（机械工程专业论文）高硬球墨铸铁轧辊的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 提高轧辊自给率、降低轧辊消耗及充分利用资源优势，扩大钒钛生铁的应用 范围， 对提高攀钢的整体经济效益具有重要意义。 为此， 本论文以开发 cr-mo-v 无 限冷硬球墨铸铁轧辊的生产技术为目的，通过分析型钢轧辊的使用特点，设计了 轧辊的化学成分和生产工艺。实验表明，利用攀钢丰富的优质钒钛生铁为原料， 当化学成分为 3.43.6%c，1.31.6%si，0.10.2%p，0.50.8%mn，0.20.4%cr， 0.20.3%mo，0.91.1%cu，s0.03%，0.040.06%re，0.040.06%mg，以 re-mg 为球化剂，球化处理温度为 1270c1300c 时，辊身抗拉强度b300mpa，表面 硬度为 6368hsd，150mm 工作层硬度落差 10.311.8hsd；对轧辊金相组织的 检测表明，宏观断口无黑渣现象，辊身表面组织为碳化物、珠光体和适量石墨， 组织具有典型的麻口特征，组织细小；工作层内组织变化较平缓；电子探针发现 组织中有含 v 的碳化物颗粒存在。轧辊的使用效果表明，在轧制过程中，未发现 断辊、剥落现象，使用寿命高于同类外购轧辊，在轧制 90mm 方钢时，轧辊寿命 提高了一倍；轧机综合辊耗由原来的 3.87 kg/t 降为 3.69 kg/t，完全具备了取代外 购轧辊的能力。 关键词：钒钛生铁，高硬铸铁，轧辊 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract it is very significant for the economic benefit of panggang group corporation to raise the ability of self-providing of rollers, reduce the consumption of rollers and extend the applications of v-ti pig iron. this article is aimed at developing the manufacture technology of iron rollers containing cr-mo-v. after analyzing the working feature of rollers, the chemical composition and processing were designed. experiment indicated that the rollers had good properties when their composition was 3.43.6%c, 1.31.6%si, 0.10.2%p, 0.50.8%mn, 0.20.4%cr, 0.20.3%mo, 0.91.1%cu, s0.03%, 0.040.06%re, 0.040.06%mg, and when v-ti pig iron was used as raw material, re-mg alloy was used as spheroidizer and spheroidizing treatment was conducted between 1270c and 1300c. mechanical properties of rollers with above composition were:b300mpa, hardness=6368hsd in the surfaces of the rollers. hardness disparity within 150mm from roller surface was 10.311.8hsd . metallurgical observation showed that there was not black slag on the fracture surface, and the micro-constitution was composed of fine carbide, pearlite and a little graphite. some tiny particles of carbide containing vanadium and titanium were founded under sem. during rolling process, no roller breakage and peel off took place. the roller life was longer than that of the same-type rollers that was bought. the general consumption of rollers reduced from 3.87kg/t to 3.69kg/t. the tested rollers can instead of the rollers that was bought. keywords: v-ti pig iron, indefinite chilled cast iron, roller 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 1 1 引 言 1.1 选题背景 攀钢轨梁厂是全国五个大型型钢厂之一，产品有重轨、方园钢、工字钢、槽 钢、310 乙字钢等，年产量为 100 万吨，其中重轨产量为最大，占总产量的 60%左 右。