高鉻鑄鐵軋輥過渡層組織分析

付曉虎 白云龍 劉漢銀 田玉波

(中國一重天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

高鉻鑄鐵軋輥是目前在熱連軋機(jī)前架最為廣泛使用的工作輥，在價(jià)格相對低廉的基礎(chǔ)上，高鉻鑄鐵復(fù)合工作輥具有較高的硬度、良好的耐高溫性能和優(yōu)良的耐磨性，得到了廣大用戶的認(rèn)可[1-3]。高鉻鑄鐵軋輥對工作層和芯部所要求的性能不同，因此工作層材質(zhì)和芯部材質(zhì)的成分有很大差異。為了降低熔入芯部的Cr元素的含量和芯部中的C、Si元素進(jìn)入工作層，選擇使用3次澆注兩次復(fù)合的方法來保證工作層和芯部的結(jié)合強(qiáng)度并控制元素的擴(kuò)散[4-5]。過渡層成分受到工作層和芯部的共同影響，成分的差異和元素的偏析將導(dǎo)致其組織和性能與工作層和芯部都有較大差異，是高鉻鑄鐵軋輥性能薄弱部位。

過渡區(qū)質(zhì)量的控制是非常必要的，可由于各個生產(chǎn)廠家對其成分的選擇各不相同，并且受澆鑄時的各種因素影響，會產(chǎn)生較大變化，因此很少見到高鉻鑄鐵軋輥的過渡區(qū)分析方面的文章。本文通過對我廠生產(chǎn)的某一高鉻鑄鐵復(fù)合工作輥過渡區(qū)組織進(jìn)行分析，研究其形成過程和組織特點(diǎn)，為分析中間層冶金熔合質(zhì)量提供方向。

1 實(shí)驗(yàn)方案

圖1為軋輥輥身剖面工作層、過渡層和芯部的示意圖。由于高鉻鑄鐵軋輥在熱連軋機(jī)上的高溫、高壓環(huán)境下使用，需要高鉻鑄鐵復(fù)合軋輥的工作層有高的耐磨性和高溫強(qiáng)度，所以外層材料的成分含有較高的Cr元素和C元素，以形成硬度較高的M7C3型碳化物[6-8]。芯部材料需要有較好的韌性起到支撐作用，因此選擇球墨鑄鐵這種具有較高屈服強(qiáng)度、抗震動性能良好的材料作為芯部材料[9]。而過渡層作為工作層和芯部的冶金熔合區(qū)域，其目的是減少工作層內(nèi)的Cr元素向芯部擴(kuò)散。為保證軋輥的質(zhì)量，過渡層還需要和工作層與芯部都有較好的結(jié)合強(qiáng)度。

圖1 軋輥輥身剖面工作層、中間層和芯部的示意圖Figure 1 Sketch map of working layer,intermediate layer and the core of roller body section

鑒于以上原因和現(xiàn)場的實(shí)際操作問題，我廠高鉻鑄鐵軋輥的成分范圍如表1所示。

實(shí)驗(yàn)所選取的兩支軋輥分別標(biāo)記為1號軋輥和2號軋輥，此兩支軋輥要求工作層厚度≥45 mm，中間層設(shè)計(jì)澆注厚度為20 mm，脫模后650℃回火，回火結(jié)束在輥身肩部取環(huán)檢測。采用QUANTA 400掃描電鏡進(jìn)行過渡區(qū)元素能譜分析，Axiovert 200 MAT進(jìn)行金相分析，600RLD/T洛式硬度計(jì)進(jìn)行硬度測量。

表1 高鉻鑄鐵軋輥工作層成分范圍(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Composition range of working layer of high chromium cast iron work roll(Mass,%)

圖2 過渡區(qū)宏觀照片和EDS分析照片F(xiàn)igure 2 Macro picture of transition zone and EDS analysis picture

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 過渡區(qū)宏觀組織和元素含量變化分析

1號實(shí)驗(yàn)輥過渡區(qū)宏觀照片和EDS分析照片如圖2所示。

高鉻鑄鐵復(fù)合軋輥從工作層過渡到芯部過程中成分發(fā)生很大變化，其中Cr含量由工作層的18%遞減到0.15%以下，C、Si、Ni、Mn等元素也都出現(xiàn)不同程度、不同方向的濃度梯度，導(dǎo)致過渡區(qū)組織相對復(fù)雜。

從圖2(a)中能夠清楚的區(qū)分出由過渡層連接的工作層材料和芯部材料，可以觀察到從工作層到芯部的過渡區(qū)是一個漸變區(qū)域。從圖2(b)可以看出，從工作層到芯部C元素含量先降低再升高；Si元素含量逐漸增加；Cr元素含量逐漸降低；其它元素含量無明顯變化。過渡區(qū)組織形貌特征的變化受到元素含量變化的影響，在各種元素中，C元素和Cr元素含量的變化起到主要作用。

