李秀青,宋延沛

(河南科技大學材料科學與工程學院,河南 洛陽 471003)

雙金屬復合軋輥鑄造工藝的研究現狀與展望

李秀青,宋延沛

(河南科技大學材料科學與工程學院,河南 洛陽 471003)

闡述了雙金屬復合軋輥的研究現狀,詳細介紹了雙金屬復合軋輥的最新鑄造工藝,如噴射鑄造法、連續(xù)鑄造法、電渣熔鑄法、鑲鑄法及離心復合法等,并對其研究趨勢做了展望.

復合軋輥;鑄造;現狀;展望

礦山、冶金等行業(yè)中耐磨件的消耗量很大,許多零部件因磨損而失效.軋輥、鄂板、錘頭等這些耐磨件如果整體采用高硬度材料制備,不僅使生產成本提高,而且使非工作面機械加工難度增加,基于此雙金屬復合材料應運而生.耐磨件采用雙金屬復合材料,就是工作面采用高硬度材料,而非工作面采用高韌性或加工性能好的材料,這樣既經濟又合理安全.當前,如何滿足日益發(fā)展的軋制技術對軋輥性能越來越高的要求,已經成為軋輥研制者面臨的重要課題[1-2].國內外絕大多數軋輥已由整體軋輥改為輥芯和工作層為不同材質的雙金屬復合軋輥,其芯部采用韌性高的材質,工作層采用耐磨性高的材質,采用一定的制備工藝將兩者有機地結合起來,使軋輥既具有高耐磨性又具有良好的抗沖擊性能[3].軋輥自身的綜合性能與其制備工藝緊密相關,因此,研究復合軋輥的制備方法具有重要的意義[4].雙金屬復合方法主要分為固-固復合、液-固復合和液-液復合,常用的復合軋輥鑄造工藝有噴射鑄造法、連續(xù)鑄造法、電渣熔鑄法、鑲鑄法及離心復合鑄造法等.鑄造工藝研究的重點主要在改善界面結合狀態(tài)、提高復合層的結合強度、減輕合金元素的偏析、減少鑄造裂紋、降低生產成本及提高使用壽命等方面,本文主要介紹幾種復合軋輥鑄造工藝的研究進展狀況.

1 雙金屬復合軋輥的鑄造工藝

1.1 噴射鑄造法

噴射鑄造法是將精煉后的金屬液霧化后噴射到輥芯上形成堆積層,從而制備出具有良好冶金結合界面的復合軋輥的一種方法.該工藝制備出的復合軋輥具有成分偏析少、碳化物粗大傾向低、組織均勻及熱加工性能好等特性[5].孫德生等人[6]用噴射鑄造工藝成功地制備了Cr12MoV鋼-碳鋼復合軋輥.該法首先將Cr12MoV鋼母材重熔,然后將其由坩堝底部直接注入霧化艙進行噴射成形.結果表明:噴射成形Cr12MoV鋼的顯微組織由均勻細小的等軸晶和碳化物顆粒組成,平均粒度約為18μm,無宏觀缺陷;與重力澆注坯件相比Cr12MoV鋼中碳化物的類型未變,仍為Cr7C3,但其形貌、尺寸及分布方式均發(fā)生了有益的變化,致使顯微組織的均勻度明顯提高.

英國國家軋輥制造公司[7]采用噴射鑄造工藝生產了Φ400mm×1000mm高速鋼復合軋輥,其組織比鍛造的還要細微,粗大的碳化物完全消除,輥芯與噴射層之間形成良好的冶金結合,軋輥的抗疲勞性能得到提高,使用壽命為傳統(tǒng)鑄造高速鋼軋輥的2倍以上.噴射鑄造工藝的不足之處是成本比較高,不利于大批量生產.

