周勤忠 李果 馮喜鋒

（1：江蘇共昌軋輥股份有限公司 江蘇宜興214253；2：首鋼京唐鋼鐵有限公司 河北唐山063200）

1 前言

上世紀(jì)六十年代末，法國首先開發(fā)出無限冷硬離心復(fù)合鑄鐵軋輥，因其具有較好的耐磨、抗熱裂、以及一定的自潤滑性能，很快就在熱軋板帶軋機(jī)的精軋后段機(jī)架上普及并應(yīng)用至今。但普通無限冷硬離心復(fù)合鑄鐵軋輥因其成分設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方式的制約，仍存在一些缺點(diǎn)。

1）基體中石墨組織以短片蠕蟲狀為主，石墨易粗大及分布不均，較大的石墨組織在使用中易脫落，對(duì)提高板面質(zhì)量不利。

2）輥身組織從表層過渡到內(nèi)部時(shí)，因激冷能力下降，過冷度降低，組織逐漸粗化，碳化物含量降低、石墨含量增加等因素，其硬度、耐磨性能、輥面光潔度等下降較大。

隨著鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展，板帶材軋制正朝著超薄、超硬、高強(qiáng)度及高速軋制等方面邁進(jìn)，從而對(duì)軋輥的性能要求也越來越高，因此，開發(fā)一種具備高耐磨、低硬度落差、輥型穩(wěn)定的新型無限冷硬離心復(fù)合鑄鐵軋輥，成為企業(yè)適應(yīng)市場的必由之路。

2 改進(jìn)型ICDP的工藝優(yōu)化措施

2.1 V、Nb、B等微合金化

形成高硬度的VC、NbC、Fe3B碳化物硬質(zhì)點(diǎn)，提高材質(zhì)的顯微硬度［1］。

1）該類元素為反石墨化元素，抑制石墨的長大，使石墨析出為顆粒狀且更加細(xì)小。

2）V、Nb等合金元素，進(jìn)一步增加了鐵液凝固時(shí)的過冷度，起到加快晶粒形核的作用，使遠(yuǎn)離金屬型型壁的鐵液，也有足夠的“過冷”能力，從而避免內(nèi)部組織過于粗大。同時(shí)，V、Nb等合金元素形成的耐磨粒子更加彌散分布［2］。

3）B元素為表面活性元素，一方面形成B的合金碳化物耐磨粒子，一方面B是較好的形核劑（孕育劑），提高鐵液中大量的非自發(fā)形核，細(xì)化變質(zhì)作用較為明顯。

2.2 外層鐵水凝固時(shí)的溫度場調(diào)節(jié)

外層鐵水凝固時(shí)，由于是金屬型鑄造，鑄型對(duì)鑄件表面激冷能力強(qiáng)，為了縮小軋輥表面和內(nèi)部的冷卻速度差，采取以下工藝優(yōu)化措施：

1）增加涂料厚度，減緩鐵水剛澆入型腔后外表面的冷卻速度，避免外表面形成過強(qiáng)的激冷層。

2）增加冷型模具壁厚，加大冷型模具的整體蓄熱能力，外層材質(zhì)凝固時(shí)的整體降溫速度快。

通過上述措施，在減緩鑄件表面過冷度的情況下，鑄件的整體過冷能力得到加強(qiáng)，從而減小了鑄件內(nèi)外部的凝固差異，促使內(nèi)外晶粒度趨于一致，材料性能更加均勻化。

2.3 熱處理工藝優(yōu)化

由于改進(jìn)型ICDP加入了更多的合金，特別是Cr、V、Nb等，基體合金含量增多，過冷度增大，因此過飽和奧氏體易殘留到室溫狀態(tài)，這些殘余奧氏體在低溫時(shí)極易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而使得軋輥在低溫下產(chǎn)生冷裂紋的幾率大大增加，為避免類似情況的發(fā)生，對(duì)熱處理工藝進(jìn)行如下優(yōu)化：

1）采用兩次回火工藝，回火溫度上調(diào)30℃～50℃，避免硬度過高。

2）澆注完成后，軋輥毛坯開箱時(shí)間從4天延長至7天，使輥身熱量充分緩慢釋放，避免開箱過程中較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力疊加引起的輥身開裂現(xiàn)象。

3 改進(jìn)型ICDP性能檢測對(duì)比

3.1 成分檢測

對(duì)普通型及改進(jìn)型ICDP，從表面到心部，每隔5mm深度取樣，進(jìn)行光譜成分檢測，檢測值為測量5點(diǎn)取平均值，合金元素的變化如表1、圖1所示。

表1 普通型ICDP合金元素分布

圖1 普通型ICDP中合金隨深度的分布

從上述圖表可以看出，普通型ICDP軋輥中，合金元素Cr、Ni、Mo均隨著深度增加有輕微降低，尤其是密度較大的Mo元素更加明顯，這也是內(nèi)部材質(zhì)中合金碳化物含量輕微增加，石墨含量減少的原因之一。改進(jìn)型ICDP隨深度增加合金元素分布如表2、圖2所示。

圖2 改進(jìn)型ICDP合金元素分布趨勢

表2 改進(jìn)型ICDP合金元素隨深度的分布

從以上數(shù)據(jù)及圖表可以看出，改進(jìn)型ICDP中加入的V、B隨著深度的增加，呈輕微上升趨勢，這可以一定程度增加內(nèi)部V、B等合金碳化物含量，從而調(diào)節(jié)內(nèi)外硬度落差。

