專利名稱：球墨鑄鐵及離心復合鑄造軋輥的制作方法
技術領域：
本發明是對厚大斷面球墨鑄鐵的改進，與傳統厚大斷面球墨鑄鐵制造技術所要求的低溫球化處理、低溫澆注不同，本發明是在與高鉻鑄鋼實現冶金熔合的前提下，采用高溫球化處理、高溫澆注，通過合金化、使用兩種球化劑處理、添加防止石墨畸變的微量元素等技術措施，使球墨鑄鐵適用于制造高鉻鑄鋼離心復合鑄造軋輥輥芯及輥頸，滿足熱連軋機粗軋機架對軋輥強度、硬度的技術要求。
背景技術：
熱連軋機粗軋機架一般由兩個機架組成，其中使用高鉻鑄鋼離心復合鑄造軋輥作為工作輥，軋輥輥身高鉻鋼工作層與溫度高達900 100(TC的軋材接觸，輥身表面溫度高達500°C，反復被軋材加熱及冷卻水冷卻，經受溫度變化幅度較大的激冷激熱作用，在軋輥使用后期，高鉻鑄鋼與球墨鑄鐵的冶金熔合區亦受到復雜的應力作用，而輥頸部分主要是承受彎矩和扭矩作用，因此對輥頸強度和硬度、冶金熔合質量有嚴格的技術要求。目前在高鉻鑄鋼離心復合鑄造軋輥中存在的與球墨鑄鐵制造質量有關的缺陷有與高鉻鑄鋼冶金熔合不良、軋輥裂紋甚至斷輥、球化不良、抗拉強度<400MPa、硬度低于HSD35、碳化物含量>10%等等。國家標準GB/T1504-2008鑄鐵軋輥規定了用于復合軋輥工作層材料的球墨鑄鐵化學成分，但未表明芯部球墨鑄鐵可采用的化學成分及制造方法。應用于工作層的球墨鑄鐵中合金元素含量較高，會形成大量共晶碳化物，若用于大型高鉻鑄鋼離心復合鑄造軋輥芯部材料，在制造及軋制鋼材過程中易發生斷輥事故。其它國標中規定的球墨鑄鐵，由于受離心復合鑄造軋輥輥頸尺寸及熱處理溫度限制，也不適用于制造大型高鉻鑄鋼離心復合鑄造軋輥的輥芯及輥頸。中國專利CN85102865A公開了高鉻軋輥鋼及其軋輥的化學成分，表明采用離心澆注技術可生產高鉻軋輥，制造熱帶鋼精軋前段機座工作輥時，芯部采用優質灰口鑄鐵，采用軋輥鑄后緩冷工藝，采用930°C以上奧氏體化。此制造工藝存在工作層耐磨性較差、輥頸強度難以滿足現代軋機的要求等問題；在制造帶鋼冷軋機工作輥時，芯部材料選用球墨鑄鐵，其組成為(wt% ) :C2. 8-3. 0，Si2. 2-2. 6，ΜηΟ· 4-0. 8，NiO. 2-0. 5，ΜοΟ· 1-0. 3，Mg 彡 0. 05，但未表明球墨鑄鐵制造工藝及可達到的技術指標。中國專利CN10177553;3B公開了高強高韌性球墨鑄鐵及寬厚板工作輥的化學成分，其組成為(wt% ) :C3. 0-3. 5，Si2. 0-2. 8，MnO. 4-0. 8，P 彡 0· 08，S 彡 0· 02，CuO. 5-1. 2，MoO. 2-0. 6，MgO. 05-0. 10，CaO. 01-0. 10，REO. 01-0. 015，SbO. 0015-0. 003，BaO. 01-0. 05，其余為Fe及雜質元素，使用釔基重稀土鎂球化劑，其球化處理溫度< 1460°C，澆注溫度< 1300°C，熱處理溫度< 500°C，抗拉強度彡500MPa，分析結果中未表明碳化物含量及取樣位置。Mn含量為0. 4-0. 8wt%，此含量在厚大球墨鑄鐵中極易形成晶間碳化物，降低球墨鑄鐵韌性，此成分不適用于制造高鉻鑄鋼離心復合鑄造軋輥輥芯及輥頸。中國專利CN1070600A公開了離心復合球墨鑄鐵軋輥的生產方法，其軋輥外層材料是球墨鑄鐵，芯部球墨鑄鐵的組成為(wt% ) :C3. 0-3. 8, Sil. 5-2. 5, MnO. 2-0.8,NiO. 2-1. 5，Cr < 0. 5，Mo < 0. 1-0. 3，Sn < 0. 3，MgO. 03-0. 10，RE > 0. 02，P < 0. 15，S
