1、全国轧辐技术研讨会论文轧辐辐面强化技术的进展邹家祥1 张建宇2 高立新2 崔玲丽2(1：北京科技大 学机械 工程学院，北京， 100083 ; 2:北京工业 大学北 京市先进制造技术重点实验室，北京，100022 )219摘要：轧辐是冶金企业中的大宗消耗件，研究辐面强化技术以提高其十分重要。新材料的应 在常用的轧辐强化技术 有新的进展。激光加工 光相变、熔凝、合金化 用对于改善轧辐的机械 中，堆焊得到了广泛的 技术的日渐成熟为其在 等都已经形成了一定的 性能、提高辐面的耐磨 应用。冷轧锻钢辐双频 表面强化方面的应用提 成熟工艺。使用寿命和工作效率 性起到了一定作用； 淬火等热处理工艺也 供了强
2、大的支持，激关键词：轧辐，表面强化，耐磨性1前言大型轧钢机的轧辐重量 大，价格昂贵，而且必须保证足够的库存以实现生产正常运转。工作辐的更换频率很高 ，同时辐型精度也非常 重要，其直接决定了最 终产品的质量。大多 数情况下，轧辐更换的 原因是辐面的破坏。冷轧辐主要失效形式包括划伤、粘辐和剥落等 。冷轧辐辐身表面应有高而均匀的硬度,其优劣应表现在辐身工 面，说明轧辐表面产生 而减弱了轧辐表层抗轧对热轧辐来说，辐面出 扩展将使轧辐提前下机 孔型与轧件接触时，表 表层转化为拉应力，次 况下，裂纹扩展可能造因此，采用辐面强作层耐磨性，即耐粗糙 了疲劳层，此时辐身表 制过载和耐裂能力。现裂纹是非常危险的,
3、 。以热轧型钢轧辐为例 层温度急剧升高，表现 表层为压应力。加上冷 成辐面剥落，甚至断辐 化方式对轧辐进行表面性。如果轧辐表面过早 面的轴向残余应力和这种表面缺陷容易造成热疲劳裂纹主要起因为压应力，次表层为拉却水的反复作用，出现O强化具有非常现实的意粗糙，出现桔皮状表 径向残余应力增加，从应力集中，加速于周期性交变热应力， 应力；脱离轧件时， 热疲劳裂纹。严重情义。2轧辐强化方式2.1 轧辗高强度材料的改进近年来，轧钢装备结构和轧制工艺技术的优化 ，促进了轧辐品种和轧制技术的全面发展。例如 以高碳的高速钢代替高铭铸铁制造型材轧辐一种发展趋势1。在高碳的高速钢中同时形成 M 2c型碳化物和更硬、
4、更细的MC碳化物，再加上Mo、增加钮的含量使合金中W和V的强化作用, 此高速钢含大量的合金 钢。关于高碳、高钮高 合理的热处理工艺还非可使轧辐的寿命比高铭 元素，加之碳高，结晶 速钢的热处理尚未见报 常困难。铸铁高几倍，引起了人相多，组织复杂，热处导，根据高碳、高锂高们的极大关注。但因理过程明显不同于碳速钢的化学成分制定在热轧带钢连轧机成功推广应用高铭复合工作辐(高铭复合铸铁轧 辐，高铭钢复合轧辐 )的基础上，90年代初开发出高碳、高速钢复合铸造轧辐。热轧带钢连轧机精轧前段 24机架采用高碳高速钢复合由于在轧辊材质中加入低硬度碳化物 M 3C ，取代，改善了其综合性90 年代初，英国铸造轧辊，
5、其耐磨损性 了碳化物形成元素分或全部由较高或高硬能。W、能较高铬复合铸造轧辊可提高约 4 倍。这是Ti 、 V 、 Mo 等，使辊身工作层基体组织中度的Cr 7C3 、 W2C 、 W6C 、 VC 、 TiC 、 Mo 2C技术，将“固态碳化物文献 2 中对 其做了较为在采用常规冶炼和浇注韧性、疲劳强度、塑性LSM 公司研制开发出一种颗粒”直接添加到轧辊详尽的介绍，这种技术工艺时 ，某些类型的碳和热裂纹敏感性有严重CCR (Complex Carbide Reinforcement)铁水 (钢水 ) 中，强化辊主要针对 含 Cr 、 W 、化物会以枝晶偏析形式影响。身工作层基体组织。V 、
