生鐵對(duì)復(fù)合鑄鐵軋輥外層材料組織與性能的影響

中國第一重型機(jī)械股份公司 （齊齊哈爾 161042） 閆海濤

天津重型裝備工程研究有限公司 （300457） 王敬華 于進(jìn)濤

我公司鑄鐵軋輥采用離心鑄造方式生產(chǎn)，先利用離心機(jī)澆注軋輥外層材料，而后澆注心部鐵液復(fù)合鑄造而成。復(fù)合鑄鐵軋輥的外層澆注所需鐵液采用工頻感應(yīng)爐或中頻感應(yīng)爐熔煉，原料以生鐵為主，輔以廢鋼和各種合金，因此，生鐵的品質(zhì)優(yōu)劣對(duì)復(fù)合鑄鐵軋輥外層的性能有較大影響。

本文以煉鋼生鐵（L）和鑄造生鐵（M）這兩種不同產(chǎn)地、不同類型的生鐵作為研究對(duì)象，分析檢測(cè)了這兩種生鐵的原始組織和力學(xué)性能，并分別采用該兩種生鐵為原料，在相同條件下按特定成分復(fù)合鑄鐵軋輥外層成分熔煉鐵錠，制取試樣，檢測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)比分析。所制鐵錠與實(shí)際生產(chǎn)中的復(fù)合鑄鐵軋輥外層均為金屬型鑄造而出，其組織性能相似，故研究鐵錠的組織與性能，即能反映復(fù)合鑄鐵軋輥外層的組織和性能，從而探討不同生鐵對(duì)復(fù)合鑄鐵軋輥外層材料組織和性能的影響。

1.生鐵原材料分析

本次試驗(yàn)生鐵原材料選用煉鋼生鐵(L)和鑄造生鐵(M)，其化學(xué)成分見表1。

表1 煉鋼生鐵和鑄造生鐵化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) （%）

從表1可以看出，煉鋼生鐵中Si、Mn、P、Cr、Cu含量都要低于鑄造生鐵，而鑄造生鐵中C含量則比煉鋼生鐵低。

分別對(duì)兩種生鐵進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，得到的金相組織如圖1所示。

圖1 生鐵L和M石墨形態(tài)和基體組織對(duì)比 100×

兩種生鐵的石墨形態(tài)比較如圖1a、b所示，生鐵L和M的石墨形態(tài)和數(shù)量分布明顯不同。生鐵L中石墨為C型和E型石墨，由粗大的初生片狀石墨和許多細(xì)小的片狀石墨組成，石墨數(shù)量較少。生鐵M中石墨為A型和E型石墨，由無方向性細(xì)小片狀石墨組成，且石墨分布均勻，石墨數(shù)量較多。兩種生鐵的石墨形態(tài)有所差異，其主要原因與生鐵的化學(xué)成分有關(guān)，生鐵M的碳含量較低，碳當(dāng)量為4.27%，接近共晶點(diǎn)，在鐵液凝固時(shí)只有共晶石墨析出，而生鐵L的碳當(dāng)量稍偏離共晶點(diǎn)，在鐵液凝固時(shí)有粗大的片狀初生石墨析出。

如圖1c、d所示，生鐵L和生鐵M的基體組織也有較大不同，生鐵L中基體組織主要以萊氏體為主，而生鐵M中則大部分為珠光體，還有少量磷共晶和含Cr碳化物。這種差異的產(chǎn)生可以用這兩種生鐵的化學(xué)成分來解釋。C元素是鑄鐵中產(chǎn)生石墨的重要原因，C含量越高，鐵液中石墨自發(fā)形核量越多，C元素之間相互結(jié)合能力也逐漸增強(qiáng)，因此C可以促進(jìn)石墨化。而Si也是促進(jìn)石墨化元素，其作用比C更大。由于生鐵L的Si含量遠(yuǎn)低于生鐵M，因此生鐵L中C元素石墨化程度較低，基體組織中以萊氏體基體為主。

對(duì)兩種生鐵進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果見表2。從表中可以看出，生鐵L的硬度高于生鐵M。這與兩種生鐵的基體組織不同有關(guān)，生鐵L中基體組織主要為萊氏體，而生鐵M中基體組織主要為珠光體，萊氏體基體硬度比珠光體基體硬度高，故生鐵L的硬度比生鐵M的硬度要高。

