熔炼工艺对无限冷硬轧辊石墨含量及形态的影响

2015-02-24孟效轲蒲远忠刘红才

金属加工(热加工) 2015年13期

■孟效轲，蒲远忠，刘红才

■孟效轲，蒲远忠，刘红才

摘要：石墨形态及含量对无限冷硬轧辊的耐磨性及抗事故性有重大影响。从熔炼工艺的角度出发，研发了增碳工艺及孕育工艺对无限冷硬轧辊石墨含量及形态的影响。结果表明，采用增碳工艺，可有效增加石墨含量，同时可细化石墨，但石墨形态以蠕虫状和团絮状居多，对轧辊性能不利。与包底孕育相比，通过包底孕育+表面二次孕育，可以使石墨含量略有增加，且有改善石墨形貌、细化石墨的作用。

1. 概述

无限冷硬铸铁由于具有硬度高、硬度差小及良好的抗热裂性，且其热处理工艺简单，在轧辊制造中得到了广泛的应用。影响无限冷硬铸铁轧辊性能的主要因素是硬度、化学成分和组织。其中，石墨和碳化物含量对无限冷硬轧辊使用性能有很大影响。表1反映了碳化物和石墨与轧辊性能的关系。通过调整石墨和碳化物的比例来调整轧辊的性能以适用于不同的工况。

研究表明，在中频感应电炉熔炼铸铁过程中，通过增碳处理，可降低铁液中杂质元素含量，改善炉料的遗传影响，从而改善石墨大小、分布和形态，细化石墨等级。同时，孕育处理过程中孕育剂的加入时间、方法、加入量、粒度和形态等工艺条件都会影响铸件组织和石墨的形态与分布。本文尝试采用增碳及孕育处理方法调整无限冷硬轧辊中的石墨及碳化物的形态、数量。通过试制无限冷硬轧辊，研究了增碳工艺及孕育处理方式对无限冷硬轧辊石墨含量及形态的影响。

2. 试验方法

常规工艺中采用不增碳或少增碳方法熔炼，孕育方式为包底孕育。对比增碳处理及包底孕育+表面二次孕育方式对无限冷硬轧辊石墨含量及形态的影响，共浇注6支轧辊（编号Ⅰ～Ⅵ）。各轧辊的熔炼工艺对比见表2。

表1　石墨和碳化物数量与轧辊性能的关系

表2　不同熔炼工艺方案

表3　试验用原材料化学成分（质量分数）　　（%）

试验中原材料化学成分见表3。采用10t/h中频感应电炉熔炼。使用石油焦类增碳剂，碳含量98.5%以上，粒度1～5mm。孕

育剂为75SiFe，粒度1～3mm。

加入增碳剂时，先在包底熔一定量铁液，加入增碳剂后，再加入剩余金属料，将增碳剂压入铁液中。应使增碳剂与铁液充分润湿，避免增碳剂漂浮在铁液表面产生结团燃烧，保证收得率。表4为增碳工艺与常规工艺配料组成对比。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号轧辊孕育剂通过包底冲入法加入；Ⅴ、Ⅵ号轧辊孕育处理分两步进行，出铁时预先在包底放置一部分孕育剂（60%），浇注前再在表面撒入剩余孕育剂。

在辊身上切环进行金相检测，包括基体组织、石墨含量及形态，检测辊身硬度，进行比较和分析。

3. 试验结果分析

无限冷硬轧辊金相照片对比见图1。组织组成均为莱氏体+回火马氏体+下贝氏体+不规则块条状碳化物+石墨。与常规工艺轧辊相比，增碳剂的使用及孕育工艺的调整并不会对基体组织及碳化物形貌产生明显的影响。

无限冷硬轧辊石墨形态对比见图2。常规方案（Ⅰ、Ⅱ）以团块状石墨居多，石墨团较大。与常规方案相比，增碳方案（Ⅲ、Ⅳ）处理的轧辊石墨数量明显增多，以蠕虫状和团絮状居多，石墨团细小。孕育方案（Ⅴ、Ⅵ）处理轧辊的石墨数量多，石墨细小、圆整。

6支无限冷硬轧辊硬度、石墨量对比见表5。增碳及孕育方案对轧辊的硬度无影响。常规工艺轧辊石墨量1.7%～2.2%，平均1.95%，增碳方案平均为2.3%，孕育方案平均为2.15%，石墨量均略有增加。

分析认为，经过增碳剂增碳处理后的铁液中，生成了大量弥散分布的非均质结晶核心，石墨晶核数量显著增多，改善了石墨形核生长条件，从而明显提高石墨含量。但增碳方案中石墨结晶核心为加入增碳剂后非均质生成的，其石墨形态以团絮状和蠕虫状居多。而通过包底孕育+表面二次孕育，可有效防止孕育衰退，在铁液凝固时有效促进石墨的生成。孕育方案也在一定程度上增加了石墨含量。孕育方案和常规方案中石墨核心均为铁液中均质形核，以团块状石墨居多，且石墨更圆整。无限冷硬轧辊中均匀分布的球形石墨可以在一定程度上延缓热裂纹的形成，减少轧辊产生大块掉皮和断辊的恶性事故发生率。因此，增碳方案产生的石墨形态对轧辊使用性能不利，推荐采用孕育处理调整石墨含量。