張文慈 秦建平 谷 霞 徐龍立

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外板材廠家所使用的精軋軋輥大多數(shù)為高NiCr離心復(fù)合鑄鐵軋輥，其表面硬度在65HS～85HS之間，芯部材質(zhì)為普通球墨鑄鐵。其生產(chǎn)過(guò)程是將熔煉好的高NiCr合金鐵液，澆注在轉(zhuǎn)動(dòng)的模具當(dāng)中，冷卻到一定階段后再填入普通的球墨鑄鐵鐵液。軋輥裂紋是離心鑄造生產(chǎn)復(fù)合軋輥的主要報(bào)廢原因之一，而產(chǎn)生裂紋的原因主要有以下幾方面：(1)化學(xué)成分；(2)涂料；(3)離心機(jī)速度；(4)冷型。

1 裂紋產(chǎn)生的原因

1.1 高鎳鉻軋輥化學(xué)成分分析

實(shí)踐證明，軋輥的化學(xué)成分對(duì)軋輥的組織性能起主導(dǎo)作用。除冷卻速度、冶煉工藝等因素外，各組成化學(xué)元素的含量也存在一定的相互影響與制約。其中碳元素的存在狀態(tài)對(duì)軋輥的組織性能影響很大，而碳元素究竟以石墨或者滲碳體的狀態(tài)存在，取決于鐵水的成分、澆鑄后鐵水的冷卻速度、合金元素的石墨化傾向程度以及鐵水的熔煉工藝。在一定的冷卻條件下，合理的增加含碳量，則會(huì)增加工作層內(nèi)滲碳體的含量，降低白口層的深度，從而使軋輥的硬度增大，同時(shí)軋輥的脆性也會(huì)增高。但是如果碳含量過(guò)高，由于石墨化作用以及石墨偏析的存在，軋輥的硬度與強(qiáng)度反而會(huì)降低，還將導(dǎo)致白口層的組織脆化使軋輥熱穩(wěn)定性降低。

硅元素是比較強(qiáng)烈的石墨化元素，具有一定的脫氧效果，在鑄造軋輥生產(chǎn)中起著調(diào)節(jié)性能的重要作用。但含量過(guò)高時(shí)會(huì)形成粗大的M C 型碳化物以及鐵素體，導(dǎo)致組織的硬度和韌性降低。

錳元素在鐵水中起著脫氧脫硫的作用：FeO+Mn= MnO +Fe、FeS+Mn= MnS+ Fe。所以錳可以凈化鐵水，在合理的規(guī)范內(nèi)增加錳含量，會(huì)細(xì)化金屬基體組織、增加硬度。一般來(lái)說(shuō)，高鎳鉻軋輥中錳的含量為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)0.5%～1%。

磷硫一般情況下被認(rèn)為是難以完全消除的有害元素。磷的存在會(huì)增加軋輥的脆性，軋鋼生產(chǎn)過(guò)程中易造成軋輥斷裂。硫形成的硫化物同樣會(huì)降低軋輥的強(qiáng)韌度，因此應(yīng)該嚴(yán)格控制硫磷的含量。但考慮其他條件如涂料、澆注溫度等不能完全滿足工藝要求的時(shí)候，需要保持一定的磷含量，以防止發(fā)生軋輥開裂。一般要求磷含量在0.2%～0.45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。同時(shí)由于在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)冷硬鑄鐵軋輥澆注前幾分鐘加入適量的硫可以細(xì)化組織，并增加白口層的硬度，所以一般硫的含量要求在0.01%～0.05%。

鎳和硅一樣具有石墨化的作用，在軋輥生產(chǎn)中，合理的加入一定量的硅，還可以增加軋輥的淬透性，在高鎳鉻軋輥的生產(chǎn)中，鎳的加入量一般要保持在3.5%～5%。

鉻在鑄造過(guò)程中會(huì)形成穩(wěn)定的M3C，能夠提高軋輥的淬透性和熱穩(wěn)定性，在工藝要求范圍內(nèi)軋輥的硬度隨著鉻含量的增加而增高，但同時(shí)軋輥的脆性也隨之增高。鉻一般與鎳、鉬等配合使用，相互制約。

鉬元素的加入可以細(xì)化石墨，在鑄鐵軋輥生產(chǎn)中有著溫和碳化物形成的作用，使軋輥的強(qiáng)度和高溫性能得到改善。一般要求鉬的含量在0.2%～0.6%。

