所起的作用可分为工作辊、中间辊、支承辊，按材质可分为锻辊和铸辊（冷硬铸铁）。通常轧辊的服役条件极其苛刻，工作过程中承受高的交变应力、弯曲应力、接触应力、剪切应力和摩擦力。容易产生磨损和剥落等多种失效形式。不同的用途、不同类型的轧辊处在各自特定的工况条件，其大致的性能要求如下：
轧辊类型 主要性能要求 辊身硬度 工作温度℃
热轧工作辊 抗热疲劳裂纹性能，抗表面粗糙性能 HB：196~302 室温~850
冷轧工作辊 高硬度，耐磨性，抗疲劳剥落性能 HS：90~105 室温~180
对热轧辊来说，辊面不允许出现裂纹，表面裂纹缺陷容易造成应力集中，加速扩展而使轧辊失效。热疲劳裂纹主要起因于周期性交变热应力，严重情况下，裂纹扩展可能造成辊面剥落，甚至断辊。 Mmpfto%i 冷轧辊主要失效形式包括划伤、粘辊和剥落等。冷轧辊辊身表面应有高而均匀的硬度，其优劣表现在辊身工作层的耐磨性，即耐粗糙性。
大型热轧锻钢工作辊用钢的化学成分、临界点以及工艺参数如下。
热轧锻钢工作辊用钢化学成分 （%）
钢号 C Si Mn Cr Ni Mo V
55Cr 0.50~0.60 0.17~0.37 0.35~0.65 1.00~1.30 ≤0.30 - -
50CrMnMo 0.45~0.55 0.20~0.60 1.30~1.70 1.40~1.80 - 0.20~0.60 -
60CrMnMo 0.55~0.65 0.25~0.40 0.70~1.00 0.80~1.20 - 0.20~0.30 -
50CrNiMo 0.45~0.55 0.20~0.60 0.50~0.80 1.40~1.80 - 0.20~0.60 -60CrNiMo 0.55~0.65 0.20~0.40 0.60~1.00 0.70~1.00 1.50~2.00 0.10~0.30 -60SiMnMo 0.55~0.65 0.70~1.10 1.10~1.50 - - 0.30~0.40 -
60CrMo 0.55~0.65 0.17~0.30 0.50~0.80 0.50~0.80 ≤0.25 0.30~0.40
60CrMoV 0.55~0.65 0.17~0.37 0.50~0.80 0.90~1.20 - 0.30~0.40 0.15~0.35
70Cr3Mo 0.60~0.80 0.40~0.70 0.50~0.90 2.00~3.00 0.40~0.60 0.25~0.60
常用热轧锻钢工作辊的临界点及工艺参数
钢号 临界点 热处理
Ac1 Ac3 Ar1 Ms 正火温度（℃） 淬火温度（℃） 回火温度（℃）
55Cr 735 755 - - 840~850 820~840 590~630
60CrMo 676 805 685 - 840~860 860~870 600~660
60CrMoV 765 798 - 265 890~910 860~880 600~680
60CrMnMo 700 805 655 - 820~840 860~870 650~680
60SiMnMo 700 760 - - 810~830 830~850 570~650
70Cr3Mo 800 - 700 195 810~880 860~880 -
热轧工作辊进行的热处理一般有锻后热处理和调质。
锻后热处理
锻后热处理的主要目的是消除锻后应力，细化晶粒，改善切削性能。锻后热处理还有扩氢作用。扩氢时间视钢锭氢含量而定，一般认为[H]≤2×10-4%时，可取消扩氢处理。
调质
热轧工作辊的最终热处理是调质。调质的目的是保证轧辊表面获得规定的硬度和力学性能，并保证心部具有足够的韧性。

大型冷轧锻钢工作辊用钢的化学成分、临界点以及工艺参数
冷轧锻钢工作辊用钢化学成分 （%）
钢号 C Si Mn Cr Ni Mo W V
8CrMoV 0.75~0.85 0.20~0.40 0.20~0.40 0.80~1.10 ≤0.25 0.55~0.70 - 0.08~0.12
86Cr2MoV 0.83~0.90 0.18~0.35 0.30~0.45 1.60~1.90 0.20~0.35 - - 0.05~0.15
9Cr 0.85~0.95 0.25~0.45 0.20~0.35 1.40~1.70
9Cr2 0.85~0.95 0.25~0.45 0.20~0.35 1.70~2.10
9Cr2Mo 0.85~0.95 0.25~0.45 0.20~0.35 1.70~2.10 - 0.20~0.40 - -
9Cr2W 0.85~0.95 0.25~0.45 0.20~0.35 1.70~2.10 - - 0.30~0.60 -
9Cr3Mo 0.85~0.95 0.50~0.70 0.20~0.40 2.50~3.50 - 0.20~0.40 - -
60CrMoV 0.55~0.65 0.17~0.37 0.50~0.85 0.90~1.20 - 0.30~0.40 - 0.15~0.35
常用冷轧锻钢工作辊的临界点及工艺参数
钢号 临界点 热处理
Ac1 Ac3 Ar1 Ms 正火温度（℃） 淬火温度（℃） 回火温度（℃）