< 0. 03，其余為鐵，由于軋輥外層使用球墨鑄鐵，其液相線遠低于高鉻鑄鋼，因此芯部球墨鑄鐵澆注溫度為1350-1390°C，未表明球墨鑄鐵制造工藝、熱處理溫度及可達到的技術指標。針對高鉻鋼工作層Cr元素含量12-13wt%、液相線溫度1340-1350°C，以及厚大斷面球墨鑄鐵與軋輥進行1050°C淬火的特點，球墨鑄鐵澆注溫度需要控制在1430-1450°C以實現冶金熔合，在高溫澆注及斷面尺寸大的條件下，減緩球化衰退及孕育衰退，防止產生碎塊狀石墨等畸變石墨，同時需要在控制合金元素加入量、控制碳化物數量的基礎上提高基體強度，因此需要對傳統球墨鑄鐵制造工藝進行改進。

發明內容
本發明主要目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種可完全滿足現代化熱連軋機對粗軋工作輥技術要求的球墨鑄鐵輥頸抗拉強度> 400MPa、硬度值為HSD35-45，并且解決目前高鉻鑄鋼離心復合鑄造軋輥中常見的球化不良、碳化物含量> 10%、亮斑及灰斑缺陷。本發明的另一個重要目的是，在離心澆注的高鉻鑄鋼輥套內表面接近凝固時，在離心機上澆注一定厚度的球墨鑄鐵，然后再與芯部球墨鑄鐵實現冶金熔合，從而提供離心復合鑄造軋輥。所述軋輥可減緩高鉻鑄鋼中的鉻元素溶入到芯部球墨鑄鐵的數量，同時減少芯部球墨鑄鐵中碳化物數量，保證在1050°C淬火條件下避免裂紋。本發明的一個方面，提供一種球墨鑄鐵，其特征在于其組成為(wt% ) :C3. 0-3. 4，Si2. 2-2. 4，Mn < 0. 4，P < 0. 05，S < 0. 015，NiO. 85-0. 95，CuO. 3-0. 5，MoO. 2-0. 3，SbO. 015-0. 020，RE0. 01-0. 03,MgO. 03-0. 06，其余為Fe及雜質元素；具體制備步驟是首先熔煉原鐵水，原鐵水熔煉后使用鈰基輕稀土鎂球化劑和鎳鎂合金球化劑，采用沖入法進行球化處理；隨后在澆注過程中使用含鋇和鈣元素的長效孕育劑進行隨流孕育。 優選地，加入的鈰基輕稀土鎂球化劑為RE3Mg7球化劑(該球化劑中RE和Mg的含量分別為3wt%和7wt%，其余成分及含量與標準JB/T 9228-1999中所規定的QRMg7REl球化劑相同)，加入量為熔煉后原鐵水重量的1. 5wt%。優選地，加入的鎳鎂合金球化劑為NiMglO合金球化劑(該球化劑中Ni和Mg的含量分別為90Wt%和10Wt% )，加入量為熔煉后原鐵水重量的0. 3wt%。優選地，在澆注過程中，隨流加入的含有鋇和鈣元素的長效孕育劑的重量占原鐵水重量的0. 2wt%o優選地，球化處理溫度為1510_1520°C，澆注溫度為1430_1450°C。所述球墨鑄鐵的化學成分設計主要基于以下考慮碳當量控制在4.0%左右，以防止石墨飄浮，將Si含量降低至2. 3 2. 5wt%，避免灰斑缺陷。球墨鑄鐵常用合金化元素中，鉻、錳、鉬在球墨鑄鐵凝固過程時呈正偏析，易偏析于晶界處，而鎳、銅呈反偏析，在初生奧氏體和共晶團內部富集，在最后凝固的液體中含量較少，為了克服偏析元素對組織與性能的不利影響，在合金化方面，采用同時添加正、反偏析元素抵消彼此的負面影響從而提高基體強度。