離心鑄造高速鋼輥環(huán)的研制.doc

離心鑄造高速鋼輥環(huán)的研制符寒光陳群殷作虎摘要：研究了高速鋼成分、離心鑄造工藝參數(shù)和復(fù)合變質(zhì)處理對(duì)高速鋼輥環(huán)性能的影響。結(jié)果表明,選擇高V高Nb并經(jīng)YKNa復(fù)合變質(zhì)處理的高速鋼,在離心鑄造條件下制造的輥環(huán),具有成分偏析小、硬度高、硬度均勻性好等特點(diǎn),用于高線預(yù)精軋機(jī),其使用壽命比常用的合金鑄鐵輥環(huán)提高58倍。關(guān)鍵詞：高V高Nb高速鋼變質(zhì)處理離心機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)離心時(shí)間輥環(huán)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前言軋輥是軋鋼生產(chǎn)中的主要消耗備件,其性能好壞將直接影響軋材的表面質(zhì)量和軋材成本。因此對(duì)軋輥材質(zhì)和生產(chǎn)工藝的研究,已成為國(guó)內(nèi)外冶金生產(chǎn)廠家共同關(guān)注的問(wèn)題。50年代以來(lái),國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家軋鋼生產(chǎn)工藝和設(shè)備迅速發(fā)展,為適應(yīng)軋鋼生產(chǎn)需要,各種強(qiáng)度高、耐磨性好的軋輥相繼問(wèn)世,如半鋼軋輥、鍛造白口鐵軋輥、高鉻鑄鐵軋輥和高速鋼軋輥等,使得輥耗逐年下降,尤以日本降低幅度最高,達(dá)到1.01.5 kg/t。我國(guó)軋輥生產(chǎn)現(xiàn)狀與國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比,差距較大,輥耗幾乎是國(guó)外的3倍左右。為滿足國(guó)內(nèi)對(duì)高性能軋輥的需求,我們開展了高速鋼輥環(huán)的研究。2高速鋼輥環(huán)成分設(shè)計(jì)輥環(huán)成分設(shè)計(jì)原則是在保證輥環(huán)具有高硬度、高耐磨性和適宜韌性前提下,盡量降低成本,簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝。C是高速鋼中的基本元素。一方面要保證與碳化物形成元素W、Mo、Cr、V等形成足夠數(shù)量的碳化物;另一方面又要有一定的碳量溶入高溫奧氏體中,使輥環(huán)淬火后獲得過(guò)飽和的馬氏體,以此保證輥環(huán)工作層具有高硬度和耐磨性以及良好的高溫硬度。含量過(guò)高,碳化物數(shù)量增加,同時(shí)基體組織碳化物分布的不均勻性增大,使鋼的塑性降低,脆性增加,在軋制過(guò)程中輥表面極易發(fā)生脆性剝落。綜合考慮將w(C)控制在1.2%1.8%。W是提高高溫硬度和耐磨性的主要元素。在鋼中既能形成碳化物,又能部分溶于固溶體中,溶于馬氏體中W原子與C結(jié)合力強(qiáng),強(qiáng)烈阻礙它在回火時(shí)的析出,使鋼具有良好的回火穩(wěn)定性。Mo與W結(jié)構(gòu)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高速鋼碳化物的不均勻性明顯優(yōu)于鎢系高速鋼,Mo系高速鋼的紅硬性低于鎢系,但其抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性明顯好于W系高速鋼。綜合考慮將w(W)控在5.0%7.0%,w(Mo)控制在4.5%6.0%。V是提高高速鋼耐磨性的重要合金元素之一。