（材料加工工程专业论文）离心铸造高速钢球墨铸铁复合轧辊的研究.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 本文在实验室条件下，结合高速钢一球墨铸铁复合轧辊外层和芯部材料的性能特点， 对外层和芯部材料分别进行了热处理实验，目的是制定出一种较好的热处理工艺，为离 心铸造高速钢轧辊的工业生产提供参考依据。在此基础上结合l ； 期试验和现场实际情况， 试制高速钢复合轧辊成品，并对成品轧辊进行性能检测，各项指标均达到了预期效果。 并对轧辊工作层采用钒变质的变质机理进行了初步分析。 高速钢能够具有高的硬度和耐磨性，特别是很好的热稳定性，其主要原因除含有 大量能形成碳化物的合金元素外，还取决于高速钢的高温淬火。高速钢淬火时加热， 可在保证晶粒不长大的原则下，尽可能提高加热温度。但是对于高速钢球墨铸铁复合 轧辊，轧辊芯部采用合金球墨铸铁，淬火加热温度太高，芯部材料将晶粒粗大、变形 严重、性能下降、甚至熔化，所以高速钢球墨铸铁离心复合轧辊的热处理，既要保证 轧辊工作层高速钢的淬火效果，还要兼顾轧辊芯部材料。 实验过程中，研究了各种热处理因素对工作层高速钢和芯部球墨铸铁材料的影 响，特别是淬火温度的影响。通过改变淬火温度，分别对高速钢和球墨铸铁进行热处 理实验，研究了高速钢和球墨铸铁组织及性能的变化规律。结果表明在1 1 0 0 高速 钢的硬度达到峰值，而芯部球墨铸铁在1 1 0 0 淬火后，抗拉强度偏低，故而将淬火 温度选择在1 0 5 0 一1 1 0 0 c 之间。经过与武钢人员商议结合试验结果，最后决定将淬 火温度定在1 0 6 0 。 现场试制两支成品轧辊，在生产和热处理过程中没有出现裂纹，一支经热处理后 检测，各项性能指标都达到了预期要求，另一支成品轧辊还没有进行热处理。 对复合轧辊工作层高速钢中钒变质进行了初步的理论分析，用1 o w t v 和 1 o w t + o 3 w t 稀土对复合高速钢轧辊进行变质，产生了较明显的打碎网状碳化物的 作用并改善了碳化物的分布。从经典凝固理论来看，v 变质的变质作用是由于v 可以 和钢液中的碳在高温下生成大量的v c 质点从而促进了非均质形核。经过热处理后网 状碳化物基本上被打碎，碳化物大部分以球状和棒状存在，这样就大大减少了组织偏 析，并且大大细化了晶粒。 本文还提出了离心铸造高速钢一球墨铸铁复合轧辊可能会出现的非正常失效现象及失 效原因进行了分析，并提出了一些预防措施。 关键词：高速钢轧辊，球墨铸铁，热处理，变质处理 北京科技大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fc e n t r i f u g a lc a s t i n gc o m p o s i t em g hs p e e ds t e e lr o l l s a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , c o n s i d e ro ft h em a t e r i a l so fw o r kt i e ra n dt h ec o r eo fc e n t r i f u g a lc a s t i n g c o m p o s i t eh i 曲s r l e e ds t e a l ( h s s ) r o l l s ，w ed ot h eh e a tt r e a t m e n te x p e r i m e n t so f t h eh s sa n d t h es p h e r o i d a lg r a p h i t e t h ea i mi st og a i nab e t t e rt h e c h n i c so fc e n t r i f u g a lc a s t i n gc o m p o s i t e h i g h - s p e e ds t e e lr o l l s a n dt op r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ei n d u s t r i a lm a n u f a c t u r eo f t h ec o m p o s i t e h i g h - s p e e ds t e e lr o l l s a tt h ef o u n d a t i o n , t w or o l l sw e r ep r o d u c e da c c o r d i n gt h ep a s tl a b e x p e r i m e n ta n dm a n u f a c a n ed a t a t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a sm e a s u r e d a n de q u a lt ot h ee x p e c t a t i o n t h eh s sh a v et h el l i g hh a r d n e s sa n dt h ea b r a d