离心铸造高速钢辊环的研制.doc

离心铸造高速钢辊环的研制符寒光陈群殷作虎摘要：研究了高速钢成分、离心铸造工艺参数和复合变质处理对高速钢辊环性能的影响。结果表明,选择高V高Nb并经YKNa复合变质处理的高速钢,在离心铸造条件下制造的辊环,具有成分偏析小、硬度高、硬度均匀性好等特点,用于高线预精轧机,其使用寿命比常用的合金铸铁辊环提高58倍。关键词：高V高Nb高速钢变质处理离心机转数离心时间辊环STUDIES ON ECCENTRICALLY CAST HIGH SPEED STEEL ROLL COLLARFu Hanguang(Beijing Metallurgical Equipment Research Institute)Chen Qun(Baoshan Industrial Corp.)Yin Zhuohu(Jianlian Alloy Research Institute of WuXi Yongxin Group)Abstract：Influences of chemical compositions of high speed steel,process parameters of eccentrically casting and combined quenching and tempering treatments on the performance of high speed steel roll collar have been investigated and results show that the roll collar manufactured under the eccentrically casting conditions using the high V and Nb content and hardened and tempered high speed steel as the starting material shows such excellent properties as small segregation and high and uniform hardness.The life expectancy of the collar used in the high speed wire rod prefinishing mill is 5 to 8 fold longer than that of the conventional alloy cast iron roll collar.Keywords：high V and Nb content high speed steelmodificationcentrifuge speedcentrifuge timeroll collar1前言轧辊是轧钢生产中的主要消耗备件,其性能好坏将直接影响轧材的表面质量和轧材成本。因此对轧辊材质和生产工艺的研究,已成为国内外冶金生产厂家共同关注的问题。50年代以来,国外工业发达国家轧钢生产工艺和设备迅速发展,为适应轧钢生产需要,各种强度高、耐磨性好的轧辊相继问世,如半钢轧辊、锻造白口铁轧辊、高铬铸铁轧辊和高速钢轧辊等,使得辊耗逐年下降,尤以日本降低幅度最高,达到1.01.5 kg/t。我国轧辊生产现状与国外工业发达国家相比,差距较大,辊耗几乎是国外的3倍左右。为满足国内对高性能轧辊的需求,我们开展了高速钢辊环的研究。2高速钢辊环成分设计辊环成分设计原则是在保证辊环具有高硬度、高耐磨性和适宜韧性前提下,尽量降低成本,简化生产工艺。C是高速钢中的基本元素。一方面要保证与碳化物形成元素W、Mo、Cr、V等形成足够数量的碳化物;另一方面又要有一定的碳量溶入高温奥氏体中,使辊环淬火后获得过饱和的马氏体,以此保证辊环工作层具有高硬度和耐磨性以及良好的高温硬度。含量过高,碳化物数量增加,同时基体组织碳化物分布的不均匀性增大,使钢的塑性降低,脆性增加,在轧制过程中辊表面极易发生脆性剥落。综合考虑将w(C)控制在1.2%1.8%。W是提高高温硬度和耐磨性的主要元素。