于进涛 白云龙 赵文辉

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

高速钢离心铸造复合轧辊的正式采用是1988年从日本开始的，之后不久，欧美各国钢铁企业纷纷开发使用高速钢轧辊[1，2]，我国也在高速钢轧辊的制造方法、碳化物形态、热处理等诸多方面进行了广泛研究[3～5]。高速钢离心铸造复合轧辊具有工作层硬度高、耐磨性好、硬度落差小等优点，目前高速钢轧辊已广泛用于热连轧机生产。高速钢离心铸造复合轧辊的辊身工作层材料采用硬度高和耐磨性好的高速钢，辊颈和芯部材料采用强度高、韧性好的球墨铸铁，工作层材料采用离心浇注方式成形，然后与辊颈辊芯球墨铸铁采用静止浇注方式实现冶金熔合。借助离心复合铸造工艺将化学成分有很大差异的两种材料复合在一起，需要解决以下两个问题：(1)轧辊过渡区冶金熔合质量差异造成辊身剥落；(2)工作层材料中的合金元素大量溶入芯部球墨铸铁，而恶化芯部球墨铸铁力学性能。

1 试样制备

试样取自使用报废后的高速钢复合轧辊，化学成分如表1所示。

表1 高速钢离心铸造复合轧辊的化学成分(质量分数，%)Table 1 The chemical composition of high speed steel compound centrifugal casting roll (mass fraction, %)

为保证高速钢与球墨铸铁两种材料的冶金熔合质量，在离心浇注工作层之后，选择恰当时机离心浇注一定厚度的特定成分的中间层材料，一方面减缓工作层材料中的合金元素大量溶入芯部球墨铸铁中，另一方面可以在二者实现冶金熔合后降低材料的液相线温度，达到低温浇注芯部球墨铸铁的目的。由于采用“三次浇注两次复合”[6]的生产方式，高速钢离心铸造复合轧辊形成三层典型组织，并在工作层与中间层、中间层与芯部之间均存在冶金熔合区。

在辊身端部切取试环，对高速钢与球墨铸铁之间的过渡区开展实验室检测分析。制备金相试样后，采用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，使用200MAT金相显微镜图像分析仪采集金相照片，使用Quanta400环境扫描电镜及能谱仪进行电镜和能谱分析。

2 检测结果与分析

2.1 工作层与中间层熔合区分析

工作层、中间层以及两者之间熔合区组织如图1所示。

如图1(a)所示，工作层典型组织为回火马氏体基体+条、块状碳化物+基体上弥散析出的细颗粒状碳化物。如图1(b)所示的中间层组织为珠光体基体+莱氏体+条、块状碳化物。工作层与中间层之间没有明显的区域界限，在较宽的冶金熔合区内，回火马氏体逐渐减少，珠光体逐渐增多，并在中间层出现了莱氏体型碳化物，这些特征从图1(c)、(d)、(e)上可明显看出。

图2为工作层与中间层之间冶金熔合区SEM组织照片，表2为各区域能谱分析结果(未考虑C元素)。

在离心浇注中间层后，工作层内侧被重熔(或未完全凝固)，与中间层通过液态扩散形成扩散层[7]，如表2所示。工作层的强碳化物(Mo、V、Cr)元素向中间层大量扩散，含量逐渐降低。在离心力作用下扩散更为显著，熔合区范围较宽，并呈现渐变的趋势，达到了良好的冶金熔合效果。

2.2 中间层与芯部熔合区分析

图3为中间层与芯部之间冶金熔合区组织，图3(b)中各区域能谱分析结果(未考虑C元素)见表3。

(a)典型工作层金相组织；(b)典型中间层金相组织；(c)、(d)工作层与中间层熔合区金相组织；(e)工作层与中间层熔合区SEM组织图1 工作层、中间层和熔合区组织Figure 1 The structure of working, intermediate and fusion layer

图2 工作层与中间层之间熔合区SEM组织Figure 2 The SEM structure of fusion layer between working and intermediate layer

SiMnNiMoVCrFe区域A区域B区域C0.901.271.420.981.021.010.980.670.867.336.746.647.306.615.674.684.463.8077.8579.2280.59