a b i l i 眈s p e c i a l l yt h eh i 曲h e a te n d u r a n c e o n eo ft h ep r i m er e a s o n si sh o tq u e n c h i n g , t h ec o r em a t e r i a lo ft h eh s sr o l l si ss p h e r o i d a l g r a p h i t e , w h i c hw i l lb eg r a mc o a r s e n i n g , s e r i o u sd e f o r m a t i o n , e v m e l t i n g t h e r e f o r e , a b o u t t h ec e n t r i f u g a l c a s t i n gc o m p o s i t eh s sr o l l s h e a tt r e a l m e n t , w em u s t e l l s l l l - et h a t w o r k i n g - l e v e lh i g h - s p ds t e e lq u e n c h i n ge f f e c t s a n da tt h es a m et i m e h a v et ot a k ec 躺o f c o r em a t e r i a l s oo u ra i mi st og a i nt h eb e s tq u e n c h i n gt e m p e r a t t m e i nt h ee x p e r i m e n t ，w er e s e a r c h e dt h ee f f e c tt ot h eh i g h - s p e e ds t e e la n dt h es p h e r o i d a l g r a p h i t eo fe v e r yh e a tt r e a t m e n tf a c t o r , p a r t i c u l a r l yt h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e w ed ot h e h e a tt r e a t m e n tt ot h eh i 曲一s p e e ds t e e la n dt h es p h e r o i d a lg r a p h i t eb yc h a n g i n gt h e q u e n c h i n gt e m p e r a t u r es u c ha s1 0 0 0 ，1 0 5 0 ，1 1 0 0 ，1 1 5 0 。c t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh a r d n e s s o fh i g h - s p e e ds t e e li sp e a l ( a tl 1 0 0 9 c ，a n dt h es p h e r o i d a lg r a p h i t eh a st h el o wt e n s i l e s t r e n g t ha f t e rq u e n c h e da tl1 0 0 。c a f t e rn e g o t i a t e dw i mt h ec o m p a n y ss t a f f sc o m b i n i n g e x p e r i m e n t a lr e s u l t s w em a d e t h ef i n a ld e c i s i o nt h a tq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ei s1 0 6 0 w ep r o d u c e dt w or o l l sa tt h em a n u f a c t u r e , a n do n eh a sb e e nh e a tt r e a t e d t h e r ei sn o c r a c ka p p e a ri nt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o na n dh e a tt r e a t m e n t a f t e rt e s t i n g , v a r i o u s p e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa r et h ee x p e c t e dd e m a n d t h i sp a p e ra l s ow o r k so nt h em e t a m o r p h i cm e c h a n i s mo fv a n a d i u m u s i n gt h e 1 0 w t va n d1 0 w t + 0 3 w t r et oi