在钢中既能形成碳化物,又能部分溶于固溶体中,溶于马氏体中W原子与C结合力强,强烈阻碍它在回火时的析出,使钢具有良好的回火稳定性。Mo与W结构及物理性能相近,可以互相代替,1% Mo可以代替1.6%2.0% W。含Mo高速钢碳化物的不均匀性明显优于钨系高速钢,Mo系高速钢的红硬性低于钨系,但其抗弯强度和冲击韧性明显好于W系高速钢。综合考虑将w(W)控在5.0%7.0%,w(Mo)控制在4.5%6.0%。V是提高高速钢耐磨性的重要合金元素之一。随着钢中w(V)增加,耐磨性能提高;含量过高,辊环成本增加,因此w(V)控制在1.5%2.5%。Cr在高速钢中主要是增加淬硬层深度,通常含量均在4%左右,根据回炉料情况,将w(Cr)控制在3.7%4.5%。用普通静态铸造方法生产的高速钢辊环组织粗大,辊环内部易产生缩孔、疏松和气孔等铸造缺陷,辊环硬度均匀性低,使用寿命短。用离心铸造方法制造高速钢辊环,组织致密,缩孔、疏松和气孔等铸造缺陷明显减少。但是,由于高速钢中含有较多的W、Cr、Mo、V等合金元素,而这些元素的密度差别很大1:W为19 300 kg/m3、Mo为10 000 kg/m3、Cr为7 100 kg/m3、V为6 000 kg/m3、Fe为7 860 kg/m3。高速钢辊环若用普通离心铸造方法生产,元素易产生偏析而严重影响其质量。日本川崎制铁公司2分析了离心铸造高速钢偏析主要是MC型碳化物的偏析,严重影响轧辊的耐磨性。研究发现MC型碳化物主要是一次结晶VC的偏析,因VC与钢水的密度相差较大所致。采取添加Nb元素,并适量限制添加偏析元素W、Mo,结果生成密度较大的MC型复合碳化物(V、Mo、Nb系碳化物),其密度与钢水密度相接近,使VC减少,有效地控制了离心铸造高速钢的碳化物偏析,提高了高速钢轧辊的耐磨性。因此在高速钢辊环中加入0.8%1.5%Nb。铸造高速钢中粗大的铸态组织和晶界网状共晶碳化物严重削弱材料的强韧性,且难以用热处理方法消除,为此用YKNa复合变质剂对高速钢进行变质处理。RE加入钢中具有脱硫、除气的作用,同时RE与液态金属反应生成的细小粒子,加速凝固的形核作用,表面活性RE元素在流动的晶体表面形成吸附原子薄膜,降低流动离子的速度。RE元素的这些特性能细化高速钢的晶粒,限制树枝晶偏析,提高机械性能、抗氧化性和耐磨性。但加RE的副作用是带来夹杂。为了既能充分发挥SE的有益作用,又能克服上述副作用,我们用钇基重稀土取代常用的铈基轻稀土。采用钇基重稀土可获得比重较小的脱氧、脱硫产物,以利于其上浮。铈稀土的脱氧、脱硫产物以Ce2O2S计,其密度为6.00 g/cm3,钇稀土的脱氧、脱硫产物以Y2O2S计,密度为4.25 g/cm3,按Stokes公式计算夹杂物的上浮速度V为3:式中V夹杂物上浮速度/m.s-1r夹杂物半径/mm液金属液体的密度/N.m-3杂夹杂物的密度/N.m-3液体的动力粘度/N.s.m-2可见后者的上浮速度较前者增大1倍,这是使用钇稀土获得洁净组织对钢污染少的重要原因。Y的加入量为0.10%0.15%时,效果较好。K、Na可降低高速钢的初晶结晶温度和共晶结晶温度,初晶结晶温度和共晶结晶温度的下降,有助于钢水在液相线和共晶区过冷。而合金的结晶过冷度增大,会使形核率大大增加。因此,K、Na使初晶奥氏体晶核增多,初晶奥氏体得以细化。初晶奥氏体的细化导致共晶反应时残留钢液相互被隔开的趋势增强,进而导致共晶组织有细化。此外,K、Na在共晶结晶时选择性地吸附在共晶碳化物择优生长方向的表面上,形成吸附薄膜,阻碍钢液中的Fe、W、Mo、Cr、C等原子长入共晶碳化物晶体,降低了共晶碳化物010择优方向的长大速度,导致010方向长大减慢,001、100方向长大速度增大,会导致共晶碳化物变成不规则的团块状。初晶奥氏体的细化和共晶碳化物形态的改善,有利于高速钢机械性能,特别是冲击韧性的大幅度提高。若K、Na加入量过少,对高速钢的性能影响不大;加入量过多,导致合金中夹杂物数量增多,对机械性能也有不良影响。综合考虑,将K含量控制在0.05%0.10%,Na含量控制在0.06%0.15%。3高速钢辊环的制造和应用3.1高速钢的熔炼高速钢用500 kg碱性中频感应电炉熔炼,炉衬配比见表1。