文档库 最新最全的文档下载
当前位置:文档库 › 高硬度高铬复合铸铁轧辊的研制_艾忠诚

高硬度高铬复合铸铁轧辊的研制_艾忠诚

??

高硬度高铬复合铸铁轧辊辊身工作层的基体组织为马氏体,基体组织中均匀分布有呈板块状、孤岛状、菊花状的六角晶系M7C3型碳化物,这类碳化物有很高的显微硬度,可以达到1600 ̄1900HV。同时,这种碳化物为分散的单体存在于马氏体中,这种特殊结构相当于在一定的强硬的基体上嵌入高硬度的颗粒,大大地减弱了高硬度相的脆化作用,这种组织形态成了综合性能很好的耐磨体系,促使高铬复合铸铁轧辊有优异的耐磨性能。因此,保证了高铬复合铸铁轧辊在使用时磨损小,同时具有消除“斑带”缺陷的特性。

1三层复合结构的材质设计

高硬度高铬复合铸铁轧辊的三层复合结构材质的

化学成分见表1。

1.1轧辊外层的成分

高硬度高铬铸铁轧辊外层成分选择必考虑两个主

要方面:首先是合理选择碳和铬的含量,保证在使用条件得到最佳的耐磨性和韧性的配合;另外碳、铬、锰、镍、钼等合金元素含量必须保证足够的淬透性,使得轧辊在空气中淬火后得到无珠光体的高硬度组织。

1.1.1碳

碳是高铬铸铁形成碳化物的元素。随着碳含量的提

高,增加了奥氏体内固溶碳的含量,在转变区域内降低了奥氏体的稳定性,使冷却曲线左移并降低马氏体开始转变温度。随着碳含量增加,组织中碳化物数量增加,尺寸变大,形态和分布变差,材料硬度虽然增加,但材料的脆性也将增大,轧辊使用时易产生裂纹和剥落。但碳含量低时,组织中碳化物数量减少,轧辊的硬度和耐

收稿日期:2006-09-08收到初稿,2006-09-21收到修订稿。

作者简介:艾忠诚(1966-),男,辽宁锦州人,高工,主要从事轧辊新技术的研究。电话:0412-6751323,E-mail:ajzg2003@yahoo.com.cn

艾忠诚,刘

娜,宗先泉,王素红,杨作平,马忠辉

(鞍钢重型机械有限责任公司轧辊厂,辽宁鞍山114021)

摘要:采用先进的三次浇注二次复合的轧辊生产工艺,解决了高铬复合铸铁轧辊结合层及芯部强度低的技术难题;采

用先进的成分设计,对外层材质及中间层材质进行有效的变质处理,材料的强度、韧性及耐磨性得到提高;对轧辊进

行高温淬火和二次回火热处理,成功地获得了高的辊身硬度及低的残余奥氏体含量。

关键词:高铬复合铸铁;高硬度;轧辊;变质处理中图分类号:TG251.2

文献标识码:B

文章编号:1001-4977(2007)02-0133-04

AIZhong-cheng,LIUNa,ZONGXian-quan,WANGSu-hong,YANGZuo-ping,MAZhong-hui(RollManufacturerofAn'gangGroupMachineryManufactureCompany,Anshan114021,

Liaoning,China)Abstract:Aprojectionofadvancedthreetimespouringtwotimescompoundingisusedtoresolvethetechnicalproblemofthelowtensilestrengthinthecompoundlayerandcoreofhighchromiumcompoundcastironrolls.Anadvancedcompositiondesignisadopted.Tensilestrength,fracturetoughnessandwearresistanceofmaterialareincreasedbyeffectivemodificationforouterlayerandmiddlelayermaterial.Highbarrelhardnessandlowremnantaustenitecontentareobtainedsuccessfullythroughquenchingandtwicetempering.