现有轧钢机组为950 初轧机、800 预轧机、850 精轧机，年消耗各类轧 辊超过 3500 吨，其中用于800 预轧机和850 精轧机上的低 cr-mo 无限冷硬球 墨铸铁轧辊约为 2500 吨，轨梁厂每年需花费约 1500 万元的资金购买该类轧辊。 尽管铸铁轧辊与铸钢轧辊、锻钢轧辊及半钢轧辊相比，强度低、辊身工作层硬度 落差大，但由于其具有高的硬度、生产工艺简单、价格便宜等特点以及轧辊加工 技术和再生技术的进步，目前仍大量应用于型钢预轧机和精轧机上1, 2, 3。 属攀钢下属厂矿的攀钢机制公司是我国西南地区最大的冶金机械设备制造 厂，拥有强大的设备能力和较强的技术基础，如能在现有铸铁材质上有所创新， 开发出高性能价格比的优质铸铁轧辊，取代攀钢外购铸铁轧辊，不但可以为集团 公司节约大量的资金，降低型钢的生产成本，而且也可以为机制公司培育出新的 经济增长点。 从本世纪初，铸造工作者就开始对 v 在铸铁中的状态及其对材料性能的影响 进行了比较详细的研究。50 年代，原苏联 a、e 克列沃谢耶夫等人还研究了 v 对 冷硬铸铁轧辊白口层深度和硬度的影响， 肯定了 v 在冷硬铸铁轧辊中的有益作用。 生产实践表明，对低 cr-mo 冷硬铸铁轧辊进行 v 合金化以后，有利于减轻辊身表 面裂纹和剥落缺陷的产生，提高轧辊的使用寿命。然而，由于 v 合金比较昂贵， 长期以来，并未见有人将 v 合金化实用于铸铁轧辊的生产4。 攀枝花号称世界钒钛之都，拥有丰富的钒钛资源，并已大规模开发利用。因 此，充分利用攀钢的优质钒钛生铁生产含钒铸铁轧辊，不但技术上可行，而且对 扩大攀钢钒钛生铁的应用范围具有重要的意义。 本文的研究目的就是以攀钢钒钛生铁为原料，开发出能满足攀钢轨梁轧辊性 能要求的含 v 无限冷硬球墨铸铁轧辊的材质和生产工艺，降低企业生产成本，提 高企业的经济效益。 1.2 文献综述 1.2.1 铸铁的相和组织 石墨 石墨具有特殊的简单六方点阵，同层原子间为共价键，结合力强；而层与层 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 2 之间则由分子键连结，结合力弱，因此石墨的强度、硬度和范性很低。石墨的基 面很容易滑动，可起润滑作用。在铸铁中，由于石墨与其它组织相比强度和硬度 都很低，因此在考虑石墨对铸铁抗拉强度的影响时可以近似地把石墨看成是裂缝 或孔洞，而把铸铁看成是内部布满了大量裂缝或孔洞的钢铁材料。在铸铁中，石 墨一方面破坏了基体的连续性，缩小了真正承载载荷的有效截面；另一方面，石 墨起着内部缺口作用，引起应力集中而且改变了石墨缺口前沿附近基体的应力状 态，从而使强度和范性下降。上述石墨的效应与石墨的数量、大小、形状和分布 有关，当石墨的数量减少，石墨细小、分布均匀、形状从片状改变为团状时，铸 铁的一系列力学性能指标都将提高。在球墨铸铁中，一般来说，石墨球越规整， 球径越小，分布越均匀，其力学性能就越高。试验表明，球铁中当石墨以团状为 主时，它的力学性能与以球状为主的相差不太大，但是，当石墨是团片状或厚片 状时，球墨铸铁的力学性能，尤其是疲劳极限将显著降低。应当指出，当铸铁在 承压条件下，石墨不产生缩小有效截面的作用，也不产生缺口应力集中效应，因 此铸铁的抗压强度和硬度这样的性能指标主要由基体组织决定而与石墨形态无关 5 ,6, 7 ,8。 碳化物 在普通铸铁中，碳化物主要以渗碳体（即 fe3c）和特殊碳化物的形式出现， 当温度高于 400时，特殊碳化物将转化为 fe3c，fe3c 硬度大于 800 hb，范性很 差，易脆断。在铸铁中，fe3c 能溶解其它元素如 cr、mn、mo，形成合金渗碳体， 在合金铸铁中常有合金渗碳体出现，合金渗碳体具有比渗碳体更高的硬度和热稳 定性9。此外，合金铸铁中还常有 m7c3、m23c6、mc 型碳化物，它们比 m3c 型 碳化物的硬度和热稳定性更高3。在铸铁中，碳化物有各种形态，如块状、粒状、 网状，菊花状、莱氏体状等10。 磷共晶 铸铁中的磷共晶有二元磷共晶和三元磷共晶。二元磷共晶是 fe3p 基底上分布 着成列的或不成列的高铁相 （珠光体或铁素体） ， 而三元磷共晶则是在 fe3p 及 fe3c 的基底上分布着高铁相（珠光体或铁素体） ，磷共晶常沿共晶团晶界呈网状、孤岛 状或鱼骨状分布。它的性质是脆而硬，二元磷共晶的硬度为 400 hv，三元磷共晶 的硬度为 600 hv，磷共晶使铸铁的韧性降低，硬度增加，脆性增加11。 铁素体 铸铁中的铁素体含有相当数量的 si 和 mn，以及少量的 c、p、s，在合金铸 铁中的铁素体还常含有合金元素。这些元素的固溶使铁素体的强度和硬度都显著 提高，硬度可大于 100 hb，抗拉强度达 400mpa，而韧性则不会有很大的减少， 所有其它的物理性能的变化则大体与合金元素加入量成正比，其中较重要的是耐 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 3 磨性和高温强度11, 12。 