高碳合金半钢辊环端面裂纹及夹渣缺陷的形成与防止

张 杰

（唐山钢铁集团重型机械装备有限公司，河北唐山 063000）

高碳合金半钢辊环广泛应用于型钢及轨梁轧机的万能机架，由于其良好的硬度均匀性、抗热裂性、耐磨性等得到了广泛的应用。我国在高碳合金半钢辊环的生产上起步较晚，但发展很快，全国有此生产能力的轧辊厂家不下30家，但由于高碳合金半钢辊环材质的特殊性，生产难度大，易出现质量问题，过去直径1 m以上的辊环基本上要靠进口国外相关产品，目前国内生产的高碳合金半钢辊环基本上取代了国外产品，但在生产过程中还存在着合格率不高，质量问题频发的现象，其中辊环端面夹渣、裂纹是造成废品的主要原因，轻者大改小，严重者报废，不仅造成辊环的合格率低，同时还造成生产厂家成本升高及工期的延误。

目前我公司生产的高碳合金半钢辊环主要采用离心方式生产，主要规格（单位：mm）为 800×342、 600×230、 1 000×340、 1 000×300、1 000×220、 1 200×475、 1 200×265、 1 200×180等，在生产中存在的主要问题是粗车切断后端面存在裂纹、夹渣，造成的废品每月占15%左右，这还不算辊环改制（大改小）的情况，给公司造成了比较大的损失，同时由于废品的出现还会影响到交货期，对公司的信誉也造成了不好的影响。以我公司为某厂家制造的 1000辊环为例，分析裂纹类渣缺陷形成原因并提出防止措施。

1 问题辊环具体情况

1.1 问题辊环情况描述

辊环生产工艺流程为：毛坯-扩散+球化-粗车切断-正火+回火-精车[1]。出现问题工序主要在粗车切断工序，辊环在切断后经粗车在靠近两个端面处存在裂纹、夹渣。图1、图2分别为正常辊环图片及存在问题辊环图片。

从外观上看，裂纹是热裂纹，位置在辊面以下大约80 mm～120 mm处，呈圆周方向，很少出现整圆，大部分为1/3圆周左右，中间伴有夹渣。

图1 正常辊环图片

图2 问题辊环图片

1.2 辊环的铸造生产工艺

1.2.1 造型材料

为保证辊环质量，端盖造型材料选择国内某公司配制好的低水泥浇包浇注料[2]，材质为高铝质，造型时加入水（质量分数）6%～8%，混匀后附着在端盖内表面，待硬化后入干燥窑烘干后与铸型安装在一起。

铸型内表面涂料选用内部混制石英粉涂料，将上好端盖的铸型加热至200℃～250℃后，采用滚涂方式附着在冷型内表面，涂料厚度在3 mm左右。

1.2.2 生产工艺

采用离心铸造生产工艺，两层结构，外层高碳半钢材质，芯部石墨钢材质，成份如表1.

表1 辊环化学成份（质量分数，%）

厂家工艺要求工作层厚度≥140 mm，实际生产中按≥150 mm进行控制，首先浇注外层钢水，大约间隔20 min后浇注芯部石墨钢钢水，浇注完成后在离心机上旋转降温，中心孔表面温度达到1 050℃以下时停转，下机后立着放入缓冷坑并对中心孔位置进行保护，室温后开箱。图3为辊环浇注示意图。

图3 辊环浇注示意图

2 辊环理化性能分析

为了查找端面夹渣、裂纹的原因，对规格1 000×340，辊号为16D0977的辊环进行取样分析。

2.1 化学成份

表2 辊环实际化学成份（质量分数，%）

表2为辊环实际化学成分。从化学成份看，均符合辊环的化学成分的设计规范。

2.2 现场金相检测

对此支轧辊进行切片做金相检测[3]，组织照片如图4、图5所示。

图4 金相组织（100X）

图5 金相组织（500X）

从金相组织来看，此轧辊的金相组织主要为索氏体+碳化物（≤25%），轧辊中碳化物呈粒状或是短棒状，均匀分布，组织形态正常。

2.3 探伤检测

对辊环进行探伤检验，结合部位在跟辊面160mm处，内外层结合部位结合良好，未见夹渣、裂纹缺陷，发现此辊环在距辊面深约100 mm位置，距端面20 mm处存在裂纹，裂纹位置如图6所示。

