高速钢复合辊环离心铸造技术研究

    经济建设的发展对线材数量和质量提出了更高的要求。为适应这一要求，轧机速度和自动化程度不断提高，线材轧机上的关键备件――辊环的材质也在不断改进，由普通冷硬白口铸铁发展到镍铬无限冷硬铸铁、高铬铸铁，目前已开始应用高速钢制造辊环。高速钢辊环具有硬度高、红硬性好和耐磨性好等特点，用于线材轧机可大幅度提高辊环寿命。普通离心铸造高速钢辊环工艺简单，操作方便，但辊环内孔硬度高，加工困难，合金消耗多，生产成本高。降低高速钢辊环成本和解决辊环内孔加工困难问题，是扩大高速钢辊环应用的关键问题。采用高速钢／球墨铸铁离心复合铸造辊环是解决上述问题的有效途径。
        1  高速钢复合辊环成分设计
    高速钢复合辊环成分设计原则：外层选用高碳高速钢，以保证辊环有高硬度和高耐磨性；内层选用高强度合金球墨铸铁，保证辊环能够承受高的轧制负荷。具体成分见表1。由于高速钢中含有较多的合金元素，存在大量的合金碳化物，随着淬火温度的提高，各类碳化物的溶解数量逐渐增多，伴随着碳化物的溶解，奥氏体基体的合金度逐渐增高，淬火之后，马氏体中碳和合金元素的过饱和度增大，回火时弥散析出大量的碳化物，使钢产生显著的二次硬化，提高淬火温度可获得高硬度与高红硬性，普通高速钢淬火温度通常大于1200℃。高速钢复合辊环热处理时，内层球墨铸铁在高温下淬火，组织粗大，氧化严重，力学性能显著降低。此外，高速钢复合辊环内外层导热系数和膨胀系数不同，比整体铸造辊环存在更大的铸造应力，高速钢复合辊环高温淬火时易开裂。因此，高速钢外层成分设计时着重考虑铸态下获得高硬度马氏体，省去高温淬火工艺，既可防止内层性能降低，又可防止辊环高温淬火时发生变形和开裂，还可节约能源。研究发现，高铬铸铁中V加入量超过4％后，铸态可得到高硬度的马氏体组织，因为V是极强烈的碳化物形成元素，在铸态的冷却条件下，它也能使在奥氏体中析出二次碳化物，降低其碳及铬含量，从而有利于转变成为马氏体。高速钢辊环中首先考虑加入适量的V，高硬度的VC有利于提高耐磨性，但数量太多，增大摩擦系数和轧制负荷，增加轧钢能耗，影响带钢表面质量。加入适量的W和Mo是为了强化高速钢的回火马氏体基体，提高高速钢的红硬性，Mo还可减轻钢的回火脆性和细化莱氏体组织。但W、Mo促进M2C型碳化物的形成，M2C呈针状或网状分布，易促使辊环开裂和剥落。碳含量增加，高速钢中碳化物数量增多，耐磨性提高，但碳含量应与W、Cr、Mo、V相平衡，其平衡式如下：
               C％＝0．060Cr％十0．063Mo％+ 0．033W％+0．235V％    (1)
    为了提高强度，在高速钢中还加入适量Ni，为 细化组织，改善碳化物形态和分布，还加入适量 RE。高速钢中加入Cr主要是为了提高淬透性和抗 氧化性，铬含量过多增加高速钢中碳化物的不均匀度。高速钢中一次结晶VC密度小，在离心力场中易产生偏析，加入适量Nb，促进形成(NbVMo)C复合碳化物，提高碳化物密度，减轻离心力引起的偏析，促使高速钢耐磨性提高。

