高鎳鉻離心復(fù)合鑄鐵軋輥輥身裂紋的防止

王江園

摘 要：高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥由于其良好的耐磨性、抗粘性、抗熱裂性和抗剝落性，被廣泛的應(yīng)用于型鋼、線材、棒材和帶鋼的熱連軋機(jī)用輥。目前，國內(nèi)外幾乎所有熱軋帶鋼連軋機(jī)精軋后段工作輥，甚至部分精軋前段工作輥仍然采用高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥。

關(guān)鍵詞：高鎳鉻；鑄鐵軋輥；裂紋；防止

高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥的生產(chǎn)方式主要有底漏法、沖洗法、離心復(fù)合法、CPC連續(xù)澆注法、電渣重熔法等，而離心復(fù)合鑄造法由于工藝簡單，在保證鑄造質(zhì)量的同時，又能極大節(jié)約鐵水和合金，因此被廣泛應(yīng)用于高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥的生產(chǎn)。但是，在離心鑄造過程中，由于離心機(jī)的震動，金屬型的激冷作用等因素，通過離心鑄造生產(chǎn)的高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥容易出現(xiàn)裂紋，如圖1所示，為離心機(jī)震動過大導(dǎo)致打箱后的高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥輥身表面出現(xiàn)軸向裂紋，該軋輥直接報廢。因此，研究分析高鎳鉻無限冷硬離心復(fù)合鑄造軋輥輥身裂紋產(chǎn)生原因，找出相應(yīng)應(yīng)對措施，控制和減少輥身裂紋的產(chǎn)生，對提高高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥產(chǎn)品合格率具有重要意義。

1 裂紋產(chǎn)生原因

研究高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥輥身裂紋形貌特征，分析軋輥離心復(fù)合鑄造工藝參數(shù)，綜合考慮各方面因素，得出高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥輥身裂紋產(chǎn)生原因主要有以下因素：

1.1 化學(xué)成分

高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥外層材質(zhì)為高鎳鉻無限冷硬鑄鐵，芯部材質(zhì)為球墨鑄鐵，由于兩種材質(zhì)收縮系數(shù)不同，且芯部球墨鑄鐵在凝固后期還有石墨化膨脹現(xiàn)象，因此這直接決定離心復(fù)合鑄鐵軋輥本身具有一定的裂紋傾向。

高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥外層化學(xué)成分中，碳、鉻、鉬等三種元素的波動對軋輥裂紋產(chǎn)生有較大影響。碳作為鑄鐵組織中碳化物和石墨的主要形成元素，當(dāng)鐵水中硅、鉻的含量一定，且冷卻速度一定時，隨著碳含量的增加，鑄鐵基體組織中碳化物的含量也會相應(yīng)增加，大量的碳化物，會使輥身組織的脆性增加，容易產(chǎn)生裂紋。

1.2 涂料因素

為了保證外層鐵水同輥身金屬模之間不發(fā)生粘接，方便脫模，并減少鐵液對金屬模的熱沖擊，在輥身金屬模內(nèi)壁會掛涂一層2mm左右厚度涂料。當(dāng)所掛涂涂料的厚度不均勻或在輥身金屬模高速旋轉(zhuǎn)和鐵液的熱沖擊下，涂料局部開裂或脫落時，鐵液澆入輥身金屬模后，各部位冷熱不均，不但會增加軋輥輥身裂紋傾向，還會使金屬模因激冷產(chǎn)生裂紋，縮短金屬模使用壽命。

1.3 離心機(jī)轉(zhuǎn)速

當(dāng)離心復(fù)合鑄造軋輥進(jìn)行離心澆注時，由于輥身金屬模需要進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動，不可避免會產(chǎn)生較大的震動。離心機(jī)轉(zhuǎn)速越大，輥身金屬模的震動越大。離心機(jī)的轉(zhuǎn)速過低，離心力過小，臥式離心機(jī)在澆注過程中，會發(fā)生雨淋現(xiàn)象，導(dǎo)致輥身部位產(chǎn)生縮松夾渣等缺陷；離心機(jī)的轉(zhuǎn)速過高，先期凝固外層會受到未凝固內(nèi)層鐵液的離心壓力，由于先期凝固外層鐵液凝固時間短，又受到內(nèi)部鐵液的高溫加熱，凝固區(qū)域內(nèi)部晶體間結(jié)合力較弱，即強(qiáng)度較低，較大的離心壓力，極易將先期凝固外層撕裂，導(dǎo)致輥身產(chǎn)生軸向裂紋。

