喬增國

(常州寶菱重工機械有限公司，江蘇 常州 213002)

鈦在防止球鐵復合軋輥反白口中的應用

喬增國

(常州寶菱重工機械有限公司，江蘇 常州 213002)

摘要：針對高硬度合金球鐵定(減)徑機復合軋輥在生產(chǎn)中出現(xiàn)的反白口缺陷進行分析，其主要形成原因為合金元素區(qū)域偏析造成；提出了在鐵水中加入鈦合金，利用鈦元素干擾其它合金元素的區(qū)域偏析的工藝措施，從而消除反白口缺陷，取得了較好的產(chǎn)品質量。

關鍵詞：鑄鐵；鈦；定(減)徑機；復合軋輥；反白口

引 言

鑄鐵凝固時， 由于冷卻速度等因素的不同，可能一部分結晶為灰口， 另一部分結晶為白口。通常， 白口組織在冷卻速度快的表面出現(xiàn)， 這是正常的白口；但有時白口出現(xiàn)在鑄件的熱帶部位， 這稱為反白口[1]。熱軋無縫鋼管定(減)徑機所用軋輥常用離心復合方法鑄造，工作層常用材料為合金球墨鑄鐵，內(nèi)層為灰鐵或球鐵。如果鑄造工藝不合適或現(xiàn)場操作不當，軋輥工作層區(qū)域容易出現(xiàn)一圈反白口缺陷。在使用時，軋輥工作層中的反白口硬度較高，與周圍組織硬度差異較大，在熱軋無縫鋼管時，磨損不一致，影響了鋼管表面尺寸及表面粗糙度；具有反白口的定(減)徑機軋輥使用效果如圖1所示。

在類似的離心鑄造球鐵中，也有人分析了離心鑄造過程中產(chǎn)生反白口的原因及預防措施，如林芳壽提出的，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]；馮祥軼提出的鐵水的碳當量應控制在4.35%～4.45%，w(Si)控制在0.8%～1.2%，w(Mn)≤0.4%，w(S)≤0.02%[3]等方法均不能滿足常州寶菱重工機械有限公司生產(chǎn)此類高硬度合金球鐵軋輥的需要。本文根據(jù)離心鑄造反白口出現(xiàn)的機理，結合鈦在鑄鐵中的作用，經(jīng)過試驗，提出了在成分中添加鈦元素的工藝措施消除軋輥中出現(xiàn)的反白口缺陷，取得了較好的效果。

圖1 具有反白口定(減)徑機軋輥使用效果圖

1 反白口的金相分析

常州寶菱重工機械有限公司出口海外市場的一種輥環(huán)，外圓直徑為712 mm，內(nèi)圓直徑為280 mm，寬度為435 mm，硬度要求較高，外圓表面硬度為70～76 HSD，工作層厚度要求≥140 mm且最大工作層處硬度≥62 HSD,硬度梯度降小于1 HSD/20 mm，材料成分要求如表1所示。該類產(chǎn)品屬于厚大端面鑄件，材料為高合金球鐵，凝固時間比較長，不可避免易造成球化衰退、孕育衰退、石墨球數(shù)減少、組織異常等，而且該軋輥采用離心澆注，因離心力及重力雙重作用，有一定的偏析和振動，端面亮點、環(huán)狀反白口很難避免。共澆注30支，反白口占毛坯量的總比例為50%；對其中一支做了金相分析(如圖2，3所示)，可見，環(huán)狀反白口中碳化物的分布比較集中，碳化物的形態(tài)為針片狀、條塊狀、魚骨狀等。

表1 產(chǎn)品化學成分要求/%

圖2 環(huán)狀反白口區(qū)示意圖(Ⅱ處)

圖3 Ⅱ處金相組織(滲碳體+貝氏體+少量珠光體+少量石墨)

2 反白口的形成機理

根據(jù)生產(chǎn)中的跟蹤及統(tǒng)計分析，在鑄造工藝其它條件不變的情況下，合金含量稍高時，反白口出現(xiàn)的比例較高，如降低合金的使用量，反白口會隨之消失，但輥面硬度或硬度梯度降不能滿足用戶要求，故分析此種軋輥反白口的原因為以下兩種：

