付晓虎 白云龙 刘汉银 田玉波

(中国一重天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

高铬铸铁轧辊是目前在热连轧机前架最为广泛使用的工作辊，在价格相对低廉的基础上，高铬铸铁复合工作辊具有较高的硬度、良好的耐高温性能和优良的耐磨性，得到了广大用户的认可[1-3]。高铬铸铁轧辊对工作层和芯部所要求的性能不同，因此工作层材质和芯部材质的成分有很大差异。为了降低熔入芯部的Cr元素的含量和芯部中的C、Si元素进入工作层，选择使用3次浇注两次复合的方法来保证工作层和芯部的结合强度并控制元素的扩散[4-5]。过渡层成分受到工作层和芯部的共同影响，成分的差异和元素的偏析将导致其组织和性能与工作层和芯部都有较大差异，是高铬铸铁轧辊性能薄弱部位。

过渡区质量的控制是非常必要的，可由于各个生产厂家对其成分的选择各不相同，并且受浇铸时的各种因素影响，会产生较大变化，因此很少见到高铬铸铁轧辊的过渡区分析方面的文章。本文通过对我厂生产的某一高铬铸铁复合工作辊过渡区组织进行分析，研究其形成过程和组织特点，为分析中间层冶金熔合质量提供方向。

1 实验方案

图1为轧辊辊身剖面工作层、过渡层和芯部的示意图。由于高铬铸铁轧辊在热连轧机上的高温、高压环境下使用，需要高铬铸铁复合轧辊的工作层有高的耐磨性和高温强度，所以外层材料的成分含有较高的Cr元素和C元素，以形成硬度较高的M7C3型碳化物[6-8]。芯部材料需要有较好的韧性起到支撑作用，因此选择球墨铸铁这种具有较高屈服强度、抗震动性能良好的材料作为芯部材料[9]。而过渡层作为工作层和芯部的冶金熔合区域，其目的是减少工作层内的Cr元素向芯部扩散。为保证轧辊的质量，过渡层还需要和工作层与芯部都有较好的结合强度。

图1 轧辊辊身剖面工作层、中间层和芯部的示意图Figure 1 Sketch map of working layer,intermediate layer and the core of roller body section

鉴于以上原因和现场的实际操作问题，我厂高铬铸铁轧辊的成分范围如表1所示。

实验所选取的两支轧辊分别标记为1号轧辊和2号轧辊，此两支轧辊要求工作层厚度≥45 mm，中间层设计浇注厚度为20 mm，脱模后650℃回火，回火结束在辊身肩部取环检测。采用QUANTA 400扫描电镜进行过渡区元素能谱分析，Axiovert 200 MAT进行金相分析，600RLD/T洛式硬度计进行硬度测量。

表1 高铬铸铁轧辊工作层成分范围(质量分数，%)Table 1 Composition range of working layer of high chromium cast iron work roll(Mass,%)

图2 过渡区宏观照片和EDS分析照片Figure 2 Macro picture of transition zone and EDS analysis picture

2 实验结果及分析

2.1 过渡区宏观组织和元素含量变化分析

1号实验辊过渡区宏观照片和EDS分析照片如图2所示。

高铬铸铁复合轧辊从工作层过渡到芯部过程中成分发生很大变化，其中Cr含量由工作层的18%递减到0.15%以下，C、Si、Ni、Mn等元素也都出现不同程度、不同方向的浓度梯度，导致过渡区组织相对复杂。

从图2(a)中能够清楚的区分出由过渡层连接的工作层材料和芯部材料，可以观察到从工作层到芯部的过渡区是一个渐变区域。从图2(b)可以看出，从工作层到芯部C元素含量先降低再升高；Si元素含量逐渐增加；Cr元素含量逐渐降低；其它元素含量无明显变化。过渡区组织形貌特征的变化受到元素含量变化的影响，在各种元素中，C元素和Cr元素含量的变化起到主要作用。

2.2 实验中1号轧辊过渡区组织分析

图3是我厂生产的某支高铬铸铁轧辊的过渡层组织从靠近外层到芯部的退火态金相图。

从图3可以看出，在贴近工作层处的过渡层组织即图3(a)中的A区域与正常工作层组织有一定的差距，此处过渡层组织的金相图中无法观察到明显的初生奥氏体晶粒遗留下的支晶形貌，块状碳化物增加，板条形碳化物数量减少，由此推断A区域是浇注中间层时工作层未被中间层铁水完全熔化的部分，但是由于受到中间层铁水浇注时的高温影响和元素的相互扩散的影响，基体组织溶解，碳化物发生溶解再析出的过程，形成了图3中A区域的形貌。图3(a)中B区域碳化物的数量和体积分数明显超过工作层和A区域，大量的块状碳化物形成明显的分界线，其组织为块状的M7C3型碳化物+回火马氏体。从元素含量的变化和组织形貌推断，B区域是浇注过渡层时液相的过渡层铁水和固相工作层的交界区域，此时工作层处于固相，过渡层处于液相凝固阶段。由于不同元素的浓度梯度和元素之间结合能力的不同，导致合金元素会向液相的过渡层发生扩散，过渡层的C元素会向着工作层扩散。由于大量的C元素在固相工作层中以碳化物的形式存在，导致工作层基体中的C元素含量远低于过渡层液相中C元素的含量，因此在浓度梯度和C元素与合金元素结合力的共同作用下大量的C元素扩散至B区域并形成碳化物，导致在B区域出现了一个碳化物富集区。图3(a)中的C区域是与B区域交界的部位，此处碳化物数量明显的减少，两区域之间可以观察到较显著的分界。D区域组织与工作层组织形貌相似，不过碳化物和奥氏体晶粒明显更加粗大。

