合金球墨铸铁初轧辊生产和热处理工艺研究

合金球墨铸铁初轧辊生产和热处理工艺研究华北地区第十六届热处理技术交流会论文集作者：梁谨齐增生摘要：本文分析了大型方板坯初轧机的使用条件和初轧辊的技术要求，提出采用合金球墨铸铁材质能够满足初轧辊的使用要求。喷雾淬火工艺可以有效减少或消除铸态组织中的牛眼状铁素体，提高轧辊的综合力学性能。通过试验，确定了初轧辊的最佳热处理工艺参数。生产结果表明，采用880-920℃加热，喷雾淬火加吹风续冷，540-580℃回火的热处理工艺，辊身工作层金相组织为球状石墨加回火索氏体和少量碳化物，抗拉强度大于700MPa,硬度42-48HS。关键词：初轧辊，合金球墨铸铁，热处理工艺1前言大型方板坯初轧机是用来轧制板坯和大方坯，比如宝钢80年代中期投产的1300mm初轧机，设计用来轧制120－250×650－1600mm板坯，200×200mm，225×225mm方坯。伴随着连铸技术的迅速发展，初轧机的发展和使用，经历了一个从兴盛、并存到衰亡的过程。90年代以前，是初轧机发展兴盛时期，陆续建成750mm以上初轧机19台。90年代以后，连铸比从20%发展到90年代末的90%以上，初轧机和连铸并存，初轧机的功能逐渐被取代。90年代末期到现在，国内连铸比一直保持在90%以上，初轧板坯被连铸所取代，在轧制产品上，初轧机起到一种补充作用，有的厂家，初轧机处于闲置状态。在合金钢棒线材连轧生产中，初轧机仍然具有独特的优势。初轧机轧制合金钢的方坯，提供给5机架棒线材连轧机组，生产不同规格的合金棒材。初轧机生产的特点是，一是以钢锭为原料，轧制温度高，钢锭变形量大，导致开坯时轧辊承受大的热冲击，容易造成辊身表面或孔槽底部产生大量的热裂纹。二是压下量大，轧制扭矩大，大型方板坯轧制道次压下量达到80-100mm，轧制压力达到2000-4000吨，最大轧制扭矩达到650-910吨米。三是方坯初轧机轧制负荷小，断辊不是主要问题，要求有较好的耐磨性以提高其轧制量。据此，对于大型方板坯初轧机，提出其技术要求为，辊身抗拉强度不小于600MPa，硬度42-48HS，辊颈抗拉强度不小于392MPa。2初轧辊材质选择根据初轧辊的使用要求，轧辊材质一般有两种选择，一种是合金铸钢或锻钢，一种是合金球墨铸铁。合金铸钢或锻钢的材质有50CrNiMo或70CrMnMo等，经过正火处理，金相组织是索氏体，具有较高的强度和一定的塑性和冲击韧性，在初轧机的使用上获得满意的效果。具有七十年代水平宝钢1300mm方板坯初轧机，其2号轧机使用的是合金球墨铸铁轧辊。由于合金球铁轧辊具有良好的导热性和抗热疲劳的能力，在该机架使用中获得了良好的使用效果。轧辊国产化的研制中，如何选择轧辊的化学成分和热处理工艺是面临的主要问题。分析了合金元素对于合金球铁组织和性能的影响。碳和硅是主要的石墨化元素，硅的存在促使铁素体的量增加。由于球墨铸铁凝固过冷倾向大，易产生白口组织，要求具有较高的碳当量。碳当量过高有产生石墨漂浮和石墨粗大的倾向。取碳当量为4.0-4.3%为宜。磷在大直径轧辊的生产中，是要严格控制的元素。在铸铁凝固过程中磷的分配系数是0.2，共晶转变完成后，残留液相中的磷含量相当高，生成二元磷共晶(Fe3P+Y)或三元磷共晶(Y+Fe3C+Fe3P)。磷共晶分布在共晶团晶界上，呈多角形，性质硬而脆，容易造成应力集中，降低了球铁的强度、塑性和韧性。所以对于直径达ψ1350mm的初轧辊来说，磷含量应控制在0.05%以下。硫严重影响石墨球化，控制在0.03%以下。锰有利于减少硫的有害作用，并且少量的锰有利于稳定和细化珠光体，但高含量的锰溶入奥氏体和碳化物中，使白口化倾向加大。铬是强碳化物形成元素，合金球铁轧辊中，铬含量超过0.2%，就会出现游离碳化物，并使轧辊硬度升高。溶入基体中的铬、锰起到强化基体的作用。因此为了使球铁获得良好的强度和塑性，铬、锰元素一般控制在较低的范围。镍是非碳化物形成元素，凝固后存在于铁素体和奥氏体中，起到稳定奥氏体和细化珠光体的作用，提高了轧辊的强度和塑性。对于珠光体组织的合金球铁，镍含量大多控制在1.5-2.5%的范围。钼是强烈促进珠光体组织形成的元素，并且细化珠光体组织，大量的钼由于偏析倾向加剧，在晶界上形成高硬度和稳定的含钼碳化物的可能增加，将降低球铁的塑性。一般控制在0.8%以下。基于以上分析，球墨铸铁初轧辊的化学成分设计如表1所示。