雙金屬?gòu)?fù)合軋輥鑄造工藝的研究現(xiàn)狀與展望

李秀青,宋延沛

(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003)

雙金屬?gòu)?fù)合軋輥鑄造工藝的研究現(xiàn)狀與展望

李秀青,宋延沛

(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003)

闡述了雙金屬?gòu)?fù)合軋輥的研究現(xiàn)狀,詳細(xì)介紹了雙金屬?gòu)?fù)合軋輥的最新鑄造工藝,如噴射鑄造法、連續(xù)鑄造法、電渣熔鑄法、鑲鑄法及離心復(fù)合法等,并對(duì)其研究趨勢(shì)做了展望.

復(fù)合軋輥;鑄造;現(xiàn)狀;展望

礦山、冶金等行業(yè)中耐磨件的消耗量很大,許多零部件因磨損而失效.軋輥、鄂板、錘頭等這些耐磨件如果整體采用高硬度材料制備,不僅使生產(chǎn)成本提高,而且使非工作面機(jī)械加工難度增加,基于此雙金屬?gòu)?fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生.耐磨件采用雙金屬?gòu)?fù)合材料,就是工作面采用高硬度材料,而非工作面采用高韌性或加工性能好的材料,這樣既經(jīng)濟(jì)又合理安全.當(dāng)前,如何滿(mǎn)足日益發(fā)展的軋制技術(shù)對(duì)軋輥性能越來(lái)越高的要求,已經(jīng)成為軋輥研制者面臨的重要課題[1-2].國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)軋輥已由整體軋輥改為輥芯和工作層為不同材質(zhì)的雙金屬?gòu)?fù)合軋輥,其芯部采用韌性高的材質(zhì),工作層采用耐磨性高的材質(zhì),采用一定的制備工藝將兩者有機(jī)地結(jié)合起來(lái),使軋輥既具有高耐磨性又具有良好的抗沖擊性能[3].軋輥?zhàn)陨淼木C合性能與其制備工藝緊密相關(guān),因此,研究復(fù)合軋輥的制備方法具有重要的意義[4].雙金屬?gòu)?fù)合方法主要分為固-固復(fù)合、液-固復(fù)合和液-液復(fù)合,常用的復(fù)合軋輥鑄造工藝有噴射鑄造法、連續(xù)鑄造法、電渣熔鑄法、鑲鑄法及離心復(fù)合鑄造法等.鑄造工藝研究的重點(diǎn)主要在改善界面結(jié)合狀態(tài)、提高復(fù)合層的結(jié)合強(qiáng)度、減輕合金元素的偏析、減少鑄造裂紋、降低生產(chǎn)成本及提高使用壽命等方面,本文主要介紹幾種復(fù)合軋輥鑄造工藝的研究進(jìn)展?fàn)顩r.

1 雙金屬?gòu)?fù)合軋輥的鑄造工藝

1.1 噴射鑄造法

噴射鑄造法是將精煉后的金屬液霧化后噴射到輥芯上形成堆積層,從而制備出具有良好冶金結(jié)合界面的復(fù)合軋輥的一種方法.該工藝制備出的復(fù)合軋輥具有成分偏析少、碳化物粗大傾向低、組織均勻及熱加工性能好等特性[5].孫德生等人[6]用噴射鑄造工藝成功地制備了Cr12MoV鋼-碳鋼復(fù)合軋輥.該法首先將Cr12MoV鋼母材重熔,然后將其由坩堝底部直接注入霧化艙進(jìn)行噴射成形.結(jié)果表明:噴射成形Cr12MoV鋼的顯微組織由均勻細(xì)小的等軸晶和碳化物顆粒組成,平均粒度約為18μm,無(wú)宏觀缺陷;與重力澆注坯件相比Cr12MoV鋼中碳化物的類(lèi)型未變,仍為Cr7C3,但其形貌、尺寸及分布方式均發(fā)生了有益的變化,致使顯微組織的均勻度明顯提高.

