摘要：本文分析了大型方板坯初軋機的使用條件和初軋輥的技術(shù)要求，提出采用合金球墨鑄鐵材質(zhì)能夠滿足初軋輥的使用要求。噴霧淬火工藝可以有效減少或消除鑄態(tài)組織中的牛眼狀鐵素體，提高軋輥的綜合力學(xué)性能。通過試驗，確定了初軋輥的最佳熱處理工藝參數(shù)。生產(chǎn)結(jié)果表明，采用880-920℃加熱，噴霧淬火加吹風(fēng)續(xù)冷，540-580℃回火的熱處理工藝，輥身工作層金相組織為球狀石墨加回火索氏體和少量碳化物，抗拉強度大于700MPa,硬度42-48HS。
關(guān)鍵詞：初軋輥，合金球墨鑄鐵，熱處理工藝
1 前言
大型方板坯初軋機是用來軋制板坯和大方坯，比如寶鋼80年代中期投產(chǎn)的1300mm初軋機，設(shè)計用來軋制120－250×650－1600mm板坯，200×200mm，225×225mm方坯。伴隨著連鑄技術(shù)的迅速發(fā)展，初軋機的發(fā)展和使用，經(jīng)歷了一個從興盛、并存到衰亡的過程。90年代以前，是初軋機發(fā)展興盛時期，陸續(xù)建成750mm以上初軋機19臺。90年代以后，連鑄比從20%發(fā)展到90年代末的90%以上，初軋機和連鑄并存，初軋機的功能逐漸被取代。90年代末期到現(xiàn)在，國內(nèi)連鑄比一直保持在90%以上，初軋板坯被連鑄所取代，在軋制產(chǎn)品上，初軋機起到一種補充作用，有的廠家，初軋機處于閑置狀態(tài)。
在合金鋼棒線材連軋生產(chǎn)中，初軋機仍然具有獨特的優(yōu)勢。初軋機軋制合金鋼的方坯，提供給5機架棒線材連軋機組，生產(chǎn)不同規(guī)格的合金棒材。
初軋機生產(chǎn)的特點是，一是以鋼錠為原料，軋制溫度高，鋼錠變形量大，導(dǎo)致開坯時軋輥承受大的熱沖擊，容易造成輥身表面或孔槽底部產(chǎn)生大量的熱裂紋。二是壓下量大，軋制扭矩大，大型方板坯軋制道次壓下量達到80-100mm，軋制壓力達到2000-4000噸，最大軋制扭矩達到650-910噸米。三是方坯初軋機軋制負荷小，斷輥不是主要問題，要求有較好的耐磨性以提高其軋制量。據(jù)此，對于大型方板坯初軋機，提出其技術(shù)要求為，輥身抗拉強度不小于600MPa，硬度42-48HS，輥頸抗拉強度不小于392MPa。
2 初軋輥材質(zhì)選擇
根據(jù)初軋輥的使用要求，軋輥材質(zhì)一般有兩種選擇，一種是合金鑄鋼或鍛鋼，一種是合金球墨鑄鐵。合金鑄鋼或鍛鋼的材質(zhì)有50CrNiMo或70CrMnMo等，經(jīng)過正火處理，金相組織是索氏體，具有較高的強度和一定的塑性和沖擊韌性，在初軋機的使用上獲得滿意的效果。具有七十年代水平寶鋼1300mm方板坯初軋機，其2號軋機使用的是合金球墨鑄鐵軋輥。由于合金球鐵軋輥具有良好的導(dǎo)熱性和抗熱疲勞的能力，在該機架使用中獲得了良好的使用效果。軋輥國產(chǎn)化的研制中，如何選擇軋輥的化學(xué)成分和熱處理工藝是面臨的主要問題。
分析了合金元素對于合金球鐵組織和性能的影響。
碳和硅是主要的石墨化元素，硅的存在促使鐵素體的量增加。由于球墨鑄鐵凝固過冷傾向大，易產(chǎn)生白口組織，要求具有較高的碳當(dāng)量。碳當(dāng)量過高有產(chǎn)生石墨漂浮和石墨粗大的傾向。取碳當(dāng)量為4.0-4.3%為宜。
