1高速钢轧辊的特点
1988年铸造高速钢轧辊首先在日本得到成功应用，20年来对其的研究和应用取得了较大进展。高速钢轧辊主要具有以下特点：
(1)碳化物硬度高。一般采用高C、高V型高速钢制作，并含有较多Cr、Mo、W、Nb和Co等元素，在凝固和热处理过程中，这些合金元素形成了一次和二次碳化物，几种碳化物硬度的比较见图1。高铬铸铁轧辊碳化物为M7C3(HV2500)和M23C6(HVl600)，无限冷硬铸铁轧辊中的碳化物为Fe3C(HVl300)，而高速钢轧辊碳化物为MC(HV3000)、M7C3(HV2500)和M6C(HV2000)，因而耐磨性较好。另外，随着V含量的增加，呈骨骼状的M6C型碳化物向呈粒状的VC型转化。典型高速钢轧辊组织见图2。
(2)热稳定性好。由于轧辊中含有较多的W、Cr、Mo、V、Nb等元素，因此具有较好的热稳定性。高速钢轧辊在600℃时硬度仍保持有HV500，尤其在添加了分布于基体组织的Co元素时，这种倾向更加明显，从而大大提高了轧辊的耐磨性。
(3)淬透性好。高速钢轧辊具有均匀的淬透性[1]，在室温、工作层50mm范围内，从轧辊表面到芯部的硬度降小于HS3;而在同样条件下，普通无限冷硬铸铁轧辊硬度降为HSl0。良好的淬透性可确保轧辊从外到内具有均匀的耐磨性。
(4)优良的强韧性。高速钢轧辊与一般的无限冷硬铸铁、高铬铸铁和半钢轧辊的抗拉强度和断裂韧性值(K1c)比较见图3。与一般材料相比，除半钢轧辊外，高速钢轧辊具有较高的抗拉强度和几乎相等的断裂韧性值。
(5)良好的氧化膜形成能力。轧制过程中如果在轧辊表面形成连续、致密、均匀、粘结性好的氧化膜，不但可降低轧辊与轧材间的摩擦系数，而且可提高轧材尺寸精度和表面质量。普通轧辊使用初期由于无氧化膜保护而磨损较大。但高速钢轧辊在使用中能很快形成氧化膜[2]，因而高速钢轧辊的使用初期磨损较低，提高了轧辊的耐磨性。
(6)良好的抗热裂性。高速钢特有的组织，使其能有效地抑制裂纹的形成和扩展，因此其比高铬铸铁轧辊具有更好的抗热裂性。这样，若发生一般性生产事故，可通过正常磨削量或附加很小的磨削量即可消除事故带来的影响，使处理过程更加简化，并可节约成本。
(7)良好的耐磨性。不同材质的轧辊在不同的带钢热连轧机架上每个换辊周期的轧钢量不同，与半钢、高铬铸铁和高镍铬无限冷硬铸铁轧辊相比，高速钢轧辊的轧制吨位大幅度提高，F1～F4机架约为10000t，F5机架约为6000t，显示其具有良好的耐磨性。高速钢轧辊轧制吨位的增加，使其辊耗明显下降，在相同轧制条件下，高速钢轧辊的辊耗在F1机架是高铬铸铁轧辊的1/5，在F2机架是高铬铸铁轧辊的1/7，在F4机架是高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的1/13，在F5机架是高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的1/8。
2 高速钢轧辊制造技术的进展
2.1锻造高速钢轧辊
1989年以前，锻造高速钢轧辊已用于制造多辊轧机的工作辊和中间辊[3]，采用的是标准类型的钨钼高速钢，如美国M2、M4以及高碳类型的T 15等，但因其合金含量高，锻造及热处理难度大，材料利用率低，生产成本高，组织不均匀等，限制了高速钢轧辊的推广使用。
2.2铸造高速钢轧辊
早期铸造高速钢复合轧辊主要用离心铸造方法生产，随后相继开发了连续浇注外层成型法、电渣重熔法和液态金属电渣熔接法等。
