生鐵對復合鑄鐵軋輥外層材料組織與性能的影響

中國第一重型機械股份公司 （齊齊哈爾 161042） 閆海濤

天津重型裝備工程研究有限公司 （300457） 王敬華 于進濤

我公司鑄鐵軋輥采用離心鑄造方式生產(chǎn)，先利用離心機澆注軋輥外層材料，而后澆注心部鐵液復合鑄造而成。復合鑄鐵軋輥的外層澆注所需鐵液采用工頻感應爐或中頻感應爐熔煉，原料以生鐵為主，輔以廢鋼和各種合金，因此，生鐵的品質(zhì)優(yōu)劣對復合鑄鐵軋輥外層的性能有較大影響。

本文以煉鋼生鐵（L）和鑄造生鐵（M）這兩種不同產(chǎn)地、不同類型的生鐵作為研究對象，分析檢測了這兩種生鐵的原始組織和力學性能，并分別采用該兩種生鐵為原料，在相同條件下按特定成分復合鑄鐵軋輥外層成分熔煉鐵錠，制取試樣，檢測數(shù)據(jù)并對比分析。所制鐵錠與實際生產(chǎn)中的復合鑄鐵軋輥外層均為金屬型鑄造而出，其組織性能相似，故研究鐵錠的組織與性能，即能反映復合鑄鐵軋輥外層的組織和性能，從而探討不同生鐵對復合鑄鐵軋輥外層材料組織和性能的影響。

1.生鐵原材料分析

本次試驗生鐵原材料選用煉鋼生鐵(L)和鑄造生鐵(M)，其化學成分見表1。

表1 煉鋼生鐵和鑄造生鐵化學成分 (質(zhì)量分數(shù)) （%）

從表1可以看出，煉鋼生鐵中Si、Mn、P、Cr、Cu含量都要低于鑄造生鐵，而鑄造生鐵中C含量則比煉鋼生鐵低。

分別對兩種生鐵進行金相組織檢驗，得到的金相組織如圖1所示。

圖1 生鐵L和M石墨形態(tài)和基體組織對比 100×

兩種生鐵的石墨形態(tài)比較如圖1a、b所示，生鐵L和M的石墨形態(tài)和數(shù)量分布明顯不同。生鐵L中石墨為C型和E型石墨，由粗大的初生片狀石墨和許多細小的片狀石墨組成，石墨數(shù)量較少。生鐵M中石墨為A型和E型石墨，由無方向性細小片狀石墨組成，且石墨分布均勻，石墨數(shù)量較多。兩種生鐵的石墨形態(tài)有所差異，其主要原因與生鐵的化學成分有關(guān)，生鐵M的碳含量較低，碳當量為4.27%，接近共晶點，在鐵液凝固時只有共晶石墨析出，而生鐵L的碳當量稍偏離共晶點，在鐵液凝固時有粗大的片狀初生石墨析出。

如圖1c、d所示，生鐵L和生鐵M的基體組織也有較大不同，生鐵L中基體組織主要以萊氏體為主，而生鐵M中則大部分為珠光體，還有少量磷共晶和含Cr碳化物。這種差異的產(chǎn)生可以用這兩種生鐵的化學成分來解釋。C元素是鑄鐵中產(chǎn)生石墨的重要原因，C含量越高，鐵液中石墨自發(fā)形核量越多，C元素之間相互結(jié)合能力也逐漸增強，因此C可以促進石墨化。而Si也是促進石墨化元素，其作用比C更大。由于生鐵L的Si含量遠低于生鐵M，因此生鐵L中C元素石墨化程度較低，基體組織中以萊氏體基體為主。

對兩種生鐵進行硬度檢測，結(jié)果見表2。從表中可以看出，生鐵L的硬度高于生鐵M。這與兩種生鐵的基體組織不同有關(guān)，生鐵L中基體組織主要為萊氏體，而生鐵M中基體組織主要為珠光體，萊氏體基體硬度比珠光體基體硬度高，故生鐵L的硬度比生鐵M的硬度要高。