珠光体 珠光体是由铁素体和渗碳体两相组成，渗碳体分布在铁素体基体上，可以有 两种形态，一种是片层状，一种是粒状。前者形成的珠光体叫片状珠光体，后者 则叫粒状珠光体。珠光体的粗细按片间距来衡量，片状珠光体按片间距从大到小 可分为珠光体、索氏体和屈氏体三种。珠光体越细小，强度及硬度越高，而范性 没有大的变化。屈氏体的硬度可达 44 hrc，且可维持到 450，一般钢中珠光体 的硬度为 180 hb，抗拉强度为 834 mpa，延伸率为 10%。在铸铁中，由于 si、mn 和其它合金元素溶于珠光体中，强度和硬度会提高6。珠光体球铁在约 300c 时硬 度为 160 hb，540c 以上开始粒状化，650c 以上开始分解，硬度接近铁素体球铁 13。 贝氏体 铸铁中的贝氏体分两种，即上贝氏体和下贝氏体。在上贝氏体中，片状铁素 体间分布着不连续的短杆状渗碳体；而在下贝氏体中则是针状铁素体内成列地分 布着微细的碳化物，针状铁素体中的 c 为过饱和。由于贝氏体中微细的碳化物 分布在铁素体基体上，所以硬度较高，上贝氏体硬度为 4248 hrc，下贝氏体硬 度为 5055 hrc，但上贝氏体中碳化物较屈氏体粗大，且分布不均匀，故其硬度 与屈氏体相近，范性则显著比屈氏体差，下贝氏体中碳化物弥散度大，且分布均 匀，故其硬度高且有良好的范性、韧性，综合力学性能好，贝氏体的硬度可维持 在 320，超过该温度，硬度将呈直线下降，至 600时，为 28 hrc 8。 马氏体 马氏体分板条状马氏体和针状马氏体两种，马氏体在力学性能上的特点是高 硬度。合金元素基本上不影响马氏体的硬度，针状马氏体硬度大于 65 hrc、但韧 性低，脆性大，马氏体针越大，脆性就越大；板条状马氏体硬度约为 45 hrc，具 有较高的强度和韧性。温度高于 200时，马氏体将发生分解，随着温度的升高， 将依次转变为回火马氏体、回火屈氏体和回火索氏体，在这些回火产物中，碳化 物呈弥散状或粒状，在硬度相同时，它们比相应的珠光体型组织的综合力学性能 更好，尤其是范性和韧性8。 夹杂物 铸铁中夹杂物一般指非金属夹杂物，包括氧化物和硫化物等，它们主要影响 材料的范性、韧性和疲劳极限。夹杂物的数量越多，尺寸越大，形状越尖，危害 性就越大8。 1.2.2 工艺参数对铸铁金相组织和性能的影响 冷却速度的影响 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 4 当化学成分选定以后，改变铸铁共晶阶段的冷却速度，可在很大的范围内改 变铸铁的铸态组织，可以是灰铸铁，也可以为白口铸铁。其次取决于共析转变时 的冷却速度，共析转化的产物亦会有很大的变化，可从很细的片状珠光体到粗片 珠光体、珠光体加铁素体，一直到全部为铁素体的基体。随着冷却速度的增加， 铁液的过冷度增大，共晶反应平台离莱氏体共晶线的距离愈来愈近，说明铸铁的 白口倾向愈来愈大。如果共晶过冷温度低于莱氏体共晶线，或最后的凝固部分进 入亚稳定区凝固，则铸铁最后的组织中将出现自由状态的共晶渗碳体。假如再考 虑偏析因素，形成碳化物的元素在残留铁液中有富集，si 量则较低，因而使形成 莱氏体的共晶温度升高，以致在共晶团边界处形成碳化物的倾向更为增大13。 但是，研究表明，在 fe-c-si 合金中获得大的过冷度，对提高目前广泛应用的 铸铁材质的性能提供了一条有效途径14。 在铸造生产实际中，冷却速度的影响常常通过铸件壁厚、铸型条件以及浇注 温度等因素体现出来。一般来说，当其它条件相同时，铸件愈厚，冷却速度愈慢， 球墨铸铁则会出现很大的石墨球；在共析转变时则有转变成铁素体的倾向。如铸 件厚度逐渐变薄，则会进入亚稳定凝固而出现共晶渗碳体。 浇注温度对铸件的冷却速度略有影响，如提高浇注温度，则在铁液凝固以前 把型腔加热到较高温度，降低了铸铁通过型壁向外散热的能力，所以延缓了铸件 的冷却速度，既可促进共晶阶段的石墨化，又可促进共析阶段的石墨化。因此， 提高浇注温度可稍促进石墨化。 不同的铸型材料具有不同的导热能力，能导致不同的冷却速度。干砂型导热 较慢、湿砂型导热较快，金属型更快，石墨型最快。对于铸铁来说，和金属型接 触的表面往往由于激冷而易造成白口。因此在设计铸铁成分时必须考虑到所用铸 型材料；反之，也可以运用各种导热能力不同的材料来调整铸件各处的冷却速度， 如用冷铁加快局部厚壁部分的冷却速度，用热导率低的材料减缓某些薄壁部分的 冷却速度以获得所需的组织。 冷铁与铸件壁厚的关系并没有理论计算， 一般是凭经验来决定的。 冷铁厚度 铸件壁厚=124，当铸件壁厚小时，取下限，铸件壁厚大时，取上限。 冷铁刷涂料的目的是保护冷铁，防止冷铁产生龟裂与粘连，提高冷铁的使用 寿命，并可调节铸件的冷却速度，以防止铸件由于冷却速度过高而产生裂纹。一 般对小型冷硬铸铁件可以不刷涂料，而对于大型冷硬铸铁件就必须刷涂料，常用 的石墨涂料配比为：石墨粉 100% ，水玻璃 22.5%，陶土 56%13。 炉料性质、熔化制度及球化处理工艺的影响 炉料性质、熔化制度、铁液过热温度等均对铸铁的结晶特性和白口层深度产 生一定的影响。 除去对炉料的一般要求外，还要控制炉料中白口铸铁的比例，当炉料中白口 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 5 铸铁比例增加时，白口层深度亦增加。 