Keywords:highchromiumcompoundcastiron;highhardness;rolls;modification

高硬度高铬复合铸铁轧辊的研制

ResearchonHighHardnessHighChromiumCompoundCastIronRolls

表1

高硬度高铬复合铸铁轧辊的三层复合结构材质化学成分

Table1Threelayercompoundingcompositionofhighhardnesshighchromiumcompoundcastironrolls

wB(%

)外层中间层芯部

P<0.1<0.1<0.1

2.7 ̄3.01.4 ̄2.63.0 ̄3.5

Si0.3 ̄0.81.0 ̄2.02.0 ̄3.0

Mn0.7 ̄1.40.5 ̄1.50.2 ̄0.8

Cr17 ̄206 ̄10<0.1

S<0.03<0.03<0.03

Mg

0.03 ̄0.05

Ni1.0 ̄1.50.5 ̄1.5

Mo1.1 ̄1.50.5 ̄1.5<0.1

Re

0.01 ̄0.05Feb.2007Vol.56

No.2

铸造

FOUNDRY

133

??

磨性变差。外层高铬铸铁基体组织中碳化物的数量K可以用下列公式表示[1]:K=12.33(%C)+0.55(%Cr)-15.2。

碳对高铬铸铁基体组织和碳化物有重要影响。为了提高淬透性并使高铬复合铸铁轧辊外层兼有优良的耐磨性、抗热裂性和抗剥落性,高硬度高铬复合铸铁轧辊外层的碳含量选择2.7% ̄3.0%为宜。

1.1.2铬

铬是保证高铬复合铸铁轧辊外层兼有优异的耐磨性和韧性的基本合金元素。它使冷却曲线右移并降低马氏体开始转变温度,可以提高淬透性。当Cr<10%时,将析出网状和大块状M3C型渗碳体,降低了高铬铸铁的耐磨性和抗剥落性,当Cr>22%时,将析出大量的M23C6型碳化物,此类碳化物的显微硬度比M7C3型碳化物的硬度低,降低轧辊的耐磨性。

碳含量一定时,随铬含量的提高,辊身工作层基体组织中碳化物数量增加,可提高轧辊的耐磨性,但含量过高,将引起碳化物结构的变化。因此,高硬度高铬复合铸铁轧辊外层的铬含量选择17% ̄20%为宜。1.1.3硅

硅作为高铬铸铁中的常存元素,含量小于0.5%时,脱氧效果不显著,但高铬铸铁中硅含量也不宜过高,当硅含量增加时,共晶点左移,相同含碳量情况下,铁液过共晶化,因而在凝固过程中促使形成粗大的M7C3型碳化物,使强度、韧性下降。同时,硅含量过高,基体组织易出现铁素体,使硬度降低。因此,高硬度高铬复合铸铁轧辊外层的硅含量选择在0.3% ̄0.8%。

1.1.4锰

锰具有扩大奥氏体相区,降低马氏体开始转变温度的作用,含量过高,将增加组织中残余奥氏体的数量。复合铸铁轧辊外层的硅含量一般选择0.7% ̄1.4%。1.1.5镍

镍无限固溶于奥氏体中,不形成任何形式的碳化物,使奥氏体冷却曲线右移,扩大奥氏体相区,降低马氏体开始转变温度,向高铬铸铁中加入镍主要是提高淬透性能,但含量不宜过多,否则基体组织中残余奥氏体含量增多。高硬度高铬复合铸铁轧辊外层的镍含量一般控制在1.0% ̄1.5%。

1.1.6钼

钼有利于提高高铬铸铁基体组织的回火稳定性。钼使连续冷却曲线右移,强化奥氏体脱稳反应,有效地提高马氏体开始转变温度,是提高淬透性的有效元素。钼在高铬铸铁中,同时存在于M7C3型碳化物、Mo2C碳化物和基体组织中,钼原子可以任意替代铁和铬原子存在于M7C3型碳化物中,这种置换固溶能产生一定的强化效应,由铬和钼共同形成的M7C3型碳化物显微硬度最高可达2000HV,而这一硬度即使经热处理也不变化,钼含量小于0.5%时,上述有利作用不显著。高硬度高铬复合铸铁轧辊外层的钼含量一般控制在1.1% ̄1.5%。

