高速鋼離心復(fù)合鑄造軋輥過渡區(qū)冶金熔合質(zhì)量分析

于進(jìn)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(fù)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(yè)紛紛開發(fā)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(tài)、熱處理等諸多方面進(jìn)行了廣泛研究[3～5]。高速鋼離心鑄造復(fù)合軋輥具有工作層硬度高、耐磨性好、硬度落差小等優(yōu)點，目前高速鋼軋輥已廣泛用于熱連軋機生產(chǎn)。高速鋼離心鑄造復(fù)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?jié)沧⒎绞綄崿F(xiàn)冶金熔合。借助離心復(fù)合鑄造工藝將化學(xué)成分有很大差異的兩種材料復(fù)合在一起，需要解決以下兩個問題：(1)軋輥過渡區(qū)冶金熔合質(zhì)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(xué)性能。

1 試樣制備

試樣取自使用報廢后的高速鋼復(fù)合軋輥，化學(xué)成分如表1所示。

表1 高速鋼離心鑄造復(fù)合軋輥的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)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(zhì)量，在離心澆注工作層之后，選擇恰當(dāng)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(xiàn)冶金熔合后降低材料的液相線溫度，達(dá)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(fù)合”[6]的生產(chǎn)方式，高速鋼離心鑄造復(fù)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(qū)。

在輥身端部切取試環(huán)，對高速鋼與球墨鑄鐵之間的過渡區(qū)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(jìn)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(huán)境掃描電鏡及能譜儀進(jìn)行電鏡和能譜分析。

2 檢測結(jié)果與分析

2.1 工作層與中間層熔合區(qū)分析

工作層、中間層以及兩者之間熔合區(qū)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(xì)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(qū)域界限，在較寬的冶金熔合區(qū)內(nèi)，回火馬氏體逐漸減少，珠光體逐漸增多，并在中間層出現(xiàn)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(qū)SEM組織照片，表2為各區(qū)域能譜分析結(jié)果(未考慮C元素)。

在離心澆注中間層后，工作層內(nèi)側(cè)被重熔(或未完全凝固)，與中間層通過液態(tài)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(qū)范圍較寬，并呈現(xiàn)漸變的趨勢，達(dá)到了良好的冶金熔合效果。

2.2 中間層與芯部熔合區(qū)分析

圖3為中間層與芯部之間冶金熔合區(qū)組織，圖3(b)中各區(qū)域能譜分析結(jié)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(qū)金相組織；(e)工作層與中間層熔合區(qū)SEM組織圖1 工作層、中間層和熔合區(qū)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(qū)SEM組織Figure 2 The SEM structure of fusion layer between working and intermediate layer

SiMnNiMoVCrFe區(qū)域A區(qū)域B區(qū)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(qū)域EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)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(qū)范圍較窄，經(jīng)測量其冶金熔合區(qū)寬度在1.2 mm左右，并出現(xiàn)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(qū)域的能譜分析(如表3所示)發(fā)現(xiàn)，中間層側(cè)的強碳化物元素(Mo、V、Cr)含量仍較高，但芯部側(cè)的強碳化物合金元素含量急劇下降，碳化物數(shù)量顯著減少，并出現(xiàn)了石墨。

(a)中間層與芯部熔合區(qū)金相組織；(b)中間層與芯部熔合區(qū)SEM組織圖3 中間層與芯部之間熔合區(qū)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(qū)SEM組織，珠光體片層結(jié)構(gòu)明顯，碳化物形態(tài)各異。根據(jù)圖4(a)中碳化物的能譜分析結(jié)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(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[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(jié)果基本吻合。

(a)中間層與芯部之間熔合區(qū)SEM組織；(b)EDS線掃描圖4 中間層與芯部熔合區(qū)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(tài)澆注芯部球墨鑄鐵，中間層內(nèi)側(cè)被部分重熔，而芯部材料的碳含量較高，導(dǎo)致在冶金熔合區(qū)形成大量碳化物。由于球墨鑄鐵采用低溫澆注，重熔區(qū)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(zhì)量造成影響，從而實現(xiàn)了中間層與芯部材料的良好冶金結(jié)合。

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

3 結(jié)論

(1)在高速鋼離心鑄造復(fù)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(xiàn)了與芯部材料的良好冶金結(jié)合。

(2)工作層與中間層之間通過液態(tài)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(xiàn)萊氏體型碳化物；中間層與芯部之間的冶金熔合區(qū)形成大量萊氏體組織，其熔合區(qū)厚度約1.2 mm。

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

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

[2] 符寒光，劉金海，殷作虎.國外高速鋼復(fù)合軋輥研究的進(jìn)展[J].鑄造，1999(2)：44-47.

[3] 宮開令，董雅軍，高春利.高速鋼復(fù)合軋輥的研制及生產(chǎn)[J].鋼鐵，1998，33 (3)：67-71.

[4] 周宏，王金國，蘇源德，等.軋輥用高碳、釩高速鋼系合金的熱處理[J].鋼鐵，2000，35(1)：41-44.

[5] 劉海峰，劉耀輝，于思榮. 合金元素對高碳高速鋼中碳化物形成及形態(tài)的影響[J].鑄造，2000，49(5)：260-263.

[6] 王素平.離心鑄造高速鋼復(fù)合軋輥生產(chǎn)工藝探討[J].軋鋼，2008，25(2)：65-67.

[7] 袁乃博，毛衛(wèi)民.高速鋼離心復(fù)合軋輥結(jié)合層質(zhì)量的研究[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù)，2007(4)：19-22.

[8] M.M. Serna, J.L. Rossi. MC complex carbide in AISI M2 high-speed steel[J].Materials Letters，2009(63)：691-693.

[9] 葉江，符寒光，李明偉，等.高碳高速鋼軋輥中合金元素的作用及成分設(shè)計[J].現(xiàn)代鑄鐵，2007(1)：50-55.