英國(guó)國(guó)家軋輥制造公司[7]采用噴射鑄造工藝生產(chǎn)了Φ400mm×1000mm高速鋼復(fù)合軋輥,其組織比鍛造的還要細(xì)微,粗大的碳化物完全消除,輥芯與噴射層之間形成良好的冶金結(jié)合,軋輥的抗疲勞性能得到提高,使用壽命為傳統(tǒng)鑄造高速鋼軋輥的2倍以上.噴射鑄造工藝的不足之處是成本比較高,不利于大批量生產(chǎn).

1.2 連續(xù)鑄造法

日本新日鐵公司最先研發(fā)出用連續(xù)鑄造法制備雙金屬?gòu)?fù)合軋輥,該法將熔化的外層金屬澆入結(jié)晶器中與預(yù)先置于結(jié)晶器中的芯棒相接觸,以一定的速度向下拉動(dòng)芯棒,使外層金屬與芯棒在結(jié)晶器中完成復(fù)合及凝固,最終抽出復(fù)合軋輥,為使外層材質(zhì)與芯棒完全熔敷,一般采用電磁感應(yīng)加熱法對(duì)金屬液及芯棒進(jìn)行加熱.采用該法生產(chǎn)出來(lái)的復(fù)合軋輥的工作層具有優(yōu)異的力學(xué)性能及耐高溫性能,金相組織結(jié)構(gòu)良好,可以以鑄代鍛.該方法既可以生產(chǎn)新軋輥,也可以修復(fù)舊軋輥,因而受到相關(guān)領(lǐng)域科技工作者的高度關(guān)注[7-11],圖1為連續(xù)鑄造法示意圖[12].邵抗振等人[13]運(yùn)用該法成功地制備出了以高鉻鑄鐵為耐磨層,以35CrMo低合金鋼為芯軸的雙金屬?gòu)?fù)合冷軋輥.該法在澆注前用升降裝置把鑄型升至高處,把芯軸放入鑄型中相應(yīng)的位置,啟動(dòng)電磁感應(yīng)加熱裝置預(yù)熱芯軸到設(shè)計(jì)的溫度,立即澆入熔煉好的鐵水,保溫一定時(shí)間,然后用升降裝置使鑄型以適當(dāng)?shù)乃俣认陆抵恋撞亢笸Ｖ构?在該工藝條件下軋輥實(shí)現(xiàn)了至上而下順序的凝固,有利于金屬液的補(bǔ)縮,減少了缺陷.結(jié)果表明,復(fù)合界面達(dá)到了良好的冶金結(jié)合,表面耐磨層上下內(nèi)外的硬度均勻性很好,軋輥的磨損周期為9Cr2Mo軋輥的3倍以上.

圖1 連續(xù)鑄造法生產(chǎn)復(fù)合軋輥的示意圖Fig.1 The schematic sketch of the composite roll with continuous casting process

1.3 電渣熔鑄法

電渣熔鑄法是熔化與成型相結(jié)合的一種鑄造方法,其基本過(guò)程是在韌性好、強(qiáng)度高的芯材周?chē)胖猛蔫T模,并在芯材與鑄模之間放置由高耐磨性和高硬度材料制成的自耗電極,自耗電極熔化后即作為外層材料連續(xù)填充此空間,從而形成復(fù)合軋輥[14-15].由于外層材料經(jīng)電渣精煉潔凈度高,采用該法可以很方便地將兩種性質(zhì)不同的金屬材料熔鑄在一起[16-17],但有一個(gè)較大的缺點(diǎn)即成本比較高及制造較大尺寸軋輥比較困難,圖2為電渣熔鑄法示意圖[8].烏克蘭巴頓電焊研究院 Elmet-Roll科研組與Novo Kramatorsk機(jī)械廠合作,采用電渣熔鑄法成功地制備出直徑740 mm、工作層為高速鋼、內(nèi)芯為45號(hào)鋼的復(fù)合軋輥,其壽命為合金鑄鐵軋輥的4～4.5倍[18].南昌核星電渣冶金機(jī)械廠開(kāi)發(fā)了一種電渣熔鑄-熔焊新工藝,實(shí)現(xiàn)了高合金耐磨鋼輥身與低合金鋼輥頸的復(fù)合,使軋輥的耐磨性、抗剝落性及抗斷裂性等性能大幅度地提高.該工藝采用輥身預(yù)熱、熔鑄過(guò)程中精確控溫、立式電渣熔焊等項(xiàng)技術(shù)來(lái)有效地控制熱應(yīng)力分布,以防止熱應(yīng)力微裂紋的產(chǎn)生,應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)可使軋輥材料的利用率達(dá)80%,節(jié)能達(dá)40%[19].

