酒钢宏兴股份有限公司线棒工序一高线是1986年引进德国摩根公司生产设备，设计年产量45万吨。预精轧K14～K17机架设计采用高速钢辊环，自年投产以来运行平稳，单槽轧制量维持在3000～3600吨。2003年以后，随着生产的强化，年产量已经突破55万吨。同时由于轧机老化，K13机架与K14机架过钢距离长，逐步形成钢坯抬头严重，对K14机架高速钢辊环上辊产生巨大的冲力力，造成上辊频繁裂纹，不但影响了轧材质量，同时增加了轧制成本，给轧机安全上产带来不利影响。
通过对K14机架高速钢辊环失效形式主要为纵向裂纹。少量出现横向裂纹。主要出现在上辊轧制量约500～700吨，为典型的热冲力产生裂纹。由于高速钢辊环具有优良的抗磨性能但抗高温冲击能力小，对热冲击力和冷却要求较高，在高速线材紧凑式轧机中利用热冲击力小的特点实现高速耐磨特点，提高轧制量，延长换辊周期。但是如果冲击力变大，将无法适应高冲击力的长时间工作，形成裂纹。一般是在轧钢量400吨左右开始出现裂纹倾向，随着不断的冲击，裂纹迅速延伸，形成纵向环裂，从而失效报废。
2．2高镍铬钼球墨铸铁针状贝氏体辊环失效形式分析
为适应轧钢要求，2003年以后曾尝试使用高镍铬钼球墨铸铁针状贝氏体辊环以提高K14机架抗热冲击能力。之后裂纹倾向基本消除，但由于针状贝氏体辊环抗磨能力远比高速钢差，在轧制量达到600吨左右即因辊环老化而失效。综合测算毫米轧制量仅为700吨左右，与轧机设计毫米轧制量3600吨相差太远。虽说提高了轧机的安全性能，但是依然满足不了高速轧钢的需求。
3工艺流程的设计
根据国内外有关资料和生产经验，结合本公司的实际情况，以酒钢高线厂预精轧段用辊环为试制产品，设计了一种高效短流程的生产工艺，其生产流程如下：
中频感应电炉熔炼——炉前处理——卧式离心机铸造——粗加工——淬火——回火——精加工——上轧机使用。
3．1试制辊环主要性能参数
试制辊环采用酒钢宏兴股份公司线棒工序一高线预精轧K14机架所用的ф275辊环，由SMS公司设计，图号：523689；辊环尺寸：中275mm×95mm；辊环净重：27．5kg；工作层厚度：95mm；辊身硬度：HRC58～63。
3．2熔炼
选用我公司现有的0．5吨中频感应电炉熔炼，具有成本低，投资少，效率高等优点，适合于批量连续生产，并且能与普通卧式离心机相匹配。其熔炼工艺与高速钢相似，要求尽可能的采取有效措施提高高铬钢的纯净度，适应于离心铸造。主要原料是钼铁、铬铁、废钢和尘铁，同时辅助加入各种稀有合金材料。钢水熔清后，充分搅拌，等合金熔化后脱氧。采用钇基重稀土镁合金进行孕育处理。钢水熔清后用铝脱氧，钢水出炉温度1540℃～1640℃。
3．3炉前处理
高铬钢材质虽然含有较高的铬、钼等元素，具有良好的淬硬性，但是，离心浇注后的高铬钢辊环在铸型内连续冷却，从铸态高铬钢凝固特点看，铸态基体组织以屈氏体＋索氏体＋大量奥氏体＋少量碳化物组成。由于C、Mo等元素的偏析，在奥氏体枝晶问和晶界上的钢液熔池中达到共晶成分时，发生共晶反应，形成共晶碳化物呈网状分布在晶界上，严重削弱材料的强韧性，且难以用热处理方法消除，因此采用RE—Mg—Ti复合变质剂对高铬钢进行变质处理。在浇包内预先放置有含RE、Mg和Ti的复合变质剂，变质剂颗粒尺寸为6～10mm，变质剂使用前进行烘干处理。反应结束后表面覆盖保温剂，静置5～8分钟测温1500℃～1550℃浇注。
3．4普通卧式离心机铸造
普通卧式离心机铸造有明显的优点，组织致密、硬度均匀、而且耐磨性好，其产品质量高、效率高、环境好。采用中频感应电炉熔炼，普通卧式离心机浇注高速钢辊环，实现半机械化生产，提高尘产效率，并且通过金属型的快速冷却，高铬钢凝固后表面产生比较致密的组织层。酒钢机械制造公司采用离心浇注生产高镍铬钼球墨铸铁针状贝氏体辊环和无钴多元高速钢均显示了优良的工艺性能。
4化学成分设计及其对组织和性能的影响
4．1碳