隨著鋼中w(V)增加,耐磨性能提高;含量過(guò)高,輥環(huán)成本增加,因此w(V)控制在1.5%2.5%。Cr在高速鋼中主要是增加淬硬層深度,通常含量均在4%左右,根據(jù)回爐料情況,將w(Cr)控制在3.7%4.5%。用普通靜態(tài)鑄造方法生產(chǎn)的高速鋼輥環(huán)組織粗大,輥環(huán)內(nèi)部易產(chǎn)生縮孔、疏松和氣孔等鑄造缺陷,輥環(huán)硬度均勻性低,使用壽命短。用離心鑄造方法制造高速鋼輥環(huán),組織致密,縮孔、疏松和氣孔等鑄造缺陷明顯減少。但是,由于高速鋼中含有較多的W、Cr、Mo、V等合金元素,而這些元素的密度差別很大1:W為19 300 kg/m3、Mo為10 000 kg/m3、Cr為7 100 kg/m3、V為6 000 kg/m3、Fe為7 860 kg/m3。高速鋼輥環(huán)若用普通離心鑄造方法生產(chǎn),元素易產(chǎn)生偏析而嚴(yán)重影響其質(zhì)量。日本川崎制鐵公司2分析了離心鑄造高速鋼偏析主要是MC型碳化物的偏析,嚴(yán)重影響軋輥的耐磨性。研究發(fā)現(xiàn)MC型碳化物主要是一次結(jié)晶VC的偏析,因VC與鋼水的密度相差較大所致。采取添加Nb元素,并適量限制添加偏析元素W、Mo,結(jié)果生成密度較大的MC型復(fù)合碳化物(V、Mo、Nb系碳化物),其密度與鋼水密度相接近,使VC減少,有效地控制了離心鑄造高速鋼的碳化物偏析,提高了高速鋼軋輥的耐磨性。因此在高速鋼輥環(huán)中加入0.8%1.5%Nb。鑄造高速鋼中粗大的鑄態(tài)組織和晶界網(wǎng)狀共晶碳化物嚴(yán)重削弱材料的強(qiáng)韌性,且難以用熱處理方法消除,為此用YKNa復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)高速鋼進(jìn)行變質(zhì)處理。RE加入鋼中具有脫硫、除氣的作用,同時(shí)RE與液態(tài)金屬反應(yīng)生成的細(xì)小粒子,加速凝固的形核作用,表面活性RE元素在流動(dòng)的晶體表面形成吸附原子薄膜,降低流動(dòng)離子的速度。RE元素的這些特性能細(xì)化高速鋼的晶粒,限制樹枝晶偏析,提高機(jī)械性能、抗氧化性和耐磨性。但加RE的副作用是帶來(lái)夾雜。為了既能充分發(fā)揮SE的有益作用,又能克服上述副作用,我們用釔基重稀土取代常用的鈰基輕稀土。采用釔基重稀土可獲得比重較小的脫氧、脫硫產(chǎn)物,以利于其上浮。鈰稀土的脫氧、脫硫產(chǎn)物以Ce2O2S計(jì),其密度為6.00 g/cm3,釔稀土的脫氧、脫硫產(chǎn)物以Y2O2S計(jì),密度為4.25 g/cm3,按Stokes公式計(jì)算夾雜物的上浮速度V為3:式中V夾雜物上浮速度/m.s-1r夾雜物半徑/mm液金屬液體的密度/N.m-3雜夾雜物的密度/N.m-3液體的動(dòng)力粘度/N.s.m-2可見后者的上浮速度較前者增大1倍,這是使用釔稀土獲得潔凈組織對(duì)鋼污染少的重要原因。Y的加入量為0.10%0.15%時(shí),效果較好。K、Na可降低高速鋼的初晶結(jié)晶溫度和共晶結(jié)晶溫度,初晶結(jié)晶溫度和共晶結(jié)晶溫度的下降,有助于鋼水在液相線和共晶區(qū)過(guò)冷。而合金的結(jié)晶過(guò)冷度增大,會(huì)使形核率大大增加。因此,K、Na使初晶奧氏體晶核增多,初晶奧氏體得以細(xì)化。初晶奧氏體的細(xì)化導(dǎo)致共晶反應(yīng)時(shí)殘留鋼液相互被隔開的趨勢(shì)增強(qiáng),進(jìn)而導(dǎo)致共晶組織有細(xì)化。