磷在大直徑軋輥的生產(chǎn)中，是要嚴(yán)格控制的元素。在鑄鐵凝固過程中磷的分配系數(shù)是0.2，共晶轉(zhuǎn)變完成后，殘留液相中的磷含量相當(dāng)高，生成二元磷共晶(Fe3P+Y)或三元磷共晶(Y+Fe3C+Fe3P)。磷共晶分布在共晶團晶界上，呈多角形，性質(zhì)硬而脆，容易造成應(yīng)力集中，降低了球鐵的強度、塑性和韌性。所以對于直徑達ψ1350mm的初軋輥來說，磷含量應(yīng)控制在0.05%以下。
硫嚴(yán)重影響石墨球化，控制在0.03%以下。
錳有利于減少硫的有害作用，并且少量的錳有利于穩(wěn)定和細化珠光體，但高含量的錳溶入奧氏體和碳化物中，使白口化傾向加大。
鉻是強碳化物形成元素，合金球鐵軋輥中，鉻含量超過0.2%，就會出現(xiàn)游離碳化物，并使軋輥硬度升高。溶入基體中的鉻、錳起到強化基體的作用。因此為了使球鐵獲得良好的強度和塑性，鉻、錳元素一般控制在較低的范圍。
鎳是非碳化物形成元素，凝固后存在于鐵素體和奧氏體中，起到穩(wěn)定奧氏體和細化珠光體的作用，提高了軋輥的強度和塑性。對于珠光體組織的合金球鐵，鎳含量大多控制在1.5-2.5%的范圍。
鉬是強烈促進珠光體組織形成的元素，并且細化珠光體組織，大量的鉬由于偏析傾向加劇，在晶界上形成高硬度和穩(wěn)定的含鉬碳化物的可能增加，將降低球鐵的塑性。一般控制在0.8%以下。
基于以上分析，球墨鑄鐵初軋輥的化學(xué)成分設(shè)計如表1所示。
對于球墨鑄鐵生產(chǎn)來說，由于化學(xué)成分的不同，鑄造工藝的不同，其鑄態(tài)組織是完全不同的，可以呈現(xiàn)出不同的性能指標(biāo)。熱處理的目的，就是在于根據(jù)軋輥的技術(shù)要求和使用條件及原始鑄態(tài)組織情況，用合適的熱處理方法來調(diào)整基體組織和內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，以使軋輥達到最佳的技術(shù)性能指標(biāo)和使用效果。
生產(chǎn)實踐上，采用電弧爐冶煉，控制鐵水中的P,S含量，采用爐內(nèi)噴粉增碳，爐后孕育球化處理及隨澆孕育的工藝措施，鑄造工藝上輥身部位采用噴涂料金屬冷型。得到的鑄態(tài)組織是均勻細小的球狀石墨，基體組織是表2中的第3種類型，即珠光體+10-35%的牛眼狀鐵素體和少量的碳化物，檢測硬度38-40HS。
3 合金球墨鑄鐵初軋輥熱處理工藝研究
3.1熱處理工藝方案和試驗方法選擇
合金球鐵初軋輥鑄造組織中，石墨細小均勻，但存在大量的牛眼狀鐵素體，導(dǎo)致總體硬度偏低。如果采用消除應(yīng)力退火的熱處理工藝(600—650℃)，將不能有效改善鐵素體的分布，提高軋輥的強度，硬度，特別是軋輥的疲勞強度。牛眼狀鐵素體的存在，可以使球鐵具有良好的塑性和承受沖擊載荷的能力，對于軋輥的使用來說，合金球鐵初軋輥經(jīng)受彎曲疲勞過程，在熱應(yīng)力作用下，在輥身表面產(chǎn)生細小的熱裂紋，并且在疲勞載荷作用下會迅速擴展，有時形成環(huán)裂而導(dǎo)致輥身斷裂。所以提高輥身基體組織的疲勞強度是重要的。具有牛眼狀鐵素體組織的球墨鑄鐵，疲勞裂紋較多的在鐵素體基體中擴展，從而減小了裂紋擴展抗力，降低了疲勞強度[3。為此，對于熱處理工藝的選擇，在考慮現(xiàn)有工藝裝備的基礎(chǔ)上，采用噴霧淬火和高溫回火的工藝，其目的是減少或消除牛眼狀鐵素體，增加珠光體的含量，提高基體組織的強度和硬度，使軋輥達到技術(shù)條件所規(guī)定的強度和硬度要求。