圖2 電渣熔鑄法示意圖Fig.2 The schematic sketch of the electric slag process

圖3 鑲鑄工藝示意圖Fig.3 The schematic sketch of the casting-in process

1.4 鑲鑄法

鑲鑄法是先在型腔內(nèi)放入具有良好耐磨性的鑲塊,如高鉻白口鐵、硬質(zhì)合金等,然后澆注具有良好韌性的熔融母液,如普通碳素鋼、低合金鋼等,在母液強(qiáng)烈的熱作用下,鑲塊與母液的接觸面在一定的時(shí)間內(nèi)處于熔化或溶解狀態(tài)并發(fā)生元素的擴(kuò)散及冶金反應(yīng),冷凝后鑲塊與母材熔為一體.該法具有鑲鑄件表面質(zhì)量易控制、工藝簡(jiǎn)單及成本較低等特點(diǎn)[20-21].江西省機(jī)械科研所堯登燦等人[22]采用鑲鑄工藝制備出了 TLMW50鋼結(jié)硬質(zhì)合金/Q T40-10復(fù)合軋輥,并研究了QT40-10與鋼結(jié)硬質(zhì)合金質(zhì)量比對(duì)鑄件鑲鑄結(jié)合程度的影響.該法是利用溢流槽的大小來(lái)控制兩種合金的結(jié)合面處于熔融狀態(tài)的時(shí)間,以實(shí)現(xiàn)鑲鑄界面良好的暗盒結(jié)合.當(dāng)Q T40-10與TLMW50鋼結(jié)硬質(zhì)合金的質(zhì)量比值為18.1時(shí),兩種材料全部實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合,過(guò)渡區(qū)的寬度為0.3～0.4 mm,組織細(xì)密無(wú)裂紋,其橫向斷裂強(qiáng)度為1118 MPa.經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證,復(fù)合軋輥的使用壽命與整體鋼結(jié)硬質(zhì)合金軋輥的相當(dāng),成本卻下降了30%以上,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益.圖3為鑲鑄工藝示意圖.