(1)离心铸造法
常用的离心铸造法有立式离心机浇铸法、卧式离心机浇铸法和倾斜式离心机浇铸法3种。在普通离心铸造条件下，合金元素偏析严重。为防止VC偏析，选择基本成分为2.0%C、6.0%V、7.0%Cr、2.5%Mo，添加1.0%～1.5%Nb以提高MC型碳化物密度，限制添加偏析元素W、Mo。结果有效地控制了离心铸造高速钢轧辊的碳化物偏析。此外，在离心铸造过程中，随着离心机转速的增加，轧辊组织致密，硬度提高，磨损量减少，耐磨性不断改善;但转速过高也会适得其反。
为了改善高速钢复合轧辊的结合层质量，我国的科研工作者也有多项发明：如高速钢复合轧辊多层浇注工艺[4]，电磁离心铸造高速钢复合轧辊方法[5]，在高速钢离心浇注中加入磁场，明显减轻了钨、钒等元素偏析的作用[6]。
(2)连续浇注外层成型法(CPC)
为了防止离心铸造高速钢轧辊产生偏析，日本新日铁公司[7-8]开发了连续浇注外层成型法(简称CPC法)。该法与连铸工艺类似，钢液在水冷结晶器中凝固，既可制造新轧辊，也可修复旧轧辊，还可生产多种截面形状的轧辊。该法生产的高速钢轧辊组织细小、均匀、夹杂物少，几乎没有缩孔、偏析、疏松等缺陷，综合性能明显优于普通离心铸造高速钢轧辊。轧辊芯部可采用高强度锻钢，辊芯具有较高的强度，这是普通离心铸造工艺无法做到的。我国也发明了一种高速钢复合轧辊的连续铸造装置，目前应用该技术已生产了W、V含量高、偏析少、耐磨性好的高速钢复合轧辊，从而可降低轧制中的换辊频率，大幅度提高轧机作业率，降低成本，提高经济效益[9]。
(3)电渣重熔法
电渣重熔(ESR)是一种广泛应用于优质钢生产的重熔工艺，最初该工艺主要用于脱氧、脱硫，由于其还有控制凝固的作用，因而可使非金属夹杂物的分布特性大为改善。近年来，在普通电渣重熔法基础上发展起来的旋转电渣熔铸法已用于制造高速钢复合轧辊。日本日立公司[10]用ESR法生产了Φ425mm×1880mm的冷轧半高速钢轧辊。该辊坯轻锻后，经1060℃淬火和500℃回火后加工成轧辊，表面硬度为HS97，有良好的耐磨性和抗事故能力。但该方法存在的最大问题是成本较高，且难以制造较大轧辊。另外，电渣渣料中含有较多CaF，会逸出HF、SiF4、SF6等有害气体。
我国科研工作者也发明了电渣熔铸制造复合轧辊方法[11]。以预先制造好的辊芯为电渣熔铸的内结晶器，以需复合的轧辊外套层材料为电渣熔铸的自耗电极。该方法可使复合轧辊获得较窄的过渡层和良好的复合性能。
(4)液态金属电渣熔接法(ESSLM法)
1996年，乌克兰ELMET轧辊公司[12]开发了液态金属电渣熔接法制造高速钢复合轧辊新工艺，其是在CPC法基础上加上电渣净化的一种新的轧辊制造方法。采用该工艺生产的高速钢复合轧辊外层致密，无缩孔、裂纹、疏松等缺陷，外层金属与芯轴熔合良好，主要合金元素、硬度及显微组织在轧辊的高度方向及横断面上分布均匀。
2.3喷射成形高速钢轧辊(Osprey技术)
Osprey技术是在粉末冶金惰性气体雾化制粉的基础上发展起来的一种近终成形技术，其利用已精炼的液态金属，用高压惰性气体将合金液流雾化成细小熔滴，熔滴在高速气流作用下飞行并被雾化气体冷却，在熔滴未完全凝固前将其沉积到具有一定形状的接收器上，通过控制接收器运动可获得具有一定外形的沉积坯件。利用该技术制造的材料具有无宏观偏析、各向同性且组织均匀弥散、初始晶粒弥散析出、含氧量低、热加工性能得到改善等特征[13]。由此，用其制造高速钢轧辊已引起重视。我国也研究了喷射成形高速钢轧辊的组织和性能[14]。在对其金相组织的观察中，未发现明显的碳化物，且晶粒明显细化。在扫描电镜下观察到晶界上存在不连续分布的碳化物粒子。