采用的實驗方法是，在鑄態(tài)輥身端部切取試樣，利用箱式高溫電阻爐在不同溫度加熱對試樣進行奧氏體化，觀察金相組織并檢測硬度，來確定最佳奧氏體化溫度。在確定的奧氏體化溫度下，對試樣加熱，并空冷，制成回火用原始試樣，利用箱式中溫電阻爐進行最佳回火溫度的試驗，觀察金相組織并檢測硬度。
3.2奧氏體化溫度的確定
從表3和表4的試驗結(jié)果可以看出，880℃以上奧氏體化加熱，鐵素體已全部溶解，920℃或大于920℃加熱，奧氏體晶粒粗大，穩(wěn)定性增加，導(dǎo)致冷卻后殘余奧氏體增多，試樣硬度下降。為此，把奧氏體化溫度確定為880—900℃是比較合適的。
3.3回火溫度的確定
為了確定最佳回火溫度，將一組試樣加熱到900℃，保溫40分鐘，開爐門冷卻到450℃以下，在不同溫度下進行回火試驗，觀察金相組織并檢測硬度，結(jié)果如表5。
從表5可以看出，580℃回火貝氏體量減少，600℃回火硬度下降?？紤]到軋輥在實際加熱爐中回火時間較長和溫度控制精度的實際情況，將軋輥的回火溫度確定為540-580℃。
4 Φ1350mm初軋輥的制造工藝和性能
寶鋼1300mm初軋機2號軋機軋輥規(guī)格為Φ1350x3100mm，采用合金球鐵(成分如表1)制造，確定熱處理工藝如下：880-920℃加熱，保溫42小時，噴霧冷卻20分鐘，吹風(fēng)冷卻2-4小時，540-580℃回火，保溫時間42小時，爐冷。
在工藝操作上，關(guān)鍵是嚴(yán)格控制噴霧冷卻和吹風(fēng)冷卻的冷卻速度和終冷溫度。噴霧冷卻速度太高或者終冷溫度太低，很容易由于熱應(yīng)力或組織應(yīng)力導(dǎo)致表面拉應(yīng)力過大而使軋輥表面出現(xiàn)裂紋，冷卻速度小則不利于貝氏體組織的轉(zhuǎn)變。要求控制噴霧冷卻速度，使軋輥工作層范圍的溫度下降到300-450℃，并保持一定時間，在吹風(fēng)冷卻的條件下，完成貝氏體轉(zhuǎn)變。
采用以上熱處理工藝，批量生產(chǎn)了φ1350 mm合金球鐵初軋輥。在軋輥輥身端部切環(huán)，觀察金相組織為球狀石墨和回火索氏體和不大于5％的碳化物，硬度 HB300-330，比鑄態(tài)硬度提高40-50HB。檢測軋輥其他機械性能，并與國外某廠家的φ1360 mm軋輥比較，結(jié)果如表6所示。
由表6可以看出，自產(chǎn)φ1350 mm合金球鐵初軋輥經(jīng)過噴霧淬火和高溫回火后機械性能指標(biāo)完全達到了技術(shù)條件所規(guī)定的要求。與進口同種規(guī)格的合金球鐵比較，抗拉強度和伸長率有明顯的改善，特別是沖擊韌性指標(biāo)提高較大。這種良好的綜合力學(xué)性能對提高初軋輥使用中的抗事故能力有很大的益處。
5 結(jié)論
大型合金球鐵初軋輥，采用球化良好的鑄態(tài)組織，經(jīng)過噴霧淬火和高溫回火，可以獲得良好的綜合機械性能。
熱處理工藝為880-920℃加熱，噴霧淬火加吹風(fēng)續(xù)冷，540-580℃回火。
輥身工作層金相組織為球狀石墨加回火索氏體和少量碳化物，抗拉強度大于700MPa，硬度42-48HS。完全滿足初軋輥的技術(shù)要求和使用要求。
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