高铬钢化学成分合理匹配的原则是，必须在尽力减少甚至消除基体组织中粗大易碎的Cr7C3型碳化物的情况下，通过合金碳化物的沉淀产生二次硬化效应，提高基体硬度，保证具有优良的耐磨损性能和抗热裂性能。
高铬钢应用在轧辊中的碳含量部分固溶到基体中，提高基体的硬度和强度，剩下的碳与铬、钼、铌、钛等形成含铁的复合碳化物。因而高铬钢中碳含量决定了轧辊工作层基体中的组成相和相的相对量。研究表明，含碳量小于0．8％时，钢水凝固时几乎不析出网状的共晶碳化物，含碳量大于1．0％以后，随着碳含量的提高，共晶碳化物含量也相应增多，但是与含碳量为2．7％的高铬铸铁相比，高铬钢中的共晶碳化物依然是很低的。
同时，研究结果表明，在含铬量为9％～12％的情况下，含碳量超过1．2％B寸，一方面轧辊耐磨损性能增加，但是，与之同时，就会像10％铬的铬钢一样，在基体组织中的共晶碳化物面积率增大，由此将严重恶化轧辊在服役过程中的抗热裂性能。反之，含碳量过低，淬硬层下降，也难以实现最大效应的二次硬化。此外，经验表明，当含碳量小于0．8％时，在高铬钢轧辊表面容易产生小疏松孔，使轧材质量降低。从理论上分析了碳在高铬钢中的作用以后，确定高铬钢材质设计中引入“定碳比”概念。按照下式（1）计算理论含碳量：
C＝0．007Cr＋0．63Mo＋0．2（其他元素含量％）（1）
基于此，高铬钢的含碳量依据其材质中铬、钼等碳化物形成元素含量的变化，大多波动在0．8％～1．7％范围内。
4．2硅
硅是高铬钢成品钢水中的主要脱氧元素，最低含硅量一般控制在0．3％以上。硅在钢中形成碳化物，也不溶于渗碳体。适量增加钢中的硅，有增加淬硬层深度的作用。但硅在钢中还有显著促进显微偏析的作用。因此，高铬钢辊环材质中的含硅量不宜过高，一般控制在0．4％～1．5％的范围内。
4．3锰
锰作为常存元素，在高铬钢中有固溶强化作用。此外，含锰量在0．5％～0．8％范围内，有提高工作层淬硬层深度的作用。同时，锰使奥氏体稳定，所以，随着锰含量的提高，基体组织中的残余奥氏体含量增大。在高铬钢中的最高含锰量一般限定在1．0％以内。
4．4铬
铬对高铬钢的主要影响是增加钢的淬透性，增加淬硬层深度，提高硬度和耐磨性。研究表明，基体组织中Cr7C3型碳化物数量的多少主要取决于铬和碳的含量，其关系为（2）式：
M7C3％＝11．8（C％）＋0．5（Cr％）－13．4（2）
在上述含碳量条件下，当含铬量不足8％时，不能析出高硬度的Cr7C3型碳化物，铬含量超过12％时，则形成Cr7C3。型碳化物增多，使轧辊的耐磨性能增加，韧性降低，为了同时改善高铬钢的耐磨性和抗热裂性能，应当十分重视化学成分的合理配比，特别是合理控制钢中铬和碳的比率关系，以及通过二次硬化效应，尽可能减少基体组织中网状和大块碳化物，提高轧辊的宏观硬度。通常认为高铬钢中铬／碳的比率应该控制在10以上。或按照理论公式（3）计算：
Cr％＝8．75C％＋3．5（3）
目前，国内外轧辊制造厂生产的高铬钢轧辊的含铬量，大多控制在12．0％～16．0％的范围内。
4．5钼
钼是碳化物形成元素，形成复合碳化物。对于高铬钢轧辊，力求通过高硬度的MO2C碳化物的析出产生二次硬化，有助于改善轧辊工作层耐磨性的同时，还提高淬硬性和抗热裂性能。但是含钼量过高，会促使网状碳化物的生长，使脆性增大。为此，高铬钢轧辊材质中的含钼量通常控制在0．8％～1．5％的范围内。
4．6铌
铌的夺碳能力强，在高合金的情况下，加入铌可以使其他合金更多的溶于基体中，可以获得良好的二次硬化效果。同时由于铬钼系碳化物与钢液的密度相差大，离心铸造又容易形成偏析，造成组织的不均匀性，使辊环的性能变差。加入铌后减形成了钼、铌系复合碳化物，提高了MC型碳化物的密度，使钢水的密度均匀，可以减少偏析，克服或减弱离心铸造工艺带来的不利影响，改善辊环质量。但是铌的强夺碳能力又会阻碍铬碳化物的形成，影响耐磨性能。因此，辊环中加入0．1％～0．3％的铌是有利的。