英国国家轧辊制造公司[15]用Osprey技术生产的Φ400mm×1000ram高速钢轧辊，其组织比锻造组织细微得多，而且完全消除了粗大的共晶碳化物，在辊芯和喷射层边界呈良好的冶金结合，轧辊疲劳性能提高，使用寿命延长。目前正考虑开发制造Φ800mm×2000mm的高速钢复合轧辊设备。美国几家轧辊公司也正在计划同样的研究项目。日本住友重工株式会社[16]从1989年开始利用一台带有接收器、水平往复运动装置的喷射成形设备，生产最大直径0800mm、重达1t的高速钢轧辊辊套及高速钢/碳钢复合轧辊，用于各种型材轧制。其轧辊寿命是一般粉末冶金高速钢轧辊的1.6～3.0倍，是传统铸造高速钢轧辊的3.6倍以上。
2.4热等静压高速钢轧辊(HIP工艺) ，
应用粉末冶金技术中喷雾制粒与热等静压配合的工艺生产的高速钢比用传统方法生产的高速钢具有优良的机加工性、韧性、硬度和热处理后的形状稳定性。应用HIP工艺生产的高速钢轧辊，比用相同成分铸造的高速钢轧辊的碳化物更细小、均匀;而碳化物的形貌及分布对轧辊的热疲劳性能、抗剥落性能及韧性起着决定性作用，因此HIP高速钢轧辊的综合性能明显优于铸造轧辊[17]。此外，为了进一步提高耐磨性，HIP高速钢轧辊可采用更高的含碳量和合金含量，仍能保持良好的碳化物形貌。但由于HIP工艺设备需要耐高压，因而受设备限制，该工艺还只能生产小直径高速钢轧辊。
2.5高速钢轧辊制造方法的技术经济性比较
高速钢轧辊制造方法的技术经济性对比见表1。显然，单从经济角度看，离心铸造高速钢轧辊最具竞争力，但只有进一步提高离心铸造高速钢轧辊的组织性能及使用性，才能使其得到推广应用。
3高速钢轧辊热处理技术的进展
热处理工艺对高速钢轧辊性能的影响也很大。由于高碳高钒高速钢中含有大量的合金元素，加之碳含量高，结晶相多，组织复杂，并且高速钢轧辊重量大，工件内应力大，若采用与高速钢工具相同的热处理工艺，轧辊易产生裂纹。日本对不同碳、铬、钒和钴含量的钨钼铬钒多元白口铸铁的连续冷却转变特性等进行了多项研究，获得了多元白口铸铁的连续冷却转变曲线。王金国等人对高碳高钒高速钢的淬火及高温硬度的关系进行了研究[19]，发现其峰值淬火硬度温度较常规高速钢低150～250℃左右，随碳含量增加，峰值硬度温度降低，相同碳含量时，随着钒含量增加，峰值硬度温度升高。Huang[20]等人研究了淬火温度对高碳高速钢组织和硬度的影响。发现高温热处理除发生M2C分解成MC和M6C外，碳化物的体积分数和分布并未变化。Lee等人[21]研究了回火温度对高碳高速钢轧辊耐磨性和抗表面粗糙性的影响，得出采用570℃回火抗表面粗糙性好，耐磨性也较好。文献[19]得出，回火后的硬度变化和常规高速钢呈相同趋势，建议高碳高速钢轧辊的回火温度为530～550℃，一次回火可满足轧辊要求。文献[22]提出：为了保证高速钢轧辊的辊芯强度，高速钢轧辊应采用差温处理。宫开令等人[23]则对高速钢轧辊提出了2种热处理方案：一是1150℃淬火+550℃回火;二是950℃淬火+500℃回火。另外，魏世忠等人[24]应用BP网络建立了高钒高速钢轧辊残余奥氏体含量与淬火温度、回火温度关系的神经网络模型。为高速钢轧辊生产中优化热处理工艺、控制残余奥氏体含量提供了一种新方法。
4高速钢轧辊的成分和性能
