高镍铬离心复合铸铁轧辊辊身裂纹的防止

王江园

摘 要：高镍铬无限冷硬铸铁轧辊由于其良好的耐磨性、抗粘性、抗热裂性和抗剥落性，被广泛的应用于型钢、线材、棒材和带钢的热连轧机用辊。目前，国内外几乎所有热轧带钢连轧机精轧后段工作辊，甚至部分精轧前段工作辊仍然采用高镍铬无限冷硬铸铁轧辊。

关键词：高镍铬；铸铁轧辊；裂纹；防止

高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的生产方式主要有底漏法、冲洗法、离心复合法、CPC连续浇注法、电渣重熔法等，而离心复合铸造法由于工艺简单，在保证铸造质量的同时，又能极大节约铁水和合金，因此被广泛应用于高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的生产。但是，在离心铸造过程中，由于离心机的震动，金属型的激冷作用等因素，通过离心铸造生产的高镍铬无限冷硬铸铁轧辊容易出现裂纹，如图1所示，为离心机震动过大导致打箱后的高镍铬无限冷硬铸铁轧辊辊身表面出现轴向裂纹，该轧辊直接报废。因此，研究分析高镍铬无限冷硬离心复合铸造轧辊辊身裂纹产生原因，找出相应应对措施，控制和减少辊身裂纹的产生，对提高高镍铬无限冷硬铸铁轧辊产品合格率具有重要意义。

1 裂纹产生原因

研究高镍铬无限冷硬铸铁轧辊辊身裂纹形貌特征，分析轧辊离心复合铸造工艺参数，综合考虑各方面因素，得出高镍铬无限冷硬铸铁轧辊辊身裂纹产生原因主要有以下因素：

1.1 化学成分

高镍铬无限冷硬铸铁轧辊外层材质为高镍铬无限冷硬铸铁，芯部材质为球墨铸铁，由于两种材质收缩系数不同，且芯部球墨铸铁在凝固后期还有石墨化膨胀现象，因此这直接决定离心复合铸铁轧辊本身具有一定的裂纹倾向。

高镍铬无限冷硬铸铁轧辊外层化学成分中，碳、铬、钼等三种元素的波动对轧辊裂纹产生有较大影响。碳作为铸铁组织中碳化物和石墨的主要形成元素，当铁水中硅、铬的含量一定，且冷却速度一定时，随着碳含量的增加，铸铁基体组织中碳化物的含量也会相应增加，大量的碳化物，会使辊身组织的脆性增加，容易产生裂纹。

1.2 涂料因素

为了保证外层铁水同辊身金属模之间不发生粘接，方便脱模，并减少铁液对金属模的热冲击，在辊身金属模内壁会挂涂一层2mm左右厚度涂料。当所挂涂涂料的厚度不均匀或在辊身金属模高速旋转和铁液的热冲击下，涂料局部开裂或脱落时，铁液浇入辊身金属模后，各部位冷热不均，不但会增加轧辊辊身裂纹倾向，还会使金属模因激冷产生裂纹，缩短金属模使用寿命。

1.3 离心机转速

当离心复合铸造轧辊进行离心浇注时，由于辊身金属模需要进行高速转动，不可避免会产生较大的震动。离心机转速越大，辊身金属模的震动越大。离心机的转速过低，离心力过小，卧式离心机在浇注过程中，会发生雨淋现象，导致辊身部位产生缩松夹渣等缺陷；离心机的转速过高，先期凝固外层会受到未凝固内层铁液的离心压力，由于先期凝固外层铁液凝固时间短，又受到内部铁液的高温加热，凝固区域内部晶体间结合力较弱，即强度较低，较大的离心压力，极易将先期凝固外层撕裂，导致辊身产生轴向裂纹。

1.4 芯部铁液浇注条件

高镍铬无限冷硬离心复合铸造轧辊外层铁液浇入辊身金属模中后，经过离心运动均匀铺满辊身金属模，当铁液完全凝固后，将辊身金属模同下辊颈箱、上辊颈箱和冒口等立式组装在一起，浇注芯部铁液。芯部铁液的熔炼质量、浇注温度、硫磷元素含量等因素均会影响结合层的质量。当芯部铁液中残余镁量过高时，容易在结合层部位形成块状莱氏体型碳化物，随着芯部金属液的高温加热作用，这些碳化物会生长得异常粗大，且结晶倾向性差，在结合层部位就会形成大量平行辊身轴向莱氏体型碳化物群，使得结合层结合不良。当结合层发生结合不良或有夹渣缺陷，会在结合层力学性能比较薄弱的部位产生裂纹，并随着铸造应力的作用，不断向外扩展，导致辊身表面产生裂纹。

2 裂纹的防止措施

综合上述分析可知，高镍铬无限冷硬离心铸造轧辊辊身裂纹产生的原因可能是各方面因素引起的，因此针对这些因素，可以采取以下措施来防止辊身裂纹的产生。

2.1 控制外层铁水成分

精确控制外层铁水化学成分，保证碳含量在3.0～3.5%，铬含量在1.6～1.8%，钼含量在0.2～0.6%。防止由于外层铁水中碳铬钼等元素含量的波动引起的裂纹倾向。

2.2 合理选择涂层涂覆工艺

在配制涂料时，注意保证涂料充分搅拌，避免因涂料本身不均匀导致涂层厚度不均匀。在涂料的涂覆应选择喷涂或滚涂，尽量不选择挂涂，因挂涂涂层均匀性差，且易发生脱落。

在涂料涂覆时，合适的离心机转速和合理的模具温度，也是保证涂层厚度均匀性的重要条件。离心机转速不当，会影响涂料的流平性，造成涂层厚度不均匀；辊身金属模温度过低，涂料固化成形性差，涂层强度低；辊身金属模温度过高，涂层表面会产生结瘤现象，造成涂层表面不平整，影响轧辊表层质量。根据实际生产，离心机转速选择在600～700rad/min，辊身金属模温度选择在180～220℃，涂料喷涂效果较好。

2.3 合理选择离心机转速

离心铸件在实际生产过程中通常用一些经验公式来计算离心机转速，再根据实际情况进行修正完善。常用的公式有：康斯坦丁诺夫铸型转速计算公式；凯门铸型转速计算公式；重力系数铸型转速计算公式。通常轧辊金属型转速的计算选择重力系数铸型转速计算公式，其公式为：

在式中，n为轧辊铸型旋转速度，r/min；R为离心层内表面半径，cm；G为重力系数，通常取75～100。

在实际生产时，根据辊身金属型运转的平稳性，对转速n进行调整，调整量不超过15%，避免发生机械共振。在保证铸件质量的前提下，应选择较小的转速。

2.4 优化芯部铁液浇注条件

在芯部铁液浇注前，扒渣尽可能干净，在浇注时浇包口设置挡渣坨，防止炉渣进入铸型中。芯部铁水球化孕育后，保证芯部铁水残余镁量在0.03～0.07%，因为残余镁量低于0.03%不能保证完全球化，残余镁量高于0.07%则会在结合层生成粗大碳化物，导致结合层结合不良。

选择合适芯部铁水浇注温度，保证芯部能与外层完全熔合，同时保证外层内表面防氧化玻璃渣充分上浮。上述因素均可能造成结合层结合不良或夹渣，最终导致轧辊辊身裂纹。

3 实施效果

采用上述方法控制高镍铬无限冷硬离心铸造轧辊的生产，提高了轧辊生产率，大大降低了辊身裂纹缺陷的产生，取得良好的生产效果。