高碳合金半鋼輥環(huán)端面裂紋及夾渣缺陷的形成與防止

張 杰

（唐山鋼鐵集團重型機械裝備有限公司，河北唐山 063000）

高碳合金半鋼輥環(huán)廣泛應(yīng)用于型鋼及軌梁軋機的萬能機架，由于其良好的硬度均勻性、抗熱裂性、耐磨性等得到了廣泛的應(yīng)用。我國在高碳合金半鋼輥環(huán)的生產(chǎn)上起步較晚，但發(fā)展很快，全國有此生產(chǎn)能力的軋輥廠家不下30家，但由于高碳合金半鋼輥環(huán)材質(zhì)的特殊性，生產(chǎn)難度大，易出現(xiàn)質(zhì)量問題，過去直徑1 m以上的輥環(huán)基本上要靠進口國外相關(guān)產(chǎn)品，目前國內(nèi)生產(chǎn)的高碳合金半鋼輥環(huán)基本上取代了國外產(chǎn)品，但在生產(chǎn)過程中還存在著合格率不高，質(zhì)量問題頻發(fā)的現(xiàn)象，其中輥環(huán)端面夾渣、裂紋是造成廢品的主要原因，輕者大改小，嚴重者報廢，不僅造成輥環(huán)的合格率低，同時還造成生產(chǎn)廠家成本升高及工期的延誤。

目前我公司生產(chǎn)的高碳合金半鋼輥環(huán)主要采用離心方式生產(chǎn)，主要規(guī)格（單位：mm）為 800×342、 600×230、 1 000×340、 1 000×300、1 000×220、 1 200×475、 1 200×265、 1 200×180等，在生產(chǎn)中存在的主要問題是粗車切斷后端面存在裂紋、夾渣，造成的廢品每月占15%左右，這還不算輥環(huán)改制（大改?。┑那闆r，給公司造成了比較大的損失，同時由于廢品的出現(xiàn)還會影響到交貨期，對公司的信譽也造成了不好的影響。以我公司為某廠家制造的 1000輥環(huán)為例，分析裂紋類渣缺陷形成原因并提出防止措施。

1 問題輥環(huán)具體情況

1.1 問題輥環(huán)情況描述

輥環(huán)生產(chǎn)工藝流程為：毛坯-擴散+球化-粗車切斷-正火+回火-精車[1]。出現(xiàn)問題工序主要在粗車切斷工序，輥環(huán)在切斷后經(jīng)粗車在靠近兩個端面處存在裂紋、夾渣。圖1、圖2分別為正常輥環(huán)圖片及存在問題輥環(huán)圖片。

從外觀上看，裂紋是熱裂紋，位置在輥面以下大約80 mm～120 mm處，呈圓周方向，很少出現(xiàn)整圓，大部分為1/3圓周左右，中間伴有夾渣。

圖1 正常輥環(huán)圖片

圖2 問題輥環(huán)圖片

1.2 輥環(huán)的鑄造生產(chǎn)工藝

1.2.1 造型材料

為保證輥環(huán)質(zhì)量，端蓋造型材料選擇國內(nèi)某公司配制好的低水泥澆包澆注料[2]，材質(zhì)為高鋁質(zhì)，造型時加入水（質(zhì)量分數(shù)）6%～8%，混勻后附著在端蓋內(nèi)表面，待硬化后入干燥窯烘干后與鑄型安裝在一起。

鑄型內(nèi)表面涂料選用內(nèi)部混制石英粉涂料，將上好端蓋的鑄型加熱至200℃～250℃后，采用滾涂方式附著在冷型內(nèi)表面，涂料厚度在3 mm左右。

1.2.2 生產(chǎn)工藝

采用離心鑄造生產(chǎn)工藝，兩層結(jié)構(gòu)，外層高碳半鋼材質(zhì)，芯部石墨鋼材質(zhì)，成份如表1.

表1 輥環(huán)化學成份（質(zhì)量分數(shù)，%）

廠家工藝要求工作層厚度≥140 mm，實際生產(chǎn)中按≥150 mm進行控制，首先澆注外層鋼水，大約間隔20 min后澆注芯部石墨鋼鋼水，澆注完成后在離心機上旋轉(zhuǎn)降溫，中心孔表面溫度達到1 050℃以下時停轉(zhuǎn)，下機后立著放入緩冷坑并對中心孔位置進行保護，室溫后開箱。圖3為輥環(huán)澆注示意圖。

圖3 輥環(huán)澆注示意圖

2 輥環(huán)理化性能分析

為了查找端面夾渣、裂紋的原因，對規(guī)格1 000×340，輥號為16D0977的輥環(huán)進行取樣分析。

2.1 化學成份

表2 輥環(huán)實際化學成份（質(zhì)量分數(shù)，%）

表2為輥環(huán)實際化學成分。從化學成份看，均符合輥環(huán)的化學成分的設(shè)計規(guī)范。

2.2 現(xiàn)場金相檢測

對此支軋輥進行切片做金相檢測[3]，組織照片如圖4、圖5所示。

圖4 金相組織（100X）

圖5 金相組織（500X）

從金相組織來看，此軋輥的金相組織主要為索氏體+碳化物（≤25%），軋輥中碳化物呈粒狀或是短棒狀，均勻分布，組織形態(tài)正常。

2.3 探傷檢測

對輥環(huán)進行探傷檢驗，結(jié)合部位在跟輥面160mm處，內(nèi)外層結(jié)合部位結(jié)合良好，未見夾渣、裂紋缺陷，發(fā)現(xiàn)此輥環(huán)在距輥面深約100 mm位置，距端面20 mm處存在裂紋，裂紋位置如圖6所示。