3.2 硬度落差檢測

分別對(duì)不同規(guī)格的5支普通型與5支改進(jìn)型ICDP軋輥進(jìn)行肖氏硬度跟蹤檢測，檢測時(shí)機(jī)為下機(jī)磨削后，每使用5mm跟蹤記錄一次測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行硬度落差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表3、圖3所示。

表3 普通型ICDP輥身硬度隨深度變化值（HS）

圖3 普通型ICDP輥身硬度隨深度的變化趨勢

改進(jìn)型ICDP的輥身硬度變化如表4、圖4所示。

表4 改進(jìn)型ICDP的輥身硬度隨深度變化數(shù)據(jù)

圖4 改進(jìn)型ICDP輥身硬度隨深度的變化趨勢

從上述圖表數(shù)據(jù)可以看出，改進(jìn)型ICDP與普通型ICDP相比，從表面到內(nèi)部的硬度落差，從3HSC～4HSC，下降到1HSC～2HSC，硬度落差得到較好的控制。

3.3 金相組織檢測對(duì)比

在微觀組織方面，分別對(duì)普通型ICDP與改進(jìn)型ICDP的石墨形態(tài)、碳化物形貌等進(jìn)行了對(duì)比研究，微觀組織如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10所示。

圖5 普通型ICDP的蠕蟲狀石墨

圖6 改進(jìn)型ICDP的細(xì)點(diǎn)球狀石墨

圖7 第一代ICDP距離表面5mm處碳化物

圖8 第一代ICDP距離表面40mm處碳化物

圖9 第二代ICDP距離表面5mm處碳化物

圖10 第二代ICDP距離表面40mm處碳化物

第一代ICDP石墨呈短片蠕蟲狀，第二代ICDP石墨呈點(diǎn)球狀、顆粒狀分布，且分布較為彌散，分析其機(jī)理認(rèn)為由于加入了Nb、V、B等合金元素，這些強(qiáng)碳化物元素，在鐵液凝固的過程中，于固液界面周邊的溶液中形成成分過冷區(qū)，阻礙石墨的長大，促使石墨形成點(diǎn)球狀彌散分布，因此軋輥在使用過程中不易因石墨脫落形成微觀斑痕或溝槽，從而提高了軋輥的表面光潔度［3］。

從圖7、圖8可以看出，普通型ICDP表面和內(nèi)部碳化物有明顯區(qū)別，一是內(nèi)部組織存在一定的蜂窩狀碳化物，二是內(nèi)部碳化物尺寸明顯偏大，因碳化物在使用過程中起到耐磨骨架的作用，因此這是導(dǎo)致普通型ICDP使用到后期，耐磨性能下降、光潔度變差的主要原因。

從上述圖9、圖10的碳化組織可以看出，第二代ICDP中輥身表層和內(nèi)部的碳化物的粗細(xì)、含量基本一樣，從而保證了從表層過渡到內(nèi)部時(shí)的耐磨性趨于一致。

4 使用效果對(duì)比

對(duì)上述5支改進(jìn)型ICDP軋輥分別在兩個(gè)鋼鐵企業(yè)的熱軋板帶生產(chǎn)線進(jìn)行試用，并于普通ICDP軋輥進(jìn)行性能對(duì)比，改進(jìn)型ICDP具有耐磨性更好、表面光潔度高等優(yōu)點(diǎn)。

4.1 毫米軋制量量對(duì)比

相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，具備點(diǎn)球狀石墨的改進(jìn)型ICDP，比具備蠕蟲點(diǎn)狀石墨的普通型ICDP有更高的耐磨性能［4］，為此在兩個(gè)不同熱軋板帶線上進(jìn)行了使用對(duì)比。

表5 不同軋線中的ICDP毫米軋制量數(shù)據(jù)對(duì)比（t／mm）

在某普通1580熱軋線上，第二代ICDP的毫米軋制量，比第一代ICDP提高了約27%。在某無頭軋制線上，第二代ICDP的毫米軋制量，比第一代ICDP提高了約29%。毫米軋制量的提高，既提高了的軋線的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，又延長了換輥周期，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.2 輥面粗糙度對(duì)比

普通型ICDP的下機(jī)表面粗糙度為1.6μm～2.2μm，而改進(jìn)型ICDP的下機(jī)表面粗糙度為1.2μm～1.7μm。

較好的輥面光潔度，提高了鋼材的表面質(zhì)量，為鋼鐵企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)，增加產(chǎn)品附加值等提供了保證，目前該材質(zhì)已進(jìn)行推廣階段。

5 結(jié)論

改進(jìn)型ICPD軋輥，與普通型ICDP軋輥相比，具備下列優(yōu)點(diǎn)：

1）加入的變質(zhì)合金元素V、Nb、B從表面到內(nèi)部分布更加均勻。

2）輥身硬度落差縮小，從3HS～4HS下降到1HS～2HS。

3）石墨形態(tài)從短片蠕蟲狀變質(zhì)為點(diǎn)球狀。

4）輥身從表面到內(nèi)部的碳化物趨于一致，蜂窩狀碳化物基本得到消除。

5）經(jīng)過使用驗(yàn)證，第二代ICDP的毫米軋制量比第一代ICDP提高約27%～29%。

6）第二代ICDP的下機(jī)表面光潔度更高，可以得到更好的鋼材板面質(zhì)量。