4．7稀土和钛
从铸态高铬钢凝固特点看，山于C、Mo、Cr等元素的偏析，在奥氏体枝晶间和晶界上的钢液熔池中达到共晶成分时，发生共晶反应，形成共晶碳化物呈网状分布在晶界上，严重削弱材料的强韧性，且难以用热处理方法消除，因此采用RE—Mg—Ti复合变质剂进行变质处理。RE—Mg—Ti的存在可以有效地细化晶粒，使晶粒组织间隙变小。同时稀土元素还促进了石墨组织由层片状向球团状转变，有效地阻止了晶粒的树枝状生长，提高强度和韧性。
5热处理工艺确定及其对组织和性能的影响
5．1高铬钢在加热时的转变
文献介绍，高铬钢奥氏体相变发生在860℃～950℃的加热过程中，超过相变温度以后，出现了碳化物的部分溶解如右图所示。随着C、Cr含量的增加和加热温度的升高，碳化物形态发生变化，小部分共晶碳化物晶界出现熔化现象，并沿晶界析出少量粗的网状碳化物，出现少量二次奥氏体晶粒。另外，冷却速度减缓在晶界内析出少量短棒状的魏氏组织型的碳化物和颗粒状碳化物。
5．2高铬钢的淬火和二次硬化
5．2．1奥氏体化温度的确定
试验证明，为了充分发挥高铬钢在热处理中的二次硬化效应，以此保证工作层获得高的硬度、优异的耐磨性和抗磨性能，采用高的奥氏体化温度是必要的。然而，应当注意，高铬钢是过共析钢。因此，高铬钢奥氏体化温度的确定亦应遵循过共析钢固有的原则：即在Tcb（下标n－1）～A（下标cm）选择。实践证明，高铬钢铸态的珠光体（屈氏体、索氏体）组织向奥氏体的转变是在A（下标clb）～A（下标cle）。一定的温度区间（约为785℃～845℃）完成的，而高铬钢基体组织中凝固形成的Cr7C3共晶碳化物在1050℃温度先几乎不发生溶解，进一步提高奥氏体化温度至1100℃～1150℃时，Cr7C3碳化物虽然部分开始溶解，但同时伴随着晶粒严重粗化。
5．2．2淬火和二次硬化
高铬钢工作层在高温区快速冷却是十分重要的，即在奥氏体化温度和600℃之间应该对辊环进行快速冷却，从而使铬、钏保留在奥氏体中。为此，通常采用喷雾冷却或吹风冷却。
从高铬钢的TTT曲线可以看出，对淬火后的高铬钢轧辊应立即缓慢加热到400℃～500℃等温一段时间，以期基体组织中的残余奥氏体全部分解成马氏体，同时，通过铬的富集就地形成M3C型渗碳体，而后完成从M3C到M7C3的相变。以及使MO2C碳化物形核，从马氏体中沉淀析出，以实现“弥散硬化”。为了消除反映过程中的相变应力，以及适应辊环的特殊要求，采用了二次回火。实践证明，经过回火处理后的高铬钢辊环呈现下图所示的硬化效果。
5．3高铬钢辊环淬火工艺的确定
依据高铬钢的特点和加热过程中基体组织变化情况特性，参照现有热处理设备情况，制定了两种淬火热处理工艺曲线：
5．3．1吹风冷却淬火工艺
首先确定采用吹风冷却工艺要求，实际检测硬度达到HRC50～55，符合工艺设计和轧钢要求，但是山于冷却强度不够，出现晶粒粗大现象，呈现出粗大的柱状晶粒，影响轧材质量。
实际轧钢后的辊环表面在单槽轧钢1900吨以后，由于辊槽老化而更换，可以明显看到由于晶粒粗大而造成表面轧钢后出现大的柱状硬点。
5．3．2入油冷却淬火工艺
经过轧钢实际生产的检验认为吹风冷却由于冷却强度不够而影响到辊环内部组织的晶粒粗大和硬度偏低。
经过油冷却后，辊环硬度提高大约HRC3～5，耐磨度明显提高，组织晶粒粗大现象得到遏制。
5．4高铬钢辊环回火工艺的确定
依据高铬钢的二次硬化特性和实际生产中的控制要求，我们采用回火的方式对高铬钢进行二次硬化，实现残余奥氏体的进一步马氏体转变，降低残余奥氏体的含量。同时，通过回火，促进了碳化物的充分弥散，实现了表面硬度的进一步均匀。
6机械加工
高铬钢辊环因其外形尺寸与高速钢辊环完全相同，使用工作环境与高速钢相同，因此，机械加工依然采用高速钢辊环的机械加工工艺。同时，高铬钢辊环的硬度比高速钢辊环低，在机械加工中只考虑内孔的磨削外，其他采用车削方式完成。