1.5 離心復(fù)合法

離心復(fù)合法是制造雙金屬?gòu)?fù)合軋輥廣泛采用的方法,該法先將金屬液澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型中,在離心力作用下成形、凝固,從而獲得軋輥的外工作層,然后裝配鑄型,澆注輥頸和輥芯[23-24].內(nèi)外層的澆注溫度、澆注時(shí)間、離心機(jī)的轉(zhuǎn)速以及澆注的時(shí)間間隔等工藝參數(shù),對(duì)所制備軋輥的質(zhì)量有極大地影響[25-27].用該法生產(chǎn)的軋輥具有外工作層組織致密、鑄造缺陷少、力學(xué)性能好及表面耐磨層硬度高、使用壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn).北京冶金設(shè)備研究院符寒光等人[28]采用離心復(fù)合法在 Ф900 mm×1800 mm立式離心機(jī)上制備出了 Ф275 mm×400 mm的高鉻鑄鐵/灰鐵復(fù)合軋輥,離心機(jī)的轉(zhuǎn)速為 650～800 r/min,外層高鉻鐵水的澆注溫度為1350～1400℃,當(dāng)外層高鉻鐵水的內(nèi)表面溫度降至1200～1300℃時(shí)沖芯,沖芯溫度稍高于外層高鉻鐵水的內(nèi)表面溫度,以保證內(nèi)外層能夠熔合并盡量減少熔合寬度.結(jié)果表明,復(fù)合軋輥的各項(xiàng)機(jī)械性能較好,且具有優(yōu)異的耐磨性,基本實(shí)現(xiàn)了一個(gè)班只需更換一個(gè)軋槽的愿望.中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)公司王志成等人[29],采用離心復(fù)合法制備了高速鋼/球鐵復(fù)合軋輥,他們?cè)谕鈱硬牧吓c芯材之間設(shè)計(jì)了一個(gè)過(guò)渡層,其成分與芯材相近,外層及中間層均在臥式離心機(jī)上進(jìn)行澆注,先澆注外層再澆注中間層,當(dāng)溫度下降至中間層出現(xiàn)固相線(xiàn)拐點(diǎn)3～4 min后停機(jī),將離心鑄件從離心機(jī)上取出,與預(yù)先造好的輥芯和輥頸鑄型進(jìn)行組裝,最后澆注輥芯和輥頸.這種獨(dú)特的三層復(fù)合澆注工藝有效地解決了沖混的問(wèn)題,保證了工作層厚度均勻一致.王興衍[30]也采用同樣的工藝研制了高鉻鑄鐵/球鐵復(fù)合軋輥,在工作層與芯部之間也設(shè)置了過(guò)渡層,不僅解決了工作層中鉻元素向芯部擴(kuò)散的問(wèn)題,而且還解決了兩層澆鑄時(shí)在結(jié)合部位易出現(xiàn)剝落的異狀碳化物的難題,復(fù)合軋輥的毫米軋鋼量達(dá)到5200 t,創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益.

2 展 望

雙金屬?gòu)?fù)合軋輥因其優(yōu)越的性能而受到軋輥業(yè)界人士的強(qiáng)烈關(guān)注,盡管大范圍的應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí),但在復(fù)合軋輥的研究及制備過(guò)程中仍然存在一些急需解決的難題,如復(fù)合軋輥新的制備工藝的開(kāi)發(fā)、外層材料與芯材的界面行為以及軋輥材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能等,均需要進(jìn)行更多地探究及應(yīng)用探索.就鑄造工藝而言,人們會(huì)在不斷改善工藝的同時(shí),加強(qiáng)制備裝置智能控制的研究和開(kāi)發(fā),使雙金屬?gòu)?fù)合軋輥鑄造工藝趨向簡(jiǎn)單化、適用化、自動(dòng)化,同時(shí)人們應(yīng)著眼于研發(fā)具有優(yōu)異的耐磨、耐熱、耐蝕等特殊性能的雙金屬?gòu)?fù)合材料及開(kāi)發(fā)出更好的復(fù)合軋輥鑄造工藝.雙金屬?gòu)?fù)合軋輥的耐磨合金層與芯部合金層的冶金結(jié)合是否良好,直接影響著復(fù)合軋輥的質(zhì)量.因此,人們需要對(duì)界面的凝固機(jī)理進(jìn)行深入探究.

3 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái),雙金屬?gòu)?fù)合軋輥的鑄造工藝取得了很大進(jìn)展,但隨著軋制行業(yè)迅速地發(fā)展,對(duì)軋輥也不斷提出新的性能要求.科研工作者需要繼續(xù)深入研究,不斷取得復(fù)合軋輥鑄造工藝的新突破.

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Present situation and prospect of foundry techniques for bimetallic compound rolls

LI Xiu-qing,SONG Yan-pei
(School of Material Science and Engineering,Henan University of Science and Technology,L uoyang471003,China)

Research situation of bimetallic compound rolls has been introduced in this paper including the up-to-date casting techniques for bimetallic compound rolls,such as injection moulding,continuous casting,electroslag casting,inlay casting and centrifugal composite casting,etc.,and the prospect of them has been also proposed.

compound roll;foundry;present situation;perspective

TG162.6

A

1673-9981(2010)03-0164-05

2010-06-16

李秀青(1983—)男,河南開(kāi)封人,碩士研究生.