表2 生鐵L和M硬度對比 （HRC）

2.試驗方案

（1）化學成分 采用生鐵L和M作為原材料，參照特定復合鑄鐵軋輥外層成分熔煉鐵錠L和M，兩支鐵錠化學成分見表3。

表3 鐵錠L和M化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

（2）試驗檢測 采用生鐵L和M作為原材料啟爐，調(diào)整鐵液化學成分，加入合金，出鐵溫度1400℃，在相同條件下分別熔煉鐵錠L和M。將鐵錠L和M采用鉬絲切割，制取金相試樣和力學性能檢測試樣，分別進行金相檢驗、拉伸試驗和硬度檢測。

3.試驗結(jié)果及分析

（1）金相組織 觀察鐵錠L和M的金相組織，如圖2所示。

圖2a、b分別顯示鐵錠L和M的石墨分布情況。經(jīng)檢測，鐵錠L基體組織中石墨含量為2.25%，鐵錠M基體組織中石墨含量為6.37%，鐵錠L中石墨含量明顯低于鐵錠M中的石墨含量。這與鐵錠L和M的原材料有關(guān)，生鐵L中石墨數(shù)量較少，而生鐵M中石墨數(shù)量較多，以這兩種生鐵作為原材料得到的鐵錠中石墨含量情況也相同，這是生鐵遺傳性的體現(xiàn)。

圖2 鐵錠L和M金相組織對比

圖2c、d分別是鐵錠L和M在鑄態(tài)下的基體組織，從圖中可以看出，鐵錠L和M在鑄態(tài)下基體組織大致相同，均為馬氏體+萊氏體+一次碳化物+石墨。

圖2e、f分別是鐵錠L和M在退火態(tài)下的基體組織，從圖中可以看出，鐵錠L和M的基體組織在退火態(tài)下大致相同，均為回火馬氏體+萊氏體+一次碳化物+石墨+殘留奧氏體。

（2）力學性能 取自鐵錠L和M的試樣在鑄態(tài)和退火態(tài)分別進行硬度檢驗和拉伸試驗。試驗結(jié)果見表4、表5。從表中可以看出，鐵錠L的硬度在鑄態(tài)和退火態(tài)下均比鐵錠M的硬度高，經(jīng)退火后，兩者的硬度都有所下降。從生鐵原材料分析中可知，生鐵L的硬度比生鐵M的硬度高，在使用兩種生鐵熔煉出同種成分鐵錠L和M后，鐵錠L的硬度還是要高于鐵錠M，這也體現(xiàn)了生鐵的遺傳性。鐵錠L和M的抗拉強度在鑄態(tài)和退火態(tài)下比較，鐵錠L的抗拉強度要高于鐵錠M，退火后兩者抗拉強度都有所升高。

表4 鐵錠L和M硬度對比 （HRC）

表5 鐵錠L和M抗拉強度對比 （MPa）

4.結(jié)語

（1）產(chǎn)自不同地域的原料生鐵L和M，在礦源、生產(chǎn)工藝不同的條件下，得到的生鐵化學成分和基體組織也相應不同。

（2）采用生鐵L和M為原材料，參照特定成分復合鑄鐵軋輥外層成分熔煉鐵錠L和M，而后進行金相、拉伸、硬度等檢測，鐵錠L中石墨含量明顯低于鐵錠M，在鑄態(tài)和退火態(tài)下相比較，鐵錠L硬度比鐵錠M的高，鐵錠L抗拉強度高于鐵錠M。

（3）以生鐵L和M為原材料，選用生鐵L可以獲得強度和硬度更高的復合軋輥外層。因此在生產(chǎn)鑄鐵軋輥時，可以根據(jù)不同軋輥力學性能要求，以及不同軋輥石墨和碳化物含量要求來選擇不同的原料生鐵。