20世纪80年代初，欧洲轧辊制造商开发出Cr钢工作辊，自此，此类轧辊在带钢热轧机（HSM）的大多数粗轧机架和紧凑带钢轧机精轧机组的前机架上得到应用。直到2010年，Cr钢仍然是全球许多HSM轧辊的标准钢种。
随着市场对粗轧机的性价比要求日益增加，其中包括高生产率、高产品质量和更高的安全标准，促使欧洲轧辊制造商在20世纪90年代早期开发粗轧机轧辊用新钢种，这就是半高速钢（semi-HSS），这一新钢种的使用被认为是轧辊在满足几乎所有所需特性的性能方面的真正革命。在西欧，半高速钢在HSM轧辊中的应用占据主导地位。然而，在部分应用领域，如不锈钢和特殊钢轧制，仍需要进一步开发新钢种，克服半高速钢的一些缺点。20世纪90年代末开发出的粗轧轧辊用特殊半高速钢，满足这一新挑战。1、粗轧机架工作辊用钢现在，热轧带钢轧制使用的粗轧轧辊的主要钢种典型化学成分见表1，该表给出了不同粗轧机轧辊用钢种的主要元素，MC型碳化物形成元素、碳化物量和硬度的范围。 表1 粗轧机架用轧辊钢种-成分、碳化物量和硬度 钢种 C，wt% Cr，wt% Weq.（=W+2Mo），Wt% MC型碳化物形成元素（wt%） 碳化物量（wt%） 硬度 （肖氏C） Cr钢 1.3-1.6 11-13 6-10 <0.5 10-15 70-80 Semi-HSS 1 0.6-0.9 7-9 4-8 0.5-1.0 <5 75-85 Semi-HSS 2 0.8-1.1 7-9 4-8 0.5-1.0 <5 75-85 Semi-HSS 3 0.6-0.9 7-9 4-8 1.0-2.0 <5 75-85 HSS（粗轧） 1.3-1.5 3-6 6-10 4-8 10-15 72-82 表1中的钢种semi-HSS 1与semi-HSS 2是碳含量不同的半高速钢种，两者都含有MC型碳化物形成元素，而semi-HSS 3钢种中MC型碳化物形成元素的含量（V、Ti、Nb、Ta等）最高。Cr钢的微观组织主要为回火马氏体，基体上分布M7C3和M6C型共晶碳化物。基体的高硬度以及各种不同于渗碳体的碳化物，决定了与以前标准的钢种相比，Cr钢的耐磨性能大大提高，抗热裂性能大为改善。在1980年代中期，Cr钢成为粗轧机工作辊的标准钢种。Semi-HSS钢种的特点是基体为具有强回火硬化效应的回火马氏体，在基体上分布了M7C3、M6C和MC型碳化物。最近开发的粗轧机工作辊用HSS钢，组织中MC和M6C型碳化物量增加，从而大量取代了基体中M7C3型碳化物。粗轧机轧辊用semi-HSS和HSS都不具有连续的碳化物网络。其中表1中的最后两个钢种需要经过长时间、复杂的热处理，改善基体组织的均匀性，并提高其使用性能。这些碳化物的类型、硬度和数量对不同轧辊的耐磨性能、表面恶化和氧化行为产生强烈影响。以下将着重介绍Cr钢和三种semi-HSS工作辊。1.1、热动力学模拟利用Thermo-Calc软件（TC）模拟研究Cr钢和Semi-HSS钢的热动力学条件。TC模拟过程假设在稳定的平衡条件，即非常缓慢的冷却速率，保证所有合金元素在液态或固态情况下能够发生理想扩散。在研究这些钢种在500-1500℃温度范围内，10℃温度梯度下稳定相中相体积分数后，从TC模拟结果得到，凝固形成的几乎是面心立方奥氏体，但semi-HSS 3钢种除外，它首先形成的是体心立方δ-铁素体。由此可以看出，semi-HSS 3钢在凝固过程中发生包晶转变。这种包晶转变认为是促进先形成δ-铁素体相分解而产生新的奥氏体相。在Cr钢、semi-HSS 1和semi-HSS 2中的M7C3型碳化物在接近或低于固相线温度开始析出，析出量随温度降低而增加，这些碳化物被认为是共晶型碳化物。同时，semi-HSS 3中仅有MC型碳化物，由于它们从液相析出，可被认为完全是共晶型。因此，在平衡条件下，semi-HSS 1和semi-HSS 2钢不出现共晶碳化物，在固态下析出M7C3以及后来形成的M6C。此外，在平衡条件下，当温度降低，所有的一次碳化物（MC、M7C3和M6C）在接近A1点发生部分或完全转变，转变成其它类型的碳化物，即细小的二次碳化物，如M23C6、M2C和MC。