高铬铸铁轧辊的铸造和应用

简述高铬铸铁轧辊的铸造和应用

董军

唐山众达机械轧辊有限公司

摘要：高铬铸铁轧辊现已广泛应用于热轧中宽带钢精轧机组前架及部分小型棒线、型钢精轧机组，以其良好的耐磨性和抗“斑带”性能广受用户的青睐。本文对高铬铸铁轧辊的铸造方式、冶金性能和热处理过程进行简要阐述，对使用中常出现的问题进行了分析。

关键词：高铬铸铁轧辊、耐磨、抗“斑带”、铸造、热处理、爆辊

一、高铬铸铁轧辊的生产方式

当前，几乎所有的高铬铸铁轧辊均采用离心铸造方式，只是离心机有水平式、立式和倾斜式等形式。相比较“溢流法”等以前的生产方式，离心铸造可以使少量的高铬铸铁外壳迅速冷却，以便获得更加细小分散的碳化物组织，且生产效率进一步提高。

高铬铸铁一般采用感应电炉或电弧炉熔炼，常用的原料为生铁、废钢、回炉料、铬铁、钼铁，镍，钒铁等。所用的生铁和铬铁应注意控制其中硅的含量。废钢中各种合金元素对淬透性的影响应保持稳定。铬铁一般在熔炼的后期加入，以防止铬过量氧化烧损。

轧辊的芯部通常采用高强度球墨铸铁。由于外层的铬含量较高，芯部成份中的硅含量和镍含量应较普通轧辊适当提高，以便减少芯部组织中碳化物含量、增强芯部强度。

通常情况下，为防止外层含量较高的铬成份向芯部扩散，要在外层浇注完毕时择机浇入过渡层，过渡层铁水可采用中铬铸铁、半钢、灰铸铁等材料，浇入的时间、温度和铁水量要进行严格控制。

二、高铬铸铁轧辊的冶金性能

在Fe-Cr-C合金中，如果铬的含量超过15%，渗碳体就会变得不稳定，将会被具有复杂结构的六边形碳化物M7C3代替，该种碳化物被称为铬碳化物，主要成分为铬和铁，并含有少量的其它合金元素。高铬铸铁轧辊外层材质的基本特征是显微组织中共晶碳化物以(Cr，Fe)7C3型为主，其显微硬度为1500-1800HV,

而渗碳体的显微硬度为1000-1200HV,这也是高铬铸铁轧辊有较强耐磨性能的主要原因。高铬铸铁轧辊的主要化学成分(%)为：C2.2～3.4，Cr10～25，Mo0.3～4，Ni0.3～3.0。铬碳比(Cr／C)决定了高铬铸铁外层组织中碳化物的类型，C、Cr、Mo等元素的含量决定了碳化物的数量。Ni和Mo的作用一方面是强化基体，另一方面是增加基体组织的淬透性。

对Fe-Cr-C合金系的研究大多基于以下Fe-Cr-C三元合金相图

Fe-Cr-C三元状态图

从以上相图可以看出，低碳高铬易形成M23C6碳化物，高碳高铬易形成M7C3碳化物，高碳低铬易形成MC3碳化物。共晶组织决定于先形成奥氏体的数量。在碳含量较低的条件下，奥氏体析出后仅留下很少的液态体积，那么碳化物就会有沿着奥氏体晶粒析出的倾向，如图2所示，这是一个典型的高铬钢轧辊的金相图。在碳含量较高的情况下，先析出的奥氏体相对较少，其已不能决定共晶形式，在枝晶间的空隙中会析出放射型菊花状碳化物和板条状碳化物组织，最终碳化物含量可达20-40%，图3为典型的热带钢前架用

高铬铸铁轧辊金相组织。

图2

图3

降低浇注温度和加快冷却速度会细化晶粒组织，共晶碳化物形态在热处理前后没有明显变化。铬的碳化物含量可以根据合金中C和CR的含量大致计算出来，计算公式：

% 碳化物= 12.33 (%C) + 0.55 (%Cr) – 15.2

基体中铬的含量通常与CR/C比成正比，可用以下公式计算出来。

% Cr （基体）= 1.95 (%Cr/%C) – 2.47

表一给出了典型的高铬钢、高铬铁的C和CR的成份，以及对应的碳化物含量和基体中铬的含量

表一碳和铬的范围和比率

%C %Cr %carbides Cr/C % Cr matrix

Hi-Cr steel 1.0/1.5 11.0/12.0 5/15 5/7 10/14

Hi-Cr iron 2.5/3.0 16.0/18 25/30 8/10 6/10

高铬铸铁轧辊的铸态硬度较低,一般为65-70HSD，组织通常为：马氏体+细珠光体+大量残余奥氏体，但在实际轧钢应用中，金相组织应尽量避免珠光体存在和尽可能少的残余奥氏体，因此必须通过回火、高温处理或合金成份调整等手段来进行控制，达到使用要求。

三、高铬铸铁轧辊的高温热处理

在铸态条件下，由于轧辊较慢的冷却速度，通常轧辊的铸态组织通常为珠光体和大量残余奥氏体，且组织内部合金的偏析严重，硬度较低，一般不能满足精轧工作辊的使用要求。为降低残奥量，达到要求的均匀组织，较高的硬度，通常进行高温热处理：正火或喷雾淬火+多次回火，实践表明，为大大降低组织中残奥量，使轧辊达到较高的热处理硬度，正火后需进行两次或三次回火，热处理曲线如下图：

值得注意的是，回火过程中因组织的转变会造成较高的残余应力，若应力不能及时消除，使用中易发生断辊事故，所以热处理过程中必要时要进行3次以上的回火来消除相变所产生的应力。

四、高铬铸铁轧辊的使用常见问题分析

1、辊身热裂纹，表面“流星斑”

高铬铸铁轧辊工作层的热导率较低，易出现辊身热裂纹。为减小轧辊工作表面的热应力，防止热裂纹

的产生，使用时必须进行充分的水冷。若冷却效果不好，还会导致辊面氧化膜形成不好，或氧化膜过厚、脱落，造成辊面粗糙，呈“流星斑”状。

2、爆辊事故

爆辊事故是高铬铸铁轧辊较易发生的质量事故，后果也非常严重，有时会给轧线带来很大的破坏，一定要严格控制该类事故的发生。分析原因，大致有以下几个因素：1、由于高铬铸铁轧辊外层铬成分较高，若铸造过程控制不当，会造成芯部组织中铬含量超标，芯部强度降低，导致断辊事故。2、热处理过程中产生的热应力、相变应力若不能及时消除，轧辊使用中受到轧制力、热应力的叠加，极易发生爆辊事故。3、厂家使用过程中预热不充分，轧辊温度升高较快，外层和芯部之间产生较大的热应力，也是爆辊的一个原因。

五、结语

高铬铸铁轧辊使用性能优异，但对使用环境、轧辊的质量控制有较高的要求，生产厂家必须对铸造、热处理过程的各关键工序进行严格控制，严把质量关，努力避免断辊等重大质量事故的发生。