6、Ti 的高合金轧辊，析出 ，对轧辊的断裂CCR 复合碳化物强化技术主要用于合金无限后段最适宜的轧辊类型 。邢台机械轧辊( 集团氧有很大亲合力 , 添加 的复合碳化物均匀分布量提高 25 % 。冷硬轧辊 (AIC) ， 是 热 轧带钢连轧机精轧) 有限公司 1 对其进行了 生产试验，发现钛、于基体中。 而且 CCR 轧辊比 AIC 轧辊轧制2.2 轧辊的堆焊修复与强化堆焊是焊接领域中的一个重要分支，是一种表面技术处理工艺方法， 它是采用焊接方式在 零件 表面 堆敷 一层 具有 一定 性能 材料 的工 艺过 程 3 。 我国 轧钢 企 业用 于轧 辊修 复的堆焊技术主要是采用实心焊丝配合烧结或熔炼
7、焊剂的埋弧焊接方法。采用的焊丝材料分为低合金高强钢类、热作模具钢类、马氏体不锈钢类和高合金高碳工具钢类，而焊剂有烧结和熔炼两大类。 文献 4 中研 究了当轧辊 出现大面积剥落时，为 了减少损失，采取补焊 的方式。首先把车削后的轧辊辊径部分刷上保护层，然后装炉 预热并控制在规定温度 ，保温均热后用轧辊堆焊机床进行自动埋弧焊接。轧辊焊前硬度为 HRC52.6 ，焊后硬度为 HRC49.8 ，重新修磨后进行上机试用。采用焊丝的埋弧堆焊技术，即使是多丝埋弧堆焊其熔敷效率也是有限 的，而且丝极堆焊的单道宽度小，频繁的搭接显著降低了堆焊层金属的使用性能，因此，带极堆焊特别是宽带极堆焊技术在轧辊修复中显示出
8、良好的应用前景。如带极堆焊技术在宝钢二期、三期工程先后引进的四台大型板坯连铸机导辊的修复中已得到了应用，堆焊焊带材质为 1Cr13NiMo ,规格为 0.4 mrrK 30 mm 和0.4 mrnK 50mm ,堆焊效率和质量较传统方法显著提高。马鞍山钢铁公司针对槽钢轧辊的工作特点，研制了两种新型药芯合金 焊丝 ，具有合金成分调整方便、飞溅小 、焊缝成形美观、熔敷速度高等一系列优点 5 。焊态时组织构成以马氏体为主，兼有少量珠光体、屈氏体、贝氏 体和残余奥氏体。加入钼、铬能促使马氏体形成，增加淬硬性和强度，加入锰、硅可改善 焊接性，加入少量的钒、钨能增加红硬性、提高高温强度。轧辊使 用寿命延长
9、 ，共使用 各 类槽钢轧辊24 套，平 均轧制量达到 4800 t ，同比超过非堆焊辊的 95. 1 % 。加 /超声波探饬检住卜二T上热，推焊过渡层 一 f 不合A堆焊工作层可 菖_T粗车|_莉五超声金旃磨成品7成品检杏及硬度鬲试图i轧辐堆焊修复工艺流程图长，平均每次磨损量减也常作为重载零件的表应用于冷轧工作辐的最 度主要由感生涡流集肤 热温度、工件移动速度 的工艺参数进行加热，下工作的，加上钢板来 的断带、粘辐，使得工 工作辐的工况极为恶劣 了越来越高的质量要求 有适当的表面硬度和一机轧辐是1755生产线 上的重要备品备件， 步提高其性能和使用 寿命十分重要6。果表明，用 H25Cr3Mo
10、2MnVA 配用国产 疲劳性能较好，但耐磨 性不足， 焊后硬度为 好，没出现明显的热疲 劳裂纹，耐磨性得到较 新辐平均轧钢量为3945t/mm ,堆焊二辐的使用小，提高了轧机作业率每年消耗约96对，对HJ260 , HJ107 , SJ301HRC38-42 。结果表明，大提高，平均轧钢量寿命是新辐的 1.72倍。,明显降低了辐耗。,早在十几年前，由美 各国也相继采用。普 频感应加热情况下 ， ,各参数之间相互影 果。边裂等问题以及轧制最终导致轧辐出现剥和质量要求的不断提性，又要有高的抗事较缓和的过渡区和分鞍钢热轧带钢厂二辐轧 二辐进行堆焊修复，进二辐的堆焊修复试验结 等焊剂的堆焊金属耐热 支
