楊詠階，李東波,張俊延

(1.山東廣富集團有限公司，山東濱州 256217；2.鄒平鑫特鑄造科技有限公司，山東濱州 256217）

隨著技術(shù)的進步和軋制產(chǎn)品要求的提高，對軋輥材料的性能要求越來越高。單一金屬的性能往往不能滿足生產(chǎn)的需求，而雙金屬復(fù)合材料由于同時兼具兩種金屬材料的優(yōu)點，得到了日益廣泛的應(yīng)用。許多學(xué)者對新型軋輥材質(zhì)及其制造工藝進行了研究[1~4]。

同傳統(tǒng)老式軋機精軋機架采用貝氏體球墨鑄鐵軋輥或無限冷硬鑄鐵軋輥相比，高速鋼軋輥不僅使用壽命長、軋機作業(yè)率高，而且軋材尺寸精度得到了提高，軋材表面質(zhì)量顯著改善。高速鋼軋輥在棒線材軋機上具有廣闊的市場空間和應(yīng)用前景，提高高速鋼軋輥質(zhì)量和使用壽命對于軋輥生產(chǎn)企業(yè)、軋鋼企業(yè)都具有重大意義。國內(nèi)某鑄造企業(yè)針對離心復(fù)合鑄造高速鋼軋輥質(zhì)量的控制進行了研究。

1 工藝流程

圖1 離心鑄造工藝流程圖

圍繞著軋輥外層與芯部的冶金結(jié)合問題，高速鋼軋輥的制造技術(shù)不斷發(fā)展，從最早的離心鑄造法發(fā)展到后來的連續(xù)澆鑄復(fù)合法、電渣熔鑄法、熱等靜壓法和噴射成型法，各鑄造工藝的優(yōu)缺點各有不同。離心鑄造法由于生產(chǎn)裝備簡單、工藝穩(wěn)定、效率高、生產(chǎn)成本低，通過合理設(shè)計合金成分和工藝參數(shù)，生產(chǎn)出的軋輥仍可以滿足大多數(shù)軋機的需要，因而在相當(dāng)長一段時間內(nèi)仍將處于主導(dǎo)地位[5]。

某公司軋輥鑄造工藝流程：使用5t和2t中頻感應(yīng)電爐熔煉金屬溶液，采用臥式離心鑄造法生產(chǎn)高速鋼軋輥，軋輥生產(chǎn)流程如圖1所示。

使用過程中發(fā)現(xiàn)，高速鋼軋輥經(jīng)常容易出現(xiàn)工作層剝落的現(xiàn)象（見圖2）。結(jié)合層結(jié)合不良是導(dǎo)致剝落的主要原因，控制好結(jié)合層是實現(xiàn)高速鋼與球墨鑄鐵良好結(jié)合的關(guān)鍵，需要制定合適的控制工藝。

圖2 軋輥工作層剝落情況

2 軋輥材質(zhì)

該公司離心復(fù)合鑄造高速鋼軋輥工作層材質(zhì)為高速鋼，具有很好的紅硬性、耐磨性和淬透性，芯部為滿足韌性要求的高強度球墨鑄鐵。將兩種不同的材料通過離心復(fù)合鑄造制成高速鋼軋輥。設(shè)計的材質(zhì)成分見表1。

3 高速鋼軋輥結(jié)合層質(zhì)量工藝控制措施

針對離心復(fù)合鑄造高速鋼軋輥結(jié)合層出現(xiàn)嚴重剝落問題，在生產(chǎn)中采取如下工藝控制措施。

3.1 離心機停轉(zhuǎn)溫度控制

控制好離心機的停轉(zhuǎn)溫度，使外層鋼水處于完全凝固的臨界狀態(tài)最為理想。停轉(zhuǎn)溫度過高，外層鋼水還未完全凝固，會造成外層鋼水出現(xiàn)局部坍塌，產(chǎn)生一個塌陷區(qū)。塌陷區(qū)部分鋼水二次氧化，就會出現(xiàn)結(jié)合層夾渣缺陷。如果停轉(zhuǎn)溫度過低，為防止鋼水表面氧化而加入的玻璃渣熔液將變稠，離心過程中甩到鋼水內(nèi)表面的熔渣熔點提高，導(dǎo)致在填芯時熔化困難，造成融合量不足，嚴重時造成完全不結(jié)合，直接影響到外層與芯部的結(jié)合質(zhì)量，出現(xiàn)結(jié)合層夾渣缺陷。

為了準(zhǔn)確控制停轉(zhuǎn)溫度，根據(jù)生產(chǎn)軋輥規(guī)格和工作層厚度，運用鋼錠凝固平方根定律估算停轉(zhuǎn)時間，再根據(jù)經(jīng)驗加以修正。根據(jù)表1成分計算，高速鋼固相線溫度約為1283℃。因此，確定離心機停轉(zhuǎn)溫度為1260～1270℃，用連續(xù)式紅外測溫儀監(jiān)控外層鋼水溫度。

3.2 填芯間隔時間控制

填芯間隔時間過長會造成外層鋼水自由表面溫度過低，使防氧化玻璃熔渣和內(nèi)表面的渣子流動性變差，而不能上浮。為此，需合理控制填芯間隔時間，合理布置離心機與澆注地坑的距離。根據(jù)生產(chǎn)的軋輥規(guī)格不同，通常3～6分鐘即可滿足合型時間要求。