表3 区域EDS分析结果(质量分数，%)Table 3 The analysis results of zones by EDS(mass fraction, %)

如图3(a)所示，在中间层与芯部之间的冶金熔合区范围较窄，经测量其冶金熔合区宽度在1.2 mm左右，并出现大量莱氏体型碳化物，含量明显多于中间层组织，无明显铸造缺陷。通过对图3(b)SEM组织照片中各区域的能谱分析(如表3所示)发现，中间层侧的强碳化物元素(Mo、V、Cr)含量仍较高，但芯部侧的强碳化物合金元素含量急剧下降，碳化物数量显著减少，并出现了石墨。

(a)中间层与芯部熔合区金相组织；(b)中间层与芯部熔合区SEM组织图3 中间层与芯部之间熔合区组织Figure 3 The structure of fusion layer between intermediate layer and core

图4为中间层与芯部之间冶金熔合区SEM组织，珠光体片层结构明显，碳化物形态各异。根据图4(a)中碳化物的能谱分析结果(见表4)，大部分碳化物是含微量合金元素的渗碳体，而颜色较深的位置C和D，其V含量较高。结合相关文献[8，9]判断为富V的MC型碳化物，这与图4(b)的能谱线扫描结果基本吻合。

(a)中间层与芯部之间熔合区SEM组织；(b)EDS线扫描图4 中间层与芯部熔合区组织Figure 4 The structure of fusion layer between intermediate layer and core

CMoVCrFeABCDEF12.1415.9125.9124.359.4116.532.312.6611.6312.623.562.713.113.0458.4758.292.932.445.004.101.971.982.024.6977.4474.282.012.7782.0773.63

在铁模立模后采用静态浇注芯部球墨铸铁，中间层内侧被部分重熔，而芯部材料的碳含量较高，导致在冶金熔合区形成大量碳化物。由于球墨铸铁采用低温浇注，重熔区厚度较小，强碳化物元素的扩散受到抑制。而富V的MC型碳化物因熔点较高，且密度较小，宏观偏析更为明显，但并未对熔合质量造成影响，从而实现了中间层与芯部材料的良好冶金结合。

轧辊检测结果表明，高速钢离心铸造复合轧辊符合超声波探伤要求，上机使用状态良好，并表现出较强的抗事故能力。

3 结论

(1)在高速钢离心铸造复合轧辊的工作层与芯部之间浇注中间层，很好的缓解了工作层强碳化物元素向芯部材料的扩散，同时实现了与芯部材料的良好冶金结合。

(2)工作层与中间层之间通过液态扩散形成扩散层，基体组织由回火马氏体逐渐过渡为珠光体，并出现莱氏体型碳化物；中间层与芯部之间的冶金熔合区形成大量莱氏体组织，其熔合区厚度约1.2 mm。

(3)在中间层与芯部材料之间的冶金熔合区仍存在富V的MC型碳化物，但并未对冶金结合质量造成显著影响。

[1] 林善灿，符寒光.高速钢轧辊研究的进展[J].宽厚板，2003，9(1)：3-8.

[2] 符寒光，刘金海，殷作虎.国外高速钢复合轧辊研究的进展[J].铸造，1999(2)：44-47.

[3] 宫开令，董雅军，高春利.高速钢复合轧辊的研制及生产[J].钢铁，1998，33 (3)：67-71.

[4] 周宏，王金国，苏源德，等.轧辊用高碳、钒高速钢系合金的热处理[J].钢铁，2000，35(1)：41-44.

[5] 刘海峰，刘耀辉，于思荣. 合金元素对高碳高速钢中碳化物形成及形态的影响[J].铸造，2000，49(5)：260-263.

[6] 王素平.离心铸造高速钢复合轧辊生产工艺探讨[J].轧钢，2008，25(2)：65-67.

[7] 袁乃博，毛卫民.高速钢离心复合轧辊结合层质量的研究[J]. 中国铸造装备与技术，2007(4)：19-22.

[8] M.M. Serna, J.L. Rossi. MC complex carbide in AISI M2 high-speed steel[J].Materials Letters，2009(63)：691-693.

[9] 叶江，符寒光，李明伟，等.高碳高速钢轧辊中合金元素的作用及成分设计[J].现代铸铁，2007(1)：50-55.