n o c u l a t et h eh s sb r e a kt h en e tc a r b i d e so b v i o u s l y a n di m p r o v e dt h ec a r b i d e sd i s t r i b u t i n g f r o mt h ec l a s s i c a lt h e o r yo fv i e w , t h ec a u s eo fv i n o c u l a t i o ni st h a tt h eva n dt h eco f m o l t e ns t e e lc a np r o d u c eal o to f v cp a r t i c l e sw h i c h p r o m o t e dh e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o n i nt h i sp a p e rw ea l s op r o p o s e ds o m en o n - n o r m a lf a i l u r ep h e n o m e n o no ft h e c e n t r i f u g a lc a s t i n gc o m p o s i t eh s s r o l l sm a yb ea p p e a r t h e nw ea n a l y z e dt h er e a s o no f t h en o n - n o r m a lf a i l u r e sa n dp r o p o s e ds o m ep r e v e n t i v em e a s u r e s k e yw o r d s ：h i g h - s p e e ds t e e lr o l l s ，s p h e r o i d a lg r a p h i t e , h e a tt r e a t m e n t , i n o c u l a t i o n 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 d 1 ，p7 ) 2 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：塞蓥叠导师签名：邋 日期：c 7 7 弓- 乙 北京科技大学硕士学位论文 引言 铸造高速钢轧辊是2 0 世纪8 0 年代末开发成功的一种新型耐磨轧辊，其工作表面的 硬度高，耐磨性好，尤其是具有良好的高温性能。在钢材轧制中不仅改善了轧件的表面 质量，而且降低y s l 辊的消耗和由于减少换辊次数而增加轧机运转率等方面取得了满意 的效果，其使用寿命比高铬铸铁轧辊至少增加两倍。而我国对高速钢复合轧辊的研究和 应用刚刚起步，尽管在材料选择和热处理工艺等方面做了有益的探索，但与国外先进水 平相比，仍然存在较大差距。因此高速钢轧辊的研究对于轧制高附加值的连铸连轧品种 钢，提高企业产品的竞争力具有十分重要的战略意义。有鉴于此，武汉钢铁( 集团) 公 司与北京科技大学决定结合学校的科研资源优势和企业的生产实践资源优势联合研制开 发离心铸造高速钢复合轧辊，以期达到或接近国外的高速钢轧辊的性能和使用水平 高速钢能够具有高的硬度和耐磨性，特别是很好的热稳定性，其主要原因除含有 大量的能形成碳化物的合金元素外，还取决于高速钢的高温淬火。通常高速钢的热处 理是淬火+ 回火。在加热到高温时，钢中的二次碳化物充分溶解，一次共晶碳化物部 分溶解。这些碳化物所含有的碳和合金元素溶入奥氏体中，增加了奥氏体中的碳和合 金元素的含量。在淬火时它们固溶于贝氏体和马氏体中，而在回火时析出了弥散中的 碳化物，使钢呈现出比淬火时硬度还高的“二次硬度”。因此，高速钢淬火时加热， 可在保证品粒不长大的原则下，尽可能提高加热温度。但是对于高速钢球墨铸铁离心 复合轧辊，轧辊芯部采用合金球墨铸铁，淬火加热温度太高，芯部材料将晶粒粗大、 变形严重、性能下降、甚至熔化，所以高速钢球墨铸铁离心复合轧辊的热处理，既要 保证轧辊工作层高速钢的淬火效果，还要兼顾轧辊芯部材料。 此前，本课题组已经完成了此项目的实验室研究阶段的一部分内容，并得出以下基 本结论： ( 1 ) 按c 1 锄0 w t ，s i o 3 1 o w t ，m n 0 3 1 0 w t ，c r 4 0 - 8 0 w t ，v 3 o 一7 0 w t ， m 0 4 o 6 0 w t ，n i 0 5 - 1 5 w t 配料，采用l m m 粒度的钒变质剂进行变质，经( 淬火+ 回 火) 热处理后，其组织和性能完全可以达到使用要求。 ( 2 ) 在一定的范围内，随着钒的变质剂量的增加，硬度值增加，至1 0 w t 时，硬 度到达一个峰值，冲击韧性、抗压强度、抗拉强度等其他力学指标也达到一个较为理想 的值。 ( 3 ) 在经过前一阶段的实验后，基本确定了工作层、中间过渡层、以及芯部材料的 化学成分。 