离心铸造复合轧辊裂纹原因分析.pdf

《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND F0RGING No．5 September 201 1 离心铸造复合轧辊裂纹原因分析 张文慈秦建平谷霞徐龙立 (太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024) 摘要：裂纹是离心铸造高镍铬复合轧辊报废的主要原因之一。针对高镍铬轧辊辊身出现的裂纹问题，分析 其形成原因主要为冷型转速过高，化学成分和涂料也是造成轧辊裂纹的重要影响因素。 关键词：离心铸造；高镍铬轧辊；裂纹 中图分类号：TG332 ．4 文献标识码：A The Centrifugal Casting Combined Roll Crack Reason Analysis Zhang Wenci，Qin Jianping，Gu Xia，Xu Longli Abstract：Cracks is one of the main invalid forms of high Ni Cr centrifugal combined casting roller．For high nick— el chrome roller body appear cracks，analysis the forming reason mainly for cold typal speed is exorbitant，chemical composition and coating is also causes the important influence factors of roll crack． Key words：centrifugal combined casting；high Ni—Cr roller；crack 当前，国内外板材厂家所使用的精轧轧辊大 多数为高NiCr离心复合铸铁轧辊，其表面硬度在 65HS～85HS之间，芯部材质为普通球墨铸铁。 其生产过程是将熔炼好的高NiCr合金铁液，浇注 在转动的模具当中，冷却到一定阶段后再填入普 通的球墨铸铁铁液。轧辊裂纹是离心铸造生产复 合轧辊的主要报废原因之一，而产生裂纹的原因 主要有以下几方面：(1)化学成分；(2)涂料；(3) 离心机速度；(4)冷型。 1裂纹产生的原因 1．1 高镍铬轧辊化学成分分析 实践证明，轧辊的化学成分对轧辊的组织性 能起主导作用。除冷却速度、冶炼工艺等因素外， 各组成化学元素的含量也存在一定的相互影响与 制约。其中碳元素的存在状态对轧辊的组织性能 影响很大，而碳元素究竟以石墨或者渗碳体的状 态存在，取决于铁水的成分、浇铸后铁水的冷却速 度、合金元素的石墨化倾向程度以及铁水的熔炼 工艺。在一定的冷却条件下，合理的增加含碳量， 则会增加工作层内渗碳体的含量，降低白口层的 深度，从而使轧辊的硬度增大，同时轧辊的脆性也 会增高。但是如果碳含量过高，由于石墨化作用 以及石墨偏析的存在，轧辊的硬度与强度反而会 降低，还将导致白口层的组织脆化使轧辊热稳定 性降低。 硅元素是比较强烈的石墨化元素，具有一定 收稿日期：2011--03--28 的脱氧效果，在铸造轧辊生产中起着调节性能的 重要作用。但含量过高时会形成粗大的M C型 碳化物以及铁素体，导致组织的硬度和韧性降低。 锰元素在铁水中起着脱氧脱硫的作用：FeO +Mn=MnO+Fe、FeS+Mn=MnS+Fe。所以 锰可以净化铁水，在合理的规范内增加锰含量，会 细化金属基体组织、增加硬度。一般来说，高镍铬 轧辊中锰的含量为(质量分数，下同)0．5％～1％ 磷硫一般情况下被认为是难以完全消除的有 害元素。磷的存在会增加轧辊的脆性，轧钢生产 过程中易造成轧辊断裂。硫形成的硫化物同样会 降低轧辊的强韧度，因此应该严格控制硫磷的含 量。但考虑其他条件如涂料、浇注温度等不能完 全满足工艺要求的时候，需要保持一定的磷含量， 以防止发生轧辊开裂。一般要求磷含量在0．2％ ～0．45％(质量分数，下同)。