表1  高速钢复合辊环化学成分

         2  高速钢复合辊环的制造
    高速钢辊环离心复合铸造技术的关键在于解决工作层表面质量、厚度控制和内外层材质的冶金结合质量。
        2．1  高速钢复合辊环离心铸造工艺参数选择
        2．1．1  铸型材质和铸型涂料
    铸型材质是HT200，壁厚90 mm，预热温度大于200℃，并在此温度下在铸型内表面衬上一层耐火材料。涂料粘结剂慎重选用，发气性大的粘结剂使用中涂料层易鼓起，使辊环表面出现大量凹坑，不仅导致辊环表面硬度不均，甚至因凹坑过深、加工量不够或凹坑处裂纹而出现废品。选用高温性能好、发气性小的水玻璃(模数为2．2～2．6、密度1．50～ 1．55g／cm3)加适量水做粘结剂，以石英砂和石英粉为耐火骨料，涂料厚度控制在3．5―5．5mm，可消除上述铸造缺陷，获得硬度均匀的辊环。涂料使用前要连续搅拌以防其沉淀，还要用0．0148mm筛过滤处理。用喷枪将涂料喷涂在铸型表面，采用喷涂法可确保涂料层均匀，还可提高涂料层结合强度。铸型经充分烘干后安装于离心机上待浇注。浇注时铸型温度为160―240℃。
        2．2  高速钢复合辊环的离心铸造
        2．2．1  金属液的熔炼
    外层钢水采用150kg中频感应电炉熔炼。用不锈钢废料、高速钢废料、废钢、生铁、钨铁、钼铁、钒铁、铌铁和碳素铬铁配料，采用不氧化法熔炼，炉前调整成分合格后，用铝脱氧，温度升至1600―1620℃后出炉。出炉时包内加入0．5％～0．8％包头1号稀土和0．2％～0．4％硅―钙合金对钢水进行复合变质处理。
    内层铁水采用冲天炉熔炼，中频炉保温和调整成分，出炉温度1400～1440℃，出炉时包内加入 0．8％一1．2％包头4号稀土对铁水进行球化处理。
        2．2．2  高速钢复合辊环的离心铸造
    高速钢复合辊环在卧式离心机上铸造。外层钢水浇注温度控制在1460一1520℃，浇入外层钢水时浇注速度要快，使钢水尽快铺满铸型，钢水浇注中不能断流。外层金属凝固后的内表面，由于在高温形成高熔点的氧化物，很难与随后浇入的内层铁水熔合，为防止在外层内表面形成氧化层，外层浇注后，立即加入玻璃保护渣。加入玻璃保护渣后，可防止外层内表面氧化，有利于提高结合层质量，还为辊环由外壁向内表面顺序凝固创造了条件。玻璃保护渣的加入量以2．5～3．5 kg／m²为宜。
    内层铁水浇注温度1350～1380℃。内外两层金属浇注的间隔时间是决定高速钢复合辊环复合层结合强度的关键因素。间隔时间太短可能发生内外两层金属相混，结果是复合辊环的耐磨性和机械强度降低；间隔时间太长，内外层结合强度降低，使辊环在脱模、冷却、机械加工、热处理和使用过程中发生内外层分离。影响间隔时间的因素很多，如内外层浇注温度、辊环成分、辊环尺寸、铸型转数、铸型材质、涂料厚度、铸型温度等。对内径Φ160mm、外径Φ285mm的高速钢辊环在上述条件下，间隔时间控制在150～240s。
        2．3  高速钢复合辊环离心铸造缺陷及防止措施
    离心铸造高速钢复合辊环缺陷主要有结合不良、工作层厚度不足、裂纹及毛坯表面有凹坑。结合不良和工作层厚度不足是内外层浇注的间隔时间、内层铁水浇注温度及保护渣加入不当造成的。从金属凝固的角度来分析，当85％左右的外层金属凝固后，及时浇入内层金属，使15％左右的外层金属与之混合并顺序凝固，可获得较高的离心复合层结合强度。内层铁水浇注温度要严格控制，且浇注时应将铁水表面的浮渣扒干净。玻璃保护渣应选用熔点低、密度小、高温下流动性好，且在浇注内层铁水后能被重熔。玻璃保护渣加入之前进行烘干处理，粒度均匀，直径1．0～1．5 mm。
    裂纹形成的主要原因是浇入内层铁水对未完全凝固的外层合金产生的离心压力，同时在冷却过程中，刚凝固的薄弱外层因收缩与铸型之间产生间隙，而内层还处于膨胀状态，造成外层合金受力形成纵裂纹。适当降低内层铁水浇注时的铸型转数，或者在内层铁水厚度为外层厚度1．5倍以上时，内层分两次浇注，都可减少裂纹的形成。此外离心机浇注前应调试好，其许用不平衡力矩小于50N?mm，也可减轻高速钢复合辊环铸造裂纹。
    辊环表面的凹坑与涂料涂挂质量和涂料强度有关。粘结剂加入量过多，造成涂料强度太高，溃散性差，浇注初期在局部紊流钢水作用下破坏鼓起。铸型内表面的锈蚀、残余涂料及油污，增加发气量，应彻底清除干净，使涂料和铸型粘附牢靠。
         2．4  高速钢复合辊环的热处理
    用线切割机从高速钢复合辊环外层切取试样，研究了回火处理对外层材料组织和性能的影响，结果发现，高速钢回火温度低于450℃，高速钢硬度变化不大，与铸态硬度相似。进一步提高回火温度，硬度上升，在525℃左右达到最高值，继续提高回火温度，硬度反而降低。图1表明，高速钢在铸态下硬度达HRC62．3，在525℃回火后硬度达HRC64．1，高硬度对确保高速钢辊环具有高耐磨性是十分有益的。
    根据图1结果确定高速钢复合辊环热处理工艺为：520～530℃*4h，空冷或炉冷+500―510℃* 4h，炉冷至300℃后空冷或炉冷。
    高速钢复合辊环热处理后进行机械加工，由于辊环表面硬度高，车削难度加大。高速钢毛坯辊环的车削加工采用YG6硬质合金刀具，精加工和每次使用后的修复加工采用SiC增强的氧化铝陶瓷刀具，以提高加工速度。高速钢复合辊环比整体辊环可节省加工时间20％。
       3  高速钢复合辊环的性能及应用
       3．1  高速钢复合辊环的性能
    高速钢复合辊环外层组织见图2，辊环外层由回火片状马氏体+M₂C+MC十M₂₃C₆碳化物+残余奥氏体组成。
    测试了铸态回火高速钢(THSS)、高温淬火加回火高速钢(QHSS)和高镍铬无限冷硬铸铁(Ni-Cr)的硬度、冲击韧性、热冲击性能和耐磨性。热冲击试验方法是将Φ25mm*25mm试样在给定温度加热后保温30min，淬入20℃水中以出现裂纹时的温度表示抗热冲击性能。磨损试验在MM-200型摩擦磨损试验机上进行，上试样为辊环材料，尺寸 10mm*10mm*11mm，下试样尺寸为Φ36mm*10mm，材质为40Cr钢，硬度HRC58，下试样转速 400r／min，载荷100N，磨损时间2h。试验结果见表2，铸态回火高速钢的各项性能指标明显高于高镍铬无限冷硬铸铁，硬度、热冲击性能和耐磨性与高温淬火回火高速钢接近，冲击韧性低于高温淬火加回火高速钢。因为高温淬火可以改善高速钢碳化物形态和分布，使组织均匀，有利于提高冲击韧性。