提高铁液过热温度，由于形核能力的降低会增加白口层深度。 铁液在高温下保持时间延长，白口层也会增加。这是由于保温时间延长，会 使铁液中石墨核心减少。包内孕育处理对白口倾向有着非常明显的影响，它甚至 比化学成分变化的影响还大，这是因为孕育处理对铸铁的共晶形核与长大发生影 响，会增加共晶团的数量，因而降低铸铁的白口倾向性13。 冲天炉是熔炼铸铁件的主要设备。当愈来愈多性能优良的合金铸铁从实验室 走向生产应用的时候，铁水的熔炼质量是关系到成果转化的成败关键。从合金铸 铁件生产工艺对熔炼质量提出的要求出发，以焦炭燃烧模型、链式反应为切入点， 提出只有大力推广铸造焦的使用，才能加速实验室成果向生产应用的转化速率， 才能得到生产条件下的优质合金铸铁件15。 有研究表明，采用金属型，球化剂含稀土、钇、钙、锑、镁、硅等元素时， 用冲入法球化孕育处理和 75 硅铁随流孕育的方法，在铸造状态下可以直接获得针 状组织（贝氏体）的球墨铸铁轧辊。这种轧辊具有较高的耐磨性、抗热裂性，辊 身工作层硬度落差小。在同等使用条件下，针状组织（贝氏体）球墨铸铁轧辊的 使用寿命是中镍铬钼球墨铸铁无限冷硬铸铁轧辊的 35 倍16, 17。 1.2.3 无限冷硬铸铁轧辊 无限冷硬铸铁是介于冷硬铸铁和普通铸铁之间的一种铸铁材质。无限冷硬铸 铁轧辊与冷硬铸铁轧辊相比，铁水中含 si 量为 0.81.6%。因此，无限冷硬铸铁轧 辊辊身工作层基体组织内除含有与白口铸铁中相近似数量的碳化物（35%）和莱 氏体外还存在着均匀分布的球状、团状、蠕虫状或片层状石墨。基体组织中石 墨的含量，从辊身表面往里，随深度的增加而提高；与之相应，硬度则随之降低。 因此，无限冷硬铸铁轧辊辊身冷硬层（严格的定义应称之为“工作层” ）与辊身芯 部没有明显的分界线，因而一些国家的轧辊制造商把无限冷硬铸铁轧辊顾名思义 称之为“不定界冷硬铸铁轧辊” （indefinite chill rolls） ；另外，考虑到无限冷硬铸 铁轧辊虽然含有 0.81.6%的 si，但与普通球墨铸铁相比，其铁水仍然具有一定程 度的“过冷度” ，在凝固过程中，受金属型的激冷作用，辊身工作层结晶组织比较 细密，因此，也有人将无限冷硬铸铁轧辊称为“晶粒铸铁轧辊”(grain rolls) 18。 无限冷硬铸铁轧辊根据加入材质中的 cr、ni 和 o 合金元素的不同含量，分 为铬钼无限冷硬铸铁轧辊、低镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊、中镍铬钼无限冷硬铸铁 轧辊和高镍铬无限冷硬铸铁轧辊。同时，依其不同的石墨形态，又可分为球墨无 限冷硬和普通无限冷硬铸铁轧辊。通常铬钼无限冷硬铸铁轧辊和低、中镍铬钼无 限冷硬铸铁轧辊的生产都是采用整体浇注工艺；而高镍铬无限冷硬铸铁轧辊几乎 都是采用冲洗（亦称溢流法）或离心复合浇注工艺生产19 ,20, 21。 对制造带槽轧辊，铝合金环法克服了传统冷型方法的轧槽硬度分布不均的缺 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 6 点，通过排出铝液的时间来控制带槽轧辊的性能，是制造大、中型带槽轧辊的一 种先进方法22。 无限冷硬铸铁轧辊辊身工作层基体中存在着较大数量的碳化物，因此有较好 的耐磨性；此外，在基体组织中均匀分布的少量细小石墨，起到了松驰机械应力 作用，有利于减轻辊身表层的剥落缺陷；同时，石墨本身具有优良的导热性能， 在轧钢过程中，轧辊表面受热冲击时，石墨起缓冲热应力的作用，有利于防止热 裂纹的产生。此外，辊身表面由于石墨脱落形成细小孔穴，改善轧辊的咬入性能。 因此，无限冷硬铸铁轧辊广泛用做型钢，线材、棒材和带钢连轧机精轧用辊。 无限冷硬铸铁轧辊辊身工作层的基体组织依其合金元素的不同含量和回火温 度的高低而异。对于普通铬钼无限冷硬铸铁轧辊，由于合金元素含量偏低（含 cr0.20.3%）,不仅碳化物粗大，而且珠光体片层距也较大，轧辊抗拉强度和耐磨 性都较低； 向无限冷硬铸铁轧辊中加入适量的 ni （3%） 、 cr （1.5%） 、 o(0.2 0.24%)等元素合金化后， 虽然基体组织仍为片层珠光体+少量石墨+35%左右的碳化 物，但珠光体片层间距明显变小，而且碳化物也有细化的趋向3。 在无限冷硬铸铁轧辊中，辊身工作层基体组织从表面向中心逐渐发生变化， 其中碳化物和莱氏体数量逐渐减少，而基体组织中石墨含量也随之变化，由 5 mm 到深 20 mm 位置，石墨数量明显增加。因此，从辊身表面由表及里硬度逐渐降低。 不过，应当肯定的是正如图 1.1 所示，无限冷硬辊硬度降低比较缓慢，而冷硬铸铁 轧辊则由于在白口层以下有麻口区的缘故，越过白口层往里，硬度随即降落到最 低值范围。相对而言，无限冷硬铸铁轧辊内部硬度高于冷硬铸铁轧辊4。因此，它 适宜用在轧制型钢、线材、棒材、小型钢坯与钢管等开孔型的中间轧机和精轧机 上。 图 1.1 铸铁轧辊内部硬度变化 fig1.1 the internal hardness change of ingot roller 硬度（hs） 冷 硬 高碳无限冷硬 低碳无限冷硬 0 50 100 150 200 250 300 距表面深度（mm） 65 60 55 50 45 40 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 7 1.2.4 化学成分对铸铁轧辊组织和性能的影响 碳的影响 碳是石墨化能力强的元素。