軌梁用新型雙金屬輥環(huán)的研究

白思諾 郭華樓 陳風(fēng)林 朱志磊 王滟偉 王國(guó)菊

(1.軋輥復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054025；2.邢臺(tái)軋輥異型輥有限公司，河北 邢臺(tái) 054025)

軋制重軌軌頭萬(wàn)能機(jī)架使用的軋輥環(huán)，以軋制60軌為例，軋輥環(huán)孔型深度達(dá)到30 mm，孔型與軋材間的間隙要求≤0.3 mm。軋制變形時(shí)，軋輥環(huán)包裹著鋼軌，使整個(gè)孔型承受較大的摩擦壓力，加之冷卻、散熱條件差的特點(diǎn)，使軋輥環(huán)側(cè)壁及槽底磨損產(chǎn)生微凹形態(tài)，隨著軋制鋼軌產(chǎn)量的增加，軋輥環(huán)整個(gè)孔型磨損量也會(huì)增加，并產(chǎn)生規(guī)則或無(wú)規(guī)則的磨損褶皺或凹坑[1]。若軋輥環(huán)輥面硬度落差較大，會(huì)加劇磨損褶皺的產(chǎn)生。另外由于鋼軌表面溫度較高，會(huì)產(chǎn)生氧化皮，部分氧化皮粘結(jié)在磨損的褶皺或凹坑內(nèi)，嚴(yán)重時(shí)在軋輥環(huán)孔型內(nèi)產(chǎn)生粘鋼。粘鋼位置形成凸起，鋼軌表面會(huì)很快反映出粘鋼情況，在鋼軌表面形成有規(guī)律的凹坑，造成產(chǎn)品達(dá)不到規(guī)定的要求而形成軋制廢品。另外隨著高速鐵路發(fā)展，對(duì)重軌表面質(zhì)量提出更高要求，尤其是軌頭尺寸偏差要求小于0.2 mm，在軋制過(guò)程中，常規(guī)材質(zhì)軋輥孔型由于磨損較快，不得不提前下機(jī)。

為解決上述弊端，研發(fā)了一種專(zhuān)用于軌梁萬(wàn)能機(jī)架軋制的新型雙金屬輥環(huán)。其特點(diǎn)是外硬內(nèi)韌，外層金相組織為馬氏體+MC/M2C/M6C/M7C3碳化物，碳化物細(xì)小彌散均勻，軋輥硬度高，具有很好的耐磨性及抗熱裂性，輥面至孔型槽底無(wú)硬度落差，內(nèi)層具有較高的強(qiáng)度及韌性。軋制過(guò)程中，軋輥表面形成氧化膜，有效解決了粘鋼問(wèn)題。

1 化學(xué)成分的設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足軋輥耐磨性和組合裝配質(zhì)量的要求，新型雙金屬輥環(huán)由離心復(fù)合鑄造而成，與軋件接觸的外層材質(zhì)采用改進(jìn)型高速鋼材質(zhì)，用以提高軋輥的耐磨性和軋制產(chǎn)品的尺寸精度，同時(shí)解決粘鋼；內(nèi)層材質(zhì)采用性能優(yōu)良的石墨鋼材質(zhì)，用以提高軋輥的強(qiáng)度和韌性。

1.1 工作層

工作層參與軋制過(guò)程，因此必須具備高硬度、高耐磨性、高抗熱裂性等特點(diǎn)。其化學(xué)成分設(shè)計(jì)如下：

C：碳的作用是提高軋輥的硬度、紅硬性、耐磨性。一部分碳化物淬火時(shí)熔入奧氏體，保證馬氏體硬度，回火時(shí)析出彌撒二次碳化物，形成二次硬化；一般未熔碳化物起到組織晶粒長(zhǎng)大、耐磨性提高的作用。依據(jù)軌梁軋制條件，確定碳含量為1.6%～2.6%。