1.2轧辊中间层的成分

高硬度高铬复合铸铁轧辊工作层含有17% ̄20%的铬,而芯部是球墨铸铁,这两种材质成分相差很大。如果按照普通的复合方法浇注,存在两个关键问题难以解决。一是外层高铬铸铁和芯部球墨铸铁之间的结合质量难以保证。复合浇注时,外层的含铬量很高,必然要和芯部球墨铸铁中的碳形成大量的碳化物存在于结合层处,使得结合层强度很低,轧辊使用时易发生结合层剥落事故。二是外层高的铬含量向芯部扩散,使辊颈强度降低的问题难以解决。复合浇注时,当外层凝固后浇注芯部球墨铸铁铁液时,芯部高温铁液将使一部分已凝固的外层高铬铸铁重新熔化,造成铬向芯部扩散,使芯部含铬量增加,芯部的白口倾向增大,将析出较多的碳化物而影响轧辊的整体强度和韧性,轧辊使用时易发生断辊事故。

为了解决上述难题,采用三层复合浇注的方法,即在外层的高铬铸铁和芯部的球墨铸铁之间增加一个中间过渡层材质。中间过渡层材质本身除了要有较好的组织和性能外,同时兼有如下性能:一是中间过渡层与外层高铬铸铁和芯部球墨铸铁有良好的结合强度;二是可以有效地减少外层高铬铸铁中的铬向芯部球墨铸铁中扩散。采用三层复合浇注的方法是生产高铬复合铸铁轧辊最为重要的关键措施之一。

1.2.1碳

中间层铁液碳含量应尽量低一些,以实现高Si/C比[2]及高Cr/C比,使中间层材质碳化物形成M7C3型碳化物,获得较高的强度和韧性。碳含量低一些,还可减少碳化物数量,对材料强韧性也是有利的。但考虑到中间层材质与芯部球墨铸铁进行熔合的需要,碳含量过低时,液-固相温度过高,使芯部球墨铸铁材质难以与其进行良好的熔合,或者即使能很好熔合,芯部铁液浇注温度会因此过高,而使芯部球墨铸铁的球化效果变差。因此,中间层铁液碳含量选择在1.4% ̄2.6%。1.2.2铬

就中间层材质与芯部球墨铸铁材质相结合而言,无论从中间层与芯部相结合的交界处质量,还是从中间层扩散到芯部的铬考虑,都希望中间层材质不含铬。但就中间层材质与外层高铬铸铁材质相结合而言,由于浇注中间层铁液时,已凝固的外层高铬铸铁必然要被熔化掉一部分,造成外层与中间层相结合的交界处及中间层含有一定的铬元素,但铬含量不高,处于低铬成分范围,将产生大量的M3C型网状碳化物,使两种材质的交界处及混有一定铬的中间层材质强度和韧性急剧下降,轧辊使用时,极易发生结合层剥落事故。综合考虑,既要保证中间层材质的强韧性,又要保证

FOUNDRY

Feb.2007Vol.56No.2

134

??

外层与中间层的结合质量,同时还要保证芯部球墨铸铁的增铬不能过高,以免造成轧辊使用时断辊。因此,中间层材质铬含量的最佳选择范围是6% ̄10%。1.3轧辊芯部的成分

高硬度高铬复合铸铁轧辊芯部是球墨铸铁,由于在复合浇注过程中有中间层铬元素的混入,因此,对芯部球墨铸铁原铁液中反石墨化元素要进行严格的控制,应越低越好,并适当增加石墨化元素的含量,以确保芯部材质的质量。

2生产工艺过程控制

生产高硬度高铬复合铸铁轧辊除了选择好化学成分之外,还要控制好生产工艺:铁液的熔炼和处理方法;中间层铁液浇注时机、温度和厚度;离心机停转时机;芯部铁液浇注温度;轧辊热处理工艺。

2.1铁液的熔炼和处理技术方法

外层高铬铸铁及中间层中铬铸铁均在工频炉中进行熔炼,选用低磷低硫生铁和碳素废钢及高铬铸铁专用造块进行熔化,在熔化后期加入低硫磷铬铁及其它合金材料,以免合金加入过早元素烧损过大。为便于准确控制化学成分,成分调整分两次进行,第一次加入需调整成分总量的90%,其余根据化验结果再进行调整。为改善铁液质量、细化基体及碳化物,铁液出炉时进行变质处理。