1.2、凝固进程利用差热分析（DTA）试验获得研究各钢种的凝固进程，试样从熔融状态开始以5℃/min冷却至室温，从而获得4个钢种的凝固范围。表2给出平衡态（TC）和非平衡态（DTA）获得结果比较。在DTA试验后进行SEM-EDS分析，鉴别在室温下存在的物相，如共晶碳化物和基体（马氏体和参与奥氏体混合组织）。表2中仅给出M7C3和M6C的开始形成点。可以看出，非平衡条件下的相转变温度范围比平衡条件下窄。从对Cr钢和semi-HSS的比较，可以发现如下结果：◆无论是在平衡还是非平衡条件下，半高速钢的液相线温度总是高于Cr钢。◆semi-HSS 3在非平衡条件下具有较高的液相线温度（1428℃）。◆semi-HSS 3钢含有在高温下析出的MC共晶碳化物，结果，在该合金中没有发现M7C3，并且与Cr钢、semi-HSS 1和semi-HSS 2相比，M6C较早析出（1158℃）。◆在DTA凝固进程下，共晶M7C3和M6C碳化物在Cr钢中的析出温度比在semi-HSS 1和semi-HSS 2钢中高，而且析出温度更明显。 表2 平衡和非平衡条件下相变比较 从凝固进程测得的相变 （峰值数） 钢种 由DTA测定的温度范围 （非平衡条件，冷速5℃/分） 由TC计算的温度 （平衡条件） L→δ 峰值1 Semi-HSS 1 Semi-HSS 2 Semi-HSS 3 1430℃（液相线） 1430℃（液相线） 1443℃（液相线） — — 1428℃（液相线） L+δ→γ（开始） 峰值2 Semi-HSS 1 Semi-HSS 2 Semi-HSS 3 1337℃ 1399℃ 1389℃ — — 1405℃ L+δ→γ（结束） Semi-HSS 1 Semi-HSS 2 Semi-HSS 3 1422℃ 1419℃ 1384℃ — — 1395℃ L→γ（开始） 峰值3 Cr钢 Semi-HSS 1 Semi-HSS 2 Semi-HSS 3 1394℃（液相线） — — — 1388℃（液相线） 1429℃（液相线） 1409℃（液相线） 1395℃ L→γ+MC（开始） 峰值4 Semi-HSS 3 1364℃ 1343℃ L→γ（结束） Cr钢 Semi-HSS 1 Semi-HSS 2 Semi-HSS 3 1389℃ 1238℃（固相线） 1279℃（固相线） 1228℃（固相线） 1293℃（固相线） L→γ+MC（结束） Semi-HSS 3 1353℃ 1117℃ L→γ+M7C3（开始） Cr钢 Semi-HSS 1 Semi-HSS 2 Semi-HSS 3 1201℃ 1168℃ 1176℃ — 1238℃ 1165℃ 1228℃ 1115℃ L→γ+M6C（开始） Cr钢 Semi-HSS 1 Semi-HSS 2 Semi-HSS 3 1143℃（固相线在1135℃）* 1145℃（固相线在1144℃）* 1150℃（固相线在1147℃）* 1158℃（固相线在1153℃）* 1052℃ 1084℃ 1089℃ 1117℃ *DTA试验测得的共晶反应结束点从平衡条件和非平衡条件下获得的结果对比，可以发现：◆由DTA测出的液相线温度总是高于由TC模拟获得的温度。◆在非平衡条件下发现的共晶碳化物在平衡条件下仅以固态转变方式出现，因此，认为它们一定是共晶碳化物。◆非平衡条件下的凝固范围总是大于TC模拟计算的结果。◆从熔融状态下连续冷却获得的共晶碳化物在室温下仍然存在，而在平衡条件下形成的碳化物随着固态转变而消失。事实上，M7C3和M6C在TC模拟条件下分别转变成M23C6和M2C。1.3、SEM组织分析SEM组织分析发现，所有钢种在使用条件下的微观组织均为在回火马氏体基体上的晶界处分布不连续的共晶碳化物网，而这种碳化物分布形式经常出现在HSS钢种中。1.4、硬度特征确定四个钢种中的三个钢种的红硬性，并给出HSS钢种作对比。Semi-HSS 2和Semi-HSS 3钢在温度不超过570℃时具有相似的红硬性，而当温度超过570℃时，Semi-HSS 3的红硬性曲线缓慢下降，而Semi-HSS 2却急剧下降。对HSS钢也观察到类似行为。这可能是由于这两种钢中的MC型碳化物量高于Semi-HSS 2和Cr钢。