9Cr 746 860 700 270 880~910 880~890 660~710
9Cr2 740 840 680 270 860~890 880~890 660~710
9Cr2Mo 760 850 - 190 830~860 880~890 700~760
9Cr2W 750 850 680 240 870~900 880~890 700~760
冷轧工作辊的热处理一般有锻后热处理，调质和表面淬火。
锻后热处理
锻后热处理的目的是降低硬度，消除残余应力，同时还改善组织，得到细粒珠光体，消除网状碳化物。锻后热处理还有扩氢作用。扩氢时间视钢锭氢含量而定，一般认为[H]≤2×10-4%时，可取消扩氢处理。
调质
调质的目的是为表面淬火提供组织准备，使辊颈和辊心得到强韧性配合良好的粒状珠光体组织，获得良好的综合力学性能，以承受激烈的表面淬火。
表面淬火
表面淬火使工作辊获得高硬化层。表面淬火方法按加热方法可分整体快速加热淬火法和连续感应加热淬火法，目前后者在生产实践中应用更广。
在连续式感应加热淬火工艺方法中双频感应淬火很有特色，它使用两种不同频率的感应器匹配进行感应加热，在辊面温度控制和加热层温度分布方面的具有明显的优势。
典型的双频淬火装备以电流透入深度较大的工频感应器作为主感应器，实现深层加热，均热一段时间后，再使用一个中频感应器来得到较深的经过等温的奥氏体化层,淬后获得所需的淬硬层深度。中频电源以250Hz为佳，也有使用500、1000、1200和2500Hz。
中频感应器的功率一般为工频感应器的1/2~1/4。中频感应器和工频感应器之间的间距为90~120mm。感应器上升速度为0.5~0.6mm/s。
轧辊要在加热炉内整体预热，心部要预热透。提高预热温度，有利于提高加热深度和缩短奥氏体化时间。根据轧辊淬硬层深的要求，可预热至220℃~500℃，整体预热后装卡到淬火机床上进行感应淬火。
感应淬火过程时将整体预热的轧辊预热到指定温度后，将轧辊装卡到活动框架上，辊身下端面与工频感应器下平面保持在一个水平面上，两个感应器从送电到全部进入辊身正常淬火，其功率逐渐增加，直到淬火全功率。同样，当感应器离开辊身上端面时，功率也有大到小逐渐减小，直至全部离开辊身。
感应加热完成后，为减小淬火应力，应进行适当预冷后再喷淬。由于奥氏体在高温阶段比较稳定，喷水器与下感应器之间有40mm的空隙，辊面温度下降到850℃左右，不会影响淬火硬度。
辊身下降进入喷水器位置后，低压大水量连续喷射冷却7~10min，使淬硬层深度范围内的冷却速度超过贝氏体临界冷却速度直至冷却到Ms以下，再浸水冷却。浸水冷却时间按辊身直径每100mm冷却15min计算，终冷温度≤50℃。
冷轧工作辊淬火后应及时回火。回火温度根据要求的辊身表面硬度而定。一般来说，硬度大于90HS的轧辊的回火温度为140℃~150℃，硬度为70~85HS的轧辊的回火温度为310℃~330℃。辊身硬度大于95HS的轧辊，在精车和粗磨后应进行第二次回火，回火温度比第一次低10℃。

目前铸铁轧辊的生产中，普遍采用消除内应力退火、石墨化退火、正火和回火等工艺
消除内应力退火
铸铁轧辊在浇注后的冷却过程中，各部位通过塑性到弹性变形温度的时间不同；在冷却过程中轧辊发生石墨化和各种相变时其体积变化，这两个因素使轧辊由表面至中心产生很大的应力。低温退火，可在短时间内有效的消除轧辊内应力。根据轧辊的材质、尺寸和铸造条件确定低温退火的加热速度、加热温度、保温时间和冷却速度等工艺参数。
石墨化退火
球墨铸铁轧辊的组织中往往存在着过多的自由渗碳体，具有形成白口的倾向性。为了获得较高的综合力学性能，可采取石墨化退火工艺。
石墨化退火分为高温石墨化退火和低温石墨化退火。为了消除球墨铸铁铸态组织中出现的大量的共晶渗碳体或自由渗碳体，需要采取高温石墨化退火的热处理工艺。当原始组织中的自由渗碳体少于8％，其组织为铁素体+珠光体+石墨或珠光体+石墨，欲获得铁素体基体的球墨铸铁，则采用低温石墨化退火的热处理工艺。对于冷硬或无限冷硬球墨铸铁轧辊，多采取高温石墨化退火工艺。
铸铁轧辊正火的目的是增加基体中的珠光体或索氏体组织的数目和弥散度，从而提高铸铁轧辊的强度、硬度、耐磨性，并保持一定的塑性与韧性。
正火按加热温度可分为高温奥氏体化正火和中温部分奥氏体化正火。高温奥氏体化正火加热温度在Ac3以上某个温度范围；部分奥氏体化正火加热温度在Ac1至Ac3范围内。
(1) 高温完全奥氏体化正火。球墨无限在冷硬轧辊和球墨半冷硬轧辊可采用高温完全奥氏体化正火。加热温度一般在900~960℃，经保温基体全部变为奥氏体，然后出炉空冷、风冷或喷雾冷却，从而获得珠光体或索氏体基体的铸铁轧辊。若辊径较大，正火冷速不足于抑制二次渗碳体的析出，往往需要增加一次正火，以增强正火效果。
(2 ) 中温部分奥氏体化正火。中温部分奥氏体化正火处理方法是将轧辊在正火温度（约800℃~880℃）保温一段时间，然后空冷，再回火。由于奥氏体化的温度较
正火后的轧辊一般要进行回火处理。回火时的升温速度应≤20℃／小时，若升温速度过快，产生新的热应力与原有应力叠加易使轧辊断裂。