(a)靠近工作层的过渡层组织

(b)工作层组织图3 1号高铬铸铁轧辊退火态过渡层组织(100×)Figure 3 Transition structure of No.1 high chromium cast iron roller at annealing process (100×)

(a)处于中间部位的过渡层组织

(b)靠近芯部的过渡层组织图4 1号高铬铸铁轧辊退火态过渡层组织(100×)Figure 4 Transition structure of No.1 high chromium cast iron roller at annealing process (100×)

图4是1号高铬铸铁轧辊过渡区从靠近工作层逐渐过渡到靠近芯部，发现随着过渡区由工作层逐渐向芯部过渡，碳化物数量逐渐增加，并且碳化物越来越粗大，由条形和骨骼状向蜂窝状和块状发展，从图4(a)中可以观察到碳化物主要以板条状为主，组织类似于工作层组织，这是由于此处的C元素和Cr元素比例与工作层相似。随着过渡层逐渐靠近芯部，合金元素含量逐渐降低，C元素含量升高，碳化物类型由M7C3逐渐向M3C转变，当Cr/C低于3，无法形成M7C3型碳化物，导致在过渡区靠近芯部的区域为粗大的M3C型碳化物。芯部铁水浇注会熔化部分过渡层，图4(b)中E区域是过渡层芯部铁水的交界区域，由于存在一定量合金元素，抑制石墨形成的同时促进了碳化物的形成，导致在凝固初期首先形成粗大的块状一次碳化物，碳化物生长方向则是液相的凝固方向，随着温度的下降，剩下的液相形成莱氏体。在E区域继续向芯部过渡，合金元素含量降低，碳化物数量急剧减少，C元素以石墨的形式存在。

(a)1号轧辊

(b)2号轧辊图5 两支高铬铸铁复合轧辊的过渡区金相组织Figure 5 Metallurgical structure of two high chromium cast iron composite roller at transition zone

2.3 两支轧辊过渡区组织对比

两支高铬铸铁复合轧辊的过渡区金相组织如图5所示。

1号轧辊过渡区宽度5.4 mm，2号轧辊过渡区宽度2.1 mm，2号轧辊过渡区宽度明显小于1号轧辊。通过两个连续过渡区的金相组织对比可以发现，2号轧辊的过渡区组织没有出现网格状共晶碳化物和粗大的一次M3C型碳化物。从碳化物形貌进行分析，2号轧辊过渡区中碳化物类型主要为M7C3。两支轧辊过渡区的共同点在于，过渡区中基体的变化存在明显的界限，都是在靠近工作层的部位由马氏体过渡到珠光体，马氏体区域中M7C3碳化物以块状存在为主，珠光体区域中M7C3碳化物以板条型为主，板条型碳化物生长的方向和温度梯度方向一致。

过渡区硬度降折线图如图6所示。

从图6可以发现，1号轧辊过渡区到表面的距离更远，两支轧辊过渡区硬度都是先略微升高再降低，1号辊过渡区硬度降出现波动且变化情况和过渡区组织中碳化物数量变化较为一致。2号轧辊过渡区硬度平稳迅速的从工作层硬度下降到芯部硬度，硬度和碳化物数量变化一致。

图6 轧辊过渡区硬度降折线图Figure 6 Curve of hardness decreased of roller at transition zone

对比两支轧辊过渡区的组织和性能可以看出，1号轧辊过渡区组织变化较大，没有形成平稳过渡，在硬度变化上出现和组织相对应的明显波动。从金相和硬度检测结果可以推测出，1号轧辊过渡区的几个区域有不同的性能，如韧性、导热率、膨胀系数等。过渡区这种性能的差异会影响结合质量，有可能引起应力增大造成铸造裂纹，并对后续热处理造成影响。1号轧辊过渡区中形成两个碳化物富集区，碳化物富集导致材料硬度升高，韧性降低，在外力的作用下更容易在碳化物尖锐棱角处萌生裂纹，这两个区域是过渡层组织的薄弱区域，影响工作层和芯部的结合质量。

3 结论

通过研究实验轧辊过渡层的金相组织，得到以下几个结论：

(1)过渡层在贴近工作层的部位会存在数量较多的M7C3型碳化物，形成一个碳化物的聚集

区，此处基体组织为回火马氏体。在此碳化物聚集区继续向过渡层内延伸，会出现一个珠光体区，两个区域的接触位置形成一个明显的分界。

(2)与珠光体区相接的区域主要形成条状的M7C3型碳化物和少量的莱氏体，基体组织主要为珠光体，此区域继续向芯部内过渡则出现大量的莱氏体组织，M7C3型碳化物数量减少。

(3)过渡层靠近芯部处出现大量粗大的板条状一次碳化物，组织为粗大的一次碳化物、珠光体和莱氏体。继续向芯部过渡，组织变为珠光体、石墨和少量的共晶碳化物。

(4)从1号、2号实验轧辊过渡区对比来看，当芯部铁水完全融化中间层后得到的过渡区宽度更小并且过渡区组织变化更均匀，不会出现大量的一次碳化物，结合质量更加良好。因此可以通过控制浇注温度、浇注时机、铁水量等因素让芯部铁水在不过多融合工作层的情况下，完全融掉中间层以保证更好的过渡区的冶金融合质量。

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