在无限冷硬铸铁轧辊中，随含碳量的提高，铁水 中碳浓度的增加，未完全熔化的石墨夹杂数量增多，即非自发晶核的数量增多， 从而石墨晶核形成的几率增大，加速石墨核心的生成。促进石墨化。然而，如冷 硬铸铁轧辊一样，无限冷硬铸铁轧辊也是采用金属型生产，在冷型的激冷作用下， 加上铁水本身有一定的过冷度，必然促使接近冷型表面的辊身工作层基体组织内 的碳化物增多，石墨减少，而且变得细小，辊身表面硬度也随之增多4。在冷硬铸 铁轧辊中，c 与硬度的关系见公式（1.1）13 hs=14c%13 公式 （1.1） 生产实践证明，沿辊身截面从辊身表面向轧辊芯部，随着含碳量的增加，硬 度显著降低，同时，机械性能也有降低的趋势。所以，高碳无限冷硬铸铁轧辊仅 仅适用于板钢轧辊或加工出浅孔型的棒材轧辊，当轧制大型型钢时，如需加工深 的孔型，则希望采用硬度降低小，含碳量较低的无限冷硬铸铁轧辊。通常将无限 冷硬铸铁轧辊的含碳量控制在 2.53.5%范围内较合适4。 碳是球墨铸铁的基本元素，碳高有助于石墨化。由于石墨呈球状后对机械性 能的影响已减小到最低程度，球墨铸铁的含碳量一般较高，在 3.53.9 之间。碳 高不仅可以改善铁液的流动性，而且还会提高铸铁凝固时的石墨化膨胀，提高铁 液的自补缩能力。但碳过高，会引起石墨漂浮现象23。 碳的存在形式、数量和形状对铸铁导热性有决定性的影响。铸铁导热性随石 墨量增加而增大，随碳化物量增加而减小；石墨和碳化物的形状也对铸铁导热性 有很大的影响。石墨呈片状、碳化物呈板状和块状对铸铁导热性较有利。碳对铸 铁导热性的影响随温度升高而降低24, 25。 硅的影响 si 与 fe 原子的结合力很强，它溶于铁水和铁的固溶体内，降低铁碳原子的结 合力，增强铁水和固态铸铁内碳原子游离扩散的能力，促进石墨化。随着含 si 量 的提高，液相线下降，c 的饱和浓度降低，提高转变温度，使石墨化在温度较高、 c 的游离扩散能力强的条件下进行，利于石墨的析出。在无限冷硬铸铁轧辊中，为 了综合考虑 si 和 c 的影响，通常将 si 折合成碳当量即 ce=c+1/3（si+p） 。 生产实践表明， 无限冷硬铸铁轧辊的碳当量一般控制在 4.04.5%范围内比较 合适。碳当量过高势必导致工作层内石墨数量增多，硬度下降，降低轧辊的耐磨 性；反之碳当量偏低时，由于碳化物量的增多，使轧辊的抗热裂性能及强度都相 应降低，因此，容易发生轧辊断裂事故。通常 si 含量为 0.71.6%4。 当碳当量为 3.5，si/c 为 0.9，cu 含量为 0.7和铬含量为 1.0时，铸铁的 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 8 硬度可以稳定地达到 hb270300， 超过了现在工厂使用耐磨铸铁的硬度(hb270 300)。磨损试验表明，该铸铁耐磨性比一般耐磨铸铁提高 15%，与铬钼铜耐磨铸铁 接近26。 锰的影响 n 是形成碳化物能力较强的元素。在一次结晶过程中，n 会增加无限冷硬 铸铁轧辊的过冷倾向，促进形成碳化物。在轧辊凝固后的共析转变过程中，n 降 低共析转变温度，从而稳定和细化珠光体，提高轧辊的硬度和强度，但同时降低 韧性和塑性。此外，n 还能与 s 结合成ns ，减轻对轧辊的有害作用。所以， n 是调节与控制无限冷硬铸铁轧辊工作层的基体组织和性能（特别是影响硬度） 的重要元素之一。生产实践证明，在大直径轧辊中，锰的偏析相当严重，由于n 在含 si 量较高的奥氏体中溶解度很小，所以，在无限冷硬铸铁轧辊的铁水凝固过 程中，n 必然富集在尚未凝固的铁液中，最后在生长的共晶团的挤压下，n 富 集到共晶团边界上，形成珠光体或碳化物，严重时将形成网状碳化物，有人认为， 当含n 量大于 0.8%时，将形成大量的网状碳化物，致使辊身残余应力增大，从 而使轧辊变脆。因此，在无限冷硬铸铁轧辊中，通常将n 控制在 0.60.9%范围 内4。 磷的影响 在铸铁轧辊中，由于其它成分的影响，p 的溶解度很小，当含 p 量超过溶解 度极限时，p 以磷共晶的形态析出。由于磷共晶熔点很低，在凝固时，最后凝固沿 晶界析出，富集于共晶团边界上。严重时形成网状或断续网状。磷共晶硬而脆， 降低轧辊的韧性和塑性。p 提高脆性转变温度的作用十分强烈，p 含量每增加 0.01%，脆性转变温度可以提高 44.5。 同样的含 p 量，如果形成三元磷共晶就要比形成二元磷共晶数量多，其危害 性也就更大。因此，对无限冷硬铸铁轧辊应充分利用铁水过冷度小的特点，较之 冷硬铸铁轧辊控制较低的铁水含 p 量，同时，应以适当增加冷型涂料厚度和减小 导热性入手，降低铁水在型内的冷却速度，加强孕育处理，尽量控制以二元磷共 晶形式析出，避免三元磷共晶的产生，从而改善轧辊的韧性和塑性。在无限冷硬 铸铁轧辊铁水中，一般控制含 p 量为 0.25%以下4。 硫的影响 s 是轧辊中的有害元素。它溶于铁水但基本上不溶于铁的固溶体中，少量的 s （约 0.02%）便能生成硫化物（fes 或 mns） 。这些化合物大多形成共晶体分布在 共晶团界面上，使轧辊的韧性和塑性降低。