1.2 冷型與軋輥涂料

冷型與軋輥涂料在軋輥生產(chǎn)中起著重要的作用，對(duì)裂紋的產(chǎn)生有著很大的影響。在外力或者熱應(yīng)力的作用下，軋輥冷型會(huì)發(fā)生變形，嚴(yán)重情況下會(huì)產(chǎn)生內(nèi)壁裂紋或者蝕坑，裂紋處的涂料厚度將會(huì)大于其周圍區(qū)域。在冷型裂紋處的金屬由于熱傳導(dǎo)速度小，凝固速度將低于其他部位，這樣裂紋處的金屬將會(huì)受到收縮應(yīng)力的作用而產(chǎn)生與冷型內(nèi)表面裂紋一致的裂紋。而涂料的作用就是調(diào)整冷卻速度，以降低鐵水對(duì)冷型的熱沖擊。如果涂料有局部的脫落或者厚度不均勻，在涂料薄的地方熱量傳導(dǎo)速度快，涂料厚的地方速度慢，那么鐵水澆入冷型后同樣會(huì)冷熱不均勻?qū)е率湛s不均勻而產(chǎn)生裂紋。如果涂料過(guò)厚，在與鐵水的摩擦以及離心力的作用下，涂料會(huì)變得開裂或者剝落，在軋輥凝固的過(guò)程中，同樣會(huì)產(chǎn)生裂紋。好的軋輥涂料應(yīng)該具有光滑致密的表面，且硬度由里至外逐漸變化。

1.3 離心機(jī)速度

在離心鑄造軋輥的生產(chǎn)過(guò)程中，由于鑄型的高速轉(zhuǎn)動(dòng)是在離心機(jī)上完成的，所以離心機(jī)的不同速度將會(huì)對(duì)軋輥的成形產(chǎn)生很大的影響。如果離心機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低，則會(huì)產(chǎn)生較大的震動(dòng)，對(duì)于合金含量較高的軋輥來(lái)說(shuō)，鐵水發(fā)生合金偏析的可能性將會(huì)增大。合金偏析將會(huì)造成軋輥輥身組織性能的不均勻，且偏析程度隨著震動(dòng)的增大而增大，其中鎳與鉻的偏析更加明顯。如果離心機(jī)的轉(zhuǎn)速過(guò)高，則會(huì)加快鐵水的冷卻速度，由于巨冷而產(chǎn)生表面裂紋。

2 實(shí)例分析與判斷

在同期生產(chǎn)的24根軋輥中，一共出現(xiàn)兩根軋輥輥身出現(xiàn)裂紋，見(jiàn)圖1、圖2。從表面上看，兩根軋輥的裂紋性質(zhì)是不同的。

2.1 化學(xué)成分比較

首先我們分析了化學(xué)成分的原因。通過(guò)與其余同期生產(chǎn)的12根正常的軋輥比較，比較其外層C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Ni等化學(xué)成分含量，通過(guò)比較我們得到以下信息：碳含量范圍均控制在3.1%～3.4%內(nèi)，屬于正常范疇；硅含量范圍均在1.0%～1.2%；錳含量范圍在0.6%～0.8%；磷含量均在0.045%以下，硫含量均在0.035%以下，鉻含量在1.65%～1.85%；鉬含量在0.4%～0.5%；鎳含量在3.8%～4.2%。所有元素均在控制范圍內(nèi)。同時(shí)復(fù)檢的結(jié)果與上述結(jié)果基本無(wú)差別，因此基本排除了化學(xué)成分的原因。

圖1 1#軋輥裂紋形狀Figure 1 No.1 roll crack shape

圖2 2#軋輥裂紋形狀Figure 2 No.2 roll crack shape

2.2 金相分析

1#軋輥裂紋的開裂位置位于軋輥的內(nèi)層與中間層之間，此類型的裂紋多由結(jié)合不良或者內(nèi)應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生。該軋輥的外層設(shè)計(jì)澆注厚度為110 mm，而從斷面測(cè)量得知，該軋輥的外層厚度為80 mm。這說(shuō)明有將近30 mm的外層被熔合，由此可以基本排除結(jié)合不良的可能性。雖然從圖1的斷面上我們能看到結(jié)合部位有明顯的分界線，看上去沒(méi)有結(jié)合好，其實(shí)是由于材質(zhì)的不同造成的。軋輥的內(nèi)層為球墨鑄鐵，外層為高合金冷硬鑄鐵，因此呈現(xiàn)出不同的顏色。外層與中間層，中間層與內(nèi)層之間都會(huì)出現(xiàn)一條分界線，屬于正?，F(xiàn)象。為了判斷是否是由內(nèi)應(yīng)力過(guò)大造成的，我們做了金相分析。