Cr：鉻的作用改善輥面抗粗糙性，降低軋制力。鉻主要形成M23C6型和M7C3型碳化物，利于改善高速鋼軋輥的抗熱沖擊能力。依據(jù)軌梁軋制條件，確定鉻含量為3.0%～5.0%。

W：鎢的作用是提高軋輥耐回火性，其形成的碳化物非常堅(jiān)硬，可以提高軋輥的耐磨性及熱硬性。鎢元素主要以M6C的形式存在，對(duì)提高軋輥耐磨性有較大作用。但考慮鎢元素偏析及熔點(diǎn)高，對(duì)后續(xù)鑄造及熱處理影響較大。依據(jù)軌梁軋制條件，確定鎢含量為0.5%～1.0%。

Mo：鉬的作用與鎢相近，用于替代鎢元素。為匹配后續(xù)鑄造及熱處理，確定鉬含量為4.0%～6.0%。

V：釩的作用是提高高溫硬度，提高耐磨性。釩主要以彌撒度較大的VC形式存在，起到細(xì)化晶粒，提高硬度的作用，確定釩含量為3.0%～5.0%。

Ni：鎳的作用是改善軋輥基體韌度，但鎳會(huì)降低軋輥的高溫強(qiáng)度，確定鎳含量為0.5%～1.2%。

1.2 內(nèi)層

內(nèi)層材質(zhì)采用改進(jìn)型石墨鋼成分，熱處理時(shí)形成珠光體組織。奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，使其析出鐵素體及滲碳體，二者成粒狀，相互均勻分布，最終形成粒狀珠光體組織，具有較高的強(qiáng)度及較好的韌性。

根據(jù)上述的成分設(shè)計(jì)原則，確定雙金屬輥環(huán)材質(zhì)化學(xué)成分范圍如表1所示。

表1 雙金屬輥環(huán)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of bimetallic roller ring(mass fraction, %)

2 雙金屬澆注工藝研究

雙金屬輥環(huán)是在離心力場(chǎng)中進(jìn)行鑄造，工作層與內(nèi)層采用分層澆注方式，通過(guò)控制澆注溫度與時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散熔合。立式離心澆注公式[2]如下：

F=mω2R=m(πn/30)2R=0.011mn2R

(1)

式中，F(xiàn)為離心力(N)；m為鐵液的質(zhì)量(kg)；ω為冷型旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s)；R為鐵液任意點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑(cm)；n為轉(zhuǎn)數(shù)(r/min)。

G=F/P=mω2R/mg=0.112(n/100)2R

(2)

式中，G為重力系數(shù)；P為物體所受的重力(N)。

根據(jù)公式(1)、(2)，可以得到以重力系數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)公式，見(jiàn)式(3)。

(3)

式中，N為離心機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，G取60～120。

為了降低雙金屬成分偏析，尤其是工作層成分偏析，并提升雙金屬輥環(huán)力學(xué)性能，本生產(chǎn)方式利用動(dòng)態(tài)效應(yīng)原理，通過(guò)控制澆注-凝固過(guò)程重力系數(shù)G，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速ω在雙金屬澆注過(guò)程中多次變動(dòng)。

動(dòng)態(tài)效應(yīng)可根據(jù)流體力學(xué)雷諾公式計(jì)算：

Re=vb/υ

(4)

式中，Re為雷諾系數(shù)；v為金屬液相對(duì)于鑄型流動(dòng)的平均線速度(m/s)；b為鑄型中金屬液體層的厚度(m)；υ為金屬液的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)(m2/s)。

根據(jù)離心力公式：

F=mω2R=mv2/R

(5)

根據(jù)公式(2)、(4)、(5)可以得到重力系數(shù)與雷諾系數(shù)之間的關(guān)系。

G=Re2υ2/b2Rg

(6)