1.2 連續(xù)鑄造法

日本新日鐵公司最先研發(fā)出用連續(xù)鑄造法制備雙金屬復合軋輥,該法將熔化的外層金屬澆入結晶器中與預先置于結晶器中的芯棒相接觸,以一定的速度向下拉動芯棒,使外層金屬與芯棒在結晶器中完成復合及凝固,最終抽出復合軋輥,為使外層材質與芯棒完全熔敷,一般采用電磁感應加熱法對金屬液及芯棒進行加熱.采用該法生產出來的復合軋輥的工作層具有優(yōu)異的力學性能及耐高溫性能,金相組織結構良好,可以以鑄代鍛.該方法既可以生產新軋輥,也可以修復舊軋輥,因而受到相關領域科技工作者的高度關注[7-11],圖1為連續(xù)鑄造法示意圖[12].邵抗振等人[13]運用該法成功地制備出了以高鉻鑄鐵為耐磨層,以35CrMo低合金鋼為芯軸的雙金屬復合冷軋輥.該法在澆注前用升降裝置把鑄型升至高處,把芯軸放入鑄型中相應的位置,啟動電磁感應加熱裝置預熱芯軸到設計的溫度,立即澆入熔煉好的鐵水,保溫一定時間,然后用升降裝置使鑄型以適當的速度下降至底部后停止供熱.在該工藝條件下軋輥實現了至上而下順序的凝固,有利于金屬液的補縮,減少了缺陷.結果表明,復合界面達到了良好的冶金結合,表面耐磨層上下內外的硬度均勻性很好,軋輥的磨損周期為9Cr2Mo軋輥的3倍以上.

圖1 連續(xù)鑄造法生產復合軋輥的示意圖Fig.1 The schematic sketch of the composite roll with continuous casting process

1.3 電渣熔鑄法

電渣熔鑄法是熔化與成型相結合的一種鑄造方法,其基本過程是在韌性好、強度高的芯材周圍放置同心鑄模,并在芯材與鑄模之間放置由高耐磨性和高硬度材料制成的自耗電極,自耗電極熔化后即作為外層材料連續(xù)填充此空間,從而形成復合軋輥[14-15].由于外層材料經電渣精煉潔凈度高,采用該法可以很方便地將兩種性質不同的金屬材料熔鑄在一起[16-17],但有一個較大的缺點即成本比較高及制造較大尺寸軋輥比較困難,圖2為電渣熔鑄法示意圖[8].烏克蘭巴頓電焊研究院 Elmet-Roll科研組與Novo Kramatorsk機械廠合作,采用電渣熔鑄法成功地制備出直徑740 mm、工作層為高速鋼、內芯為45號鋼的復合軋輥,其壽命為合金鑄鐵軋輥的4～4.5倍[18].南昌核星電渣冶金機械廠開發(fā)了一種電渣熔鑄-熔焊新工藝,實現了高合金耐磨鋼輥身與低合金鋼輥頸的復合,使軋輥的耐磨性、抗剝落性及抗斷裂性等性能大幅度地提高.該工藝采用輥身預熱、熔鑄過程中精確控溫、立式電渣熔焊等項技術來有效地控制熱應力分布,以防止熱應力微裂紋的產生,應用該項技術可使軋輥材料的利用率達80%,節(jié)能達40%[19].

圖2 電渣熔鑄法示意圖Fig.2 The schematic sketch of the electric slag process

圖3 鑲鑄工藝示意圖Fig.3 The schematic sketch of the casting-in process

1.4 鑲鑄法

鑲鑄法是先在型腔內放入具有良好耐磨性的鑲塊,如高鉻白口鐵、硬質合金等,然后澆注具有良好韌性的熔融母液,如普通碳素鋼、低合金鋼等,在母液強烈的熱作用下,鑲塊與母液的接觸面在一定的時間內處于熔化或溶解狀態(tài)并發(fā)生元素的擴散及冶金反應,冷凝后鑲塊與母材熔為一體.該法具有鑲鑄件表面質量易控制、工藝簡單及成本較低等特點[20-21].江西省機械科研所堯登燦等人[22]采用鑲鑄工藝制備出了 TLMW50鋼結硬質合金/Q T40-10復合軋輥,并研究了QT40-10與鋼結硬質合金質量比對鑄件鑲鑄結合程度的影響.該法是利用溢流槽的大小來控制兩種合金的結合面處于熔融狀態(tài)的時間,以實現鑲鑄界面良好的暗盒結合.當Q T40-10與TLMW50鋼結硬質合金的質量比值為18.1時,兩種材料全部實現了冶金結合,過渡區(qū)的寬度為0.3～0.4 mm,組織細密無裂紋,其橫向斷裂強度為1118 MPa.經生產驗證,復合軋輥的使用壽命與整體鋼結硬質合金軋輥的相當,成本卻下降了30%以上,具有顯著的經濟效益.圖3為鑲鑄工藝示意圖.

