鈦在防止球鐵復合軋輥反白口中的應用

喬增國

(常州寶菱重工機械有限公司，江蘇 常州 213002)

鈦在防止球鐵復合軋輥反白口中的應用

喬增國

(常州寶菱重工機械有限公司，江蘇 常州 213002)

摘要：針對高硬度合金球鐵定(減)徑機復合軋輥在生產中出現的反白口缺陷進行分析，其主要形成原因為合金元素區域偏析造成；提出了在鐵水中加入鈦合金，利用鈦元素干擾其它合金元素的區域偏析的工藝措施，從而消除反白口缺陷，取得了較好的產品質量。

關鍵詞：鑄鐵；鈦；定(減)徑機；復合軋輥；反白口

引 言

鑄鐵凝固時， 由于冷卻速度等因素的不同，可能一部分結晶為灰口， 另一部分結晶為白口。通常， 白口組織在冷卻速度快的表面出現， 這是正常的白口；但有時白口出現在鑄件的熱帶部位， 這稱為反白口[1]。熱軋無縫鋼管定(減)徑機所用軋輥常用離心復合方法鑄造，工作層常用材料為合金球墨鑄鐵，內層為灰鐵或球鐵。如果鑄造工藝不合適或現場操作不當，軋輥工作層區域容易出現一圈反白口缺陷。在使用時，軋輥工作層中的反白口硬度較高，與周圍組織硬度差異較大，在熱軋無縫鋼管時，磨損不一致，影響了鋼管表面尺寸及表面粗糙度；具有反白口的定(減)徑機軋輥使用效果如圖1所示。

在類似的離心鑄造球鐵中，也有人分析了離心鑄造過程中產生反白口的原因及預防措施，如林芳壽提出的，只要w(S)不大于0.1%～0.12%，w(Mn)/w(S)值不低于10，w(Si)元素含量不低于1.7%，可有效防止反白口[2]；馮祥軼提出的鐵水的碳當量應控制在4.35%～4.45%，w(Si)控制在0.8%～1.2%，w(Mn)≤0.4%，w(S)≤0.02%[3]等方法均不能滿足常州寶菱重工機械有限公司生產此類高硬度合金球鐵軋輥的需要。本文根據離心鑄造反白口出現的機理，結合鈦在鑄鐵中的作用，經過試驗，提出了在成分中添加鈦元素的工藝措施消除軋輥中出現的反白口缺陷，取得了較好的效果。

圖1 具有反白口定(減)徑機軋輥使用效果圖

1 反白口的金相分析

常州寶菱重工機械有限公司出口海外市場的一種輥環，外圓直徑為712 mm，內圓直徑為280 mm，寬度為435 mm，硬度要求較高，外圓表面硬度為70～76 HSD，工作層厚度要求≥140 mm且最大工作層處硬度≥62 HSD,硬度梯度降小于1 HSD/20 mm，材料成分要求如表1所示。該類產品屬于厚大端面鑄件，材料為高合金球鐵，凝固時間比較長，不可避免易造成球化衰退、孕育衰退、石墨球數減少、組織異常等，而且該軋輥采用離心澆注，因離心力及重力雙重作用，有一定的偏析和振動，端面亮點、環狀反白口很難避免。共澆注30支，反白口占毛坯量的總比例為50%；對其中一支做了金相分析(如圖2，3所示)，可見，環狀反白口中碳化物的分布比較集中，碳化物的形態為針片狀、條塊狀、魚骨狀等。

表1 產品化學成分要求/%

圖2 環狀反白口區示意圖(Ⅱ處)

圖3 Ⅱ處金相組織(滲碳體+貝氏體+少量珠光體+少量石墨)

2 反白口的形成機理

根據生產中的跟蹤及統計分析，在鑄造工藝其它條件不變的情況下，合金含量稍高時，反白口出現的比例較高，如降低合金的使用量，反白口會隨之消失，但輥面硬度或硬度梯度降不能滿足用戶要求，故分析此種軋輥反白口的原因為以下兩種：