s 也是最重要的反球化元素之一，它与 g 及 re 元素都有很强的亲和力。球化元素首先消耗于脱 s 和脱2。一部分脱 s 产物（mgs、res）进入炉渣，还有一部分硫化物残存于铁水中，这是球墨铸铁轧 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 9 辊球化不稳定，形成黑渣的主要原因。因此，对无限冷硬铸铁轧辊，特别是球墨 铸铁轧辊， 应尽可能控制低的原铁水含 s 量。 一般认为， 原铁水含 s 量应小于 0.05% 为宜4。 铬的影响 cr 是缩小奥氏体区的元素， 提高铸铁的共析转变温度。 但由于 cr 阻碍铁原子 在奥氏体中的自扩散和碳的扩散，而其自身在奥氏体中扩散速度较慢，从而使共 析转变减缓， 促使珠光体细化。 实践表明， 在无限冷硬铸铁轧辊中， 加入 0.30.4% 的 cr，不仅能细化石墨，而且对基体组织也有明显的细化作用4。cr 对铸铁的抗 氧化和抗热疲劳性都有显著作用27。 cr 作为合金元素加入铸铁轧辊中，能使珠光体中的铁素体得到强化，有利于 提高轧辊强度，在冷硬铸铁中，cr 是增加白口层深度最有效的元素。只要加入 si 量的 3/4 左右的 cr 就能抵消 si 的作用， 因此， cr 是铸造工作者挽救冷硬铸铁轧辊 铁水中含 si 量过高，致使辊身白口层偏浅的有效措施，常规的冷硬铸铁轧辊中 cr 含量一般控制在 0.20.7%范围内4。 在冷硬铸铁轧辊中，cr 强烈增加轧辊的过度区深度，使轧辊的脆性增加，断 辊趋向性增大。为消除 cr 对过度区这种不良影响，通常在轧辊浇注工艺及操作上 进行改进，采用“溢流法” （冲洗法）或离心复合浇注工艺，降低辊身心部 cr 含 量，提高心部强度，从而保证轧辊兼有优良的耐磨性和高的心部强度20。 钼的影响 在冷硬铸铁轧辊中，当含 mo 量控制在 0.35%以下时，并未显示出 mo 合金的 有利作用，当 mo 提高到 0.350.50%时，不仅能细化珠光体组织，减少柱状晶的 结晶倾向，使白口层获得致密的宏观组织，同时改善辊身白口层耐磨性。79 年， 我国在制定铸铁轧辊国家标准（gb150479）时，按冷硬轧辊的不同用途， 将含 mo 量分别控制为 0.20.6%和 0.30.8%。然而，由于国标中规定的 mo 含 量范围过大，且一些轧辊生产厂家基于 mo 合金价格偏高的原因，对冷硬辊中含 mo 量大多控制在较低范围（0.20.3%） ，不可能充分发挥 mo 的合金化作用。但 当 cr 和 mo 共同使用时，则可显示出合金元素的显著作用4。 铜的影响 cu 是非碳化物形成元素，在铸铁中的凝固阶段，cu 促进石墨化；在共析阶 段，cu 又促进珠光体的形成，阻碍石墨化。因此，cu 在大断面铸铁件中，既可防 止出现白口，又能减轻石墨的长大，对提高断面的组织均匀性有好处。在厚大铸 铁件的生产中，常加入 0.91.1的 cu11。 钒、钛的影响 生产实践表明，向铬钼冷硬铸铁轧辊中加入 0.10.2%v 合金化以后，辊身冷 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 10 硬层的共晶晶粒明显细化，从而提高了辊身工作层抗拉强度，有利于减轻辊身表 面裂纹和剥落缺陷的产生。 在冷硬铸铁中，钒的一个显著特性是降低冷硬层中枝晶形成的倾向性，有利 于机械性能的提高。 在铸铁中 v 元素分配在基体组织 （珠光体） 、 渗碳体、 合金碳化物及氧化物中。 分配在珠光体和渗碳体中的 v 元素以固溶状态存在；分配在合金碳化物、氧化物 中的 v 元素则是以化合状态存在。但 v 主要分配在合金碳化物和固溶在基体组织 中，其次是氧化物和渗碳体28, 29。 含 v 冷硬铸铁轧辊辊身工作层基体组织中的小块、多角形碳化物的显微硬度 普遍高于常规的铬钼冷硬铸铁轧辊基体组织中相近似的小块碳化物的显微硬度。 但是对大块状的碳化物和基体组织没有类似的规律。这一现象与所侧得的 v 在铁 水中的分配关系不完全一致。这是因为含 v 冷硬铸铁轧辊中含碳量都比较高，加 入 0.10.15%的微量 v，显然全部与 c 相结合，以 vc 的形态析出，没有多余的 v 元素固溶于基体组织和渗碳体之中的缘故。 加 v 合金化的冷硬铸铁轧辊具有高的抗冷热疲劳性能。 v 对冷硬铸铁轧辊辊身工作层质量有良好的作用。有数据表明，即使用较高 石墨化元素含量的铁液， 当加入 0.110.12%v 合金化时， 也可保证获得 1925mm 的高硬度的白口层。 与常规铬钼冷硬铸铁轧辊相比，当加入 0.10.15%v 以后，即使成品铁水中 si 量增加 0.1%，含 cr 量减少 0.10.15%，仍能获得相同的白口层深度和辊身硬 度。甚至白口层最深可达 38mm，而且辊身表面硬度最大值为 6870hsd，无疑， 冷硬铸铁轧辊经 v 合金化后有利于提高辊身工作层的耐磨性和轧辊的使用寿命4。 我国有着丰富的钒钛共生铁矿资源，充分利用我国的资源特点，研究用钒钛 生铁制造耐磨铸铁已取得了很好的效果，其耐磨性比普通孕育铸铁提高 12 倍， 并且可以少用或不用废钢，熔炼工艺简便，易于掌握30, 31。 钒钛铸铁中的钒、钛两元素与碳氮有很大的亲和力，形成特有的钒钛碳氮化 合物，这些化合物具有很高的显微硬度，可高达 9601840hv，呈细小的硬质点分 布于基体组织之中，使铸铁的减摩性能大大提高。