中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司軋電事業(yè)部 （黑龍江 161042） 閆海濤

天津重型裝備工程研究有限公司 （300457） 劉紅才 白云龍 趙文輝

從20世紀(jì)80年代以來(lái)，熱帶連軋機(jī)粗軋工作輥材質(zhì)經(jīng)歷了由整體鑄造半鋼到離心球心復(fù)合高鉻鑄鐵、再到離心球心復(fù)合高鉻鑄鋼的過(guò)程。目前，高鉻鑄鋼球心離心復(fù)合軋輥在熱帶連軋機(jī)粗軋機(jī)架上已得到廣泛應(yīng)用。這種高鉻鑄鋼球心復(fù)合軋輥，采用離心鑄造而成，心部為高強(qiáng)度合金球墨鑄鐵，其外層材料是高鉻鑄鋼，化學(xué)成分一般為wC=0.7%～1.4%、wCr=8%～14%，以及含量較高的Mo、Ni、V等合金元素。由于屬高碳鋼范圍，因此其仍保留了鋼系自身的特點(diǎn)，作為粗軋機(jī)軋輥的工作層，具有高的熱疲勞特性，良好的耐磨性和較好的防事故性打滑的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于大量的Cr、Mo等合金元素的作用，外層組織中的碳化物形態(tài)已不是傳統(tǒng)的M3C型碳化物類(lèi)型，而是形成了具有較高顯微硬度和耐磨性的孤立塊狀分布的M7C3型和M2C型碳化物。

伴隨高鉻鋼外層材料的研究與發(fā)展，心部球墨鑄鐵材料已不能滿(mǎn)足鋼廠(chǎng)的需要，如何研制出與之匹配的高強(qiáng)度、高硬度的心部材料是軋輥供應(yīng)商的又一課題與使命。本文就高強(qiáng)度、高硬度球墨鑄鐵的研究中遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析，以供參考。

1.問(wèn)題的提出

高鉻鋼心部的球墨鑄鐵自采用新的Cu-Ni-Mo元素復(fù)合合金化以來(lái)，成功解決了以前高鉻鋼輥頸硬度低、強(qiáng)度低、石墨球化不良等問(wèn)題，其化學(xué)成分為：wC=2.5%～3.5%、wSi=1.6%～2.9%、wMn=0.2%～0.9%、wNi=0.2%～1.5%、wMo=0.2%～1.0%、wCu=0.2%～1.0%、wP＜0.1%、wS＜0.1%。但目前生產(chǎn)的高鉻鋼工作輥輥頸澆口處出現(xiàn)裂紋，事故率達(dá)到25%，綜合分析出現(xiàn)裂紋的工作輥具有以下共同特點(diǎn)：①鑄態(tài)未見(jiàn)異常缺陷。②裂紋均發(fā)生在下輥頸及澆口端。③裂紋發(fā)生時(shí)機(jī)均為高溫淬火+回火后的粗加工工序。

2.試驗(yàn)研究

為解決下輥頸裂紋問(wèn)題，對(duì)工作輥輥頸裂紋斷口進(jìn)行套料檢測(cè)分析，分析研究球墨鑄鐵發(fā)生裂紋的原因及機(jī)理，從根源上杜絕輥頸裂紋的再發(fā)生。

（1）取料位置 下輥頸出現(xiàn)裂紋的工作輥如圖1所示，試驗(yàn)所用試樣的取樣位置如圖2所示。

圖1 高鉻鋼工作輥斷口宏觀(guān)形貌

圖2 高鉻鋼工作輥1～5.輥頸取樣位置

（2）化學(xué)成分 在圖3所示斷口標(biāo)注位置進(jìn)行合金元素的偏析及有害元素超標(biāo)情況檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如附表所示（4～7位置成分略）。由檢測(cè)結(jié)果可知，1、2、3位置的Cr元素明顯超標(biāo)。

圖3 化學(xué)成分取樣示意

各位置化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（3）電鏡檢測(cè)及能譜 從圖4可以看出，試樣基體組織為珠光體，裂紋源發(fā)生在一次碳化物上，從圖4b可以看出裂紋從碳化物邊緣向基體擴(kuò)展。

圖4 試樣組織

按圖5所示對(duì)試樣進(jìn)行線(xiàn)掃描得知，一次碳化物中合金元素主要以Cr為主，而Cr元素在高溫回火時(shí)，會(huì)增加高溫回火脆性。

綜上所述，通過(guò)對(duì)斷口不同位置的化學(xué)成分分析、電鏡檢測(cè)及能譜分析，初步得出以下結(jié)論：由于高鉻鋼心部澆注溫度高，將Cr元素帶入下輥頸，Cr元素在一次碳化物中偏聚，使得碳化物韌性降低，脆性增加，在545℃高溫回火下，出現(xiàn)第二類(lèi)回火脆性，在高溫正火所產(chǎn)生的組織應(yīng)力下，碳化物從邊緣向內(nèi)部開(kāi)裂，形成了下輥頸的裂紋源，在大的剪切力和彎矩作用下，裂紋源處應(yīng)力集中，微裂紋擴(kuò)展使得下輥頸出現(xiàn)裂紋。

（4）失效位置分析 粗加工時(shí)，軋輥受力情況如圖6所示，以某工作輥粗加尺寸建立力學(xué)模型，則

圖6 工作輥受力示意

在A(yíng)斷面建立力學(xué)及力偶平衡體系，其剪力與彎矩分布如圖7所示。若澆口端在固定端位置，會(huì)受到大的彎矩及剪切力作用，如在輥頸表面存在缺陷（如圖3a中1、2、3位置），裂紋源擴(kuò)展，在彎矩作用下會(huì)發(fā)生環(huán)狀裂紋；若澆口端在自由端，澆口裂紋源位置只受到大的剪切力作用，發(fā)生失效則為抗剪切失效。

圖7 工作輥剪力及彎矩分布

3.解決措施

（1）增加中間層澆注厚度，調(diào)整中間層澆注時(shí)機(jī)，適當(dāng)降低心部澆注溫度，減少下輥頸Cr元素帶入量，使碳化物不發(fā)生二次回火脆性，從根本上解決裂紋源問(wèn)題。

（2）增加孕育效果，使一次碳化物尺寸及數(shù)量盡量減少，且不發(fā)生偏聚現(xiàn)象。

（3）提高心部鐵液純凈度，適當(dāng)調(diào)整化學(xué)成分。①提高M(jìn)o含量。Mo元素自身不易發(fā)生偏聚，且能阻止有害元素在碳化物周?chē)?，阻止裂紋萌生。②降低Ni、Cu含量。Cu元素在鐵素體周?chē)奂?，造成第二?lèi)回火脆性，Ni元素容易使有害元素在碳化物周?chē)郏沽鸭y易擴(kuò)展。

（4）最終回火降溫階段可適當(dāng)快冷，以消除回火脆性。

（20120919）