11、二辐抗热疲劳性能良 为6771.8t/mm ,而国产 同时，平均使用周期延2.3 轧辗的热处理强化双频感应加热淬火 国俄亥俄铸钢公司首先 通感应加热的热渗透深 温度场的分布还要受预 响关系复杂，选择不同冷轧辐是在高轧制压力 过程中因控制问题造成 落甚至报废，因此冷轧 高，对冷轧工作辐提出 故能力；同时还必须具 布良好的残余应力。面热处理强化方法7 终热处理，日本、欧洲 层的厚度决定。但在双 、频率匹配等因素影响 可能获得不同的加热结料的焊缝、夹杂、作辐受到强烈热冲击，。随着对冷轧薄板品种 ,轧辐既要有高的耐磨 定的硬化层深度，以及在轧辐原用单频淬火中，由于感应器的比功率 大，轧辐移动速度较快，
12、奥氏体化时间短，喷淋淬火时间少，不能得到很深的淬硬层。而在轧辐双频感应淬火加热时，一般先使用一个较低的频率对工件加热，由于感生涡流的集肤层较深，使轧辐表面在较深的区域内达到一定的温度。 经过一段时间的均热，再使用一个较高的频率来加热所需的淬硬层深度。这样就实现了温度过渡平缓、有效加热层深的加热目的。由于工件移动速度慢，造成预冷作用增强，但奥氏体化时间长，喷淋淬火的时间也延长，使得有可能 得到较深的淬硬层。而且由于双频加热得到的加热层是接近于从表到里的等温深层式，可以实现轧辐表层 温度不致过热，淬硬层基体组织优良。近20年来，武钢轧辐双频淬火机组，在消化吸收引进设备和工艺技术的同时，改造了原有双
13、频淬火设备，并形成了一整套轧辐双频淬火热处理诀窍，经修复淬火再硬化的轧辐质量达到了同等进口辐水平，且成品率高达98%以上。2.4 轧辗的其他强化方式根据轧辐的技术要求和具体条件，可以采用氧乙快火焰粉末喷涂工艺进行修复。热喷涂是一个复杂的工艺过物理结合； 3 ）微扩散结撞击到经粗化处理的表缩咬住凸点（或称抛锚由于变形、高温等作用合强度。喷涂粒子之间结合为辅。此外，轧辊表面强化还工艺和新方法，这些方但是，由于受到材质因程，涂层与基体的结合合；4）冶金结合（或合面时，铺展成扁平状液点）形成机械结合。而，在涂层与辊面之间有以机械结合为主，涂层可以采用电火花强化、法都可以在一定程度上素影响，加之工 艺相
14、对机理为： 1 ）机械结合 （或称抛锚作用） ； 2）金化效应） 。其间，当飞态薄片覆盖在辊面的凹当熔融的粉末高速撞击可能产生微小的扩散，间的扩散结合、冶金结向基材的熔融粒子凸点上，在冷凝时收辊面形成紧密接触时，增强辊面与涂层的结合、晶体外延、物理浸涂 MoS 2 、硼化处理、 PVD 涂层等新3 轧辊的激光强化激光表面强化处理是 层，通过激光和金属的当前轧辊激光强化的研激光淬火、激光熔覆、延长轧辊寿命，提高生复杂，因此，尚未达到产效率和经济效益。普及应用的程度。20 世纪 70 年代发展的 高新技术交互作用达到改善金属 表面性能的目的究对象主要集中在冷轧带钢轧辊。轧辊一旦发光束照射金属表8。
15、生严重磨损，成板厚精 度都无法保证， 而板形 恰恰是衡量薄板带质量优劣的主要技术指标。合金化等 技术已应用于轧辊表面的强化和修复于板带轧辊磨损后多在整个带宽方向上呈箱形孔形状，因而需激光作用的区域很大。采用普通光斑，做国、 德国等工业化国家必须解决两个关键问题均布的宽带光束；其二流，送粉宽和送粉量均有效的解决方案：该设激光，入射通光孔镜且连续可调，扫描线内度为 0.2-8mm 。可以将从而使其使用寿命延长如此大面积的扫描，效开展万瓦级大面积激光：一是激光宽带扫描技是宽带送粉技术，形成自动可调。天津纺织工备由万瓦级激光扫描转90mm ，光束扫描 宽度光强分布均匀。采用该率很低，成本相应提高熔覆研