此外,K、Na在共晶結(jié)晶時(shí)選擇性地吸附在共晶碳化物擇優(yōu)生長(zhǎng)方向的表面上,形成吸附薄膜,阻礙鋼液中的Fe、W、Mo、Cr、C等原子長(zhǎng)入共晶碳化物晶體,降低了共晶碳化物010擇優(yōu)方向的長(zhǎng)大速度,導(dǎo)致010方向長(zhǎng)大減慢,001、100方向長(zhǎng)大速度增大,會(huì)導(dǎo)致共晶碳化物變成不規(guī)則的團(tuán)塊狀。初晶奧氏體的細(xì)化和共晶碳化物形態(tài)的改善,有利于高速鋼機(jī)械性能,特別是沖擊韌性的大幅度提高。若K、Na加入量過(guò)少,對(duì)高速鋼的性能影響不大;加入量過(guò)多,導(dǎo)致合金中夾雜物數(shù)量增多,對(duì)機(jī)械性能也有不良影響。綜合考慮,將K含量控制在0.05%0.10%,Na含量控制在0.06%0.15%。3高速鋼輥環(huán)的制造和應(yīng)用3.1高速鋼的熔煉高速鋼用500 kg堿性中頻感應(yīng)電爐熔煉,爐襯配比見表1。用高速鋼廢料、廢鋼、生鐵、鉬鐵、鎢鐵，鉻鐵、鈮鐵和釩鐵配爐料。熔煉過(guò)程中先加高速鋼廢料、廢鋼、生鐵、鉬鐵、鎢鐵，鋼水熔清后加入鉻鐵,出爐前加入鈮鐵和釩鐵,然后用硅鈣粉對(duì)鋼液進(jìn)行擴(kuò)散脫氧,插鋁終脫氧。用鋁擴(kuò)散脫氧時(shí),因鋁的氧化產(chǎn)生了大量的Al2O3,而Al2O3由于與爐襯(主要成分是MgO)可形成鋁鎂尖晶石,熔點(diǎn)(2 135 )較高4,較難成為熔融態(tài)而粘附于爐襯上或滯留于粘渣層中,使?fàn)t襯急劇增厚,使鋼水熔煉時(shí)間加長(zhǎng),爐齡降低;選用硅鈣粉擴(kuò)散脫氧可減少鋼液中Al2O3含量,提高爐襯壽命。在澆包內(nèi)用沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行YKNa復(fù)合變質(zhì)處理表1爐襯的成分和配比鎂砂種類鎂砂尺寸配比/%化學(xué)成分/%MgOSiO2CaOFeO大顆粒鎂砂310mm3592321小顆粒鎂砂13mm3090431鎂砂粉180220目3585642注:爐襯填加劑是水玻璃,加入量為9%12%。3.2高速鋼輥環(huán)的離心鑄造3.2.1離心機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的選擇離心機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)輥環(huán)質(zhì)量影響較大,轉(zhuǎn)數(shù)過(guò)低,將難于得到形狀完整和組織致密的輥環(huán);而轉(zhuǎn)數(shù)過(guò)高,輥環(huán)外表面上最初凝固的金屬薄層可能承受不了內(nèi)層金屬的壓力而產(chǎn)生裂紋缺陷。故轉(zhuǎn)數(shù)的選擇是離心鑄造中一個(gè)重要工藝參數(shù),一般用下式確定:式中n輥環(huán)的轉(zhuǎn)數(shù)/r.min-1H輥環(huán)的高度/mmK輥環(huán)的壁厚差/mmd輥環(huán)的內(nèi)徑/mm,d=2x1當(dāng)輥環(huán)外、內(nèi)半徑比R/r2時(shí),取K=310;R/r2時(shí),取K=1015。3.2.2停機(jī)時(shí)間的確定離心鑄造時(shí),停機(jī)時(shí)間也是一個(gè)不可忽視的因素。停機(jī)過(guò)早,液體金屬?zèng)]有完全凝固,可能造成塌陷,形成廢品;如停機(jī)過(guò)晚,輥環(huán)冷卻收縮受到離心壓力的阻礙,產(chǎn)生應(yīng)力,如果超出其相應(yīng)狀態(tài)下的強(qiáng)度極限,則可能產(chǎn)生裂紋缺陷。