北京科技大学硕士学位论文 有鉴于上面的研究结果，本课题的目标就是在实验室研究的基础上再进行更深一步 的性能研究和分析，综合考虑复合轧辊工作层及芯部材料的性能特点，通过进一步的实 验制定出一种较好的热处理工艺，同时确定工业生产条件下的制造方案，并与工厂实际 进行结合，进行高速钢轧辊的实际现场试制及进行热处理，生产出成品；如有可能，进 行上机试验，测试其使用性能。 通过实验室的进一步研究和到工厂的现场成品研究，离心铸造高速钢轧辊的辊身 材料的最终使用组织理想，而且力学性能包括硬度、抗拉强度、抗压强度、弹性模量 等都达到了预期值，能够满足使用要求，同时实验过程中所得的规律与经验也将为后 期的工业化生产提供指导和参考。 通过热处理实验获得高速钢球墨铸铁离心复合轧辊淬火加热温度、保温时间和冷 却速度下，芯部材料球墨铸铁石墨、组织、性能变化的规律，为高速钢球墨铸铁离心 复合轧辊的热处理提供参考依据，在兼顾轧辊芯部球墨铸铁力学性能满足要求下，提 高轧辊工作层高速钢的淬火效果。 通过进一步的深入研究，在理论上对轧辊工作层的采用钒铁孕育机理进行了进一 步的理论分析。并对离心铸造高速钢复合轧辊可能出现的非正常失效现象进行了分 析，提出了一些预防措施。 2 北京科技大学硕士学位论文 1 研究背景 轧机是重要的冶金制造加工设备，是衡量一个国家重型机械技术水平的显著标志。 轧辊是轧机上极其重要的部件，是制约轧机发展的因素之一。因此，轧辊的材料与热处 理，一直是重型机械领域不断研究和有待提高的技术关键q 由于轧机向着高速、重载、高强度、高刚度、高精度、连轧化和自动化方向发展， 轧制新技术的应用有效地提高轧材的质量，但同时也对轧辊的耐磨性、强度及韧性等提 出了更高的要求。带来了轧辊的设计、制造、使用、维护及测量的变革。以带钢轧制为 例，交叉轧制( p c 轧机) 、弯辊技术、多辊轧机、低温及大压下量轧制、连铸连轧短流 程等技术对轧辊耐磨性、强度及韧性等提出了更高的要求。为适应这一要求，国外于8 0 年代末开发了铸造高碳高速钢轧辊，并在带钢热连轧机的精轧段、粗轧段、钢管轧机和 高速线材轧机的预精轧段获得了广泛应用i z j 。 1 1 高速钢轧辊 改变轧辊材质是提高轧辊性能的主要措施，轧辊材质发展的趋势是广泛使用合 金元素，并且合金化程度逐渐提高。高速钢轧辊的合金含量较高。 高速钢轧辊的应用是现代轧钢生产发展的重要组成部分。轧辊的质量是提高钢材表 面性状、尺寸精度、轧钢作业率的重要因素。对钢铁工业发展它是继微合金化，控轧控 冷技术出现之后又一重大变革。这种变革在日本已经普及到板材、型钢、棒线材等领域 内的轧钢生产。不仅用于工作棍，也用于支撑辊。由于高速钢轧辊耐磨性好，孔型保持 性好，辊身刚度大，成为长寿命辊，从而减少钢辊在库的备存量。提高了轧钢生产率， 降低了成本，提高了轧制品的表面质量。 1 1 1 高速钢轧辊的主要特点 ( 1 ) 以往使用的轧辊工作层，其基体上分布的多为m 3 c 型或m 7 c 3 型共晶碳化物， 组织粗大，硬度较低。高速钢轧辊的工作层一般采用高碳、高钒型高速钢，工作层的基 体上分布着高硬度m 6 c 、m c 型碳化物，而且随着钒含量的增加，高速钢组织的骨骼状 m 6 c 型碳化物向粒状的v c 型碳化物转化，各种碳化物的形念和硬度见表1 1 。 ( 2 ) 高速钢轧辊外层因含有较多的钨、铬、钼、钒等元素，具有较好的热稳定性， 在高温下具有高的硬度，用作热轧工作辊具有良好的耐磨性。高速钢轧辊还具有良好的 淬透性，在室温下，工作层5 0 m m 范围内，从辊表面到芯部的硬度降小于3 ( h s ) ，高速 钢轧辊的硬度降明显小于无限冷硬铸铁轧辊，可确保轧辊从外到内都具有良好的耐磨性。 3 北京科技大学硕士学位论文 表1 1 各种材质轧辊中碳化物的形态和硬度 轧辊材质碳化物类型 组织形态 硬度饵v ) 冷硬铸铁f e 3 c网状 1 3 4 0 高铬铸铁 c r 7 c 3孤立分布 1 6 0 0 1 8 0 0 高速钢 v c 粒状 2 8 0 0 高速钢m 6 c 细板条状1 6 0 0 2 4 0 0 ( 3 ) 高速钢轧辊可以采用高强度的锻钢做芯部材料，芯部没有断裂危险，由此可提 高轧辊的弯曲载荷，有利于获得较好的带钢板形。 ( 4 ) 普通轧辊使用初期由于无氧化膜保护，因此在一个轧制周期内初期的磨损较大， 而高速钢轧辊使用中氧化膜能很快形成，同普通轧辊相比，高速钢轧辊的初期磨损较小， 这对于提高高速钢轧辊耐磨性是非常有利的p j 。 1 1 2 高速钢轧辊的组织特征 ( 1 ) 复合轧辊用高速钢材料的性能取决于其以下的微观结构特征： ( 2 ) 碳化物的种类、形状、体积分数及分布； ( 3 ) 马氏体基体的性能特点； ( 4 ) 晶粒尺寸大小。 复合轧辊用高速钢材料的微观结构与合金的设计、工艺条件有关。各种研究结果因 成分和工艺条件相差较大，结论也往往不同。凝固组织中除含m c 型碳化物外，其它类 型的碳化物主要是m 2 c ，m 6 c 和m 7 c 3 型。不同类型碳化物的形成取决于强碳化物形成 元素。当含铬量较高时，组织中主要形成位于晶粒内部的m c 型碳化物和沿晶界分布的 m 7 c 3 型碳化物；而当钨和钼含量较高时，组织中主要形成位于晶粒内部的m c 型碳化 物和沿晶界分布的m 2 c 型碳化物；对轧辊的整体硬度影响最为关键的微观结构因素是位 于晶界分布碳化物的种类及其分布。