同时由于在实际的 生产过程中，生产冷硬铸铁轧辊浇注前几分钟加 入适量的硫可以细化组织，并增加白口层的硬度， 所以一般硫的含量要求在0．01％～0．05％。 镍和硅一样具有石墨化的作用，在轧辊生产 中，合理的加入一定量的硅，还可以增加轧辊的淬 透性，在高镍铬轧辊的生产中，镍的加人量一般要 保持在3．5％一5％。 铬在铸造过程中会形成稳定的M3C，能够提 高轧辊的淬透性和热稳定性，在工艺要求范围内 轧辊的硬度随着铬含量的增加而增高，但同时轧 辊的脆性也随之增高。铬一般与镍、钼等配合使 用，相互制约。 21 《大型铸锻件》 HEAVY CAS nNG AND FORGING No．5 September 201 1 断面上我们能看到结合部位有明显的分界线，看 上去没有结合好，其实是由于材质的不同造成的。 轧辊的内层为球墨铸铁，外层为高合金冷硬铸铁， 因此呈现出不同的颜色。外层与中间层，中间层 与内层之间都会出现一条分界线，属于正常现象。 为了判断是否是由内应力过大造成的，我们做了 金相分析。 ． 图3 1#裂纹处金相 Figure 3 No．1 roll crackle metallographic 图4 2#轧辊裂纹处金相 Figure 4 No．2 roll crackle metallographic 由金相图3、图4我们可以看出，虽然两支轧 辊的裂纹形状差距较大，但二者的裂纹处金相有 着相同的特征。轧辊外层石墨非常少且形状像团 絮状，跟正常轧辊外层的蠕虫状石墨有所不同。 且裂纹处的石墨形态很差，存在片状割裂体，晶粒 大小差距比较大。初步判断是由于冷却速度过快 导致轧辊内应力过大造成的。轧辊外层与中层的 结合处相对比较脆弱，所以更容易开裂。查看该 轧辊生产记录，通过对比发现，生产该轧辊时的离 心机转速为120 G，明显高于其余13根(90 G)。 3改良措施 通过以上分析我们得知，两支轧辊出现裂纹 的原因均为离心机转速过快。针对原因我们提出 以下改进措施。 3．1计算调整冷型转速 计算冷型转速的经验公式有：①重力系数铸 型转速计算公式；②凯门铸型转速计算公式；③康 斯坦丁诺夫铸型转速计算公式。其中重力系数铸 型转速计算公式较适用于轧辊冷型的转速计算， 该公式为： n=29．9 式中：n为冷型转速(r／min)；r。为型腔内半 径(m)；G为重力系数。 在实际生产中，我们采用经验公式计算冷型 速度后，还要根据实际的生产情况适当的进行调 整。如果成分偏析情况严重时，可适当的提高冷 型转速，但不可调整的太过，否则将会出现上述的 情况导致裂纹的产生。 3．2适当调整合金成分含量 在不影响轧辊工作层使用性能的前提下，适 当降低工作层中形成碳化物元素的含量，提高硅 含量，以尽可能缩小合金结晶温度范围，减小合金 的收缩量，降低热应力，从面降低裂纹敏感性。适 当提高钼含量，以提高合金高温强度，减小裂纹倾 向。加强对有害元素的控制；加强还原期控制，采 用变质孕育工艺；加强炉内除气去渣措施与采取 有效的脱硫脱氧工艺，达到净化铁液的目的，并使 石墨形态由片状改变为团状或蠕虫状。减少片状 石墨在基体中的割裂作用，从而强化基体，提高抗 裂纹能力。 3．3合理配制涂料 合理配制涂料，并充分搅拌以提高涂料成分 的均匀性。同时，在离心过程中，保证“O”型玻璃 渣撒均匀，无裸露表面。在冷型的两端采取保温 措施，降低两端的冷却速度，使之与中部的冷却速 度相同。 4结语 生产高镍铬离心复合轧辊时，我们必须针对 产生裂纹的不同原因做合理的工艺调整。通过以 上改进措施，我们解决了该型号轧辊的裂纹问题， 大大降低了轧辊的裂纹率，同时也提高了轧辊的 抗裂性能，稳定了质量。 参考文献 [1] 高军芳，刘兵群．高镍铬铸铁轧辊辊身微裂纹综合防止方 法．金属铸锻焊技术，2008(4)：86—88． [2] 钟相昭．高镍铬离心复合铸造轧辊裂纹剥落分析及控制．河 南冶金，2007(9)：77—80． [3] 王殿刚，杨和林．铸造轧辊生产．北京：冶金工业出版社， 1988：297—338． 编辑邓玉 23