共昌高铬铸铁的特点周勤忠（江苏共昌轧辊有限公司江苏宜兴２１４２５３）摘要本文根据共昌公司一年多的高铬铸铁轧辊制造和使用情况，介绍了共昌高铬铸铁的制造和工艺控制优势，并结合实际情况对离心机设备进行了简单的陈述。关键词高铬铸铁、碳化物、离心机、结合层、淬火１前言高铬铸铁轧辊的采用，是近三十多年来继采用复合铸造的高合金无限冷硬铸铁轧辊和半钢轧辊之后，轧辊制造技术的又一重大革新。从上世纪６０年代末，美欧推出用高铬铸铁轧辊代替半钢轧辊以来，已经在现代化带钢、冷、热连轧机前机架，宽中厚板轧机上得到了广泛的应用，并获得良好的效果。武钢上世纪８０年代初从日本引进的１７００生产线Ｆ１一Ｆ３架，用的是半钢轧辊，而宝钢热连轧２０５０生产线是由法国制造在Ｆ１一Ｆ３架已经采用了高铬铸铁轧辊，轧制量成倍增加，而且它明显减少了使用半钢轧辊所出现的斑带缺陷。上世纪９０年代，高铬铸铁轧辊热连轧前机架仍是主打的轧辊选材轧制量一般都在４０００—７０００吨／毫米，虽然在上世纪末高速钢和半高速钢在逐渐引入市场，在有些轧机上已经用半高速钢代替高铬铸铁轧辊，但与半高速钢相比，高铬铸铁的性价比方面仍有一定的优势，它在中国乃至亚洲市场仍占有主要的市场份额。众所周知，在钢铁材料中Ｃｒ／Ｃ影响材料组织中碳化物以Ｍ３Ｃ形态出现，这是一种复杂的四方晶体结构，是一种脆性相，它在基体中是呈连续状态下析出，由于其硬度较高，所以它耐磨性能好，但是脆性较大，韧性差。随着Ｃｒ／Ｃ比的增加，组织中的碳化物含量呈Ｍ７Ｃ３型析出，其显微硬度也由８００～１１００ＨＶ逐渐上升到１２００—１６００ＨＶ，它是一个呈棒状和菊花状的枝状结构，基体中也由于铬含量的提高增加了淬透性。实践证明，轧辊组织中除了由于材料本身所付与的碳化物呈孤立状特点外，组织中碳化物的形态越弥散、细小对材料的韧性越有利，而硬度越高对轧辊的耐磨性越好，而共昌高铬铸铁主要是由于工艺和立式离心设备的特点（浇注温度底、涂料薄、转速高等）所决定的铸态组织中的Ｍ７Ｃ３碳化物和基体尺寸比卧式离心铸造的细小和弥散（如图１）。１２３４５６Ｃ（％）图１Ｍ７Ｃ３碳化物和基体尺寸Ｍ７Ｃ３相图８１这无疑有益于材料铸态组织热处理后成份的均匀性。２共昌立式离心复合铸造轧辊的特点１）共昌轧辊在浇铸轧辊外层时转速要求很高，一般工艺设计为线速度≥２５米形，远超过当前国内离心机所能达到的转速，使得已浇人铸型处于凝固过程的轧辊外层夹杂和各种氧化物被极大的离心力转移至外层内表面，而在外表面形成非常致密、密度很高的组织，共昌公司从２００４年投产浇注第一支高铬轧辊以来从未发现一次因为表面夹渣、气孔等而造成报废的例子。２）结合层的严格控制。共昌高铬铸铁轧辊离心铸造时工作层和芯部用不同的材质分三层顺序铸造而成的，为达到可靠的冶金结合，我们要求在内外层结合处有一定的互熔，但如果结合时外层溶解过多，便会使得结合处产生大量的Ｍ３Ｃ型连续的脆性渗碳体，由于它与外层材质具有在超声波探伤检测中相近的传播速率，在结合层探伤检查过程中不易察觉，由于该组织缺陷的存在，轧辊在使用过程中，特别在较大的热冲击、机械冲击下及易在该区引发裂纹，出现结合层开裂，严重者导致结合层大面积剥落，并且由于铬的强白口倾向，如结合层过宽，使得外层铬向芯部渗透，当达到一定的程度时严重影响整个轧辊的强度和抗事故性（如图２），图２Ｍ３Ｃ型连续的脆性渗碳体在使用过程中出现断辊的可能性大大增加。如结合层过窄，由于工作层内表面有大量的夹渣和保护渣等，使它们不能被熔化而排出，造成结合不良而直接报废。为到达最佳的结合，共昌轧辊引进了计算机控制技术，从冶炼到浇注系统完全用计算机来控制和检测，并且在浇注前用计算机来模拟生产，避免了因为认为因素造成的产品的不稳定，同时通过计算机控制使变得更窄的工艺参数得以有效控制。到目前共昌高铬铸铁结合层范围全部控制在０．３～３毫米之间，完全保证了结合层质量（如图３），并已经在热处理的高温淬火巨大的热应力下受到了考验。