芯部球墨铸铁铁液也在工频炉中进行熔炼,决定轧辊芯部球墨铸铁质量的关键因素是球化处理和孕育处理。由于轧辊的性能要求很高,不但要求高的强度,而且要求轧辊的球化质量要好,并不能有缩孔缩松等铸造缺陷存在,即轧辊的超声波探伤应具有良好的穿透性能。因此,采用抗球化衰退能力强的特殊球化剂及抗孕育衰退能力强的特殊孕育剂和能使厚大断面石墨球化圆整、数量增多及细小的特殊金属元素,并通过适当的处理温度来获得理想的轧辊芯部材质质量。2.2中间层铁液浇注时机的选择

外层高铬铸铁铁液浇注完成后,何时浇注中间层中铬铸铁铁液,将直接影响外层和中间层的冶金熔合质量。浇注时机过早,则外层高铬铸铁和中间层铁液混合过多或外层高铬铸铁被重熔过多,使外层的厚度减少并容易引起铸造裂纹的发生;浇注时机过晚,在浇注完外层铁液后,加入的防铁液氧化剂及离心铸造时移向外层铁液内表面的熔渣难以排除到中间层铁液的内表面,而存在于外层和中间层结合的交界处或被“冻结”在中间层中。因此,中间层铁液浇注时机的选择是一个关键的环节。

2.3中间层铁液浇注温度和厚度的选择

中间层铁液浇注温度和厚度应使中间层铁液的热量能够熔化掉所规定的外层厚度,以确保外层和中间层的良好冶金结合质量。温度高厚度大使已凝固的外层被重熔的量多;反之,温度低厚度小则使已凝固的外层被重熔的量少,不能使外层和中间层结合的交界处防氧化剂和熔渣完全处于中间层铁液的包围之中,使得防氧化剂和熔渣不能排除到中间层的内表面。因此,中间层铁液浇注温度和厚度的选择十分重要。2.4离心机停转时机的选择

如果浇注完中间层离心机停转时机过早,则造成铁液的淋落或浇注芯部铁液时中间层被重熔过多而使芯部铁液增铬过多;如果浇注完中间层离心机停转时机过晚,则容易造成中间层与芯部结合不良。实践证明,适宜的离心机停转时机可很好地保证中间层和芯部的熔合质量,并防止芯部球墨铸铁混入的铬量过高。2.5芯部铁液浇注温度的选择

为使已凝固的中间层和芯部铁液熔合良好,浇注的芯部铁液温度要高于中间层金属的液相线温度。但是,因为芯部铁液数量多热容量大,所以芯部铁液温度不可过高,否则,中间层被重熔过多,使芯部球墨铸铁的铬量增多,恶化芯部球墨铸铁的性能。同时,如前所述,芯部球墨铸铁的浇注温度过高,球铁的球化效果也不好,并容易产生缩孔和缩松等铸造缺陷,影响轧辊的探伤穿透性能。

2.6高硬度高铬铸铁轧辊的热处理

为使高铬铸铁轧辊辊身获得高的硬度,保证辊身优良的耐磨性,除合理选择化学成分外,还应对轧辊进行淬火和回火。由于铸态轧辊辊身表面含有一定的珠光体,为消除高铬铸铁中的珠光体,提高硬度,应将高铬铸铁加热到完全奥氏体化。当将高铬铸铁加热到奥氏体化温度并保温时,过饱和的奥氏体中析出二次碳化物。这样奥氏体的稳定性随其所含合金元素含量的降低而下降,奥氏体在随后的冷却过程中变成马氏体。如果冷却速度非常慢,奥氏体还会分解而形成珠光体。高铬铸铁奥氏体化温度后形成的组织随冷却条件不同可能是珠光体或者是马氏体和残余奥氏体的混合组织。由于高铬铸铁导热性差,轧辊的断面尺寸很大,奥氏体加热保温后的冷却过程过快会使轧辊产生裂纹。因此,所设计的高铬铸铁成分中除合理选择碳和铬的含量外,还添加了一定量的锰、镍、钼等合金元素,以提高轧辊的淬透性,使得在空淬条件下即可形成马氏体和奥氏体的混合组织。当高铬铸铁中含有较高的锰、镍、钼时,奥氏体的稳定性显著增加,这种材料的失稳处理必须持续较长的时间。经硬化处理后的高铬铸铁轧辊必须进行回火处理,以使形成的马氏体获得回火,并使残余奥氏体进一步转化为马氏体。但要注意的是残余奥氏体转变为马氏体,将会产生组织应力,马氏体也是未回火的马氏体。因此,需要进行第二次回火处理,以达到对第一次回火中形成

