改進型高鎳鉻無限冷硬復合鑄鐵軋輥性能影響因素分析

黃 明，肖連華

（唐山鋼鐵集團重機裝備有限公司，河北唐山063000）

關鍵字：改進型；ICDP軋輥；耐磨粒子

高鎳鉻無限冷硬復合鑄鐵（ICDP）軋輥主要使用于熱軋板帶軋機，隨著板材性能要求及軋制環(huán)境的提升，軋輥性能要求也越來越高，特別是耐磨性、抗事故能力等性能指標。為提升軋輥性能，適應新的軋制環(huán)境，軋輥廠家開始制作改進型ICDP軋輥。

所謂改進型高鎳鉻軋輥，即通過在高鎳鉻軋輥中添加些碳化物形成元素而不損失其原有機械性能及物理性能。采用特殊熔煉及鑄造工藝，使耐磨粒子在軋輥基體中均勻分布，從而提高軋輥的耐磨性。這種改進型高鎳鉻軋輥之所以耐磨，是因為基體中含有高硬度的碳化物。

研究方法為假定基礎合金元素（Ni、Cr、Mo）不變，通過變動石墨形成元素Si、耐磨粒子形成元素（V，Nb），研究顯微硬度、組織含量、耐磨粒子[1-2]分布等金相組織變化，了解組織與性能之間的關系。

1 組織性能分析

1.1 顯微硬度的測量

ICDP軋輥輥身基體組織為貝氏體+少量馬氏體+殘余奧氏體+滲碳體+石墨，為測定各個金相組織對軋輥總體硬度的影響，實驗過程中使用型號THV-1MD的數(shù)顯顯微維氏硬度計在500×視場下對各個金相組織的顯微硬度進行了測定，測定金相圖片如圖1所示。

圖1 軋輥顯微硬度測定過程示意圖

通過顯微金相硬度的測定，得到表1所示的各個金相組織的顯微硬度情況（洛氏硬度和肖氏硬度為按照GB/T13313轉換硬度）。

表1 各個金相組織的顯微硬度情況

從顯微硬度可以看出，滲碳體硬度最高，因此脆性也最大，與基體組織可以形成穩(wěn)定的萊氏體結構，有利于基體的穩(wěn)定；石墨硬度偏低，由于ICDP軋輥滲碳體含量較高，其主要作用是起到緩解軋輥裂紋傾向，但過多的石墨含量將降低軋輥性能。

1.2 不同質量分數(shù)的Si形成金相組織對軋輥性能的影響

Si元素為石墨析出元素，對軋輥組織石墨含量和滲碳體含量影響較大，實驗發(fā)現(xiàn)，當Si質量分數(shù)小于0.7%時，組織中石墨含量小于1%，軋輥抗裂紋能力低，容易出現(xiàn)輥身裂紋、炸裂的現(xiàn)象，因此成分設定過程中選定Si質量分數(shù)0.7%～0.9%，0.9%～1.1%，1.1%～1.3%三種成分進行測定[3]。

金相組織試樣需取熱處理工藝完成后試樣，在精車過程從輥身端部切取寬15 mm深20 mm環(huán)，再線切割加工成15 mm×15 mm×20 mm金相試樣進行金相檢測。