３）热处理上世纪９０年代国产高铬铸铁轧辊的铸态组织中由于其凝固的特点，基体中碳和合金的含量分布及不均匀，在原初生奥氏体成核时，碳和合金含量较低，但随着温度的降低在共晶碳化物和二次奥氏体附近无论是Ｃ或合金（Ｃｒ）的含量均较高，当轧辊温度下降到共析点以下时，处生奥氏体核心部分一般转变为珠光体，，而在共晶碳化物旁边的奥氏体是不转变，一直被保留到室温以下。铸态高铬轧辊中的残奥量很大可达４０％以上，这一方面硬度下降，耐磨性差，另一方面大量残奥在轧制时可以转变成贝氏体，体积膨胀生成裂纹而使轧辊早期失效。早先国产高铬铸铁轧辊是用低温热处理，即在轧辊浇铸后缓冷，使奥氏体脱熔而在随后的冷却和回火过８２图３高铬铸铁结合层程中转变，但由于基体中合金的不均匀性往往得不到满意的效果，硬度也不会太高，我们检查了某些国产高铬轧辊便发现还保留大量的残奥，如图４；而共昌生产的每只高铬轧辊均经过一次高温淬火和二次低温回火，使得基体中的组织更均匀、稳定，而硬度可以通过制定不同的热处理回火温度来保证，而且它通过二次回火后残奥被控制在３％左右，比只经过低温回火的高铬轧辊有更高的抗事故性和抗裂纹生成倾向。图４高铬轧辊中残留奥氏体当然立式离心铸造和卧式离心相比也有它的弱点，那就是由于重力因素的影响，上下工作层厚度有一定的落差，但在保证一定的工作层厚度而不影响使用的情况下是完全可以接受的，由于其立式离心有卧式不能比的优势，所以在当今世界高铬铸铁等工作辊大部分是斜式和立式制造。另外各工序的严格到位增加了管理的难度，并且对原材料的要求很高。大量采用计算机控制更是建立在对各个工艺参数和工艺制度严格遵守的基础上才能做到的，这是我们需要大力加强的方面。３结论总之要想制造出质量稳定的高铬铸铁轧辊，必须从以下几个方面加强控制。１）严格控制化学成份和熔炼质量，以及内外层铁水的液相线温度和浇注温度，２）严格控制好轧辊过渡层宽度。３）根据不同的规格和客户要求严格制订不同的热处理工艺。８３参考文献１２００４年第七届全国冶金轧辊学术交流年会论文集Ｐ４７，邹晓东＜无限冷硬和高铬铸铁工作辊在平整机上的不同表现分析》２２００４年第七届全国冶金轧辊学术交流年会论文集Ｐ１８，周守航等＜高合金离心铸造轧辊结合层显微组织分析》（上接第８０页）（３）新型组合带槽轧辊粘结剂的选用，辊轴和辊套配合公差的选择是否合适是成功的关键。以粘结剂和辊轴尺寸过盈量来联接辊套和辊轴的方式所组成的新型组合式带槽轧辊能满足型钢轧机的使用要求，具有广泛的推广应用的价值。（４）低硅球铁带槽轧辊在减少或消除轧槽方向性黑斑上取得了突破性进展。这种轧辊如轧槽不出现或少出现方向性黑斑，就能充分发挥球无限带槽轧辊强度高、辊身硬度落差小的优越性，它将成为大型带槽轧辊的首选材质。（５）低硅球铁带槽轧辊，不仅Ｓｉ＜１．２０％，而且要严格控制含Ｃ量，以及Ｎｉ、Ｃｒ比，达到Ｃ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉ平衡，这是减少或消除低硅带槽轧辊方向性黑斑的关键。参考文献１李济玉．大型带槽轧辊的开发和应用［Ｊ］．铸造技术，２０００（６）２李济玉、张忠令．新型组合式轧辊的研究与应用［Ｊ］．铸造技术，１９９４（３）３张金良．带槽轧辊在马钢的推广应用［Ｚ］．马钢设备部２００２．３４鲁勃佐夫ＨＨ．特种铸造［Ｍ］．北京：科技卫生出版社，１９５８８４共昌高铬铸铁的特点
作者：作者单位：
周勤忠
江苏共昌轧辊有限公司,江苏,宜兴,214253
1.期刊论文 赵晚子.吴国胜.籍巧英.Zhao Wanzi.Wu Guosheng.Ji Qiaoying 稀土在高铬铸铁轧辊中的作用研究 -武汉工程职业技术学院学报2005,17(3)
本文研究了稀土变质处理对高铬铸铁轧辊的碳化物的形态、分布和基体晶粒度的影响,认为稀土元素在适量的范围内,可提高这种轧辊的冲击韧性、抗压强度、抗剥落性能.使用结果表明,稀土具有改善高合金铸铁轧辊高温抗拉强度、抗压强度,提高其抗氧化性能和抗热疲劳性能的作用,经变质处理后的轧辊毫米轧制量提高了约18%,从而明显地延长轧辊的使用寿命.