2.2 實(shí)驗(yàn)中1號軋輥過渡區(qū)組織分析

圖3是我廠生產(chǎn)的某支高鉻鑄鐵軋輥的過渡層組織從靠近外層到芯部的退火態(tài)金相圖。

從圖3可以看出，在貼近工作層處的過渡層組織即圖3(a)中的A區(qū)域與正常工作層組織有一定的差距，此處過渡層組織的金相圖中無法觀察到明顯的初生奧氏體晶粒遺留下的支晶形貌，塊狀碳化物增加，板條形碳化物數(shù)量減少，由此推斷A區(qū)域是澆注中間層時工作層未被中間層鐵水完全熔化的部分，但是由于受到中間層鐵水澆注時的高溫影響和元素的相互擴(kuò)散的影響，基體組織溶解，碳化物發(fā)生溶解再析出的過程，形成了圖3中A區(qū)域的形貌。圖3(a)中B區(qū)域碳化物的數(shù)量和體積分?jǐn)?shù)明顯超過工作層和A區(qū)域，大量的塊狀碳化物形成明顯的分界線，其組織為塊狀的M7C3型碳化物+回火馬氏體。從元素含量的變化和組織形貌推斷，B區(qū)域是澆注過渡層時液相的過渡層鐵水和固相工作層的交界區(qū)域，此時工作層處于固相，過渡層處于液相凝固階段。由于不同元素的濃度梯度和元素之間結(jié)合能力的不同，導(dǎo)致合金元素會向液相的過渡層發(fā)生擴(kuò)散，過渡層的C元素會向著工作層擴(kuò)散。由于大量的C元素在固相工作層中以碳化物的形式存在，導(dǎo)致工作層基體中的C元素含量遠(yuǎn)低于過渡層液相中C元素的含量，因此在濃度梯度和C元素與合金元素結(jié)合力的共同作用下大量的C元素?cái)U(kuò)散至B區(qū)域并形成碳化物，導(dǎo)致在B區(qū)域出現(xiàn)了一個碳化物富集區(qū)。圖3(a)中的C區(qū)域是與B區(qū)域交界的部位，此處碳化物數(shù)量明顯的減少，兩區(qū)域之間可以觀察到較顯著的分界。D區(qū)域組織與工作層組織形貌相似，不過碳化物和奧氏體晶粒明顯更加粗大。

(a)靠近工作層的過渡層組織

(b)工作層組織圖3 1號高鉻鑄鐵軋輥退火態(tài)過渡層組織(100×)Figure 3 Transition structure of No.1 high chromium cast iron roller at annealing process (100×)

(a)處于中間部位的過渡層組織

(b)靠近芯部的過渡層組織圖4 1號高鉻鑄鐵軋輥退火態(tài)過渡層組織(100×)Figure 4 Transition structure of No.1 high chromium cast iron roller at annealing process (100×)

圖4是1號高鉻鑄鐵軋輥過渡區(qū)從靠近工作層逐漸過渡到靠近芯部，發(fā)現(xiàn)隨著過渡區(qū)由工作層逐漸向芯部過渡，碳化物數(shù)量逐漸增加，并且碳化物越來越粗大，由條形和骨骼狀向蜂窩狀和塊狀發(fā)展，從圖4(a)中可以觀察到碳化物主要以板條狀為主，組織類似于工作層組織，這是由于此處的C元素和Cr元素比例與工作層相似。隨著過渡層逐漸靠近芯部，合金元素含量逐漸降低，C元素含量升高，碳化物類型由M7C3逐漸向M3C轉(zhuǎn)變，當(dāng)Cr/C低于3，無法形成M7C3型碳化物，導(dǎo)致在過渡區(qū)靠近芯部的區(qū)域?yàn)榇执蟮腗3C型碳化物。芯部鐵水澆注會熔化部分過渡層，圖4(b)中E區(qū)域是過渡層芯部鐵水的交界區(qū)域，由于存在一定量合金元素，抑制石墨形成的同時促進(jìn)了碳化物的形成，導(dǎo)致在凝固初期首先形成粗大的塊狀一次碳化物，碳化物生長方向則是液相的凝固方向，隨著溫度的下降，剩下的液相形成萊氏體。在E區(qū)域繼續(xù)向芯部過渡，合金元素含量降低，碳化物數(shù)量急劇減少，C元素以石墨的形式存在。