圖3 1#裂紋處金相Figure 3 No.1 roll crackle metallographic

圖4 2#軋輥裂紋處金相Figure 4 No.2 roll crackle metallographic

由金相圖3、圖4我們可以看出，雖然兩支軋輥的裂紋形狀差距較大，但二者的裂紋處金相有著相同的特征。軋輥外層石墨非常少且形狀像團(tuán)絮狀，跟正常軋輥外層的蠕蟲狀石墨有所不同。且裂紋處的石墨形態(tài)很差，存在片狀割裂體，晶粒大小差距比較大。初步判斷是由于冷卻速度過(guò)快導(dǎo)致軋輥內(nèi)應(yīng)力過(guò)大造成的。軋輥外層與中層的結(jié)合處相對(duì)比較脆弱，所以更容易開裂。查看該軋輥生產(chǎn)記錄，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)該軋輥時(shí)的離心機(jī)轉(zhuǎn)速為120 G，明顯高于其余13根(90 G)。

3 改良措施

通過(guò)以上分析我們得知，兩支軋輥出現(xiàn)裂紋的原因均為離心機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)快。針對(duì)原因我們提出以下改進(jìn)措施。

3.1 計(jì)算調(diào)整冷型轉(zhuǎn)速

計(jì)算冷型轉(zhuǎn)速的經(jīng)驗(yàn)公式有：①重力系數(shù)鑄型轉(zhuǎn)速計(jì)算公式；②凱門鑄型轉(zhuǎn)速計(jì)算公式；③康斯坦丁諾夫鑄型轉(zhuǎn)速計(jì)算公式。其中重力系數(shù)鑄型轉(zhuǎn)速計(jì)算公式較適用于軋輥冷型的轉(zhuǎn)速計(jì)算，該公式為：

式中：n為冷型轉(zhuǎn)速(r /min)；r0為型腔內(nèi)半徑(m)；G為重力系數(shù)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，我們采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算冷型速度后，還要根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)情況適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行調(diào)整。如果成分偏析情況嚴(yán)重時(shí)，可適當(dāng)?shù)奶岣呃湫娃D(zhuǎn)速，但不可調(diào)整的太過(guò)，否則將會(huì)出現(xiàn)上述的情況導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

3.2 適當(dāng)調(diào)整合金成分含量

在不影響軋輥工作層使用性能的前提下，適當(dāng)降低工作層中形成碳化物元素的含量，提高硅含量，以盡可能縮小合金結(jié)晶溫度范圍，減小合金的收縮量，降低熱應(yīng)力，從面降低裂紋敏感性。適當(dāng)提高鉬含量，以提高合金高溫強(qiáng)度，減小裂紋傾向。加強(qiáng)對(duì)有害元素的控制；加強(qiáng)還原期控制，采用變質(zhì)孕育工藝；加強(qiáng)爐內(nèi)除氣去渣措施與采取有效的脫硫脫氧工藝，達(dá)到凈化鐵液的目的，并使石墨形態(tài)由片狀改變?yōu)閳F(tuán)狀或蠕蟲狀。減少片狀石墨在基體中的割裂作用，從而強(qiáng)化基體，提高抗裂紋能力。

3.3 合理配制涂料

合理配制涂料，并充分?jǐn)嚢枰蕴岣咄苛铣煞值木鶆蛐?。同時(shí)，在離心過(guò)程中，保證“O”型玻璃渣撒均勻，無(wú)裸露表面。在冷型的兩端采取保溫措施，降低兩端的冷卻速度，使之與中部的冷卻速度相同。

4 結(jié)語(yǔ)

生產(chǎn)高鎳鉻離心復(fù)合軋輥時(shí)，我們必須針對(duì)產(chǎn)生裂紋的不同原因做合理的工藝調(diào)整。通過(guò)以上改進(jìn)措施，我們解決了該型號(hào)軋輥的裂紋問(wèn)題，大大降低了軋輥的裂紋率，同時(shí)也提高了軋輥的抗裂性能，穩(wěn)定了質(zhì)量。

[1] 高軍芳，劉兵群. 高鎳鉻鑄鐵軋輥輥身微裂紋綜合防止方法.金屬鑄鍛焊技術(shù)，2008(4)：86-88.

[2] 鐘相昭.高鎳鉻離心復(fù)合鑄造軋輥裂紋剝落分析及控制.河南冶金，2007(9)：77-80.

[3] 王殿剛，楊和林.鑄造軋輥生產(chǎn).北京：冶金工業(yè)出版社，1988：297-338.