2.学位论文 官计生 轧辊用高速钢的制备、热处理及组织与性能研究 2007
随着现代工业的发展，实际应用中对高性能轧材的需求量猛增，传统的高铬铸铁轧辊使用性能已不能满足使用需求。开发新的轧辊用钢及提高其使用寿命，保证轧制质量是轧辊研制者面临的重要课题。近年来，高速钢被用于制造新一代复合轧辊。高速钢轧辊具有使用寿命高、红硬性和耐磨性好等优点，有望逐步取代目前被广泛采用的高铬铸铁轧辊。
本文依据材料强化的理论，设计并制备了4种不同成分的轧辊用高速钢。并通过金相法，X射线衍射，扫描电子显微镜，能谱仪以及硬度测试等手段对不同成分及不同热处理工艺处理后的轧辊用高速钢的显微组织和性能进行了研究，重点考察了钨当量、淬火工艺和回火工艺对轧辊用高速钢的组织和性能的影响。
实验结果表明，轧辊用高速钢铸态组织包括马氏体基体，残余奥氏体和各种类型碳化物，如粒状或小块状的MC型碳化物，网状的M<,7>C<,3>型碳化物，鱼骨状的M<,6>C型碳化物以及其他复合型碳化物；其中MC型碳化物主要含V，Nb，M<,6>C型主要含W和Mo，M<,7>C<,3>型碳化物主要含Cr元素；高速钢铸态硬度与其钨当量有关，钨当量越高硬度越大；且铸态冲击韧性随成分变化不明显。高速钢回火后晶粒和碳化物尺寸在研究范围内随钨当量的升高而变小；随淬火温度的升高，高速钢淬火硬度先上升后下降，其淬火硬度存在峰值，且淬火硬度峰值出现温度与钨当量有关，钨当量越高，峰值出现温度越高；随回火温度的升高，高速钢的回火硬度先升后降，存在一个回火硬度峰值。且钨当量较高时，在较低的回火温度下出现了回火硬度峰值。高速钢回火后冲击韧性随回火温度的升高而升高。
高速钢合适的淬火温度在1050℃～1100℃之间，回火温度在500℃～550℃之间，热处理后组织中分散着大量细小的碳化物，铸态组织中网状碳化物基本消除；回火后高速钢硬度可达HRC 62，冲击韧性在6 J/cm<'2>以上，可以满足制作高速钢轧辊的要求。
3.期刊论文 张天明.张长军.ZHANG Tian-ming.ZHANG Chang-jun 钨合金铸铁共晶碳化物团球化研究 -热加工工艺2006,35(13)
研究了Ce、K、Na复合变质处理对钨白口铸铁组织和性能的影响,提出了评价碳化物变质效果的圆度概念.变质处理后,钨合金白口铸铁的共晶碳化物形态发生了显著变化,在常规热处理条件下,共晶碳化物变成了团球状.由于共晶碳化物形态的改善,钨合金白口铸铁的力学性能(尤其是冲击韧度和抗冲击磨损性能显著提高.对共晶碳化物团球化机理进行了深入分析,并讨论了共晶碳化物团球化对力学性能和耐磨性能的影响.变质钨合金白口铸铁轧辊使用寿命比高铬铸铁轧辊提高20%以上,生产成本降低30%以上,推广应用变质钨合金白口铸铁具有较好的经济效益.