1.5 離心復合法

離心復合法是制造雙金屬復合軋輥廣泛采用的方法,該法先將金屬液澆入旋轉的鑄型中,在離心力作用下成形、凝固,從而獲得軋輥的外工作層,然后裝配鑄型,澆注輥頸和輥芯[23-24].內外層的澆注溫度、澆注時間、離心機的轉速以及澆注的時間間隔等工藝參數,對所制備軋輥的質量有極大地影響[25-27].用該法生產的軋輥具有外工作層組織致密、鑄造缺陷少、力學性能好及表面耐磨層硬度高、使用壽命長、生產效率高等特點.北京冶金設備研究院符寒光等人[28]采用離心復合法在 Ф900 mm×1800 mm立式離心機上制備出了 Ф275 mm×400 mm的高鉻鑄鐵/灰鐵復合軋輥,離心機的轉速為 650～800 r/min,外層高鉻鐵水的澆注溫度為1350～1400℃,當外層高鉻鐵水的內表面溫度降至1200～1300℃時沖芯,沖芯溫度稍高于外層高鉻鐵水的內表面溫度,以保證內外層能夠熔合并盡量減少熔合寬度.結果表明,復合軋輥的各項機械性能較好,且具有優(yōu)異的耐磨性,基本實現了一個班只需更換一個軋槽的愿望.中國第一重型機械集團公司王志成等人[29],采用離心復合法制備了高速鋼/球鐵復合軋輥,他們在外層材料與芯材之間設計了一個過渡層,其成分與芯材相近,外層及中間層均在臥式離心機上進行澆注,先澆注外層再澆注中間層,當溫度下降至中間層出現固相線拐點3～4 min后停機,將離心鑄件從離心機上取出,與預先造好的輥芯和輥頸鑄型進行組裝,最后澆注輥芯和輥頸.這種獨特的三層復合澆注工藝有效地解決了沖混的問題,保證了工作層厚度均勻一致.王興衍[30]也采用同樣的工藝研制了高鉻鑄鐵/球鐵復合軋輥,在工作層與芯部之間也設置了過渡層,不僅解決了工作層中鉻元素向芯部擴散的問題,而且還解決了兩層澆鑄時在結合部位易出現剝落的異狀碳化物的難題,復合軋輥的毫米軋鋼量達到5200 t,創(chuàng)造了很好的經濟效益.

2 展 望

雙金屬復合軋輥因其優(yōu)越的性能而受到軋輥業(yè)界人士的強烈關注,盡管大范圍的應用已經成為現實,但在復合軋輥的研究及制備過程中仍然存在一些急需解決的難題,如復合軋輥新的制備工藝的開發(fā)、外層材料與芯材的界面行為以及軋輥材料內部結構性能等,均需要進行更多地探究及應用探索.就鑄造工藝而言,人們會在不斷改善工藝的同時,加強制備裝置智能控制的研究和開發(fā),使雙金屬復合軋輥鑄造工藝趨向簡單化、適用化、自動化,同時人們應著眼于研發(fā)具有優(yōu)異的耐磨、耐熱、耐蝕等特殊性能的雙金屬復合材料及開發(fā)出更好的復合軋輥鑄造工藝.雙金屬復合軋輥的耐磨合金層與芯部合金層的冶金結合是否良好,直接影響著復合軋輥的質量.因此,人們需要對界面的凝固機理進行深入探究.

3 結 語

近年來,雙金屬復合軋輥的鑄造工藝取得了很大進展,但隨著軋制行業(yè)迅速地發(fā)展,對軋輥也不斷提出新的性能要求.科研工作者需要繼續(xù)深入研究,不斷取得復合軋輥鑄造工藝的新突破.

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Present situation and prospect of foundry techniques for bimetallic compound rolls

LI Xiu-qing,SONG Yan-pei
(School of Material Science and Engineering,Henan University of Science and Technology,L uoyang471003,China)

Research situation of bimetallic compound rolls has been introduced in this paper including the up-to-date casting techniques for bimetallic compound rolls,such as injection moulding,continuous casting,electroslag casting,inlay casting and centrifugal composite casting,etc.,and the prospect of them has been also proposed.

compound roll;foundry;present situation;perspective

TG162.6

A

1673-9981(2010)03-0164-05

2010-06-16

李秀青(1983—)男,河南開封人,碩士研究生.