1.4 芯部鐵液澆注條件

高鎳鉻無限冷硬離心復(fù)合鑄造軋輥外層鐵液澆入輥身金屬模中后，經(jīng)過離心運(yùn)動均勻鋪滿輥身金屬模，當(dāng)鐵液完全凝固后，將輥身金屬模同下輥頸箱、上輥頸箱和冒口等立式組裝在一起，澆注芯部鐵液。芯部鐵液的熔煉質(zhì)量、澆注溫度、硫磷元素含量等因素均會影響結(jié)合層的質(zhì)量。當(dāng)芯部鐵液中殘余鎂量過高時，容易在結(jié)合層部位形成塊狀萊氏體型碳化物，隨著芯部金屬液的高溫加熱作用，這些碳化物會生長得異常粗大，且結(jié)晶傾向性差，在結(jié)合層部位就會形成大量平行輥身軸向萊氏體型碳化物群，使得結(jié)合層結(jié)合不良。當(dāng)結(jié)合層發(fā)生結(jié)合不良或有夾渣缺陷，會在結(jié)合層力學(xué)性能比較薄弱的部位產(chǎn)生裂紋，并隨著鑄造應(yīng)力的作用，不斷向外擴(kuò)展，導(dǎo)致輥身表面產(chǎn)生裂紋。

2 裂紋的防止措施

綜合上述分析可知，高鎳鉻無限冷硬離心鑄造軋輥輥身裂紋產(chǎn)生的原因可能是各方面因素引起的，因此針對這些因素，可以采取以下措施來防止輥身裂紋的產(chǎn)生。

2.1 控制外層鐵水成分

精確控制外層鐵水化學(xué)成分，保證碳含量在3.0～3.5%，鉻含量在1.6～1.8%，鉬含量在0.2～0.6%。防止由于外層鐵水中碳鉻鉬等元素含量的波動引起的裂紋傾向。

2.2 合理選擇涂層涂覆工藝

在配制涂料時，注意保證涂料充分?jǐn)嚢?，避免因涂料本身不均勻?qū)е峦繉雍穸炔痪鶆?。在涂料的涂覆?yīng)選擇噴涂或滾涂，盡量不選擇掛涂，因掛涂涂層均勻性差，且易發(fā)生脫落。

在涂料涂覆時，合適的離心機(jī)轉(zhuǎn)速和合理的模具溫度，也是保證涂層厚度均勻性的重要條件。離心機(jī)轉(zhuǎn)速不當(dāng)，會影響涂料的流平性，造成涂層厚度不均勻；輥身金屬模溫度過低，涂料固化成形性差，涂層強(qiáng)度低；輥身金屬模溫度過高，涂層表面會產(chǎn)生結(jié)瘤現(xiàn)象，造成涂層表面不平整，影響軋輥表層質(zhì)量。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)，離心機(jī)轉(zhuǎn)速選擇在600～700rad/min，輥身金屬模溫度選擇在180～220℃，涂料噴涂效果較好。

2.3 合理選擇離心機(jī)轉(zhuǎn)速

離心鑄件在實(shí)際生產(chǎn)過程中通常用一些經(jīng)驗(yàn)公式來計算離心機(jī)轉(zhuǎn)速，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正完善。常用的公式有：康斯坦丁諾夫鑄型轉(zhuǎn)速計算公式；凱門鑄型轉(zhuǎn)速計算公式；重力系數(shù)鑄型轉(zhuǎn)速計算公式。通常軋輥金屬型轉(zhuǎn)速的計算選擇重力系數(shù)鑄型轉(zhuǎn)速計算公式，其公式為：

在式中，n為軋輥鑄型旋轉(zhuǎn)速度，r/min；R為離心層內(nèi)表面半徑，cm；G為重力系數(shù)，通常取75～100。

在實(shí)際生產(chǎn)時，根據(jù)輥身金屬型運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，對轉(zhuǎn)速n進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整量不超過15%，避免發(fā)生機(jī)械共振。在保證鑄件質(zhì)量的前提下，應(yīng)選擇較小的轉(zhuǎn)速。

2.4 優(yōu)化芯部鐵液澆注條件

在芯部鐵液澆注前，扒渣盡可能干凈，在澆注時澆包口設(shè)置擋渣坨，防止?fàn)t渣進(jìn)入鑄型中。芯部鐵水球化孕育后，保證芯部鐵水殘余鎂量在0.03～0.07%，因?yàn)闅堄噫V量低于0.03%不能保證完全球化，殘余鎂量高于0.07%則會在結(jié)合層生成粗大碳化物，導(dǎo)致結(jié)合層結(jié)合不良。

選擇合適芯部鐵水澆注溫度，保證芯部能與外層完全熔合，同時保證外層內(nèi)表面防氧化玻璃渣充分上浮。上述因素均可能造成結(jié)合層結(jié)合不良或夾渣，最終導(dǎo)致軋輥輥身裂紋。

3 實(shí)施效果

采用上述方法控制高鎳鉻無限冷硬離心鑄造軋輥的生產(chǎn)，提高了軋輥生產(chǎn)率，大大降低了輥身裂紋缺陷的產(chǎn)生，取得良好的生產(chǎn)效果。