改进型无限冷硬离心复合铸铁轧辊性能优化

周勤忠 李果 冯喜锋

（1：江苏共昌轧辊股份有限公司 江苏宜兴214253；2：首钢京唐钢铁有限公司 河北唐山063200）

1 前言

上世纪六十年代末，法国首先开发出无限冷硬离心复合铸铁轧辊，因其具有较好的耐磨、抗热裂、以及一定的自润滑性能，很快就在热轧板带轧机的精轧后段机架上普及并应用至今。但普通无限冷硬离心复合铸铁轧辊因其成分设计、生产方式的制约，仍存在一些缺点。

1）基体中石墨组织以短片蠕虫状为主，石墨易粗大及分布不均，较大的石墨组织在使用中易脱落，对提高板面质量不利。

2）辊身组织从表层过渡到内部时，因激冷能力下降，过冷度降低，组织逐渐粗化，碳化物含量降低、石墨含量增加等因素，其硬度、耐磨性能、辊面光洁度等下降较大。

随着钢铁行业的快速发展，板带材轧制正朝着超薄、超硬、高强度及高速轧制等方面迈进，从而对轧辊的性能要求也越来越高，因此，开发一种具备高耐磨、低硬度落差、辊型稳定的新型无限冷硬离心复合铸铁轧辊，成为企业适应市场的必由之路。

2 改进型ICDP的工艺优化措施

2.1 V、Nb、B等微合金化

形成高硬度的VC、NbC、Fe3B碳化物硬质点，提高材质的显微硬度［1］。

1）该类元素为反石墨化元素，抑制石墨的长大，使石墨析出为颗粒状且更加细小。

2）V、Nb等合金元素，进一步增加了铁液凝固时的过冷度，起到加快晶粒形核的作用，使远离金属型型壁的铁液，也有足够的“过冷”能力，从而避免内部组织过于粗大。同时，V、Nb等合金元素形成的耐磨粒子更加弥散分布［2］。

3）B元素为表面活性元素，一方面形成B的合金碳化物耐磨粒子，一方面B是较好的形核剂（孕育剂），提高铁液中大量的非自发形核，细化变质作用较为明显。

2.2 外层铁水凝固时的温度场调节

外层铁水凝固时，由于是金属型铸造，铸型对铸件表面激冷能力强，为了缩小轧辊表面和内部的冷却速度差，采取以下工艺优化措施：

1）增加涂料厚度，减缓铁水刚浇入型腔后外表面的冷却速度，避免外表面形成过强的激冷层。

2）增加冷型模具壁厚，加大冷型模具的整体蓄热能力，外层材质凝固时的整体降温速度快。

通过上述措施，在减缓铸件表面过冷度的情况下，铸件的整体过冷能力得到加强，从而减小了铸件内外部的凝固差异，促使内外晶粒度趋于一致，材料性能更加均匀化。

2.3 热处理工艺优化

由于改进型ICDP加入了更多的合金，特别是Cr、V、Nb等，基体合金含量增多，过冷度增大，因此过饱和奥氏体易残留到室温状态，这些残余奥氏体在低温时极易转变为马氏体，而使得轧辊在低温下产生冷裂纹的几率大大增加，为避免类似情况的发生，对热处理工艺进行如下优化：

1）采用两次回火工艺，回火温度上调30℃～50℃，避免硬度过高。

2）浇注完成后，轧辊毛坯开箱时间从4天延长至7天，使辊身热量充分缓慢释放，避免开箱过程中较大的热应力和组织应力叠加引起的辊身开裂现象。

3 改进型ICDP性能检测对比

3.1 成分检测

对普通型及改进型ICDP，从表面到心部，每隔5mm深度取样，进行光谱成分检测，检测值为测量5点取平均值，合金元素的变化如表1、图1所示。

表1 普通型ICDP合金元素分布

图1 普通型ICDP中合金随深度的分布

从上述图表可以看出，普通型ICDP轧辊中，合金元素Cr、Ni、Mo均随着深度增加有轻微降低，尤其是密度较大的Mo元素更加明显，这也是内部材质中合金碳化物含量轻微增加，石墨含量减少的原因之一。改进型ICDP随深度增加合金元素分布如表2、图2所示。