对于球墨铸铁生产来说，由于化学成分的不同，铸造工艺的不同，其铸态组织是完全不同的，可以呈现出不同的性能指标。热处理的目的，就是在于根据轧辊的技术要求和使用条件及原始铸态组织情况，用合适的热处理方法来调整基体组织和内应力状态，以使轧辊达到最佳的技术性能指标和使用效果。生产实践上，采用电弧炉冶炼，控制铁水中的P,S含量，采用炉内喷粉增碳，炉后孕育球化处理及随浇孕育的工艺措施，铸造工艺上辊身部位采用喷涂料金属冷型。得到的铸态组织是均匀细小的球状石墨，基体组织是表2中的第3种类型，即珠光体+10-35%的牛眼状铁素体和少量的碳化物，检测硬度38-40HS。3合金球墨铸铁初轧辊热处理工艺研究3.1热处理工艺方案和试验方法选择合金球铁初轧辊铸造组织中，石墨细小均匀，但存在大量的牛眼状铁素体，导致总体硬度偏低。如果采用消除应力退火的热处理工艺(600—650℃)，将不能有效改善铁素体的分布，提高轧辊的强度，硬度，特别是轧辊的疲劳强度。牛眼状铁素体的存在，可以使球铁具有良好的塑性和承受冲击载荷的能力，对于轧辊的使用来说，合金球铁初轧辊经受弯曲疲劳过程，在热应力作用下，在辊身表面产生细小的热裂纹，并且在疲劳载荷作用下会迅速扩展，有时形成环裂而导致辊身断裂。所以提高辊身基体组织的疲劳强度是重要的。具有牛眼状铁素体组织的球墨铸铁，疲劳裂纹较多的在铁素体基体中扩展，从而减小了裂纹扩展抗力，降低了疲劳强度[3。为此，对于热处理工艺的选择，在考虑现有工艺装备的基础上，采用喷雾淬火和高温回火的工艺，其目的是减少或消除牛眼状铁素体，增加珠光体的含量，提高基体组织的强度和硬度，使轧辊达到技术条件所规定的强度和硬度要求。采用的实验方法是，在铸态辊身端部切取试样，利用箱式高温电阻炉在不同温度加热对试样进行奥氏体化，观察金相组织并检测硬度，来确定最佳奥氏体化温度。在确定的奥氏体化温度下，对试样加热，并空冷，制成回火用原始试样，利用箱式中温电阻炉进行最佳回火温度的试验，观察金相组织并检测硬度。3.2奥氏体化温度的确定从表3和表4的试验结果可以看出，880℃以上奥氏体化加热，铁素体已全部溶解，920℃或大于920℃加热，奥氏体晶粒粗大，稳定性增加，导致冷却后残余奥氏体增多，试样硬度下降。为此，把奥氏体化温度确定为880—900℃是比较合适的。3.3回火温度的确定为了确定最佳回火温度，将一组试样加热到900℃，保温40分钟，开炉门冷却到450℃以下，在不同温度下进行回火试验，观察金相组织并检测硬度，结果如表5。从表5可以看出，580℃回火贝氏体量减少，600℃回火硬度下降。考虑到轧辊在实际加热炉中回火时间较长和温度控制精度的实际情况，将轧辊的回火温度确定为540-580℃。4Φ1350mm初轧辊的制造工艺和性能宝钢1300mm初轧机2号轧机轧辊规格为Φ1350x3100mm，采用合金球铁(成分如表1)制造，确定热处理工艺如下：880-920℃加热，保温42小时，喷雾冷却20分钟，吹风冷却2-4小时，540-580℃回火，保温时间42小时，炉冷。在工艺操作上，关键是严格控制喷雾冷却和吹风冷却的冷却速度和终冷温度。喷雾冷却速度太高或者终冷温度太低，很容易由于热应力或组织应力导致表面拉应力过大而使轧辊表面出现裂纹，冷却速度小则不利于贝氏体组织的转变。要求控制喷雾冷却速度，使轧辊工作层范围的温度下降到300-450℃，并保持一定时间，在吹风冷却的条件下，完成贝氏体转变。采用以上热处理工艺，批量生产了φ1350mm合金球铁初轧辊。在轧辊辊身端部切环，观察金相组织为球状石墨和回火索氏体和不大于5％的碳化物，硬度HB300-330，比铸态硬度提高40-50HB。检测轧辊其他机械性能，并与国外某厂家的φ1360mm轧辊比较，结果如表6所示。由表6可以看出，自产φ1350mm合金球铁初轧辊经过喷雾淬火和高温回火后机械性能指标完全达到了技术条件所规定的要求。与进口同种规格的合金球铁比较，抗拉强度和伸长率有明显的改善，特别是冲击韧性指标提高较大。这种良好的综合力学性能对提高初轧辊使用中的抗事故能力有很大的益处。5结论大型合金球铁初轧辊，采用球化良好的铸态组织，经过喷雾淬火和高温回火，可以获得良好的综合机械性能。热处理工艺为880-920℃加热，喷雾淬火加吹风续冷，540-580℃回火。辊身工作层金相组织为球状石墨加回火索氏体和少量碳化物，抗拉强度大于700MPa，硬度42-48HS。完全满足初轧辊的技术要求和使用要求。