图6 裂纹位置图

3 辊环裂纹、夹渣缺陷分析

导致高碳合金半钢辊环产生端面裂纹、夹渣的因素有以下几种：1）结合不良，辊环为两层结构，如果填芯时间或是浇注温度控制不好会造成结合不良，会在结合部位产生裂纹，夹渣；2）辊环成分原因，包括成分不均匀、碳化物偏析等，收缩过程中受力不均产生裂纹；3）辊环是二层结构，当浇入外层钢水后，由于浇芯部钢水的时机为外层钢水液相线加100℃，实际在20 min左右，当浇芯部钢水后，部分钢水会渗透入外层钢水与端盖之间收缩产生的缝隙，由于芯部钢水温度高，会对外层钢水产生部分回熔，收缩过程中内外收缩不一致会产生一部分应力，在内外层钢水结合部位产生裂纹、夹渣；4）当浇入外层钢水后，外层钢水会对芯部的浇注料产生烘烤，由于浇注料高温强度低，粉化后粘料，会对芯部收缩产生阻碍，收缩受阻产生裂纹。所以应根据具体情况具体分析，通过探伤分析，可以排除第一种情况，因为通过裂纹的位置看，不在结合部位，明显的在工作层端面位置，此外裂纹明显是由外向内裂的，比较浅，不是由里往外裂的，加之探伤看结合良好，未见裂纹、夹渣缺陷。从化学成份、金相上看，组织分布非常均匀，所以可以排除第二种情况，所以只能从第三、四种情况找原因，通过认真观察发现，开箱后的辊环存在不同程度的粘料的情况，如图7.

图7 毛坯辊环

从毛坯辊环的外观可以看到，辊环端面存在明显的分界面，分界面位于工作层外端面，而裂纹出现的位置正好在分界面这个位置。通过分析生产过程发现，当浇注完外层钢水后需要20 min才能填芯部石墨钢水，外层钢水经过20 min后会存在一定的液态和凝固收缩，这样就与端盖之间形成了一定的缝隙，当浇注芯部钢水时，钢水沿缝隙进入并与外层混熔一部分，当这部分钢水流动到一定位置后凝固，产生图7中的情形，由于先浇注的钢水对端盖料的烘烤作用，使端盖料强度降低，后续浇入的钢水对端盖料冲刷会使钢水中夹杂物含量升高，并渗入表层浇注料中，造成粘料。当辊环离心旋转完成冷却过程中由于辊环体积收缩，受到来自芯部与外层混熔区及粘料部分的拉应力作用在过渡区产生裂纹、夹渣，如图8所示。

图8 裂纹形成图

4 造成缺陷的主要原因及改进效果

4.1 主要原因

通过以上分析，造成高碳半钢辊环产生端面裂纹、夹渣的主要原因一是低水泥浇包浇注料高温强度低，端面粘料；二是辊环芯部钢水与外层钢水部分混熔，内外收缩不一致。

4． 2 改进措施

1）改进浇注料配方，解决浇包烧注料高温强度低的问题，避免粘料；

2）在无法改变辊环结构的基础上，适当降低内外层浇注温度，减少钢水的收缩；

3）在工艺设计时，将辊环端面的加工量适当加大，一旦出现问题可以在加工时去除。

5 结 论

1）端面裂纹、夹渣是造成高碳半钢辊环报废的主要原因。

2）产生端面裂纹、夹渣的主要原因是：①低水泥浇包浇注料高温强度低，可以通过改进浇注料配方，提高其高温强度；②高碳半钢辊环二次填芯结构造成的内外收缩不一致，可通过降低浇注温度适当防止。

［1］ 文铁铮，郭玉珍.冶金轧辊技术特性概论［M］.石家庄：河北科学技术出版社，1995.

［2］ 文铁铮，郭玉珍.轧辊制造技术新论［M］.石家庄：河北科学技术出版社，2014.

［3］ 邵泽波.无损检测技术［M］.北京：化学工业出版社，2003.