图2 改进型ICDP合金元素分布趋势

表2 改进型ICDP合金元素随深度的分布

从以上数据及图表可以看出，改进型ICDP中加入的V、B随着深度的增加，呈轻微上升趋势，这可以一定程度增加内部V、B等合金碳化物含量，从而调节内外硬度落差。

3.2 硬度落差检测

分别对不同规格的5支普通型与5支改进型ICDP轧辊进行肖氏硬度跟踪检测，检测时机为下机磨削后，每使用5mm跟踪记录一次测量数据，进行硬度落差数据统计，如表3、图3所示。

表3 普通型ICDP辊身硬度随深度变化值（HS）

图3 普通型ICDP辊身硬度随深度的变化趋势

改进型ICDP的辊身硬度变化如表4、图4所示。

表4 改进型ICDP的辊身硬度随深度变化数据

图4 改进型ICDP辊身硬度随深度的变化趋势

从上述图表数据可以看出，改进型ICDP与普通型ICDP相比，从表面到内部的硬度落差，从3HSC～4HSC，下降到1HSC～2HSC，硬度落差得到较好的控制。

3.3 金相组织检测对比

在微观组织方面，分别对普通型ICDP与改进型ICDP的石墨形态、碳化物形貌等进行了对比研究，微观组织如图5、图6、图7、图8、图9、图10所示。

图5 普通型ICDP的蠕虫状石墨

图6 改进型ICDP的细点球状石墨

图7 第一代ICDP距离表面5mm处碳化物

图8 第一代ICDP距离表面40mm处碳化物

图9 第二代ICDP距离表面5mm处碳化物

图10 第二代ICDP距离表面40mm处碳化物

第一代ICDP石墨呈短片蠕虫状，第二代ICDP石墨呈点球状、颗粒状分布，且分布较为弥散，分析其机理认为由于加入了Nb、V、B等合金元素，这些强碳化物元素，在铁液凝固的过程中，于固液界面周边的溶液中形成成分过冷区，阻碍石墨的长大，促使石墨形成点球状弥散分布，因此轧辊在使用过程中不易因石墨脱落形成微观斑痕或沟槽，从而提高了轧辊的表面光洁度［3］。

从图7、图8可以看出，普通型ICDP表面和内部碳化物有明显区别，一是内部组织存在一定的蜂窝状碳化物，二是内部碳化物尺寸明显偏大，因碳化物在使用过程中起到耐磨骨架的作用，因此这是导致普通型ICDP使用到后期，耐磨性能下降、光洁度变差的主要原因。

从上述图9、图10的碳化组织可以看出，第二代ICDP中辊身表层和内部的碳化物的粗细、含量基本一样，从而保证了从表层过渡到内部时的耐磨性趋于一致。

4 使用效果对比

对上述5支改进型ICDP轧辊分别在两个钢铁企业的热轧板带生产线进行试用，并于普通ICDP轧辊进行性能对比，改进型ICDP具有耐磨性更好、表面光洁度高等优点。

4.1 毫米轧制量量对比

相关文献研究表明，具备点球状石墨的改进型ICDP，比具备蠕虫点状石墨的普通型ICDP有更高的耐磨性能［4］，为此在两个不同热轧板带线上进行了使用对比。

表5 不同轧线中的ICDP毫米轧制量数据对比（t／mm）

在某普通1580热轧线上，第二代ICDP的毫米轧制量，比第一代ICDP提高了约27%。在某无头轧制线上，第二代ICDP的毫米轧制量，比第一代ICDP提高了约29%。毫米轧制量的提高，既提高了的轧线的生产效率，降低了生产成本，又延长了换辊周期，降低了工人劳动强度。

4.2 辊面粗糙度对比

普通型ICDP的下机表面粗糙度为1.6μm～2.2μm，而改进型ICDP的下机表面粗糙度为1.2μm～1.7μm。

较好的辊面光洁度，提高了钢材的表面质量，为钢铁企业提高产品质量等级，增加产品附加值等提供了保证，目前该材质已进行推广阶段。

5 结论

改进型ICPD轧辊，与普通型ICDP轧辊相比，具备下列优点：

1）加入的变质合金元素V、Nb、B从表面到内部分布更加均匀。

2）辊身硬度落差缩小，从3HS～4HS下降到1HS～2HS。

3）石墨形态从短片蠕虫状变质为点球状。

4）辊身从表面到内部的碳化物趋于一致，蜂窝状碳化物基本得到消除。

5）经过使用验证，第二代ICDP的毫米轧制量比第一代ICDP提高约27%～29%。

6）第二代ICDP的下机表面光洁度更高，可以得到更好的钢材板面质量。