根據(jù)公式(6)可知，離心鑄造過(guò)程中，適當(dāng)調(diào)整重力系數(shù)G，則Re成倍數(shù)級(jí)變化。

一般離心鑄造時(shí)，采用固定轉(zhuǎn)速，金屬液流動(dòng)速度很快與鑄型一致。因此其重力系數(shù)G保持不變時(shí)，Re保持不變，金屬液相對(duì)鑄型內(nèi)壁的流動(dòng)為層流，結(jié)晶前沿處于層流中，將促使析出的小晶粒沿著固液界面向液相方向逐步推進(jìn)，形成柱狀晶[3]。

實(shí)施動(dòng)態(tài)效應(yīng)后，不斷增大其重力系數(shù)G，Re也將成倍數(shù)增大，使結(jié)晶前沿晶粒運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，使金屬液與鑄型形成紊流狀態(tài)，金屬液從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鱗4]。隨著鋼液溫度降低，形成大量枝晶，而枝晶由于處于紊亂狀態(tài)，收到剪切力的作用，不斷被折斷、脫落，形成枝晶碎片。重力系數(shù)G越大，Re增長(zhǎng)越快，產(chǎn)生的枝晶碎片越多，最終枝晶碎片形成新的形核核心，并在紊流層中劇烈運(yùn)動(dòng)，均勻分布在整個(gè)未凝固的金屬液中，阻止了成分偏析，輥環(huán)工作層成分趨于均勻，最終形成等軸晶，使新型雙金屬輥環(huán)在后續(xù)熱處理過(guò)程中，性能得到進(jìn)一步提升。

3 特殊熱處理工藝研究

由于新型雙金屬輥環(huán)采用雙層復(fù)合技術(shù)，工作層與內(nèi)層材質(zhì)也偏差較大，工作層與內(nèi)層材料的熱膨脹系數(shù)相差較大，若按照工作層處理，則內(nèi)層晶粒粗大，會(huì)顯著降低內(nèi)層的強(qiáng)度及沖擊韌性；若按照內(nèi)層處理，工作層不能形成馬氏體+碳化物組織，工作層硬度及耐磨性不能很好地體現(xiàn)。綜上所述，要使內(nèi)外層材質(zhì)同時(shí)達(dá)到其各自的奧氏體最佳轉(zhuǎn)化溫度，必須采用特殊控溫手段，即“差溫?zé)崽幚怼?，并且由于?nèi)外層材質(zhì)不同，冷卻過(guò)程中則需要內(nèi)外層達(dá)到不同的冷卻強(qiáng)度，即采用“差溫冷卻”，保證其最終優(yōu)異性能。

快速加熱雙金屬輥環(huán)的外圓，使工作層快速達(dá)到淬火溫度，而內(nèi)層同時(shí)達(dá)到自身所需的調(diào)質(zhì)溫度，熱處理工藝如圖1所示。

h—輥環(huán)厚度(mm)圖1 熱處理工藝Figure 1 Heat treatment process

4 性能檢測(cè)

為了驗(yàn)證雙金屬輥環(huán)的性能是否達(dá)到工藝設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)行破壞件檢測(cè)。

4.1 化學(xué)成分分析

輥環(huán)沿軸向切開(kāi)，取垂直軸向樣條，每隔20 mm設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)外層元素偏析情況進(jìn)行檢測(cè)，以設(shè)計(jì)元素為中心點(diǎn)，中心點(diǎn)記為0，檢測(cè)順序從外向里，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 關(guān)鍵元素成分檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Test results of key element composition(mass fraction, %)

輥環(huán)設(shè)計(jì)工作層厚度為80～90 mm。從成分檢測(cè)看，采用動(dòng)態(tài)效應(yīng)后，成分幾乎無(wú)偏析。

4.2 硬度檢測(cè)

輥環(huán)沿軸向三等分，每一部位做為一條素線進(jìn)行硬度檢測(cè)，每隔20 mm設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)順序從外向里，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 硬度檢測(cè)結(jié)果(HSD)Table 3 Hardness test results(HSD)

4.3 性能檢測(cè)