16、究， 实现大面积术，把强度分布不均的一个连续、稳定、均匀学院的杨洗陈等研制的镜和自动 送粉机组成，10-50mm 连续可调，光设备单道熔覆宽度最大。目前国际上仅有美 激光熔覆的工业应用，激光束展成内部光强 并自动可控的宽带粉 激光熔覆系统是一个适用 1-10Kw束摆动频率可达 35mm的 CO 2 1000Hz 熔覆厚Ni 基、 Co 基或者 WC 类的硬质合金粉末包覆 几倍。在普通钢铁材料表面，华中科技大学处理，并进行显微组织和相变硬化区（马氏体火索氏体大块专或条9 应用 5KW 连续 CO 2 激光器 对 75CrMnMO 铸钢轧辊进 行激光熔凝强化分析和硬度测试。轧辊钢激光熔凝强化处理后
17、 ，横截面组织为熔凝大量 残余奥氏体碳化物） ；过渡区（高 温回 火组织）及母材（ 回直径等因素， 其硬化区状碳化物） 。其相变强化 区的尺寸取决于激光功 率、扫描速度、光斑深度可达到 2mm 。 经激 光熔凝强化处理后的轧辊， 过钢量由原光斑2000t提高到4800-6000t 。激光合金化技术可以改 变基体表面的化学成分性、高温抗氧化性等。轧辊在使用中的重淬次清华大学 10 对冷轧辊这种技术应用于冷轧辊数，而且，还可以制作表 面激光 合金化技术进行目前国内钢铁企业提高产和堆焊技术条件的限术的发展，很多轧钢厂偏低，但深度大，可以修复磨损超差的轧辊，轧辊使用寿命的常用方制， 一般堆焊后的硬度家
18、已经将堆焊与激光强达到 50mm ， 而激光强再用激光技术对堆焊层 ：，从而提高金属的强度表面，不仅可以改善轧不同表面形貌的轧辊，了实验研究。法是采用堆焊技术，但辊表面的性能，减少以满足生产的需要。、耐磨性、耐蚀耐蚀由于堆焊材料生只能达到 HRC50 左右。化技术结合起来，取长化特点正好与之相反，进行强化， 或者直接在随着激光表面改性技 补短，堆焊虽然硬度 因此，通常先用堆焊 新辊上直接激光强化。由于激光没有惯性，热处理变形小，表面硬化层和硬化区域可准确测定及控制，而且不需淬火介质，因此也 的工作压力及冲击作用 磨损和热疲劳作用。因 有较高的耐磨性和抗热可以应用在带孔型的轧 ,同时孔型表面直接
19、 此，轧辐的性能要求为 疲劳性，即得到合理的辐强化中。轧 钢过程中，型钢轧辐受到较大和高温（ 1000 C ）红热轧 材接触，还有较大的整体有较好的强韧性配合，而工作表面要求性能分布。北京科技大学与莱芜钢铁集团公司在型钢轧辐的激光强化方面做了积极的探索，根据H型钢轧制特点，结合轧辐特定的磨损规律，制订了沿辐面进行变参数强化实现等比例磨损的方案。利用金相显微镜可以发现材质为180CrNiMo 的半钢材料表面淬硬层发生了马氏体转变，其基本组织为：残余奥氏体 +隐晶马氏体，有些样品中出现了典型的下贝氏体11。对激光处理样品进行宏观硬度测量，其 HRC硬度（换算之后）平均可比未处理区域提高10个单位；
20、淬硬层显 微硬度可比基体提高一倍左右，其中最大值接 近HV1000 H250 X 150规格的U2轧机水平辐强化，辐面磨损只有未处理轧辐的 1/3-1/4左右12,而且处理之后的辐面磨损变化趋势不变；另外，激光处理的的轧 辐性能改进还表现在提高了抗粘钢能力13。如图2所示，a为经过激光表面强化的轧辐生产下线后的照片，b中所示 轧辐未经激光处理，但两只轧辐的轧制量相当。a激光强化轧辐b未经激光处理 的轧辐图2激光强化轧辐实践效果对比包头钢铁公司对型钢轧辐也进行了激光强化处理研究，根据轧辐钢激光熔凝处理小试样的试验结果，当选择合适的激光熔凝处理工艺和搭接参数时，硬化区硬度趋于均匀 ，更为重要的是由
