钛在防止球铁复合轧辊反白口中的应用

乔增国

(常州宝菱重工机械有限公司，江苏 常州 213002)

钛在防止球铁复合轧辊反白口中的应用

乔增国

(常州宝菱重工机械有限公司，江苏 常州 213002)

摘要：针对高硬度合金球铁定(减)径机复合轧辊在生产中出现的反白口缺陷进行分析，其主要形成原因为合金元素区域偏析造成；提出了在铁水中加入钛合金，利用钛元素干扰其它合金元素的区域偏析的工艺措施，从而消除反白口缺陷，取得了较好的产品质量。

关键词：铸铁；钛；定(减)径机；复合轧辊；反白口

引 言

铸铁凝固时， 由于冷却速度等因素的不同，可能一部分结晶为灰口， 另一部分结晶为白口。通常， 白口组织在冷却速度快的表面出现， 这是正常的白口；但有时白口出现在铸件的热带部位， 这称为反白口[1]。热轧无缝钢管定(减)径机所用轧辊常用离心复合方法铸造，工作层常用材料为合金球墨铸铁，内层为灰铁或球铁。如果铸造工艺不合适或现场操作不当，轧辊工作层区域容易出现一圈反白口缺陷。在使用时，轧辊工作层中的反白口硬度较高，与周围组织硬度差异较大，在热轧无缝钢管时，磨损不一致，影响了钢管表面尺寸及表面粗糙度；具有反白口的定(减)径机轧辊使用效果如图1所示。

在类似的离心铸造球铁中，也有人分析了离心铸造过程中产生反白口的原因及预防措施，如林芳寿提出的，只要w(S)不大于0.1%～0.12%，w(Mn)/w(S)值不低于10，w(Si)元素含量不低于1.7%，可有效防止反白口[2]；冯祥轶提出的铁水的碳当量应控制在4.35%～4.45%，w(Si)控制在0.8%～1.2%，w(Mn)≤0.4%，w(S)≤0.02%[3]等方法均不能满足常州宝菱重工机械有限公司生产此类高硬度合金球铁轧辊的需要。本文根据离心铸造反白口出现的机理，结合钛在铸铁中的作用，经过试验，提出了在成分中添加钛元素的工艺措施消除轧辊中出现的反白口缺陷，取得了较好的效果。

图1 具有反白口定(减)径机轧辊使用效果图

1 反白口的金相分析

常州宝菱重工机械有限公司出口海外市场的一种辊环，外圆直径为712 mm，内圆直径为280 mm，宽度为435 mm，硬度要求较高，外圆表面硬度为70～76 HSD，工作层厚度要求≥140 mm且最大工作层处硬度≥62 HSD,硬度梯度降小于1 HSD/20 mm，材料成分要求如表1所示。该类产品属于厚大端面铸件，材料为高合金球铁，凝固时间比较长，不可避免易造成球化衰退、孕育衰退、石墨球数减少、组织异常等，而且该轧辊采用离心浇注，因离心力及重力双重作用，有一定的偏析和振动，端面亮点、环状反白口很难避免。共浇注30支，反白口占毛坯量的总比例为50%；对其中一支做了金相分析(如图2，3所示)，可见，环状反白口中碳化物的分布比较集中，碳化物的形态为针片状、条块状、鱼骨状等。

表1 产品化学成分要求/%

图2 环状反白口区示意图(Ⅱ处)

图3 Ⅱ处金相组织(渗碳体+贝氏体+少量珠光体+少量石墨)

2 反白口的形成机理

根据生产中的跟踪及统计分析，在铸造工艺其它条件不变的情况下，合金含量稍高时，反白口出现的比例较高，如降低合金的使用量，反白口会随之消失，但辊面硬度或硬度梯度降不能满足用户要求，故分析此种轧辊反白口的原因为以下两种：

2.1 元素区域偏析

合金球铁是以铁、碳、硅、铬、镍、锰、钼等为主的多元合金材料，各元素在铁水凝固时有不同的溶质再分配规律，按稳定系凝固时，铬、锰、镁、稀土等反石墨化元素富集在后凝固的液相中， 而促进石墨化的元素硅则在后凝固的液相中贫乏，随着凝固的进行， 剩余铁水的白口倾向越来越大，结果在最后凝固的中心部位就有出现反白口的可能性。

2.2 孕育衰退

对于较厚大的铸件， 冷却速度慢， 中心部位需要很长时间才能凝固， 而孕育作用会随着时间的延长而逐渐消失， 即发生孕育衰退， 结果后凝固的中心部位石墨形核能力差， 石墨晶核少，形成反白口的倾向大。

3 防止反白口的措施

从以上可见， 导致此种轧辊反白口形成的原因主要是结晶时铁液的化学成分、 石墨形核条件和冷却条件等， 球化孕育工艺比较成熟，另外从市场上采购过几种长效孕育剂进行试验，反白口现象没有好转，由此可推知，对此种轧辊防止反白口的主要工艺措施为控制铁水的化学成分。

在常规工艺基础上，对镍、铬、钼、锰元素进行工艺试验，降低合金含量，反白口现象减轻或消失，但工作面硬度或硬度梯度达不到要求；对硅元素进行调整，硅提高到一定量后，反白口现象消失，但硬度梯度达不到要求。

在多次试验失败后，尝试添加新的合金元素来抵消常规合金元素的不良影响。反应能力强的Ti在微量时，有脱氧去气，消除O,H,N的反石墨化作用[4]，形成TiN-TiC的钛碳氮化物，可细化石墨、强化基体并提高耐磨性；未作为初生碳化物形核质点的弥散分布的先析出的TiC 颗粒阻碍初生碳化物的自由生长从而细化初生碳化物，避免白口区的出现。为避免干扰球化效果，常与稀土元素共同使用，经过试验，确定钛元素的控制区间为总铁水量的0.03%～0.15%，轧辊表面具有较高的硬度，同时工作层具有较好的硬度降并且不影响轧辊的加工性能，无反白口区，钛合金加入方式可采用冲入法或直接加入炉内。在此基础上，开发了一种新的轧辊材料，并获得了发明专利，专利号为ZL201210044716.2[1，5-6]。

4 结束语

高硬度合金球铁离心铸造定(减)径机复合轧辊出现的反白口缺陷，可以采用加入钛合金的方法消除，其加入量为钛占总铁水量的质量百分比为0.03%～0.15%，为避免钛元素干扰球化效果，常与稀土元素共同使用。

参考文献：

[1] 张伯明.铸造手册(第1卷)铸铁 [M]. 第2版.北京:机械工业出版社，2010.

[2] 林芳寿.离心铸造汽缸套中反白口的研究[J].特种铸造及有色冶金，1984，(4)：14—19.

[3] 冯祥轶.离心球铁铸管白口与反白口组织消除方法研究[J].热加工工艺，2009，38(5)：142—143.

[4] 钱 立.正确认识Ti在钢铁中的作用[J].现代铸铁.2009，29(3)：86—90.

[5] 田长浒.钒钛球墨铸铁[M].重庆:四川科学技术出版社，1984.

[6] 乔增国.铸态贝氏体球墨铸铁[P].中国ZL201210044716.2，2014-02-12.

收稿日期：2017-12-15

作者简介：乔增国(1970—)，男，高级工程师。电话：15995017786；E-mail:qzg1888@163.com

中图分类号：TG255；TG115.21