1.5、腐蚀特性对Cr钢和Semi-HSS 3钢，在试验条件为：60℃，浸入时间4-27h，[Cl-]350-1000ppm，[HOCl-]0-5ppm的情况下，实验室研究了其静态腐蚀行为。从腐蚀试验结果看，Semi-HSS 3比Cr钢具有更好的腐蚀性能。2、粗轧机架轧辊使用特性2.1、粗轧机架用工作辊性能要求粗轧机架用工作辊性能要求可归结如下，其中表3比较了粗轧机架中使用的不同钢种制作的轧辊性能：◆轧辊具有大的摩擦系数，实现大咬入，从而保证道次大变形，降低产品热损，提高产量。◆轧辊工作层材料具有高的抗磨损、热疲劳和氧化/腐蚀能力，从而实现低的、均匀磨损，保证轧辊长的服役寿命，减少停机时间。◆高的抗热裂和烧裂能力。◆辊身通常具有非常好的表面质量，即在一次服役过程中无局部剥落、无宽光带、无浅层剥落。◆具有高安全性，承受由任何运行条件产生的轧辊失效。 表3 粗轧机用不同工作辊的特性比较 轧辊钢种 咬入 耐磨性 抗热裂性 表面质量 轧辊寿命 使用安全性 Cr钢 4 4 3 4 4 4 Semi-HSS 5 5 5 5 5 4 HSS 4 5 4 5 5 4 5=优秀4=良好3=好2=合格1=差 2.2、Semi-HSS和HSS钢种特性HSM高的生产率要求在粗轧机上轧制道次最少，这对半连续HSM而言尤为重要。这意味着道次大变形，而这仅在轧辊具有优异的咬入特性下才能实现。众所周知，降低轧辊中碳化物含量及工作表面的硬度，可改善轧辊咬入条件。Semi-HSS钢种和最新开发的HSS钢种已经证实这一基本规律。粗轧机用Semi-HSS和HSS钢种比其它任何轧辊类型用钢种在高温下的力学性能都好。高温屈服强度主要是保证当轧辊表面与热板坯接触而被加热到超过600℃时，限制轧辊工作层的塑性变形量。这些轧辊用钢具有的突出高温性能导致产生的热裂纹网络极细小。Semi-HSS合金具有完全不同的微观组织，它含MC型、M6C型和一些M7C3型一次和二次碳化物。所有这些碳化物都比高Cr铸铁或高Cr铸钢合金具有更高的硬度。即使对M7C3碳化物，当它含如Mo和V等合金化元素时，也变得更硬。此外，由于基体成分组成，使钢具有良好的抗高温腐蚀能力，因而高温氧化带来的磨损也降为最低。这些性能的实现是通过一个复杂的热处理过程，使轧辊内的碳化物均匀分布，并具有良好的高温性能。良好的高温力学性能与不存在封闭的一次碳化物网络，保证了轧辊抗剪切能力的改善以及不出现浅层剥落。良好的轧辊咬入与耐磨性能的结合，为轧机带来明显优势。在半连续HSM上使用的实际效果已经证明，使用Semi-HSS钢轧辊，粗轧机架上标准的7道次可逆轧制可减为一个标准的5道次规程。同时，中间坯的热损失也相应地减少。如果可逆粗轧机是整个热轧过程的瓶颈，则使用Semi-HSS钢轧辊，其具有良好的轧辊咬入优势，与Cr钢工作辊相比，可使生产率提高20%。与Cr钢轧辊相比，无论是可逆还是不可逆机架，这种新钢种制作的轧辊抗磨性能可提高150%-300%。对许多轧机而言，采用新钢种与Cr钢轧辊相比，服役时间可以翻番。对可逆粗轧机架和5道次压下，每次换辊可实现5万-8万t产量。对不可逆粗轧机架，即使在全连续轧机的最后一个粗轧机架，每次服役也能实现超过20万t的产量。至于轧辊冷却规程，semi-HSS和HSS工作辊在通常轧制作业下都无需做重大调整。就semi-HSS而言，semi-HSS 3是最合适的钢种，这可被大量的实验室和工业结果证实。在欧洲HSM进行高比例不锈钢轧制的工业生产结果已经表明，与传统Cr钢轧辊相比，耐磨性能/服役时间以及每毫米磨损时的产量都翻番。轧辊辊缝几何形状和轧辊表面质量的连贯性已经满足所有这些要求。3、结语本文讨论了HSM的粗轧机架工作辊用半高速钢种，并与粗轧轧辊用其它钢种就在轧机上使用时所需的不同性能进行对比。平衡相图和DTA试验有助于对工作轧辊在工业条件下的实际凝固进程进行预测。平衡条件下的凝固模拟结果一方面与非平衡条件下的结果不很吻合，另一方面也与实际工业条件下的结果不吻合。平衡条件与非平衡条件下获得的结果差异可能是由于没有考虑到在平衡条件下的偏析，以及由夹杂物引起的多相形核长大现象。此外，不同的semi-HSS钢与Cr钢轧辊在粗轧机架上的性能对比结果表明，Semi-HSS 3钢种在轧制过程中表现出更好的综合性能。