4.期刊论文 段江涛.Duan Jiangtao 含钨白口铸铁共晶碳化物团球化研究 -大型铸锻件2006,\"\"(2)
研究了Ce、K、Na复合变质处理对含钨白口铸铁组织和性能的影响,提出了评价碳化物变质效果的圆度概念,并讨论了共晶碳化物团球化对力学性能和耐磨性能的影响.变质处理后,由于共晶碳化物形态的改善,含钨白口铸铁的力学性能,尤其是冲击韧性大幅度提高,抗冲击磨损性能也显著提高.经变质处理的含钨白口铸铁轧辊使用寿命比高铬铸铁轧辊提高20%以上,生产成本降低30%以上.
5.期刊论文 牛海云.李斌.NIU Hai-yun.LI Bin 钨合金白口铸铁共晶碳化物团球化研究 -矿冶2005,14(2)
钨白口铸铁成本低,但共晶碳化物呈连续网状分布,脆性大,在承受冲击载荷的工况下使用易断裂,使用范围受到严格.研究了Ce、K、Na复合变质处理对其组织和性能的影响,还提出了评价碳化物变质效果的圆度概念.变质处理后,钨合金白口铸铁的共晶碳化物形态发生了显著变化,在常规热处理条件下,共晶碳化物变成了团球状,使之冲击韧性提高了72.2%、耐磨性提高了49.9%.对共晶碳化物团球化机理进行了深入分析,并讨论了共晶碳化物团球化对力学性能和耐磨性能的影响.变质处理的钨合金白口铸铁轧辊使用寿命比高铬铸铁轧辊提高20%以上,生产成本降低30%以上,推广应用变质钨合金白口铸铁具有较好的经济效益.
6.学位论文 胡胜 高性能轧辊用高铬钢的热处理工艺优化及组织性能研究 2007
现代轧钢行业的发展日新月异，研制出高性能高使用寿命的新型轧辊是我国轧辊行业面临的新课题。高铬钢轧辊具有优良的抗热裂性能和高耐磨性能，其使用寿命和轧制质量迅速提高，已逐步取代半钢轧辊、高铬铸铁轧辊，成为热轧机粗轧及中厚板粗轧工作辊的主要轧辊品种。
本文设计并制备了3种不同Cr/C比的复合轧辊用高铬钢，通过金相法、X射线衍射、扫描电子显微镜观察、能谱分析以及硬度测试等手段，系统研究了Cr/C、粒化处理以及最终热处理(淬火+回火)工艺对高铬钢显微组织与性能的影响，并探讨了粒化处理与最终热处理复合作用机理。
轧辊用高铬钢铸态组织一般为奥氏体和网状原始共晶碳化物，或奥氏体+珠光体+原始碳化物。随着Cr/C的降低，碳含量增加，共晶碳化物含量增加，网状结构连续性增强。粒化处理是粒化共晶碳化物，改善高铬钢显微组织的有效手段。经粒化处理后，高铬钢的显微组织中碳化物明显溶解，大部分粗大的网状结构已经消失，碳化物呈不连续的短棒状或者是颗粒状；基体在经粒化处理后转变为均匀的黑色球状珠光体组织。粒化处理后再进行最终热处理，得到的组织为均匀的马氏体基体上分布着少量的未溶原始碳化物和大量弥散析出的二次碳化物。
在本文设计的Cr/C范围内，随着Cr/C的增大，高铬钢的硬度下降，冲击韧性升高。相对于铸态，其他三种热处理态，即粒化态、最终热处理态以及粒化+最终热处理态高铬钢的硬度都有明显提高。相对未粒化处理的最终热处理态高铬钢，经过粒化处理的最终热处理态高铬钢冲击韧性有明显提高。高铬钢在1050℃左右淬火能够得到较好的性能。回火温度在450℃时，试样的硬度和冲击韧性均达到峰值。实验结果也表明，粒化和最终热处理双重作用能够有效改善高铬钢显微组织，获得较为优异的综合力学性能。
7.期刊论文 王强.杨涤心.龙锐.魏世忠.WANG Qiang.YANG Di-xin.Long Rui.WEI Shi-zhong 高钒高速钢、高铬铸铁冷轧辊磨损试验研究 -铸造2005,54(6)
通过对高钒高速钢、高铬铸铁轧辊试样的冷轧模拟试验研究表明,高钒高速钢由于其均匀分布、形态较好的高硬度碳化物使其耐磨性大幅提高,在同等试验条件下为高铬铸铁试样的4.4倍.微观分析表明,轧辊试样磨损机理主要表现为疲劳剥落,浅层剥落主要表现为棘齿裂纹的萌生、扩展与断裂的过程;高铬铸铁轧辊试样深层失效主要表现为MC3型碳化物的断裂并形成裂纹源并在疲劳循环过程中断裂失效,高钒高速钢轧辊试样MC型碳化物有少量破碎并形成晶间裂纹源,主要失效方式表现为碳化物颗粒剥落,并对此进行了定性的力学解释.
