高速鋼離心復合鑄造軋輥過渡區冶金熔合質量分析

于進濤 白云龍 趙文輝

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

高速鋼離心鑄造復合軋輥的正式采用是1988年從日本開始的，之后不久，歐美各國鋼鐵企業紛紛開發使用高速鋼軋輥[1，2]，我國也在高速鋼軋輥的制造方法、碳化物形態、熱處理等諸多方面進行了廣泛研究[3～5]。高速鋼離心鑄造復合軋輥具有工作層硬度高、耐磨性好、硬度落差小等優點，目前高速鋼軋輥已廣泛用于熱連軋機生產。高速鋼離心鑄造復合軋輥的輥身工作層材料采用硬度高和耐磨性好的高速鋼，輥頸和芯部材料采用強度高、韌性好的球墨鑄鐵，工作層材料采用離心澆注方式成形，然后與輥頸輥芯球墨鑄鐵采用靜止澆注方式實現冶金熔合。借助離心復合鑄造工藝將化學成分有很大差異的兩種材料復合在一起，需要解決以下兩個問題：(1)軋輥過渡區冶金熔合質量差異造成輥身剝落；(2)工作層材料中的合金元素大量溶入芯部球墨鑄鐵，而惡化芯部球墨鑄鐵力學性能。

1 試樣制備

試樣取自使用報廢后的高速鋼復合軋輥，化學成分如表1所示。

表1 高速鋼離心鑄造復合軋輥的化學成分(質量分數，%)Table 1 The chemical composition of high speed steel compound centrifugal casting roll (mass fraction, %)

為保證高速鋼與球墨鑄鐵兩種材料的冶金熔合質量，在離心澆注工作層之后，選擇恰當時機離心澆注一定厚度的特定成分的中間層材料，一方面減緩工作層材料中的合金元素大量溶入芯部球墨鑄鐵中，另一方面可以在二者實現冶金熔合后降低材料的液相線溫度，達到低溫澆注芯部球墨鑄鐵的目的。由于采用“三次澆注兩次復合”[6]的生產方式，高速鋼離心鑄造復合軋輥形成三層典型組織，并在工作層與中間層、中間層與芯部之間均存在冶金熔合區。

在輥身端部切取試環，對高速鋼與球墨鑄鐵之間的過渡區開展實驗室檢測分析。制備金相試樣后，采用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，使用200MAT金相顯微鏡圖像分析儀采集金相照片，使用Quanta400環境掃描電鏡及能譜儀進行電鏡和能譜分析。

2 檢測結果與分析

2.1 工作層與中間層熔合區分析

工作層、中間層以及兩者之間熔合區組織如圖1所示。

如圖1(a)所示，工作層典型組織為回火馬氏體基體+條、塊狀碳化物+基體上彌散析出的細顆粒狀碳化物。如圖1(b)所示的中間層組織為珠光體基體+萊氏體+條、塊狀碳化物。工作層與中間層之間沒有明顯的區域界限，在較寬的冶金熔合區內，回火馬氏體逐漸減少，珠光體逐漸增多，并在中間層出現了萊氏體型碳化物，這些特征從圖1(c)、(d)、(e)上可明顯看出。

圖2為工作層與中間層之間冶金熔合區SEM組織照片，表2為各區域能譜分析結果(未考慮C元素)。

在離心澆注中間層后，工作層內側被重熔(或未完全凝固)，與中間層通過液態擴散形成擴散層[7]，如表2所示。工作層的強碳化物(Mo、V、Cr)元素向中間層大量擴散，含量逐漸降低。在離心力作用下擴散更為顯著，熔合區范圍較寬，并呈現漸變的趨勢，達到了良好的冶金熔合效果。

2.2 中間層與芯部熔合區分析

圖3為中間層與芯部之間冶金熔合區組織，圖3(b)中各區域能譜分析結果(未考慮C元素)見表3。

(a)典型工作層金相組織；(b)典型中間層金相組織；(c)、(d)工作層與中間層熔合區金相組織；(e)工作層與中間層熔合區SEM組織圖1 工作層、中間層和熔合區組織Figure 1 The structure of working, intermediate and fusion layer

圖2 工作層與中間層之間熔合區SEM組織Figure 2 The SEM structure of fusion layer between working and intermediate layer

SiMnNiMoVCrFe區域A區域B區域C0.901.271.420.981.021.010.980.670.867.336.746.647.306.615.674.684.463.8077.8579.2280.59

表3 區域EDS分析結果(質量分數，%)Table 3 The analysis results of zones by EDS(mass fraction, %)

如圖3(a)所示，在中間層與芯部之間的冶金熔合區范圍較窄，經測量其冶金熔合區寬度在1.2 mm左右，并出現大量萊氏體型碳化物，含量明顯多于中間層組織，無明顯鑄造缺陷。通過對圖3(b)SEM組織照片中各區域的能譜分析(如表3所示)發現，中間層側的強碳化物元素(Mo、V、Cr)含量仍較高，但芯部側的強碳化物合金元素含量急劇下降，碳化物數量顯著減少，并出現了石墨。

(a)中間層與芯部熔合區金相組織；(b)中間層與芯部熔合區SEM組織圖3 中間層與芯部之間熔合區組織Figure 3 The structure of fusion layer between intermediate layer and core

圖4為中間層與芯部之間冶金熔合區SEM組織，珠光體片層結構明顯，碳化物形態各異。根據圖4(a)中碳化物的能譜分析結果(見表4)，大部分碳化物是含微量合金元素的滲碳體，而顏色較深的位置C和D，其V含量較高。結合相關文獻[8，9]判斷為富V的MC型碳化物，這與圖4(b)的能譜線掃描結果基本吻合。

(a)中間層與芯部之間熔合區SEM組織；(b)EDS線掃描圖4 中間層與芯部熔合區組織Figure 4 The structure of fusion layer between intermediate layer and core

CMoVCrFeABCDEF12.1415.9125.9124.359.4116.532.312.6611.6312.623.562.713.113.0458.4758.292.932.445.004.101.971.982.024.6977.4474.282.012.7782.0773.63

在鐵模立模后采用靜態澆注芯部球墨鑄鐵，中間層內側被部分重熔，而芯部材料的碳含量較高，導致在冶金熔合區形成大量碳化物。由于球墨鑄鐵采用低溫澆注，重熔區厚度較小，強碳化物元素的擴散受到抑制。而富V的MC型碳化物因熔點較高，且密度較小，宏觀偏析更為明顯，但并未對熔合質量造成影響，從而實現了中間層與芯部材料的良好冶金結合。

軋輥檢測結果表明，高速鋼離心鑄造復合軋輥符合超聲波探傷要求，上機使用狀態良好，并表現出較強的抗事故能力。

3 結論

(1)在高速鋼離心鑄造復合軋輥的工作層與芯部之間澆注中間層，很好的緩解了工作層強碳化物元素向芯部材料的擴散，同時實現了與芯部材料的良好冶金結合。

(2)工作層與中間層之間通過液態擴散形成擴散層，基體組織由回火馬氏體逐漸過渡為珠光體，并出現萊氏體型碳化物；中間層與芯部之間的冶金熔合區形成大量萊氏體組織，其熔合區厚度約1.2 mm。

(3)在中間層與芯部材料之間的冶金熔合區仍存在富V的MC型碳化物，但并未對冶金結合質量造成顯著影響。

[1] 林善燦，符寒光.高速鋼軋輥研究的進展[J].寬厚板，2003，9(1)：3-8.

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