21、于快速加热、快速冷却的相变特点，使硬化区的组织非常细小。结合热轧辐服役条件和性能要求，对包钢轨梁厂950 mm方钢开坯辐（材质 60CrMnMo ），锻造后经调质处理，进行表面激光熔凝硬化和合金化处理根据该类型轧辐的磨损特点，950 mm方钢轧辐的孔型槽底表面采用激光熔凝处理，而孔型侧壁吸光涂料中加入10%合金粉，采用 激光熔凝+合金化处理 。处理后表面硬度测试结果为 HRC = 55左右，辐面光滑，硬化层硬度分布均匀 ，现场使用情况表明，过钢量较处理前提高1倍以上激光毛化技术是80年代末在世界上出现并开始应用于生产优质冷轧板、带材的高新量，如日本的川崎制铁器来生产深冲和高图像技术，目前主要工
22、业发达国家的大型板、带生产企业都应用此技术来提高其产品的技术含公司就 是使用2 kW 级的基模 CO 2激光及比利时的Cocreril Sambre清晰度的激光板14。激光毛化的本质是用物理方法在同种材料表面实现有利的复合结构，是激光技术成功应用于大规模工业化生产的一个成功范例。它不但解决了薄带退火过程中存在的一些问题 改善了轧制条件，延长 了轧辊的使用寿命 ，而 且对材料的性能有显著 改善 。由于传统的喷丸毛化只 能对辊面产生加工硬化 ，因而其对表面硬度的 提高是非常有限的.激光毛化是在快速熔凝作用下对辐面进行的相变强化，其冷却速 度可高达104106 C/ s ， 所以其作用的微坑 及凸包
23、处的金相组织是 十分细小的隐针马氏体组织 ， 同时造成了大量的位错，综合作用的 结果使其表面硬度高达HV1 000 以上 15 。我国是迄今为止继比利 时、日本、法国之后掌握该技术的国家 。鞍山 带钢厂目前拥有两条专门用于冷轧辊处理的 CO2 型及 YAG 型激光毛化生产线 。用此 技术很好地解决了薄带退火粘连、光亮退火还原不足及性能不均等 问题 ，改善了轧制条件 ，提高了轧辊的使用寿命，同时开发出了不 同用途的如超深冲性和 高涂漆光亮度的激光毛化带 16 。因 YAG 激光波长为 1106 um ，材料对其吸收效果好 ，其热影响区极小 ，热沉积作用比照其他表面处理（包 括 CO2 ，电火花表
24、面毛化处理）小得多，冷却速度大得多。研究表明 ，YAG 毛化后的辊面熔凝区残余奥氏体含量只有15 % 左右，马氏体转变更加彻底 ，这也是其硬度极高的因素之一。4 结论（ 1 ） 在冶炼过程中加入高熔 点、耐磨的金属元素可 以在轧辊中形成硬质合 金相，大 大减少普通钢铁材料的损耗，提高生产能力；（ 2 ） 堆焊在轧辊修复中是应用最为广泛的技术，但 因焊丝、焊剂的材质问 题使焊后表面硬度比原始辊面有所下降，因此可以把堆焊工艺与 其他的强化技术结合起来使用；（ 3 ） 双频淬火工艺也可在一定程度上改善轧辊表面 的耐磨性， 但是因感应频率等工艺参数较难控制，因此使用范围有限；（ 4 ） 激光技术是近些
25、年新兴 的一项强化工艺，并且 日趋成熟，无论是板带轧辊还是型钢轧辊都已经有了成功的范例，而且针对不同的材质可以采用不同的强化工艺（相变硬化、激光熔凝、合金化、激光熔覆等均可）进行。参考文献1 王金国 , 周宏 , 苏源 德 , 连建设 , 大成桂 作 . 高 碳高钒高 速钢的 高温硬 度及热处 理的研 究 . 金属热处理, 2000, 3: 22-242 李金霞 , 赵营淑 . 提高 热带连轧机工作辊使用 寿命的新途径. 轧钢 , 2000, 17（4）: 49-503 单 际 国 , 董 祖 珏 , 徐 滨 士 . 我 国 堆 焊 技 术 的 发 展 及 其 在 基 础 工 业 中 的 应
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