輥環(huán)沿環(huán)向切開(kāi)，取垂直環(huán)向樣條，內(nèi)外層各一條，進(jìn)行性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 4 Test results of mechanical properties

5 新型雙金屬輥環(huán)應(yīng)用

國(guó)內(nèi)某軌梁廠為減緩萬(wàn)能機(jī)架頭部立輥粘鋼，長(zhǎng)期使用國(guó)外生產(chǎn)的輥環(huán)產(chǎn)品，粘鋼問(wèn)題雖有緩解，但仍不能根除，軋制過(guò)程中，一旦出現(xiàn)粘鋼，需要停機(jī)打磨，嚴(yán)重影響軋制節(jié)奏。而使用我公司研發(fā)的新型雙金屬輥環(huán)后，徹底解決了粘鋼問(wèn)題，同時(shí)毫米軋制量較國(guó)外輥環(huán)提升了3.7倍以上，較國(guó)內(nèi)常規(guī)輥環(huán)提升了4.8倍，同時(shí)提升了鋼軌表面質(zhì)量。軋制量對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 輥環(huán)毫米軋制量對(duì)比Figure 2 Comparison of rolling volume of roll ring in millimeter

新型雙金屬輥環(huán)軋制效果良好，主要因?yàn)殡p金屬采用特殊鑄造、熱處理工藝，并且在軋制過(guò)程中形成穩(wěn)定的氧化膜[5-6]。在軋制軌梁時(shí)，軋輥表面最高溫度約為500～700℃，輥體溫度約為60℃，為新型雙金屬輥環(huán)氧化膜的形成提供了熱力學(xué)條件；在冷熱交替非常頻繁的環(huán)境下服役，冷卻水在軋制過(guò)程中部分形成濕熱的蒸汽，為新型雙金屬輥環(huán)氧化膜形成提供了動(dòng)力學(xué)條件。

新型雙金屬輥環(huán)氧化膜的形成與生長(zhǎng)過(guò)程，主要是在軋制過(guò)程中，冷卻水及空氣在熾熱的鋼軌表面形成濕熱的含氧蒸汽，濕熱的蒸汽中的氧分子與金屬原子反應(yīng)生成金屬氧化物的過(guò)程，這一過(guò)程涉及兩個(gè)階段，一是物理擴(kuò)散階段，即氧分子與金屬原子的擴(kuò)散階段，二是化學(xué)反應(yīng)階段，即氧分子與金屬原子氧化反應(yīng)階段。新型雙金屬輥環(huán)表面形成的氧化膜厚度約1～3 μm，并呈現(xiàn)顆粒狀，將鋼軌軋制過(guò)程的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)顯著降低，因此軋輥磨損量會(huì)明顯降低，形成“無(wú)磨損軋制”[7]；同時(shí)具有“抗充墊”作用，減緩鋼件對(duì)軋輥的壓迫，能有效減少軋輥磨損及粘鋼的發(fā)生。

6 結(jié)論

(1)新型雙金屬輥環(huán)通過(guò)化學(xué)成分設(shè)計(jì)、澆注工藝參數(shù)控制、特殊熱處理方法控制，軋輥性能得到提升，其壽命顯著提高。

(2)新型雙金屬輥環(huán)利用動(dòng)態(tài)效應(yīng)原理，通過(guò)不斷變化轉(zhuǎn)速，金屬液始終處于紊流狀態(tài)，破碎的枝晶形成晶核核心，消除了成分偏析，形成等軸晶，性能進(jìn)一步提升。

(3)新型雙金屬輥環(huán)采用差溫淬火方式，內(nèi)外層同時(shí)發(fā)揮自身性能，實(shí)現(xiàn)內(nèi)韌外硬工藝設(shè)計(jì)。

(4)新型雙金屬輥環(huán)應(yīng)用于軌梁軋制過(guò)程中，消除粘鋼效果明顯，產(chǎn)生顆粒狀氧化膜，形成滾動(dòng)摩擦，降低了軋輥損耗，毫米軋制量提高了4倍。