鎳在球墨鑄鐵凝固過程時呈反偏析，在初生奧氏體和共晶團內部富集，而在殘余鐵水中貧化，鎳是奧氏體穩定化元素，加入鎳元素可使球墨鑄鐵中的鐵素體受到抑制，降低奧氏體轉變溫度從而細化珠光體，并以固溶強化方式提高球墨鑄鐵的力學性能，Ni的加入量為0. 8 1. 0wt%。銅是中等促進石墨化的元素，在球墨鑄鐵凝固后期固相轉變過程中，銅具有阻礙碳在石墨與奧氏體基體界面擴散的能力，促進奧氏體向珠光體轉變從而提高基體強度和硬度，Cu的加入量為0. 4 0. 5wt%。鉬對石墨形態沒有影響，加鉬可使共晶團細化，提高球墨鑄鐵基體強度的作用要比錳、銅明顯，添加鉬同時是防止回火脆性的有效措施，Mo的加入量為0. 2 0. 3wt%。錳是球墨鑄鐵中穩定和細化珠光體的重要元素，但錳在基體中珠光體數量較高的情況下，促進和細化珠光體的作用減弱，并且錳量較高時會溶入滲碳體中，當滲碳體以網狀形式存在時對球墨鑄鐵的力學性能帶來不利影響，因此將錳量控制為< 0. #t%。同時將易于形成碳化物的Cr含量控制< 0. Iwt %。在球化處理方面，由于國產生鐵中干擾石墨球化及易導致石墨畸變的微量元素含量較高，因此使用兩種球化劑進行球化處理。采用沖入法球化處理，鐵水包砌壩，包底放入鎳鎂合金合金球化劑(例如NiMglO合金球化劑)，上部是鈰基輕稀土鎂球化劑(例如RE3Mg7球化劑)，然后用i^75Si覆蓋。球化處理時，鈰基輕稀土鎂球化劑先進行反應，在有效清除0、S及其它微量干擾元素后，鎳鎂合金合金球化劑參與球化反應，發揮鎳鎂合金球化劑在高溫球化處理時，減緩高溫澆注條件下的球化衰退，有效提高球形石墨圓整度的作用。Sb元素在球墨鑄鐵中具有雙重作用在原鐵液中存在的Sb元素，可以與Mg、Ce反應形成化合物，減弱Mg、Ce元素的球化作用；在球化處理后加入Sb元素，不但減輕殘余RE元素在厚大斷面球墨鑄鐵中導致的石墨畸變現象，而且可形成吸附薄膜，對提高球狀石墨圓整度、控制球狀石墨直徑從而對球化起促進作用，在球化處理后純金屬Sb的加入量為0. 015 0. 02wt%。本發明的另一方面，將上述所得的球墨鑄鐵作芯部材料，通過離心復合鑄造與高鉻鑄鋼復合，即本發明的離心復合鑄造軋輥，包括球墨鑄鐵芯部、球墨鑄鐵中間層和高鉻鑄鋼外層，其特征在于
(1)離心澆注高鉻鑄鋼外層；
(2)在離心澆注的高鉻鑄鋼外層內表面接近凝固時，在離心機上澆注厚度為20 25mm的球墨鑄鐵中間層，所述球墨鑄鐵中間層的組成為(wt%) :C3. 03-3. 06, Si2.05-2. 10，MnO. 12-0. 15, P < 0. 05, S < 0. 015, Cr < 0. 015, Ni < 0. 05, RE < 0. 01, Mg < 0. 015，其余
為狗及雜質元素；
(3)然后再澆注球墨鑄鐵芯部，所述球墨鑄鐵芯部的組成為):C3. 0-3. 4,Si2. 2-2. 4，Mn < 0. 4，P < 0. 05，S < 0. 015，NiO. 85-0. 95，CuO. 3-0. 5，MoO. 2-0. 3，SbO. 015-0. 020，RE0. 01-0. 03,MgO. 03-0. 06，其余為Fe及雜質元素；具體制備步驟是首先熔煉原鐵水，原鐵水熔煉后使用鈰基輕稀土鎂球化劑和鎳鎂合金球化劑，采用沖入法進行球化處理；隨后在澆注過程中使用含鋇和鈣元素的長效孕育劑進行隨流孕育。優選地，加入的鈰基輕稀土鎂球化劑為RE3Mg7球化劑，加入量為熔煉后原鐵水重量的 1. 5wt%。優選地，加入的鎳鎂合金球化劑為NiMglO合金球化劑，加入量為熔煉后原鐵水重量的 0. 3wt%0