当材料中钒含量增加时，m c 型碳化物增加，并且 颗粒变得更加细小且弥散分布在晶粒内部；基体组织为片状马氏体和板条马氏体的混合 体。高碳高钒类型高速钢中，m c 型碳化物的形态可以分为三类：一是在亚共晶中自奥 氏体中析出的分散块状、条状及共晶析出的骨架状m c 型碳化物；二是加铌后，自液态 直接析出的孤立的大块状m c 型碳化物；三是过共晶中析出的细小、弥散分布的m c 型 碳化物。另外，高速钢中还出现m 2 c m c ，m c m 6 c 型等复杂类型碳化物【4 1 月。 1 1 3 高速钢轧辊的性能 与普通工具钢相比，高速钢碳含量较高，含有先共晶碳化物，淬火后的组织为回 4 北京科技人学硕士学位论文 火马氏体和贝氏体。外层材料中的碳化物量可根据轧辊材料的用途而定，提高碳化物 量可提高耐磨性，降低碳化物量可优化抗裂纹性能。与合金铸铁轧辊相比，高速钢复 合轧辊的工作层含有较高的钨、钼、铬、钒等合金元素，工作层的基体上分布有l o 1 5 高硬度共晶型碳化物，因此高速钢轧辊具有优良的耐磨性能【3 1 。高速钢与高铬铸 铁、无限冷硬铸铁轧辊比较，如表1 2 所示 6 1 ： 表1 2 高速钢与高铬铸铁、无限冷硬铸铁轧辊比较 轧辊碳含量抗拉强度硬度h v耐磨 材质 w t m p a 室温高温碳化物基体 性比 高速钢1 8 2 3 7 0 0 9 0 06 4 0 6 8 03 2 0 - 4 3 02 5 0 0 3 0 0 06 5 0 7 5 0 4 5 高铬铸铁 2 5 3 ，o 6 5 0 8 0 05 1 0 - 7 3 03 0 0 - 4 0 01 2 0 0 1 5 0 04 5 0 5 5 0 l 一2 无限冷硬 3 2 3 4 4 0 0 6 0 05 8 0 6 8 02 0 0 - 3 0 08 4 0 1 1 0 04 3 0 6 0 0 l l - 1 4 高速钢轧辊的热处理 高速钢能够具有高的硬度和耐磨性，特别是很好的热稳定性，其主要原因除含有 大量的能形成碳化物的合金元素外，还取决于高速钢的高温淬火热处理。通常高速钢 的热处理是淬火+ 回火。在加热到高温时，钢中的二次碳化物充分溶解，一次共晶碳 化物部分溶解。这些碳化物所含有的碳和合金元素溶入奥氏体中，增加了奥氏体中的 碳和合金元素的含量。在淬火时它们固溶于贝氏体和马氏体中，而在回火时析出了弥 散中的碳化物，使钢呈现出比淬火时硬度还高的“二次硬化”。因此，高速钢淬火时 加热，可在保证晶粒不长大的原则下，尽可能提高加热温度。但是对于高速钢离心复 合轧辊，当轧辊芯部采用合金球墨铸铁时，淬火加热温度太高芯部材料将晶粒粗大、 变形严重、性能下降、甚至熔化，所以高速钢离心复合轧辊的热处理，既要保证轧辊 工作层高速钢的淬火效果，还要兼顾轧辊芯部材料。 复合轧辊用高速钢材料的组织与性能与其热处理工艺有很大的关系。由于其与传 统的高速工具钢在成分、工艺条件等方面存在着较大的差别，所以，复合轧辊用高速 钢材料的热处理工艺也不能照搬传统高速工具钢的工艺。 根据文献，高速钢轧辊淬火峰值硬度温度较常规高速钢低1 5 0 2 5 0 ；随碳含 量增加，峰值硬度温度降低；相同碳含量，钒含量增加，峰值硬度温度升高。二次硬 化温度约在5 5 0 ，但二次硬化的峰值硬度差较小，在二次硬化温度二次回火，二次 硬化作用消失。随碳含量、钒含量增加，高温硬度增加。根据轧辊辊面硬度要求，高 5 一 北京科技大学硕士学位论文 碳钒高速钢的淬火温度为9 5 0 1 1 0 0 ( 2 ，回火温度5 3 0 5 5 0 c ，一次回火即可【7 j 。 为了增加基体的硬度，应提高淬火温度，使基体中的元素固溶量增加；同时，为 了防止基体中出现块状粗大的碳化物，应尽量降低淬火温度。综合考虑两方面因素， 结合试验，确定1 0 5 0 1 1 5 0 为最佳淬火温度，同时回火温度为5 6 0 c p 】。 1 1 5 铸造高速钢轧辊的生产工艺 铸造高速钢轧辊是利用其具有高硬度，尤其是具有良好红硬性、耐磨性和淬透性 的高速钢作为轧辊的工作层，用满足韧性要求的锻钢、铸钢或球墨铸铁作为轧辊的辊 芯材料，以复合铸造的方式把工作层和辊芯材料复合起来的高性能轧辊例。 目前工业生产中较常见的铸造高速钢轧辊的生产方法有：离心铸造法( 简称c f 法) 、包覆层连续铸造法( 简称c p c 法) 、电渣重熔法( 简称e s r 法) 、液态会属电 渣熔接法( 简称e s s l m 法) 等。此外也可采用喷射成型法来生产复合轧辊【i o 】。 1 2 离心铸造高速钢复合轧辊 1 2 1 离心铸造高速钢复合轧辊工艺 对比几种高速钢复合轧辊生产方法，c p c 、e s r 、e s s l m 、o s p r e y 、h i p 五种工 艺尽管产品质量稳定，但设备投资大，生产成本高；离心铸造虽然工艺操作复杂，但 设备投资少，生产成本低，且便于批量生产。因此，很多工厂都采用离心铸造复合方 法生产。这种生产方法，首先是将用作轧辊工作层的高速钢钢水浇到具有一定旋转速 度的离心机铸型内，然后在工作层的内表面加入特殊的保护渣保护，防止内表面氧化。 当外层钢水刚刚凝固时，停止旋转，将冷型及已形成外壳的轧辊工作层一同吊起与上、 下辊颈部分的砂箱配套，再浇入芯部的合金球墨铸铁铁水或钢水，使两种不同性能的 材料达到完全的冶金结合。 