1.2.1 石墨含量分析

通過金相實驗，不同Si含量ICDP軋輥石墨分布情況如圖2所示。

圖2 不同Si質量分數(shù)軋輥的石墨分布情況

通過圖2金相圖片的分析，得出Si質量分數(shù)不同的軋輥中石墨的質量分數(shù)情況如表2所示。

表2 各Si含量ICDP軋輥石墨含量

1.2.2 滲碳體含量分析

通過金相實驗，不同Si質量分數(shù)ICDP軋輥滲碳體分布情況如圖3所示。

圖3 不同Si質量分數(shù)軋輥滲碳體分布情況

通過圖3金相圖片的分析，得出表3所示軋輥滲碳體（金相組織中白色部分顯示）含量。

表3 各輥號軋輥滲碳體含量

1.2.3 對應的性能指標情況

通過制作含Si量不同的三種軋輥，其石墨、滲碳體含量及性能指標對應情況如表4所示。

表4 三種Si質量分數(shù)性能匯總表

通過表4數(shù)據(jù)，結合表1的組織性能情況可以得出，石墨含量與滲碳體含量呈反比關系；石墨的析出增加了基體組織的含量（如貝氏體、馬氏體等），但是降低了滲碳體的析出；石墨質量分數(shù)在3.4%、滲碳體質量分數(shù)在28%時，硬度分布處于穩(wěn)定的萊氏體區(qū)域，表面硬度最為均勻；

因此，認為ICDP軋輥制作過程中，Si質量分數(shù)為0.9%～1.1%時，能夠得到良好性能指標的組織中石墨質量分數(shù)為3%、滲碳體質量分數(shù)28%.

2 耐磨粒子分析

耐磨粒子是在鎳鉻鉬材質中加入特殊合金元素（Nb、V、W等），使材質在高溫結晶出高硬度的、細小彌散分布的碳化物（M-C或M-N）.目前改進型ICDP軋輥是建立在普通型ICDP軋輥基礎上添加V、Nb形成耐磨粒子以增強性能來實現(xiàn)的，同時通過實驗了解到，V元素如果單獨添加質量分數(shù)高于0.6%時，軋輥容易出現(xiàn)隱性裂紋（如圖4所示），該裂紋為穿晶裂紋，外觀能夠隱約看見，但通過超聲波、著色均不能檢測出來，只能通過金相才能發(fā)現(xiàn)。因此，實驗過程中成分設定通過表5所示內容進行。

圖4 隱性裂紋外觀和金相

表5 不同V、Nb成分設計的改進型ICDP軋輥

軋輥冶煉過程中添加了如Nb、V等碳化物形成的合金元素，合金碳化物（耐磨粒子）不損失其原來的機械性能及物理性能，即不破壞原來基體合金中滲碳體／石墨的平衡或不改變基體成分，采用特殊裝料和熔煉及鑄造工藝，耐磨粒子在軋輥基體中均勻分布，從而提高軋輥耐磨性。加強型軋輥之所以耐磨性增強，是因為耐磨碳化物的硬度高[4]。

圖5為不同試樣的耐磨粒子分布情況，圖6為其掃描電鏡及能譜分析結果。

根據(jù)金相圖片和掃描電鏡分析具體情況如表6所示。

圖5 不同試樣耐磨粒子分布情況照片

圖6 軋輥內耐磨粒子電鏡圖片及能譜分析

表6 不同試樣耐磨粒子分布情況

通過表6可以看出耐磨粒子主要是由Nb元素形成，主要成分為NbC，V元素基本未形成耐磨粒子，主要起到細化晶粒作用；當Nb、V含量相近時，耐磨粒子形成細小、彌散分布狀態(tài)，有利于軋輥的性能均勻提高；同時，從表6中2#和3#試樣對比看出，僅是Nb含量提升，無法提升耐磨粒子的總體含量。

3 結論

1）改進型ICDP軋輥當通過成分、工藝調整，保證組織當中石墨質量分數(shù)3.4%、滲碳體質量分數(shù)28%左右時，組織能夠形成穩(wěn)定的萊氏體結構；此時軋輥性能穩(wěn)定，硬度、硬度均勻度均能夠達到較高指標。

2）改進型ICDP軋輥中為得到良好的耐磨粒子，需V、Nb同時加入；其原因在于V元素雖然不能形成耐磨粒子，但為細化晶粒元素，能夠保證Nb生成的耐磨粒子形成細化、呈彌散分布狀態(tài)。

3）為保證形成細化、彌散分布的耐磨粒子，V、Nb加入質量分數(shù)比例最好應為1：1，否則容易出現(xiàn)耐磨粒子析出過少或者大塊聚集分布的狀態(tài)。