5
優選地，在球墨鑄鐵芯部澆注過程中，隨流加入的含有鋇和鈣元素的長效孕育劑的重量占原鐵水重量的0. 2wt%。優選地，球墨鑄鐵芯部的球化處理溫度為1510_1520°C，澆注溫度為1430_1450°C。在上述離心鑄造完成后可對離心鑄造軋輥進行后續的熱處理及加工。實現高鉻鑄鋼與球墨鑄鐵的冶金熔合后，高鉻鑄鋼中的鉻等元素部分溶入球墨鑄鐵，會導致球墨鑄鐵中碳化物數量急劇上升，在軋輥高溫熱處理過程中輥頸易產生裂紋；高鉻鑄鋼軋輥芯部球墨鑄鐵直徑ΦΙΙΟΟπιπι，輥頸球墨鑄鐵直徑在Φ700-800πιπι，澆注重量約25-35噸，屬于厚大斷面球墨鑄鐵，凝固時間長，形成粗大畸變石墨導致硬度下降，高鉻鑄鋼離心復合鑄造軋輥需經1050°C淬火處理。在上述高溫澆注、溶入合金元素、厚大斷面尺寸凝固時間長、1050°C風冷淬火等條件下，減緩球化衰退及孕育衰退現象，減少碎塊狀石墨和晶間碳化物，防止熱處理裂紋，保證球墨鑄鐵抗拉強度> 400MPa、硬度值為HSD35-45、與高鉻鑄鋼實現良好冶金熔合的技術條件要求。以下結合兩個具體實施案例，示例性說明本發明實質，但實施例具體細節僅是為了說明本專利，并不代表本發明構思下全部技術方案，因此不應理解為對本發明總的技術方案限定，以具有相同或相似技術效果的技術特征簡單改變或替換，均屬本發明保護范圍。


圖1為本發明高鉻鑄鋼離心復合鑄造軋輥球墨鑄鐵輥頸的金相照片，顯示出球狀石墨彌散分布于珠光體基體，碳化物數量< 5%。圖2為目前高鉻鑄鋼離心復合鑄造軋輥球墨鑄鐵輥頸常見的金相照片，其基體組織是鐵素體與珠光體，在鐵素體基體上分布碎塊狀、團塊狀、條狀等畸變石墨。圖3為本發明球墨鑄鐵與高鉻鑄鋼實現冶金熔合后包含高鉻鑄鋼工作層、冶金熔合區、芯部球墨鑄鐵的金相照片，顯示出高鉻鑄鋼離心復合鑄造軋輥實現了良好冶金熔合，冶金熔合區厚度約1. 6mm。
具體實施例方式
實施例1在離心澆注的高鉻鑄鋼輥套內表面接近凝固時，采用離心澆注方法澆注25mm厚、組成為(wt% ) :C3. 03、Si2. 05、MnO. 12、P0. 03、SO. 014、CrO. 013、NiO. 02、RE0. 008、MgO. 011其余為Fe及雜質的球墨鑄鐵鐵水，待其凝固后離心機停機，吊裝模具與形成上下輥頸的砂型組裝，準備澆注芯部球墨鑄鐵。熔煉芯部球墨鑄鐵時，先將廢鋼與生鐵、合金料放入感應電爐內熔煉，鐵水溶清后進行化學成分檢測，使用碳酸鈉脫硫，加入石墨粉、硅鐵、錳鐵、鎳板、鉬鐵、電解銅調整化學成分，得到化學成分) :C3. 29、Sil. 73、MnO. 13、P0. 03、SO. 014、CrO. 015、NiO. 89、CuO. 48、MoO. 27、其余為Fe及雜質的鐵液，采用提壩式鐵水包進行沖入法球化處理，包底放入占鐵水重量0. 20%的NiMglO合金球化劑、占鐵水重量1. 5%的RE3Mg7球化劑，球化劑上部覆蓋占鐵水重量0. 7%的i^eSi75合金。球化處理溫度1518°C，球化處理后球墨鑄鐵中元素含量(wt% ) :Si2. 26、ReO. 026、Mg0. 047、Sb0. 019。