采用离心铸造法具有设备简单、成本低等优点，最适合应用于大批量工业生产。但 由于高速钢材料中含有较多的钨、铬、钼、钒等合金元素，这些合金元素及其碳化物密 度相差很大，采用离心铸造法时，容易产生偏析，外层v 含量低。而w 、m o 含量高， 内层正好相反，从而严重影响高速钢材料的质量。因此，离心铸造法对工艺参数的要求 较高，改善偏析的主要方法有： ( 1 ) 合适的化学成分设计；( 2 ) 控制工艺参数；( 3 ) 采用变质处理；( 4 ) 凝固过程中采用电磁搅拌等”j 。 日本川崎制铁公司分析离心铸造高速钢轧辊的偏折主要是m c 型碳化物的偏析，严 重影响轧辊的耐磨性，研究发现m c 型碳化物主要是v c 偏析，因v c 与钢水的密度相 差较大所致。采取添加n b 元素提高m c 型碳化物密度，并限制添加偏析元素w 、m o ， 选择基本成分( 竹0 ) 2 o c 6 o v 7 0 c r y 2 5 m o ，添加1 0 1 5 n b 进行试验，其结果由 6 - 北京科技丈学硕士学位论文 于生成密度较大的m c 型复合碳化物( v 、m o 、n b 系碳化物) ，其密度与钢水密度相接近， 使v c 碳化物减少，有效地控制了离心铸造高速钢轧辊的碳化物偏析。川崎制铁公司开 发的高速钢轧辊中w 、m o 含量过低，红硬性明显下降，轧辊耐磨性降低。由于n b 提高 钢的淬火温度，降低二次硬化峰值出现的温度和高速钢铸造成形过程中n b 系的m c 型 碳化物较v 系的m c 型碳化物粗大，导致轧辊使用过程中易发生剥落。因此，尽量控制 形成粗大的n b c ，提高轧辊中w 、m o 含量，确保高速钢红硬性和耐彦性，消除高速钢 轧辊中元素偏析等，是离心铸造高速钢轧辊生产中急待解决的问题。经研究表明，复合 变质处理是一种有效措施。 不过，由于离心铸造法具有的突出优点，通过合理地设计合金成分和工艺参数， 生产出的高速钢材料可以满足大多数轧机的需要，因而在相当长的一段时白j 内仍将处 于主导地位。 l - 2 2 离心铸造高速钢复合轧辊的芯部材料 高速钢复合轧辊一般以强度高、韧性好的合会球墨铸铁或者铸钢作为轧辊的辊芯 材料。轧辊辊颈的抗拉强度是技术要求的重要指标，又是轧辊上机考核的重要保证。 因此对每批轧辊必须进行抽样检验，以便为轧辊上机使用提供必要的依据。当轧辊的 芯部材料采用合金球墨铸铁时，其辊颈抗拉强度可达5 5 0 m p a 以上，当轧辊芯部材料 采用铸钢时，辊颈抗拉强度可达到8 0 0 m p a 。但大多数企业基于经济方面的考虑，在 满足使用要求的情况下一般采用合金球墨铸铁作为轧辊芯部材料。 1 2 2 1 球墨铸铁的性质 铸铁里的石墨呈球形分布时称为球墨铸铁。球墨铸铁于1 9 4 8 年用在国外用于工 业生产，我国在解放后的1 9 5 0 年我国试制成功球墨铸铁。六十年代初期，我国制成 稀土镁球化剂势采用了冲入法球化工艺，形成了独具风格的稀土镁球墨铸铁系列。这 不仅提高了球墨铸铁件质量，改善铸造性能，消除干扰元素的影响，而且放宽了对生 铁炉料的要求，改善了劳动条件，更重要的是工艺简化。七十年代，我国又从自己富 有的重稀士资源中提取制造了含钇球化剂。含钇复合球化剂抗衰退性能好，球化能力 较强，球化处理比较平稳，劳动条件好。球墨铸铁的推广应用在我国展现了广阔的前 景。目前，我国的球墨铸铁在某些方面已经接近或达到世界先进水平。 球墨铸铁的力学性能良好，抗拉强度4 0 , - - - 1 6 0 k g m m 2 ，延伸率1 2 4 ，冲击韧性 ( 无缺v i 试样) 1 5 1 5 k g r n e m 2 。静载荷力学性能达到或接近碳钢和某些合金钢的水 平。屈强比往往高于钢，而屈服强度是机械设计中的重要指标，因此，球墨铸铁材料 强度的利用上显得优越。球墨铸铁的疲劳强度比相同抗拉强度的钢要低。但与钢相比， 7 北京科技大学硕士学位论文 球墨铸铁的缺口敏感性较低，即具有缺口的球墨铸铁零件疲劳强度降低幅度小。与钢 相比，经表面强化处理后，球铁件疲劳强度可以有较大幅度的提高。球墨铸铁的一次 冲击韧性比相同基体的钢要低。但是球墨铸铁承受较小能量多次冲击的性能较好，而 在某些机械零件中承受小能量多次冲击的使用价值较大。球墨铸铁具有较好的断裂韧 性指标，但仍然比钢要低，从小能量多次冲击和断裂韧性的角度考察球墨铸铁，它还 是韧性较好的材料，而且在动载荷下的应用f 1 益扩大。球墨铸铁的吸震性优于钢，劣 于灰铸铁。它还有较好的减摩性，且耐磨性优于碳钢和某些合金钢。因此球墨铸铁可 以代替一部分铸钢，锻钢及钢材制造重要的机器零件。特种球墨铸铁还可以制造抗磨、 耐热、耐酸、耐碱及无磁性零件，代替一部分特种钢，合金铸铁、有色金属。 球墨铸铁的问世促使铸铁材料长足发展，以球铁代替钢制造某些重要结构件的工 作发展迅速。 ( 1 ) 与灰口铁相比，球铁具有更好的强韧性，且易于通过合金化和热处理得到所需 要的使用性能； ( 2 ) 与锻钢相比，可节约原材料，节约能源且可缩短工艺周期及提高耐磨性； ( 3 ) 与铸钢相比，球铁件产生铸造缺陷倾向小，易于铸造成为复杂薄壁件，且缺口 敏感性小； ( 4 ) 与有色会属相比，其高温力学性能高，屈服点高。 