用高速钢废料、废钢、生铁、钼铁、钨铁，铬铁、铌铁和钒铁配炉料。熔炼过程中先加高速钢废料、废钢、生铁、钼铁、钨铁，钢水熔清后加入铬铁,出炉前加入铌铁和钒铁,然后用硅钙粉对钢液进行扩散脱氧,插铝终脱氧。用铝扩散脱氧时,因铝的氧化产生了大量的Al2O3,而Al2O3由于与炉衬(主要成分是MgO)可形成铝镁尖晶石,熔点(2 135 )较高4,较难成为熔融态而粘附于炉衬上或滞留于粘渣层中,使炉衬急剧增厚,使钢水熔炼时间加长,炉龄降低;选用硅钙粉扩散脱氧可减少钢液中Al2O3含量,提高炉衬寿命。在浇包内用冲入法对钢水进行YKNa复合变质处理表1炉衬的成分和配比镁砂种类镁砂尺寸配比/%化学成分/%MgOSiO2CaOFeO大颗粒镁砂310mm3592321小颗粒镁砂13mm3090431镁砂粉180220目3585642注:炉衬填加剂是水玻璃,加入量为9%12%。3.2高速钢辊环的离心铸造3.2.1离心机转数的选择离心机转数对辊环质量影响较大,转数过低,将难于得到形状完整和组织致密的辊环;而转数过高,辊环外表面上最初凝固的金属薄层可能承受不了内层金属的压力而产生裂纹缺陷。故转数的选择是离心铸造中一个重要工艺参数,一般用下式确定:式中n辊环的转数/r.min-1H辊环的高度/mmK辊环的壁厚差/mmd辊环的内径/mm,d=2x1当辊环外、内半径比R/r2时,取K=310;R/r2时,取K=1015。3.2.2停机时间的确定离心铸造时,停机时间也是一个不可忽视的因素。停机过早,液体金属没有完全凝固,可能造成塌陷,形成废品;如停机过晚,辊环冷却收缩受到离心压力的阻碍,产生应力,如果超出其相应状态下的强度极限,则可能产生裂纹缺陷。合适的停机时间可用“平方根定律”法进行估算:式中凝固时间/min辊环厚度/cmk凝固系数/cm.min-0.5,对于高速钢取k=1.82.0辊环的凝固与许多因素有关,利用公式法进行初步的估算后,尚需在实践中予以调整。实际操作中,注意观看辊环内表面,待呈现暗红色时即可停机。3.2.3辊环离心铸造工艺参数辊环外径280 mm,内径160 mm,高120 mm,用立式离心机铸造。辊环离心铸造工艺参数见表2。表2高速钢辊环离心铸造工艺参数工艺参数实 际 值铸型温度/160260涂料厚度/mm1.52.5铸型转数/r.min-1720780钢水浇注温度/1 4401 480钢水浇入铸型至离心机停机间隔时间/min15183.3高速钢辊环的热处理高速钢辊环热处理在45 kW箱式电阻炉内进行。辊环淬火温度控制在1 1501 200,为确保辊环淬火中不开裂,其淬火冷却方式采用喷吹水雾冷却。我们研究了回火温度对高速钢辊环硬度的影响,结果见图1。可见高速钢辊环经一次回火处理后,硬度明显升高,经二次回火处理后,硬度可进一步升高,并在550左右硬度达到最高值,因此辊环的实际热处理工艺为:(1 1501 200)(34)h,喷吹水雾+(530570)(35)h,炉冷2次。图1回火温度对高速钢辊环硬度的影响3.4高速钢辊环的性能和应用我们测试了高速钢辊环的硬度和淬硬层深度,结果表明,高速钢辊环表面硬度大于64,辊面硬度差小于3,距辊环表面30 mm处的硬度值维持在62以上,可见高速钢辊环具有良好的淬硬性和淬透性,可确保辊环在整个使用周期内都具有良好的耐磨性。离心铸造高速钢辊环在某钢厂高线预精轧机进行了上机考核。上机前轧槽尺寸为上辊深7.30 mm,下辊深7.22 mm;轧1 550 t钢后,上辊深 7.47 mm,下辊深7.44 mm,平均磨损为 0.195 mm(单面)。轧槽底部没有龟裂,表面光亮,还可继续使用24 h。而常用高铬铸铁辊环和高镍铬无限冷硬铸铁辊环使用24 h后,平均磨损为0.520.80 mm(单面),且龟裂严重,深达0.40.6 mm,需修磨后才能使用,直径车削量为2.43.6 mm。可见离心铸造高速钢辊环的使用寿命明显高于高铬铸铁辊环和高镍铬无限冷硬铸铁辊环,使用寿命比它们分别提高5倍和8倍以上。使用离心铸造高速钢辊环可明显提高轧钢设备运转率,降低工人劳动强度,提高轧材表面质量,降低轧材生产成本,具有良好的综合经济效益,值得