铸造艾忠诚等:高硬度高铬复合铸铁轧辊的研制135

??的马氏体进行回火并消除组织应力的目的。经多次试验,图1所示的热处理工艺曲线实现了高铬铸铁轧辊的高硬度和残余奥氏体含量少的理想要求。

轧辊的组织及性能

3.1

组织

试制的高硬度高铬复合铸铁轧辊外层铸态组织为

马氏体、珠光体和奥氏体及M7C3型碳化物,热处理后的组织为回火马氏体和小于5%的残余奥氏体及M7C3型碳化物;辊颈组织为珠光体和球状石墨。金相组织照片见图2,由于残余奥氏体的含量<5%,对于轧辊的使用是安全的,若残余奥氏体的含量过高,则轧辊在

使用时,残余奥氏体会转变为马氏体,使得体积增大,易使轧辊产生裂纹和剥落缺陷。

图1

高硬度高铬复合铸铁轧辊淬火及回火工艺曲线

Fig.1Quenchingandtemperingtechnologycurveofhighhardnesshigh

chromiumcompoundcastironrolls

图2

高硬度高铬复合铸铁轧辊金相组织

Fig.2Microstructureofhighhardnesshighchromiumcompoundcastironrolls

(1)外层金相组织100×(2)外层金相组织500×(3)下辊颈金相组织500×(4)下辊颈石墨50×

3.2性能

通过合理选择化学成分及对轧辊进行高温淬火和二

次回火热处理,获得了要求的辊身高硬度及低残余奥氏体含量。试制的高铬铸铁轧辊各种物理性能见表2。

4轧辊使用效果

鞍钢重型机械有限责任公司轧辊厂研制开发的高

硬度高铬复合铸铁轧辊(球墨铸铁芯),已销往罗马尼亚、印度和波兰等国家,上机使用的过程中,未发生因轧辊质量问题而造成轧辊提前下机影响轧制线的正常工作。轧辊耐磨损性能好,超过用户合同要求的使用寿命,平均每支轧辊轧钢量达到7000t/mm以上。

5结论

(1)

采用三次浇注二次复合的生产工艺,解决了

高铬复合铸铁轧辊结合层及芯部强度低的技术难题。

(2)

采用先进的成分设计、对外层材质及中间层

材质进行有效的变质处理,使得外层材质及中间层材质碳化物细小且均匀分散,加入的微量合金使外层材质基体组织得到细化,并产生细小均匀分布的耐磨粒子。材料的强度、韧性及耐磨性得到提高。

(3)

开发研制的高铬铸铁轧辊其轧辊辊身表面硬

度、辊身表面硬度均匀性、辊身表面硬度落差、辊颈抗拉强度等性能指标均超过轧机对轧辊的技术要求。

(4)

通过合理选择化学成分及对轧辊进行高温淬

火和二次回火热处理,获得了要求的辊身高硬度及低残余奥氏体含量。

(5)

研制的高硬度高铬复合铸铁轧辊在使用过程

中,轧辊的换辊周期、耐磨性能、抗事故性能等均完全满足用户的使用要求。

参考文献:

[1]周继扬.铸铁彩色金相学.北京:机械工业出版社,2002,188.[2]

王文才,等.Si/C和冷却速度对中铬铸铁铸态组织性能的影响.铸造,2001,51(1):20-21.

(编辑:张允华,zyh@foundryworld.com)

数值

72 ̄85<20.438±3≥420<5

表2

高铬复合铸铁轧辊的物理性能

Table2Physicalpropertiesofhighhardnesshighchromium

compoundcastironrolls

项目

辊身表面硬度HSD辊身表面硬度均匀性HSD辊身表面硬度落差HSD/10mm

辊颈硬度HSD辊颈抗拉强度/MPa工作层残余奥氏体含量(%)

FOUNDRYFeb.2007

Vol.56No.2

136

相关文档