另外，球铁件生产成本低。虽然球铁较之其他金属材料具有很多优点，但其成分 复杂而不稳定，难于精确控制，致使性能波动较大。为了解决球铁强韧合理配合问题， 继续开展球铁强韧化热处理的试验研究，具有实际意义【1 2 ”l 。 球墨铸铁是一种具有广阔发展前途的新型结构材料。 1 2 2 2 球墨铸铁的类型 球墨铸铁里的球形石墨比起普通铸铁里的片状石墨来，对基体强度的破坏要轻得 多。所以球墨铸铁的性能主要是由它的基体组织的性能来决定的，而石墨的影响只占 着次要的地位。 球墨铸铁比灰口铸铁的力学性能要优越得多，在不少情况下可以代替铸钢件，而 热处理对其力学性能的改善又十分明显，加之热处理的费用比可锻铸铁要经济得多， 因此，研究球墨铸铁的热处理也就有着更大的现实意义。 球墨铸铁的基体组织由于铸件的化学成分的不同，冷却快慢的不同等诸多条件， 可形成各种类型。因为球墨铸铁的热处理是根据基体组织的类型来进行的，所以我们 应该知道这些基本类型和它们的性质。 8 北京科技大学硕士学位论文 一般说来，球墨铸铁的基体组织，可以分成以下六种类型： ( 1 ) 基体中含有8 0 以上的铁索体，而其余部分是珠光体。具有这种组织的球 墨铸铁，最软，强度也比较低，但是韧性很好，可以抵抗冲击力的作用。在碳、硅含 量高，而锰、磷含量较低的厚大铸件中的断面里，常常出现这种组织。 ( 2 ) 基体中含有2 0 - 5 0 的珠光体组织，其余部分是铁索体。在金相照片上可 以看出，围绕在球状石墨周围的白色部分就是铁素体组织，随着基体中珠光体含量的 增多，工件的强度和硬度增加了，但是韧性要降低一些。 ( 3 ) 基体中含有5 0 - , 9 0 的珠光体，其余部分都是铁素体组织。 ( 4 ) 含有9 0 以上的珠光体，余下的- - + 部分( 只有1 0 以下) 是铁素体，具 有这种组织的球墨铸铁，强度最好，软硬也适宜，是我们最希望得到的组织。 ( 5 ) 基体中出了含有珠光体和铁素体组织以外，还有莱氏体组织，莱氏体所占 的比例在1 0 2 0 ，它散布在基体的各个部分。碳、硅含量较低而含锰较高，或者处 理铁水的时候加镁量较多而孕育作用又不完全，铸件中就会有这种组织出现，莱氏体 很硬、很脆，它的含量越多，球墨铸铁也就越硬、越脆。 ( 6 ) 基体组织中全部是莱氏体和珠光体，而且莱氏体已经在整个基体组织中占 据着主要地位了，具有这种组织的球墨铸铁，硬到很难加工，而且很脆，根本达不到 球墨铸铁应有的性能i i ”。 我们所用的轧辊辊芯材料属于第四种基体组织的球墨铸铁。 1 2 2 3 球墨铸铁铸态组织 在光学显微镜下观察，大部分球状石墨的外廓呈很不整齐的近似圆形。也有一部 分球状石墨外形呈不规则的团块状、爆裂状。球状石墨在基体中的分布是不规则的， 在同一金相视场中尺寸也有差异。这是因为球状石墨一般不是在相同时刻及在完全相 同的形核和生长条件下形成的( 例如过共晶球铁中的初生石墨尺寸大于共晶石墨) 。 另外，也与金相磨片表面切割石墨球的位置有关。石墨球的直径大体上在2 0 - 1 5 0 1 tm 之间。 铸态球墨铸铁中，常见的基体组织有珠光体、铁索体、渗碳体、磷共晶等。基体 组织对球墨铸铁力学性能有明显影响。经过合金化或热处理以后，球墨铸铁还可以具 有贝氏体或马氏体组织，以满足不同铸件的使用要求。 铸态球铁中的珠光体一般是片状珠光体。珠光体的分散度因铸件的冷速和成分不 同而异。快速冷却( 包括铸件直接冷却和热处理时的冷却) 可产生层片间距小的细珠 光体，缓冷产生的珠光体则较粗大。细化珠光体元素( 例如钼、铜等) 能促进细珠光 9 北京科技人学硕士学位论文 体的形成。珠光体常常以珠光体团的形式存在，这种珠光体团中，两组成相( 铁素体 和渗碳体) 的结晶取向大致相同，而与相邻的团有明显界限。在铁素体球铁中，珠光 体常常孤立存在于铁素体晶粒之自j 。即使数量较多连成片时，石墨球周围也不是珠光 体优先存在的位置【2 3 1 。 铸态球铁中的铁素体晶粒一般是有明显晶界的等轴晶粒，它有不同的分布状态。 最有特征的分布是在其数量较少时，优先出现在球状石墨周围，成为由等轴晶粒构成 的铁索体环。铁素体量很少时，环可能是不封闭的。随着铁素体量的增多，环逐渐加 厚，互相连接。在铁素体球墨铸铁中，铁素体连成一片，并显示出清晰的晶界。 在珠光体球铁中，铁素体环之问的珠光体晶界上，还会出现网状铁素体，但数量 不多。正火可产生均匀分布在珠光体团之闻的碎块状铁素体。 化学成分不合适或铸件冷却速率过高，铸件组织中会出现游离渗碳体组织。 在共晶过冷度较大的情况下，共晶渗碳体呈蜂窝状或鱼骨状析出，形体较大，对 铸件的塑性及韧性有很大影响。一般球铁中不允许存在这种组织。但在冷却速率低、 稳定碳化物元素( 如锰、铬) 有条件偏析到晶界区的情况下，共晶渗碳体可能在晶界 上析出，称为晶问碳化物。固态转变时，由奥氏体中析出来的碳原子扩散到晶界，形 成网状或粒状二次渗碳体。在共析温度范围以下，铁索体晶界上还可能出现细丝状三 次渗碳体。由于数量少，一般难以辨认。 铁水中的磷在凝固时，偏析于晶界上。在共晶反应过程中，与铁化合形成磷化铁。 磷化铁与奥氏体形成的共晶为二元磷共晶，呈多角形，有明显的边界。多边形磷化铁 中，分布着颗粒状的奥氏体转变产物。