4.1 高速钢轧辊的成分特点
高速钢轧辊的成分与M2高速钢基本相同，但含有更多的碳和钒。高速钢轧辊中碳化物的总体积分数和不同类型碳化物的体积分数与其成分密切相关。高速钢轧辊中的碳化物体积分数一般为9%～15%，而高速工具钢中碳化物的体积分数一般不超过8%。碳含量对高速钢轧辊中的碳化物有明显影响，当含碳量由1.7%升至2.9%时，碳化物的形态、类型会发生变化。另外，V和Weq(钨当量)对高速钢中共晶碳化物的类型和形态也影响较大。V、C含量对高速钢轧辊中碳化物类型和形态的影响见图4a，而Weq、C含量对高速钢轧辊中碳化物类型和形态的影响见图4b[25]。当C含量在2.0%左右时，V含量控制在4。0%～6.0%时较为合适;V含量继续提高，易产生复杂类型的MC型碳化物，而不是孤立状的MC型碳化物;当高速钢中Weq提高时，沿晶界析出的碳化物类型则从M7C3型碳化物向M2C型碳化物转变。
4.2高速钢轧辊的性能
高速钢轧辊的主要力学性能见表2，主要物理性能见表3。与无限冷硬铸铁轧辊和高铬铸铁轧辊相比，高速钢轧辊具有强度、硬度高和韧性好等优点。
5高速钢轧辊的应用
1988年铸造高速钢轧辊首先在日本一带钢热连轧机上应用[7]，随后美国和欧洲引入铸造高速钢轧辊技术。接着，线材、棒材及冷轧带钢轧机上也开始使用铸造高速钢轧辊，并获得了满意效果。其主要原因是高速钢轧辊含有MC和M6C等高硬度碳化物，且其基体组织是由稳定、高硬度的马氏体构成，具有良好的淬硬、淬透性，使得高速钢轧辊的硬度降明显小于其他轧辊，可保证轧辊在整个工作期间都具有良好的耐磨性。在钢管轧机上采用高速钢轧辊也相当成功。高速钢轧辊具有优异的耐磨性和抗表面桔皮状缺陷，使用寿命是传统材质轧辊的6～10倍，而且无粘钢现象发生[26]。加拿大Dofasco公司、日本日立公司在使用高速钢轧辊后，也收到了轧辊消耗明显减少、轧机作业率明显提高、带钢表面质量明显提高的良好效果。南非Vanderbijlpark厂2050mm热轧机上使用比利时Marichal Ketin公司开发出的新型HSS7高速钢轧辊，每毫米轧钢量由普通高铬铸铁轧辊的5000t提高到12000t，而且，热带表面质量大大改进，因氧化铁皮致使带钢质量降级的问题减少了2/3，经济效益显著[27]。
宝钢2050mm热带粗轧机采用半高速钢轧辊，抗热裂性、耐磨性兼优，使用寿命是原高铬铸铁轧辊的2倍以上;在精轧前架使用后，耐磨性是高铬铸铁辊的3倍，并有效地避免了斑带缺陷的出现，因而可轧制高表面质量带材，并可延长换辊周期，提高轧机作业率。邯钢将高速钢轧辊用于CSP生产线，也收到了同样的效果。钢铁研究总院选用高碳高速钢工作层，用合金球墨铸铁做辊芯，采用离心铸造方法制造的高速钢复合轧辊，具有工作层硬度高、辊身硬度均匀等特点，用于热轧窄带钢轧机的综合寿命比高合金铸铁轧辊提高10.5倍。福建三钢(集团)有限责任公司高速线材厂从1998年底陆续用国产高速钢辊环替代硬质合金辊环。虽然高速钢辊环硬度(HRC65)和耐磨性不如硬质合金辊环，但耐热裂性比硬质合金辊环好很多，其单槽轧制量可达6500t左右，比硬质合金辊环提高近l倍。此外，由于高速钢辊环单槽轧制量高，可减少换辊换槽时间，因此可提高作业率;单件重量又比硬质合金辊环低很多，可减轻劳动强度;辊环的重修只需在普通车床上加工即可，降低了加工费用。
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