表2  辊环材料性能对比

        3.2  高速钢复合辊环的应用高速钢复合辊环在速度为80m/s的线材轧机中轧8号机架(即中间机组的最后一架，孔型为圆型)试用，轧材是普碳钢，每1000t钢约磨损0．20― 0．28 mm，用于5号机架(椭圆型)每1000t钢约磨损0．54～0．61 mm，轧制后，轧槽表面光滑、磨损均匀，耐磨性好，各项指标明显优于高镍铬无限冷硬铸铁辊环，使用寿命比高镍铬无限冷硬铸铁辊环提高 4～6倍。由于高速钢中合金含量高，导热性差，高速钢辊环冷却条件需比高镍铬无限冷硬铸铁辊环的强，冷却水量应尽可能充分，将辊环表面温度控制在 50℃以下。
        4  结论
       (1)高速钢和球墨铸铁采用离心铸造方法制造复合辊环，可节约合金消耗，节省加工时间，降低生产成本40％以上。
       (2)辊环外层采用高碳高钒高速钢，在离心铸造条件下，通过控制铸型温度、涂料厚度和外层钢水浇注温度，铸态下硬度达HRC62以上。经525℃回火处理后，硬度达HRC64，耐磨性和热冲击性能好，韧性适中，高速钢复合辊环取消高温淬火，可减少辊环热处理变形和开裂，缩短生产周期，节约能源。
       (3)外层钢水浇注完后，立即加入玻璃保护渣，加入量为2．5～3．5 kg／m²，可防止外层金属内表面氧化，确保内外层结合良好。内外层浇注间隔时间和内层铁水浇注温度对结合层质量影响明显，选择内层铁水浇注温度1350～1380℃，间隔时间 150-240s，可获得结合层良好的高速钢复合辊环。
      (4)高速钢复合辊环在高速线材轧机上取代高镍铬无限冷硬铸铁辊环，寿命提高4～6倍，高速钢辊环导热性差，使用中应注意加强水冷。