此外，钒钛铸铁的碳当量较普 通灰铸铁为高，而钒钛元素的存在虽然使铸铁中的石墨量多些，但不粗大，这对 提高铸铁的减摩性亦是有利的。 钒和钛都显著地细化组织。钒是强烈反对石墨化的元素，使铸铁的白口倾向 增大，钛在少量的情况下所形成的氮化物可作为石墨结晶核心，因而能促进石墨 化，其作用要比硅强烈得多，并且可使石墨细化，较多的钛会导致形成过冷石墨 并出现伴随而来的较多的铁素体。钒、钛两元素联合作用时，既能防止出现白口， 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 11 又能防止出现游离铁素体，使铸铁得到细密的珠光体基体和细小的石墨11。 ti 在球墨铸铁中属球化干扰元素，会引起球形石墨的变态32。用含有稀土的 球化剂可以消除 ti 对球化效果的不良影响23。稀土元素还可以提高合金铸铁轧辊 的强度、韧性和热疲劳性能33, 34。 常规低铬钼无限冷硬球墨铸铁轧辊材质见表 1.1。 表 1.1 低铬钼无限冷硬球墨铸铁轧辊化学成分4 tab1.1 the chemical constitution of high cold hardness spheroidal roll containing small quantity of chrome and molybdenum 元素 c si mn p s cr mo mg 含量 (%) 2.9 3.8 0.8 2.5 0.5 1.2 0.3 0.03 0.2 0.6 0.2 0.6 0.04 1.2.5 冷硬铸铁轧辊生产常见铸造缺陷及其防止方法 横向裂纹 横向裂纹一般产生在细长轧辊上辊颈的根部，也有产生在下辊颈处，沿着圆 周方向开裂，个别的轧辊断裂成两段。材质过硬时，断裂常产生在辊身上。 该缺陷的产生主要与轧辊凝固时的收缩有关。在轧辊凝固收缩时，冷型会发 生受热膨胀，此时如果铁水侵入如图 1.2 中的 a、c 处披缝或如 b 溢出冒口以及铸 件与铸型间摩擦力大时，会使轧辊收缩受阻，当轧辊的收缩的拉应力破坏了热节 点处的强度薄弱区时，就会发生轧辊横裂，该缺陷属于热裂。 防止这种缺陷的原则都是保证轧辊的自由收缩。 方法如图 1.3 所示采用活动冒 口，浇注后 23 分钟取下垫铁 a，卡子 b，这样上辊颈连同砂箱一起向下收缩。 为防止铁水侵入缝隙 c， 合箱时用砂泥堵死活动冒口与冷型之间的披缝； 此外还应 增大上辊颈模型的拔模斜度32。 横向裂纹造成的轧辊逆偏析 该缺陷一般产生在上辊颈根部，距辊身台阶 100150 毫米处，加工后呈白亮 处显著磨损刀具，亦严重刮伤轴套，这种缺陷一般工厂称为“白线”或“抹脖” 。 这是横向裂纹的续生现象，是在产生横向裂纹的时候，轧辊中心尚未凝固， 则铁水重新充满了横向裂纹，此时中心最后凝固的铁水中，低熔点磷共晶含量较 多，含磷量比材质成分高 48 倍，质脆而硬、强度低易断。辊身表面 p 偏析见表 1.2。 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 12 图 1.2 轧辊的凝固收缩与冷型受热膨胀示意图 fig1.2 the abridged general view of rolls liquid-solid contraction and cold heating expansion 图 1.3 冷型与上辊颈砂箱合箱图 fig1.3 the mould assembling graph of cold upper roller neck a b c 冷型受热膨胀 轧辊凝固收缩 a b c 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 13 表 1.2 辊身表面 p 偏析 tab1.2 the surface p aliquation of roller body 冷硬铸铁 铬钼合金铸铁 白线处 辊身 白线处 辊身 含磷量（%） 35 0.48 3.5 0.42 凡是能防止横向裂纹的方法都可以防止该缺陷32。 纵向裂纹 纵向裂纹主要表现为沿着辊身轴向开裂，贯穿或不贯穿辊身的裂纹。 该缺陷的产生主要有两方面的原因。一是辊身外层凝固时的受力状态如图 1.4 所示，由于辊身通常是在金属型中铸造，在轧辊凝固初期，辊身只形成一定厚度 的外壳，外壳的凝固收缩会挤压内部尚未凝固的金属液，如果金属液的退让性差， 必将造成外壳承受拉应力，如果拉应力超过了此时外壳的强度极限，外壳就会沿 辊身纵向开裂。另一方面，如果浇注轧辊时，金属型未能保持较好的垂直度，或 者金属型的涂料涂刷不均、脱落，会造成辊身外壳的厚度不均如图 1.5，外壳厚的 部位较早地具有一定的固态强度，薄的部位强度尚较低，这时 p压很容易在 b 处突 破造成开裂。 要防止该缺陷，首先要增加芯部铁水的退让性，如适当提高铁水含磷量，以 形成一定量的低熔点的磷共晶，浇注后要点冒口，延长芯部铁水的液态时间；其 次，还要求冷型内表面不应有裂纹、暗缩孔、缩松等缺陷，提高涂料强度并且喷 涂均匀，铁水的成分要均匀，合箱时保证辊身的垂直度，以便获得厚度均匀的辊 身外壳32。 白口深度不足或太深 造成该缺陷的原因主要与铁水碳当量、浇注温度或冷型涂料层厚度有关。当 铁水碳当量过高，浇注温度过高或冷型涂料层过厚时，会出现白口深度不足；相 反，则会出现白口深度太深。 