改進型無限冷硬離心復合鑄鐵軋輥性能優化

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

上世紀六十年代末，法國首先開發出無限冷硬離心復合鑄鐵軋輥，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的精軋后段機架上普及并應用至今。但普通無限冷硬離心復合鑄鐵軋輥因其成分設計、生產方式的制約，仍存在一些缺點。

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，對提高板面質量不利。

2）輥身組織從表層過渡到內部時，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。

隨著鋼鐵行業的快速發展，板帶材軋制正朝著超薄、超硬、高強度及高速軋制等方面邁進，從而對軋輥的性能要求也越來越高，因此，開發一種具備高耐磨、低硬度落差、輥型穩定的新型無限冷硬離心復合鑄鐵軋輥，成為企業適應市場的必由之路。

2 改進型ICDP的工藝優化措施

2.1 V、Nb、B等微合金化

形成高硬度的VC、NbC、Fe3B碳化物硬質點，提高材質的顯微硬度［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小。

2）V、Nb等合金元素，進一步增加了鐵液凝固時的過冷度，起到加快晶粒形核的作用，使遠離金屬型型壁的鐵液，也有足夠的“過冷”能力，從而避免內部組織過于粗大。同時，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形核，細化變質作用較為明顯。

2.2 外層鐵水凝固時的溫度場調節

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

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，外層材質凝固時的整體降溫速度快。

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，從而減小了鑄件內外部的凝固差異，促使內外晶粒度趨于一致，材料性能更加均勻化。

2.3 熱處理工藝優化

由于改進型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，這些殘余奧氏體在低溫時極易轉變為馬氏體，而使得軋輥在低溫下產生冷裂紋的幾率大大增加，為避免類似情況的發生，對熱處理工藝進行如下優化：

1）采用兩次回火工藝，回火溫度上調30℃～50℃，避免硬度過高。

2）澆注完成后，軋輥毛坯開箱時間從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力和組織應力疊加引起的輥身開裂現象。

3 改進型ICDP性能檢測對比

3.1 成分檢測

對普通型及改進型ICDP，從表面到心部，每隔5mm深度取樣，進行光譜成分檢測，檢測值為測量5點取平均值，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，這也是內部材質中合金碳化物含量輕微增加，石墨含量減少的原因之一。改進型ICDP隨深度增加合金元素分布如表2、圖2所示。

圖2 改進型ICDP合金元素分布趨勢

表2 改進型ICDP合金元素隨深度的分布

從以上數據及圖表可以看出，改進型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部V、B等合金碳化物含量，從而調節內外硬度落差。

3.2 硬度落差檢測

分別對不同規格的5支普通型與5支改進型ICDP軋輥進行肖氏硬度跟蹤檢測，檢測時機為下機磨削后，每使用5mm跟蹤記錄一次測量數據，進行硬度落差數據統計，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

改進型ICDP的輥身硬度變化如表4、圖4所示。

表4 改進型ICDP的輥身硬度隨深度變化數據

圖4 改進型ICDP輥身硬度隨深度的變化趨勢

從上述圖表數據可以看出，改進型ICDP與普通型ICDP相比，從表面到內部的硬度落差，從3HSC～4HSC，下降到1HSC～2HSC，硬度落差得到較好的控制。

3.3 金相組織檢測對比

在微觀組織方面，分別對普通型ICDP與改進型ICDP的石墨形態、碳化物形貌等進行了對比研究，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 改進型ICDP的細點球狀石墨

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石墨呈點球狀、顆粒狀分布，且分布較為彌散，分析其機理認為由于加入了Nb、V、B等合金元素，這些強碳化物元素，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，阻礙石墨的長大，促使石墨形成點球狀彌散分布，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表面和內部碳化物有明顯區別，一是內部組織存在一定的蜂窩狀碳化物，二是內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中輥身表層和內部的碳化物的粗細、含量基本一樣，從而保證了從表層過渡到內部時的耐磨性趨于一致。

4 使用效果對比

對上述5支改進型ICDP軋輥分別在兩個鋼鐵企業的熱軋板帶生產線進行試用，并于普通ICDP軋輥進行性能對比，改進型ICDP具有耐磨性更好、表面光潔度高等優點。

4.1 毫米軋制量量對比

相關文獻研究表明，具備點球狀石墨的改進型ICDP，比具備蠕蟲點狀石墨的普通型ICDP有更高的耐磨性能［4］，為此在兩個不同熱軋板帶線上進行了使用對比。

表5 不同軋線中的ICDP毫米軋制量數據對比（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效率，降低了生產成本，又延長了換輥周期，降低了工人勞動強度。

4.2 輥面粗糙度對比

普通型ICDP的下機表面粗糙度為1.6μm～2.2μm，而改進型ICDP的下機表面粗糙度為1.2μm～1.7μm。

較好的輥面光潔度，提高了鋼材的表面質量，為鋼鐵企業提高產品質量等級，增加產品附加值等提供了保證，目前該材質已進行推廣階段。

5 結論

改進型ICPD軋輥，與普通型ICDP軋輥相比，具備下列優點：

1）加入的變質合金元素V、Nb、B從表面到內部分布更加均勻。

2）輥身硬度落差縮小，從3HS～4HS下降到1HS～2HS。

3）石墨形態從短片蠕蟲狀變質為點球狀。

4）輥身從表面到內部的碳化物趨于一致，蜂窩狀碳化物基本得到消除。

5）經過使用驗證，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的下機表面光潔度更高，可以得到更好的鋼材板面質量。