芯部球墨鑄鐵澆注重量為33000kg，澆注溫度1438°C，澆注時隨鐵水流連續加入含有鋇和鈣元素的長效孕育劑，含有鋇和鈣元素的長效孕育劑的重量占鐵水總重量的0. 2%。高鉻鑄鋼軋輥打箱脫模后，先進行650°C退火處理，粗加工后采用1050°C風冷淬火及兩次500 520°C回火處理。粗加工后檢測，上輥頸鉻元素含量0. 15襯％，下輥頸鉻含量0.43襯(％，石墨球化率為2-3級，碳化物含量< 4%，冶金熔合區抗拉強度平均值460MPa。最終熱處理后獲得下輥頸2/3圓周處球墨鑄鐵抗拉強度560MPa。精加工后輥頸表面硬度值為HSD38-40。 實施例2 在離心澆注的高鉻鑄鋼輥套內表面接近凝固時，采用離心澆注方法澆注20mm 厚、組成為(wt% ) :C3. 06、Si2. 10、MnO. 15、P0. 025、SO. 013、CrO. 013、NiO. 03、REO. 009、 MgO. 009其余為Fe及雜質的球墨鑄鐵鐵水，待其凝固后離心機停機，吊裝模具與形成上下輥頸的砂型組裝，準備澆注芯部球墨鑄鐵。熔煉芯部球墨鑄鐵時，先將廢鋼與生鐵、合金料放入感應電爐內熔煉，鐵水溶清后進行化學成分檢測，使用碳酸鈉脫硫，加入石墨粉、硅鐵、錳鐵、鎳板、鉬鐵、電解銅調整化學成分，得到組成為(wt% ) :C3. 25、Sil. 71、MnO. 13、 P0. 03、SO. 012、CrO. 016、NiO. 83、CuO. 45、MoO. 22、其余為Fe及雜質的鐵液，采用提壩式鐵水包進行沖入法球化處理，包底放入占鐵水重量0. 15%的NiMglO合金球化劑、占鐵水重量 1. 5%的RE3Mg7球化劑，球化劑上部覆蓋占鐵水重量0. 7%的i^eSi75合金。球化處理溫度 1514°C，球化處理后球墨鑄鐵中元素含量(wt% ) :Si2. 24、RE0. 029、Mg0. 038、Sb0. 016。芯部球墨鑄鐵澆注重量為33000kg，澆注溫度1433°C，澆注時隨鐵水流連續加入含有鋇和鈣元素的長效孕育劑，含有鋇和鈣元素的長效孕育劑的重量占鐵水總重量的0. 2%。高鉻鑄鋼軋輥打箱脫模后，先進行650°C退火處理，粗加工后采用1050°C風冷淬火及兩次500 520°C回火處理。粗加工后檢測，上輥頸鉻元素含量0. 13襯％，下輥頸鉻含量0.39襯(％，石墨球化率為2-3級，碳化物含量< 4%，冶金熔合區抗拉強度平均值460MPa。最終熱處理后獲得下輥頸2/3圓周處球墨鑄鐵抗拉強度580MPa。精加工后輥頸表面硬度值為HSD38-40。
權利要求
1.一種球墨鑄鐵，其特征在于其組成為(wt% ) :C3. 0-3. 4，Si2. 2-2. 4，Mn < 0· 4，P< 0. 05，S < 0. 015，NiO. 85-0. 95，CuO. 3-0. 5，MoO. 2-0. 3，SbO. 015-0. 020，RE0. 01-0. 03，MgO. 03-0. 06，其余為Fe及雜質元素；具體制備步驟是首先熔煉原鐵水，原鐵水熔煉后使用鈰基輕稀土鎂球化劑和鎳鎂合金球化劑，采用沖入法進行球化處理；隨后在澆注過程中使用含鋇和鈣元素的長效孕育劑進行隨流孕育。
2.根據權利要求1的球墨鑄鐵，其中加入的鈰基輕稀土鎂球化劑為RE3Mg7球化劑，加入量為熔煉后原鐵水重量的1. 5wt%。
3.根據權利要求1的球墨鑄鐵，其中加入的鎳鎂合金球化劑為NiMglO合金球化劑，加入量為熔煉后原鐵水重量的0. 3wt%。