合適的停機(jī)時(shí)間可用“平方根定律”法進(jìn)行估算:式中凝固時(shí)間/min輥環(huán)厚度/cmk凝固系數(shù)/cm.min-0.5,對(duì)于高速鋼取k=1.82.0輥環(huán)的凝固與許多因素有關(guān),利用公式法進(jìn)行初步的估算后,尚需在實(shí)踐中予以調(diào)整。實(shí)際操作中,注意觀看輥環(huán)內(nèi)表面,待呈現(xiàn)暗紅色時(shí)即可停機(jī)。3.2.3輥環(huán)離心鑄造工藝參數(shù)輥環(huán)外徑280 mm,內(nèi)徑160 mm,高120 mm,用立式離心機(jī)鑄造。輥環(huán)離心鑄造工藝參數(shù)見表2。表2高速鋼輥環(huán)離心鑄造工藝參數(shù)工藝參數(shù)實(shí) 際 值鑄型溫度/160260涂料厚度/mm1.52.5鑄型轉(zhuǎn)數(shù)/r.min-1720780鋼水澆注溫度/1 4401 480鋼水澆入鑄型至離心機(jī)停機(jī)間隔時(shí)間/min15183.3高速鋼輥環(huán)的熱處理高速鋼輥環(huán)熱處理在45 kW箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行。輥環(huán)淬火溫度控制在1 1501 200,為確保輥環(huán)淬火中不開裂,其淬火冷卻方式采用噴吹水霧冷卻。我們研究了回火溫度對(duì)高速鋼輥環(huán)硬度的影響,結(jié)果見圖1?？梢姼咚黉撦伃h(huán)經(jīng)一次回火處理后,硬度明顯升高,經(jīng)二次回火處理后,硬度可進(jìn)一步升高,并在550左右硬度達(dá)到最高值,因此輥環(huán)的實(shí)際熱處理工藝為:(1 1501 200)(34)h,噴吹水霧+(530570)(35)h,爐冷2次。圖1回火溫度對(duì)高速鋼輥環(huán)硬度的影響3.4高速鋼輥環(huán)的性能和應(yīng)用我們測(cè)試了高速鋼輥環(huán)的硬度和淬硬層深度,結(jié)果表明,高速鋼輥環(huán)表面硬度大于64,輥面硬度差小于3,距輥環(huán)表面30 mm處的硬度值維持在62以上,可見高速鋼輥環(huán)具有良好的淬硬性和淬透性,可確保輥環(huán)在整個(gè)使用周期內(nèi)都具有良好的耐磨性。離心鑄造高速鋼輥環(huán)在某鋼廠高線預(yù)精軋機(jī)進(jìn)行了上機(jī)考核。上機(jī)前軋槽尺寸為上輥深7.30 mm,下輥深7.22 mm;軋1 550 t鋼后,上輥深 7.47 mm,下輥深7.44 mm,平均磨損為 0.195 mm(單面)。軋槽底部沒(méi)有龜裂,表面光亮,還可繼續(xù)使用24 h。而常用高鉻鑄鐵輥環(huán)和高鎳鉻無(wú)限冷硬鑄鐵輥環(huán)使用24 h后,平均磨損為0.520.80 mm(單面),且龜裂嚴(yán)重,深達(dá)0.40.6 mm,需修磨后才能使用,直徑車削量為2.43.6 mm?？梢婋x心鑄造高速鋼輥環(huán)的使用壽命明顯高于高鉻鑄鐵輥環(huán)和高鎳鉻無(wú)限冷硬鑄鐵輥環(huán),使用壽命比它們分別提高5倍和8倍以上。使用離心鑄造高速鋼輥環(huán)可明顯提高軋鋼設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率,降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,提高軋材表面質(zhì)量,降低軋材生產(chǎn)成本,具有良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益,值得