3.3 填芯鐵水澆注溫度控制

填芯鐵水澆注溫度過高，會將已經(jīng)凝固的外層鋼水熔蝕過多，外層鋼水中強碳化物形成元素鉬、鉻進入芯部鐵水中，造成芯部合金總量增加，使得芯部組織尤其是結(jié)合層部位的碳化物數(shù)量過多，造成結(jié)合層強度和芯部強度急劇降低。澆注溫度過低，氧化渣和玻璃渣不能有效上浮，芯部金屬不能熔蝕足夠外層金屬，造成結(jié)合不良，且大量超標(biāo)夾渣分布于結(jié)合層上。

填芯鐵水為結(jié)合層熔融結(jié)合提供熱能，芯部鐵水一般存在球化孕育過程，需要與工作層操作配合好，在離心機尚未停轉(zhuǎn)前通知芯部出鐵。通過控制出鐵溫度來保證芯部澆注溫度。出鐵溫度控制在 1500～1520℃，填芯溫度控制在 1410～1430℃。

3.4 離心鑄造過程控制

及時加入防氧化玻璃渣，對鋼水內(nèi)表面起保護作用，防止鋼水內(nèi)表面產(chǎn)生高熔點氧化物，同時要求玻璃渣具有良好的流動性，迅速對內(nèi)表面形成一層保護膜，在冷型起吊時保證有一薄層吸附在內(nèi)表面，起到保溫和防止氧化的作用，其余流出。合理控制填芯速度，使吸附部分在接觸芯部鐵水后能馬上上浮。根據(jù)生產(chǎn)實踐，確定離心機速度為 850r/min，填芯速度控制在（7～10）kg/s。

表1 材質(zhì)成分ωB/%

3.5 爐料控制

選用低硫、低磷優(yōu)質(zhì)合金料和鋼鐵料。減少銹蝕原材料的加入，減少夾雜物的產(chǎn)生，提高鋼、鐵水的純凈度。S、P均為表面活性元素，在一定范圍內(nèi)隨其含量的增加，鋼的抗裂性隨之降低，所以含量應(yīng)嚴格控制在0.020%以下。

3.6 外層鋼水熔煉

先將高熔點合金鉻鐵、釩鐵進行破碎，破碎后加入爐內(nèi)，加快合金的融化速度。同時，熔煉時向爐內(nèi)加入玻璃碎片防止鋼水氧化，爐內(nèi)、爐外扒渣要干凈。

4 軋輥（?380×650mm）檢測結(jié)果

4.1 結(jié)合層形貌

通過肉眼觀察高速鋼軋輥，發(fā)現(xiàn)外層與芯部的結(jié)合層無明顯的物理界面，基本呈連續(xù)一致狀態(tài)，如圖3所示。切取軋輥橫截面試樣，進行金相分析，發(fā)現(xiàn)石墨形態(tài)由外向內(nèi)由蠕蟲狀變?yōu)榍驙?，根?jù)石墨形態(tài)的變化來觀察到兩層的存在，而且分界面是起伏不規(guī)則的形狀，說明外層與芯部實現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。

4.2 結(jié)合層探傷檢測

圖3 結(jié)合層形貌

圖4 不同部位的金相圖

在實際生產(chǎn)中，通過輥身斷面粗加工，肉眼觀察輥身兩端結(jié)合層，看結(jié)合熔融層是否良好以及工作層是否在填芯過程中被沖偏。用板尺測量工作層厚度，初步判斷結(jié)合層質(zhì)量的好壞，然后再做進一步深度檢測。使用超聲波探傷儀對結(jié)合層進行探傷檢測，沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，說明結(jié)合層控制良好。

4.3 力學(xué)性能檢測

從軋輥上切取了包含工作層、結(jié)合層和芯部的試樣，試樣加工成圖5所示的形狀，測得試樣抗拉強度為420MPa、470MPa。斷裂部位位于試樣根部，說明結(jié)合層抗拉強度還要大于此值，且大于輥頸強度（≥350MPa）要求。

圖5 斷裂部位示意圖

5 軋輥使用效果

（1）通過檢測結(jié)果來看，該工藝生產(chǎn)的離心復(fù)合鑄造高速鋼軋輥（?380×650mm）滿足要求，解決了由于結(jié)合層質(zhì)量差導(dǎo)致的軋輥在使用過程中輥身剝落問題，工作層剝落率下降了90.2%。

（2）優(yōu)化工藝后，高速鋼軋輥工作層與芯部實現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合，軋輥服役期大幅提高。

6 小結(jié)

（1）采用離心鑄造工藝，使用高速鋼作為工作層、球磨鑄鐵作為芯部材料生產(chǎn)高速鋼軋輥。

（2）通過控制離心機停轉(zhuǎn)溫度、填芯間隔時間、填芯鐵水澆注溫度、離心鑄造過程、爐料、外層鋼水熔煉情況等因素，提高了高速鋼軋輥結(jié)合層的質(zhì)量。

（3）金相檢驗、探傷檢測和結(jié)合層抗拉強度檢測結(jié)果表明：優(yōu)化工藝后，軋輥結(jié)合層質(zhì)量滿足生產(chǎn)要求，軋輥工作層剝落問題得到了解決。

[1] 胡冰,那順桑,陶進長,等.離心鑄造雙金屬結(jié)合層的研究[J]．熱處理，2008,23(6)：51-54．

[2] 張玉芝.離心鑄造高速鋼復(fù)合軋輥的研究[J].熱加工工藝,2015(5)：103-106．

[3] 袁乃博,毛衛(wèi)民．高速鋼離心復(fù)合軋輥結(jié)合層質(zhì)量的研究[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2007(4)：19-22．

[4] 王志成,付會敏,李劍平,等.離心鑄造高速鋼-球鐵復(fù)合軋輥的制造工藝[J].現(xiàn)代鑄鐵,2009,29(3)：44-48.

[5] 劉均賢,韓靜濤,張永軍.軋輥用高速鋼材料的研究現(xiàn)狀[J].材