防止这种缺陷的办法是正确设计化学成分，尤其是 c 和 si 的含量，严格控制 浇注温度和涂料厚度32。 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 14 图 1.4 轧辊凝固收缩时表壳的受力状态 图 1.5 辊身表壳不均匀凝固时的受力状态 fig1.4 the roller watch cases stress fig1.5 the roller watch cases stress when when liquid-solid contracting non-uniform freezing 白口深度不均 白口深度不均有两种情况，即辊身圆周分布不均和辊身轴向上分布不均。 前者产生的原因包括：铁水成分不均、铁水温度不均、辊身冷却不均三个方 面。其中铁水成分不均是由于铁水温度低或加入合金后搅拌不均匀造成；铁水温 度不均除点冒口时补浇铁水太多，且浇注偏心外，还与内浇口和辊颈不正切，使 铁水不能很好旋转有关；辊身冷却不均则与浇注时轧辊不垂直、涂料厚度不均、 浇注时冷型温度不均有关。后者除以上原因外，还与浇注速度过慢导致冷型上下 部温差大有关。 防止这两类缺陷的办法包括适当提高铁水温度，加入合金后充分进行搅拌； 合箱时辊型垂直以保证轧辊凝固收缩时不偏斜；保证涂料厚度均匀；冷型温度应 保持均匀，出炉后避免一侧吹风或沾水；避免浇注时铁水量不足，在冒口处多浇 注铁水；冒口补浇铁水时要求浇流不偏心。内浇口与辊颈应正切32。 夹砂与夹渣 该缺陷产生的主要原因包括由于内浇口太小，浇注速度太慢使铸型长时间受 高温烘烤，或者内浇口设计不合理、铁水在铸型内没有很好旋转上升；铁水温度 太低或熔剂不合适，造成渣太粘，而不能很好上浮。 防止缺陷的办法主要是正确地设计浇注系统和浇注工艺，使铁水进入模内后 能迅速而又平稳地旋转上升。保证适当的铁水温度等32。 p 压 p拉 p 压 p拉 a b 重庆大学硕士学位论文 2 实验设计 15 2 实验设计 2.1 轧辊使用特点及性能要求 大型型钢（包括槽钢、工字钢、角钢等）和轨梁断面都比较复杂，因此在轧 制过程中，轧辊孔型内金属的变形很不均匀，以及由于型材各部位的温度、变形 量与轧辊辊面的相对速度都不相同，致使轧辊各部位承受的温度应力及前、后滑 力相差很大，因此，使轧辊失效的原因变得十分复杂。尤其是用于轧制钢轨的轧 辊，必须满足远比轧制其他型钢更为苛刻的轧制条件，其中包括：由于断面不 对称，作用于轧辊的凸缘处的推力较大；轧辊在孔槽内各部位的金属流动速度 差很大，由此将造成孔槽的局部磨损，尤其是侧壁磨损不均匀；轧制钢轨的轧 辊孔型复杂，特别是轧制钢轨幅板的部位孔槽很深，冷却水很难实现均匀冷却， 因此孔槽底部容易出现热裂纹。 以生产钢轨、方园钢为主的攀钢轨梁厂的三辊式中间轧机，二辊式精轧机上 的轧辊都加工有深孔型，为保证轧材各部位的尺寸精度，要求轧辊从辊身表面到 孔型底部应具有相近的硬度值，以期实现孔型内部均匀的磨损。此外，由于孔型 很深，使轧辊的有效直径减小，因此同时要求轧辊应兼有足够的强度和韧性，以 防止辊身断裂和梅花瓣的损坏。 从轧辊的使用特点及使用经验考虑，轧辊的机械性能应满足表 2.1。 表 2.1 轧辊机械性能指标 tab2.1 the rollers mechanical character data 机械性能 b （mpa） 辊 身 表 面 硬 度 （hsd） 150mm 工作层硬 度落差（hsd） 指标 300 5570 12 2.2 性能及其主要影响因素 (1) 表面硬度 表面硬度是保证轧辊耐磨的主要指标，无限冷硬铸铁轧辊辊身表面主要由珠 光体+碳化物+少量石墨组成。如要求表面硬度大于 55hsd，组织中必须保证足够 的碳化物含量。在无限冷硬铸铁轧辊的生产中，辊身是在金属型中凝固的，辊身 表面受金属型激冷，结晶主要以介稳态进行，即 c 主要以碳化物形式析出，c 越 重庆大学硕士学位论文 2 实验设计 16 高，析出的碳化物越多，辊身表面硬度越高。尽管辊身是在金属型中结晶，但由 于无限冷硬铸铁轧辊铁水过冷度有限，仍会有少量石墨析出，且析出量随铁水中 si 含量的增加而增多，即 si 量提高，辊身工作层硬度有一定降低。另外，铁水中 的 cr、v、mn、残余球化剂会增加铁水的过冷度，抵消 si 的作用，从而可提高辊 身表面硬度。v 还能形成硬度极高的特殊碳化物，提高硬度。 (2) 工作层硬度差 工作层硬度差是保证开槽轧辊，尤其是开深槽轧辊寿命的重要指标之一，硬 度差越小，则槽的上下面磨损越均匀，可提高轧钢量。硬度差的形成主要是因为 辊身由表及里凝固方式的变化造成的，越近表面激冷越强，结晶越接近介稳态， 往里激冷越弱，结晶越接近稳定态。由于两种凝固方式中 c 析出的产物不同，前 者为 c 化物，后者为石墨，因而造成了硬度差。这种凝固方式上的差异一方面与 凝固冷却强度有关，因无限冷硬辊铁水具有一定的过冷度，所以随着冷却强度的 增加，激冷层越厚，凝固方式上的差异越小，硬度差就越小。冷却强度主要与金 属型材质，壁厚，预热温度和铁水浇注温度有关。金属型的蓄热系数越高，壁越 厚则冷却强度大，一般采用铸铁金属型；金属型预热温度高及铁水浇注温度高， 则金属型在铁水凝固前已吸收了较多热量，从而降低冷却强度，增大硬度差。另 一方