表2 生鐵L和M硬度對(duì)比 （HRC）

2.試驗(yàn)方案

（1）化學(xué)成分 采用生鐵L和M作為原材料，參照特定復(fù)合鑄鐵軋輥外層成分熔煉鐵錠L和M，兩支鐵錠化學(xué)成分見表3。

表3 鐵錠L和M化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）試驗(yàn)檢測(cè) 采用生鐵L和M作為原材料啟爐，調(diào)整鐵液化學(xué)成分，加入合金，出鐵溫度1400℃，在相同條件下分別熔煉鐵錠L和M。將鐵錠L和M采用鉬絲切割，制取金相試樣和力學(xué)性能檢測(cè)試樣，分別進(jìn)行金相檢驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)和硬度檢測(cè)。

3.試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）金相組織 觀察鐵錠L和M的金相組織，如圖2所示。

圖2a、b分別顯示鐵錠L和M的石墨分布情況。經(jīng)檢測(cè)，鐵錠L基體組織中石墨含量為2.25%，鐵錠M基體組織中石墨含量為6.37%，鐵錠L中石墨含量明顯低于鐵錠M中的石墨含量。這與鐵錠L和M的原材料有關(guān)，生鐵L中石墨數(shù)量較少，而生鐵M中石墨數(shù)量較多，以這兩種生鐵作為原材料得到的鐵錠中石墨含量情況也相同，這是生鐵遺傳性的體現(xiàn)。

圖2 鐵錠L和M金相組織對(duì)比

圖2c、d分別是鐵錠L和M在鑄態(tài)下的基體組織，從圖中可以看出，鐵錠L和M在鑄態(tài)下基體組織大致相同，均為馬氏體+萊氏體+一次碳化物+石墨。

圖2e、f分別是鐵錠L和M在退火態(tài)下的基體組織，從圖中可以看出，鐵錠L和M的基體組織在退火態(tài)下大致相同，均為回火馬氏體+萊氏體+一次碳化物+石墨+殘留奧氏體。

（2）力學(xué)性能 取自鐵錠L和M的試樣在鑄態(tài)和退火態(tài)分別進(jìn)行硬度檢驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4、表5。從表中可以看出，鐵錠L的硬度在鑄態(tài)和退火態(tài)下均比鐵錠M的硬度高，經(jīng)退火后，兩者的硬度都有所下降。從生鐵原材料分析中可知，生鐵L的硬度比生鐵M的硬度高，在使用兩種生鐵熔煉出同種成分鐵錠L和M后，鐵錠L的硬度還是要高于鐵錠M，這也體現(xiàn)了生鐵的遺傳性。鐵錠L和M的抗拉強(qiáng)度在鑄態(tài)和退火態(tài)下比較，鐵錠L的抗拉強(qiáng)度要高于鐵錠M，退火后兩者抗拉強(qiáng)度都有所升高。

表4 鐵錠L和M硬度對(duì)比 （HRC）

表5 鐵錠L和M抗拉強(qiáng)度對(duì)比 （MPa）

4.結(jié)語

（1）產(chǎn)自不同地域的原料生鐵L和M，在礦源、生產(chǎn)工藝不同的條件下，得到的生鐵化學(xué)成分和基體組織也相應(yīng)不同。

（2）采用生鐵L和M為原材料，參照特定成分復(fù)合鑄鐵軋輥外層成分熔煉鐵錠L和M，而后進(jìn)行金相、拉伸、硬度等檢測(cè)，鐵錠L中石墨含量明顯低于鐵錠M，在鑄態(tài)和退火態(tài)下相比較，鐵錠L硬度比鐵錠M的高，鐵錠L抗拉強(qiáng)度高于鐵錠M。

（3）以生鐵L和M為原材料，選用生鐵L可以獲得強(qiáng)度和硬度更高的復(fù)合軋輥外層。因此在生產(chǎn)鑄鐵軋輥時(shí)，可以根據(jù)不同軋輥力學(xué)性能要求，以及不同軋輥石墨和碳化物含量要求來選擇不同的原料生鐵。