圖6 裂紋位置圖

3 輥環(huán)裂紋、夾渣缺陷分析

導致高碳合金半鋼輥環(huán)產(chǎn)生端面裂紋、夾渣的因素有以下幾種：1）結(jié)合不良，輥環(huán)為兩層結(jié)構(gòu)，如果填芯時間或是澆注溫度控制不好會造成結(jié)合不良，會在結(jié)合部位產(chǎn)生裂紋，夾渣；2）輥環(huán)成分原因，包括成分不均勻、碳化物偏析等，收縮過程中受力不均產(chǎn)生裂紋；3）輥環(huán)是二層結(jié)構(gòu)，當澆入外層鋼水后，由于澆芯部鋼水的時機為外層鋼水液相線加100℃，實際在20 min左右，當澆芯部鋼水后，部分鋼水會滲透入外層鋼水與端蓋之間收縮產(chǎn)生的縫隙，由于芯部鋼水溫度高，會對外層鋼水產(chǎn)生部分回熔，收縮過程中內(nèi)外收縮不一致會產(chǎn)生一部分應(yīng)力，在內(nèi)外層鋼水結(jié)合部位產(chǎn)生裂紋、夾渣；4）當澆入外層鋼水后，外層鋼水會對芯部的澆注料產(chǎn)生烘烤，由于澆注料高溫強度低，粉化后粘料，會對芯部收縮產(chǎn)生阻礙，收縮受阻產(chǎn)生裂紋。所以應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析，通過探傷分析，可以排除第一種情況，因為通過裂紋的位置看，不在結(jié)合部位，明顯的在工作層端面位置，此外裂紋明顯是由外向內(nèi)裂的，比較淺，不是由里往外裂的，加之探傷看結(jié)合良好，未見裂紋、夾渣缺陷。從化學成份、金相上看，組織分布非常均勻，所以可以排除第二種情況，所以只能從第三、四種情況找原因，通過認真觀察發(fā)現(xiàn)，開箱后的輥環(huán)存在不同程度的粘料的情況，如圖7.

圖7 毛坯輥環(huán)

從毛坯輥環(huán)的外觀可以看到，輥環(huán)端面存在明顯的分界面，分界面位于工作層外端面，而裂紋出現(xiàn)的位置正好在分界面這個位置。通過分析生產(chǎn)過程發(fā)現(xiàn)，當澆注完外層鋼水后需要20 min才能填芯部石墨鋼水，外層鋼水經(jīng)過20 min后會存在一定的液態(tài)和凝固收縮，這樣就與端蓋之間形成了一定的縫隙，當澆注芯部鋼水時，鋼水沿縫隙進入并與外層混熔一部分，當這部分鋼水流動到一定位置后凝固，產(chǎn)生圖7中的情形，由于先澆注的鋼水對端蓋料的烘烤作用，使端蓋料強度降低，后續(xù)澆入的鋼水對端蓋料沖刷會使鋼水中夾雜物含量升高，并滲入表層澆注料中，造成粘料。當輥環(huán)離心旋轉(zhuǎn)完成冷卻過程中由于輥環(huán)體積收縮，受到來自芯部與外層混熔區(qū)及粘料部分的拉應(yīng)力作用在過渡區(qū)產(chǎn)生裂紋、夾渣，如圖8所示。

圖8 裂紋形成圖

4 造成缺陷的主要原因及改進效果

4.1 主要原因

通過以上分析，造成高碳半鋼輥環(huán)產(chǎn)生端面裂紋、夾渣的主要原因一是低水泥澆包澆注料高溫強度低，端面粘料；二是輥環(huán)芯部鋼水與外層鋼水部分混熔，內(nèi)外收縮不一致。

4． 2 改進措施

1）改進澆注料配方，解決澆包燒注料高溫強度低的問題，避免粘料；

2）在無法改變輥環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，適當降低內(nèi)外層澆注溫度，減少鋼水的收縮；

3）在工藝設(shè)計時，將輥環(huán)端面的加工量適當加大，一旦出現(xiàn)問題可以在加工時去除。

5 結(jié) 論

1）端面裂紋、夾渣是造成高碳半鋼輥環(huán)報廢的主要原因。

2）產(chǎn)生端面裂紋、夾渣的主要原因是：①低水泥澆包澆注料高溫強度低，可以通過改進澆注料配方，提高其高溫強度；②高碳半鋼輥環(huán)二次填芯結(jié)構(gòu)造成的內(nèi)外收縮不一致，可通過降低澆注溫度適當防止。

［1］ 文鐵錚，郭玉珍.冶金軋輥技術(shù)特性概論［M］.石家莊：河北科學技術(shù)出版社，1995.

［2］ 文鐵錚，郭玉珍.軋輥制造技術(shù)新論［M］.石家莊：河北科學技術(shù)出版社，2014.

［3］ 邵澤波.無損檢測技術(shù)［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2003.