2.1 元素區(qū)域偏析

合金球鐵是以鐵、碳、硅、鉻、鎳、錳、鉬等為主的多元合金材料，各元素在鐵水凝固時有不同的溶質再分配規(guī)律，按穩(wěn)定系凝固時，鉻、錳、鎂、稀土等反石墨化元素富集在后凝固的液相中， 而促進石墨化的元素硅則在后凝固的液相中貧乏，隨著凝固的進行， 剩余鐵水的白口傾向越來越大，結果在最后凝固的中心部位就有出現(xiàn)反白口的可能性。

2.2 孕育衰退

對于較厚大的鑄件， 冷卻速度慢， 中心部位需要很長時間才能凝固， 而孕育作用會隨著時間的延長而逐漸消失， 即發(fā)生孕育衰退， 結果后凝固的中心部位石墨形核能力差， 石墨晶核少，形成反白口的傾向大。

3 防止反白口的措施

從以上可見， 導致此種軋輥反白口形成的原因主要是結晶時鐵液的化學成分、 石墨形核條件和冷卻條件等， 球化孕育工藝比較成熟，另外從市場上采購過幾種長效孕育劑進行試驗，反白口現(xiàn)象沒有好轉，由此可推知，對此種軋輥防止反白口的主要工藝措施為控制鐵水的化學成分。

在常規(guī)工藝基礎上，對鎳、鉻、鉬、錳元素進行工藝試驗，降低合金含量，反白口現(xiàn)象減輕或消失，但工作面硬度或硬度梯度達不到要求；對硅元素進行調整，硅提高到一定量后，反白口現(xiàn)象消失，但硬度梯度達不到要求。

在多次試驗失敗后，嘗試添加新的合金元素來抵消常規(guī)合金元素的不良影響。反應能力強的Ti在微量時，有脫氧去氣，消除O,H,N的反石墨化作用[4]，形成TiN-TiC的鈦碳氮化物，可細化石墨、強化基體并提高耐磨性；未作為初生碳化物形核質點的彌散分布的先析出的TiC 顆粒阻礙初生碳化物的自由生長從而細化初生碳化物，避免白口區(qū)的出現(xiàn)。為避免干擾球化效果，常與稀土元素共同使用，經(jīng)過試驗，確定鈦元素的控制區(qū)間為總鐵水量的0.03%～0.15%，軋輥表面具有較高的硬度，同時工作層具有較好的硬度降并且不影響軋輥的加工性能，無反白口區(qū)，鈦合金加入方式可采用沖入法或直接加入爐內(nèi)。在此基礎上，開發(fā)了一種新的軋輥材料，并獲得了發(fā)明專利，專利號為ZL201210044716.2[1，5-6]。

4 結束語

高硬度合金球鐵離心鑄造定(減)徑機復合軋輥出現(xiàn)的反白口缺陷，可以采用加入鈦合金的方法消除，其加入量為鈦占總鐵水量的質量百分比為0.03%～0.15%，為避免鈦元素干擾球化效果，常與稀土元素共同使用。

參考文獻：

[1] 張伯明.鑄造手冊(第1卷)鑄鐵 [M]. 第2版.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

[2] 林芳壽.離心鑄造汽缸套中反白口的研究[J].特種鑄造及有色冶金，1984，(4)：14—19.

[3] 馮祥軼.離心球鐵鑄管白口與反白口組織消除方法研究[J].熱加工工藝，2009，38(5)：142—143.

[4] 錢 立.正確認識Ti在鋼鐵中的作用[J].現(xiàn)代鑄鐵.2009，29(3)：86—90.

[5] 田長滸.釩鈦球墨鑄鐵[M].重慶:四川科學技術出版社，1984.

[6] 喬增國.鑄態(tài)貝氏體球墨鑄鐵[P].中國ZL201210044716.2，2014-02-12.

收稿日期：2017-12-15

作者簡介：喬增國(1970—)，男，高級工程師。電話：15995017786；E-mail:qzg1888@163.com

中圖分類號：TG255；TG115.21