(a)1號軋輥

(b)2號軋輥圖5 兩支高鉻鑄鐵復(fù)合軋輥的過渡區(qū)金相組織Figure 5 Metallurgical structure of two high chromium cast iron composite roller at transition zone

2.3 兩支軋輥過渡區(qū)組織對比

兩支高鉻鑄鐵復(fù)合軋輥的過渡區(qū)金相組織如圖5所示。

1號軋輥過渡區(qū)寬度5.4 mm，2號軋輥過渡區(qū)寬度2.1 mm，2號軋輥過渡區(qū)寬度明顯小于1號軋輥。通過兩個連續(xù)過渡區(qū)的金相組織對比可以發(fā)現(xiàn)，2號軋輥的過渡區(qū)組織沒有出現(xiàn)網(wǎng)格狀共晶碳化物和粗大的一次M3C型碳化物。從碳化物形貌進(jìn)行分析，2號軋輥過渡區(qū)中碳化物類型主要為M7C3。兩支軋輥過渡區(qū)的共同點(diǎn)在于，過渡區(qū)中基體的變化存在明顯的界限，都是在靠近工作層的部位由馬氏體過渡到珠光體，馬氏體區(qū)域中M7C3碳化物以塊狀存在為主，珠光體區(qū)域中M7C3碳化物以板條型為主，板條型碳化物生長的方向和溫度梯度方向一致。

過渡區(qū)硬度降折線圖如圖6所示。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，1號軋輥過渡區(qū)到表面的距離更遠(yuǎn)，兩支軋輥過渡區(qū)硬度都是先略微升高再降低，1號輥過渡區(qū)硬度降出現(xiàn)波動且變化情況和過渡區(qū)組織中碳化物數(shù)量變化較為一致。2號軋輥過渡區(qū)硬度平穩(wěn)迅速的從工作層硬度下降到芯部硬度，硬度和碳化物數(shù)量變化一致。

圖6 軋輥過渡區(qū)硬度降折線圖Figure 6 Curve of hardness decreased of roller at transition zone

對比兩支軋輥過渡區(qū)的組織和性能可以看出，1號軋輥過渡區(qū)組織變化較大，沒有形成平穩(wěn)過渡，在硬度變化上出現(xiàn)和組織相對應(yīng)的明顯波動。從金相和硬度檢測結(jié)果可以推測出，1號軋輥過渡區(qū)的幾個區(qū)域有不同的性能，如韌性、導(dǎo)熱率、膨脹系數(shù)等。過渡區(qū)這種性能的差異會影響結(jié)合質(zhì)量，有可能引起應(yīng)力增大造成鑄造裂紋，并對后續(xù)熱處理造成影響。1號軋輥過渡區(qū)中形成兩個碳化物富集區(qū)，碳化物富集導(dǎo)致材料硬度升高，韌性降低，在外力的作用下更容易在碳化物尖銳棱角處萌生裂紋，這兩個區(qū)域是過渡層組織的薄弱區(qū)域，影響工作層和芯部的結(jié)合質(zhì)量。

3 結(jié)論

通過研究實(shí)驗(yàn)軋輥過渡層的金相組織，得到以下幾個結(jié)論：

(1)過渡層在貼近工作層的部位會存在數(shù)量較多的M7C3型碳化物，形成一個碳化物的聚集

區(qū)，此處基體組織為回火馬氏體。在此碳化物聚集區(qū)繼續(xù)向過渡層內(nèi)延伸，會出現(xiàn)一個珠光體區(qū)，兩個區(qū)域的接觸位置形成一個明顯的分界。

(2)與珠光體區(qū)相接的區(qū)域主要形成條狀的M7C3型碳化物和少量的萊氏體，基體組織主要為珠光體，此區(qū)域繼續(xù)向芯部內(nèi)過渡則出現(xiàn)大量的萊氏體組織，M7C3型碳化物數(shù)量減少。

(3)過渡層靠近芯部處出現(xiàn)大量粗大的板條狀一次碳化物，組織為粗大的一次碳化物、珠光體和萊氏體。繼續(xù)向芯部過渡，組織變?yōu)橹楣怏w、石墨和少量的共晶碳化物。

(4)從1號、2號實(shí)驗(yàn)軋輥過渡區(qū)對比來看，當(dāng)芯部鐵水完全融化中間層后得到的過渡區(qū)寬度更小并且過渡區(qū)組織變化更均勻，不會出現(xiàn)大量的一次碳化物，結(jié)合質(zhì)量更加良好。因此可以通過控制澆注溫度、澆注時機(jī)、鐵水量等因素讓芯部鐵水在不過多融合工作層的情況下，完全融掉中間層以保證更好的過渡區(qū)的冶金融合質(zhì)量。

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