2.1 元素區域偏析

合金球鐵是以鐵、碳、硅、鉻、鎳、錳、鉬等為主的多元合金材料，各元素在鐵水凝固時有不同的溶質再分配規律，按穩定系凝固時，鉻、錳、鎂、稀土等反石墨化元素富集在后凝固的液相中， 而促進石墨化的元素硅則在后凝固的液相中貧乏，隨著凝固的進行， 剩余鐵水的白口傾向越來越大，結果在最后凝固的中心部位就有出現反白口的可能性。

2.2 孕育衰退

對于較厚大的鑄件， 冷卻速度慢， 中心部位需要很長時間才能凝固， 而孕育作用會隨著時間的延長而逐漸消失， 即發生孕育衰退， 結果后凝固的中心部位石墨形核能力差， 石墨晶核少，形成反白口的傾向大。

3 防止反白口的措施

從以上可見， 導致此種軋輥反白口形成的原因主要是結晶時鐵液的化學成分、 石墨形核條件和冷卻條件等， 球化孕育工藝比較成熟，另外從市場上采購過幾種長效孕育劑進行試驗，反白口現象沒有好轉，由此可推知，對此種軋輥防止反白口的主要工藝措施為控制鐵水的化學成分。

在常規工藝基礎上，對鎳、鉻、鉬、錳元素進行工藝試驗，降低合金含量，反白口現象減輕或消失，但工作面硬度或硬度梯度達不到要求；對硅元素進行調整，硅提高到一定量后，反白口現象消失，但硬度梯度達不到要求。

在多次試驗失敗后，嘗試添加新的合金元素來抵消常規合金元素的不良影響。反應能力強的Ti在微量時，有脫氧去氣，消除O,H,N的反石墨化作用[4]，形成TiN-TiC的鈦碳氮化物，可細化石墨、強化基體并提高耐磨性；未作為初生碳化物形核質點的彌散分布的先析出的TiC 顆粒阻礙初生碳化物的自由生長從而細化初生碳化物，避免白口區的出現。為避免干擾球化效果，常與稀土元素共同使用，經過試驗，確定鈦元素的控制區間為總鐵水量的0.03%～0.15%，軋輥表面具有較高的硬度，同時工作層具有較好的硬度降并且不影響軋輥的加工性能，無反白口區，鈦合金加入方式可采用沖入法或直接加入爐內。在此基礎上，開發了一種新的軋輥材料，并獲得了發明專利，專利號為ZL201210044716.2[1，5-6]。

4 結束語

高硬度合金球鐵離心鑄造定(減)徑機復合軋輥出現的反白口缺陷，可以采用加入鈦合金的方法消除，其加入量為鈦占總鐵水量的質量百分比為0.03%～0.15%，為避免鈦元素干擾球化效果，常與稀土元素共同使用。

參考文獻：

[1] 張伯明.鑄造手冊(第1卷)鑄鐵 [M]. 第2版.北京:機械工業出版社，2010.

[2] 林芳壽.離心鑄造汽缸套中反白口的研究[J].特種鑄造及有色冶金，1984，(4)：14—19.

[3] 馮祥軼.離心球鐵鑄管白口與反白口組織消除方法研究[J].熱加工工藝，2009，38(5)：142—143.

[4] 錢 立.正確認識Ti在鋼鐵中的作用[J].現代鑄鐵.2009，29(3)：86—90.

[5] 田長滸.釩鈦球墨鑄鐵[M].重慶:四川科學技術出版社，1984.

[6] 喬增國.鑄態貝氏體球墨鑄鐵[P].中國ZL201210044716.2，2014-02-12.

收稿日期：2017-12-15

作者簡介：喬增國(1970—)，男，高級工程師。電話：15995017786；E-mail:qzg1888@163.com

中圖分類號：TG255；TG115.21