4.根據權利要求1的球墨鑄鐵，其中在澆注過程中，隨流加入的含鋇和鈣元素的長效孕育劑的重量占原鐵水重量的0. 2wt%。
5.根據權利要求1的球墨鑄鐵，其中球化處理溫度為1510-1520°C，澆注溫度為1430-1450°Co
6.一種離心復合鑄造軋輥，包括球墨鑄鐵芯部、球墨鑄鐵中間層和高鉻鑄鋼外層，其特征在于(1)離心澆注高鉻鑄鋼外層；(2)在離心澆注的高鉻鑄鋼外層內表面接近凝固時，在離心機上澆注厚度為20 25mm的球墨鑄鐵中間層，所述球墨鑄鐵中間層的組成為(wt%) :C3. 03-3. 06, Si2.05-2. 10，MnO. 12-0. 15, P < 0. 05, S < 0. 015, Cr < 0. 015, Ni < 0. 05, RE < 0. 01, Mg < 0. 015，其余為狗及雜質元素；(3)然后再澆注球墨鑄鐵芯部，所述球墨鑄鐵芯部的組成為):C3. 0-3. 4,Si2. 2-2. 4，Mn < 0. 4，P < 0. 05，S < 0. 015，NiO. 85-0. 95，CuO. 3-0. 5，MoO. 2-0. 3，SbO. 015-0. 020，RE0. 01-0. 03,MgO. 03-0. 06，其余為Fe及雜質元素；具體制備步驟是首先熔煉原鐵水，原鐵水熔煉后使用鈰基輕稀土鎂球化劑和鎳鎂合金球化劑，采用沖入法進行球化處理；隨后在澆注過程中使用含鋇和鈣元素的長效孕育劑進行隨流孕育。
7.根據權利要求6的離心復合鑄造軋輥，其中加入的鈰基輕稀土鎂球化劑為RE3Mg7球化劑，加入量為熔煉后原鐵水重量的1. 5wt%。
8.根據權利要求6的離心復合鑄造軋輥，其中加入的鎳鎂合金球化劑為MMglO合金球化劑，加入量為熔煉后原鐵水重量的0. 3wt%。
9.根據權利要求6的離心復合鑄造軋輥，其中在球墨鑄鐵芯部澆注過程中，隨流加入的含鋇和鈣元素的長效孕育劑的重量占原鐵水重量的0. 2wt%。
10.根據權利要求6的離心復合鑄造軋輥，其中球墨鑄鐵芯部的球化處理溫度為1510-1520°C，澆注溫度為 1430-1450°。
全文摘要
本發明涉及了一種球墨鑄鐵及離心復合鑄造軋輥，該球墨鑄鐵的組成為(wt％)C3.0-3.4，Si2.2-2.4，Mn＜0.4，P＜0.05，S＜0.015，Ni0.85-0.95，Cu0.3-0.5，Mo0.2-0.3，Sb0.015-0.020，RE0.01-0.03，Mg0.03-0.06，其余為Fe及雜質元素；具體步驟是首先熔煉原鐵水，原鐵水熔煉后使用鈰基輕稀土鎂球化劑和鎳鎂合金球化劑，采用沖入法進行球化處理；隨后在澆注過程中使用含鋇和鈣元素的長效孕育劑進行隨流孕育，球墨鑄鐵澆注溫度1430-1450℃，與離心澆注的高鉻鑄鋼實現冶金熔合，形成軋輥芯部及輥頸。獲得軋輥輥頸球墨鑄鐵抗拉強度≥550MPa，石墨球化率達到2-3級，硬度值為HSD35-45，宏觀無灰斑、亮斑缺陷。此外，還提供了一種使用上述球墨鑄鐵作為芯部的高鉻鑄鋼離心復合鑄造軋輥。
文檔編號B21B27/00GK102392178SQ201110363069
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者于進濤, 劉紅才, 白云龍, 蒲遠忠, 趙文輝 申請人:中國第一重型機械股份公司, 天津重型裝備工程研究有限公司