8.会议论文 魏世忠.徐流杰.陈慧敏.季英萍.龙锐 高钒高速钢轧辊疲劳裂纹特征研究 2006
高铬铸铁轧辊为参照,研究了高钒高速钢轧辊的疲劳裂纹萌生及扩展特性.结果表明:高钒高速钢轧辊中的裂纹主要萌生于VC与基体的界面,间有少量裂纹由于VC的碎裂萌生于VC内部及少量裂纹萌生于M7C3与基体界面和M7C3内部,裂纹主要沿VC的表面扩展,扩展到VC侧面时出现明显的裂纹钝化使扩展速度减慢或停止,一部纹穿过碳化物周围的奥氏体而沿马氏体片扩展,形成大的主裂纹而使高速钢失效.高铬铸铁中的裂纹主要由于M7C3的严重碎裂萌生于M7C3的内部,间有少量的裂纹萌生于M7C3与基体的界面.M7C3严重碎裂产生了密集显微裂纹源,经短距离扩展后连成贯串的主裂纹,导致材料迅速失效.高
钒高速钢中的碳化物形状好、不易碎裂、及被大量奥氏体包覆是其裂纹钝化及耐磨性高的重要原因.
9.会议论文 成俊峰 复合辊芯部球铁金相组织定量分析方法的研究 2004
本试验以高铬铸铁轧辊辊颈的样品为分析对象,探讨球墨铸铁中碳化物和铁素体的定量试验分析方法,选择测量参数和表征测量结果的方式,并运用统计学的区间估计方法对图像仪多视场连续自动检测结果进行分析,探讨检测结果的精确度以及与检测视场数的关系.
10.学位论文 胡巍 高速线材轧机辊环开发与制造 2006
随着先进轧机和高效轧制技术的问世，推动了轧钢工业的迅速发展，同时也促进轧辊制造业迈向新的技术领域；如何提高轧辊的使用寿命及轧制质量以适应轧机的需要是轧辊研制者面临的新课题。近年来，将高速钢用于制造新一代轧辊方面取得了突破性进展，高速钢轧辊的综合使用寿命可以比传统用高铬铸铁轧辊提高数倍以上，目前被广泛采用的高铬铸铁复合轧辊，有可能在十年之内被高速钢轧辊取代。
本文首先对辊环用高速钢进行化学成分设计，然后利用金相显微镜,X射线衍射仪(XRD ),扫描电子显微镜(SEM )和能谱仪(EDS)等手段，对辊环用高速钢合金系的显微组织、热处理工艺及性能进行了系统地分析。辊环用高速钢具有高碳和高合金的特征，容易形成大量网状碳化物，会严重降低高速钢的性能，且难以用热处理的方法予以消除。因此研究了利用RE, Ti, RE-Ti-Mg进行变质处理对辊环用高速钢显微组织的影响。并且对离心铸造和加工作了简要的分析。
结果表明:未变质的试样晶粒粗大，晶粒大小在80～120μm之间；晶界上分布着粗大的网，网状碳化物大小在30～60μm之间。加入0.3％ RE变质，对高速钢的凝固组织仅有轻度的细化作用；用1.0％Ti变质时，晶粒和晶界上网状碳化物得到明显细化，晶粒大小在20～60μm之间，网状碳化物处在10～40μm之间；用1.4％RE-Ti-Mg复合变质后，晶粒大小在10～50μm之间，网状碳化物处在10～20 μm之间，组织细小而均匀，绝大部分晶界碳化物呈断续网状分布。
扫描电镜和能谱分析表明，用1.0％ Ti变质处理时，变质剂中的Ti可以和钢液中的C生成大量弥散的TiC质点，TiC作为异质核心促使了V和Nb形成MC型碳化物。Ti的变质作用是由于TiC和MC型碳化物均为面心立方晶格，且晶格常数相近，两相之间错合度很小，符合相位尺寸对应原则，所以TiC可以作为MC型碳化物异质核心，从而极大地促进了非均质形核。
对于高速钢Fe-2.5％C-7.0％V-3.0％Mo-5.0％Cr-8.0％W，在淬火温度低于1025℃时，随着淬火温度升高硬度升高，超过1050℃，硬度反而降低。回火温度低于350℃，高速钢辊环硬度变化不明显，超过350℃，随着温度升高硬度先降低再升高，在525℃时达到最高值。高速钢辊环经二次回火硬度达到最高峰。离心铸造方法生产工艺简便，并且能制造出组织和性能优良的高速钢辊环。
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