共晶反应时，有可能在晶界上析出由磷化铁、 奥氏体和渗碳体组成的三元磷共晶。其形貌特点是多角形的边缘更为凹陷，颗粒状的 奥氏体转变产物有方向性。磷共晶使球铁变脆，是有害于铸件力学性能的基体组分【1 5 旧。 1 2 2 4 竦墨铸铁热处理基础 球墨铸铁对基体组织连续性的破坏作用比片状石墨轻微得多，因此，与灰铸铁相 比，球墨铸铁对改变材料性能有效性更高。在讨论球墨铸铁热处理的基本规律时，应 当考虑下面几个问题。 球铁中的球状石墨在组织中起着“碳存储库”的作用。碳库的存在直接影响固态 相交产物组分。高碳钢完全退火后，生成珠光体的倾向很强。而球铁退火后，易于生 成铁素体组织。这是因为基体中的碳在退火温度下，能够通过扩散而聚集于石墨球表 面的缘故。铁素体球铁加热时，石墨中的碳向周围的基体组织中扩散、溶解，从而影 1 0 北京科技大学硕士学位论文 响相变速率，并使奥氏体及其转变产物中的含炭量在很大范围内变化。石墨球数量越 多，碳的扩散距离越短，“碳库”的作用越能得到充分的发挥。因此，石墨球数对球 铁热处理相变过程及相交产物有一定影响。 球铁是含硅量较高的铁碳合金。硅的存在使共析转变发生在一个很宽的温度内。 形成铁素体+ 奥氏体+ 石墨的三相共存区( 简称共析区) 。随着含硅量的增加，共析区 上移，温度范围加宽，奥氏体相区缩小。含硅量2 3 的球铁，其共析区的上下临界 温度分别为8 3 0 - - 8 8 0 * ( 2 和7 7 0 - 8 0 0 。当球铁加热到三相共存区内的不同温度时，奥 氏体量是不同的，温度越高a 到y 的转变越完全。由于组织中的碳库和三相共存区的 存在，在球铁热处理时，可以通过调节加热温度、保温时问，和冷却速度，以获得不 同形态和不同组分比例的铁素体+ 珠光体组织，或奥氏体的其他转变产物。部分奥氏 体化热处理工艺，就是根据这种情况而定的。 球铁的导热性低于碳钢。对于厚度相同的零件，球铁在热处理时需要较长的保温 时间。在较高的冷却速率下，铸件各部分温度难于保持均匀，可能产生较高残余应力， 导致变形开裂。冷却时，由于同样的原因，降温速度比钢低，难于达到较高的淬火硬 度1 。 ( 1 ) 加热时的组织转变。球铁加热到接近共析区温度( 非奥氏体化温度) ，铁素 体不发生转变，片状共析渗碳体出现粒状化，或分解为铁素体和石墨。转变与温度、 时间和成分有关。加热温度越接近共析区，片状渗碳体转变成粒状的速度越快。在这 一温度下继续保温时，转变量逐渐增加。保温肘间足够时，渗碳体分解为石墨和铁素 体。析出的石墨，通过固态扩散( 扩散系数为6 x l o 7 c m 2 s ) 沉积在石墨球表面，形成 不平滑的表面沉积层。石墨球数较多则它们比较接近，碳原子扩散距离短，扩散过程 进行的较快。球铁中的磷和锰，以及稳定碳化物的合金元素( 如铬、钒等) 一直共析渗 碳体分解，延长分解过程，有利于粒状碳化物的生成和存在。石墨化元素硅对渗碳体 的分解有很强的促进作用。含硅量2 - 3 的球墨铸铁，加热到共析区温度时，只要保 温时间足够，共析渗碳体大部分将要分解。但当抑制石墨化的元素含量足够高时，才 有粒状碳化物存在。因此，为了制取高韧性球墨铸铁，必须对锰、磷等元素含量加以 限制。 下面讨论球铁加热到部分奥氏体化温度时的组织转变。球铁加热温度超过共析区 下临界线时以后，即进入三相共存区。在这个温度范围内，保温一段时间后，基体中 的珠光体转变成奥氏体，铁素体和石墨溶解而产生的碳，也将进入奥氏体。奥氏体首 先在珠光体与铁素体间的晶界处形核。这是因为铸件凝固过程中，元素的偏析使晶界 北京科技大学硕士学位论文 处的临界温度低于晶体本身，而且晶界的结构特点，可为形核提供大量的机会。奥氏 体晶粒生长所需的碳，一方面是由共析渗碳体分解而来，另一方面，铁素体接受了由 石墨溶解并经晶界扩散而来的碳原子。在满足了相成分的前提下，奥氏体沿晶界迅速 地向铁素体晶粒内生长。在共析区温度范围内，随着加热温度的提高，奥氏体量逐渐 增加，铁素体量相应减少。由于上述奥氏体形核和生长状况，存留的铁素体组织此时 被奥氏体晶粒所分割，而呈现碎块状。即使保温时间很长，碎块状铁素体也不会改变 其分布形态。当加热温度接近共析区得上临界温度范围时，碎块状铁素体变得非常细 小，不规则地分布于奥氏体晶粒之间。 加热温度超过共析区的上临界温度，并作一定时间的保温后，珠光体和铁素体向 奥氏体的转变即告完成。但是，由于碳总是不能完全沿晶界扩散，有相当一部分是体 扩散( 点阵扩散) 的。按这种方式迁移的碳原子的扩散速率，受到了固溶于铁素体中 的硅原子的影响而大大减慢。因此，在完全奥氏体化的温度下保温时阅不充足时，残 余的细碎铁素体不会完全消失，以致一直保留在热处理后的组织中。 在完全奥氏体化的过程中，加热温度对奥氏体的含炭量有直接影响。加热温度高 时，奥氏体将溶入较多的碳。这部分碳是石墨在高温下加速溶解的产物。分解产物( 铁 素体+ 石墨) 将转变为含有相应炭量的奥氏体组织。消除可能存在的游离存在的渗碳 体，是提高球铁冲击韧性，改善切削性能的重要措施。一般球铁中，游离渗碳体的分 解温度在9 0 0 9 5 0 之间。温度越高，分解速率越高，所需时日j 越少。另外，分解速 率还与硅含量有直接关系。 ( 2 ) 冷却时的转变。加热到非奥氏体化温度的球铁，经过