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高碳半钢轧辊工艺设计原理浅析

归档日期:07-11       文本归类:高碳      文章编辑:爱尚语录

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  高碳半钢轧辊工艺设计原理浅析高碳半钢轧辊工艺设计原理浅析北京首钢京顺轧辊有限公司 李京华 王 飞 摘要摘要:高碳半钢轧辊是含碳量在 1.8~2.4%左右,处于过共析和亚共晶范围之内,性能介于铸钢和铸铁之间的一种轧辊。它的强韧性接近钢辊而优于铁辊,硬度与耐磨性接近铁辊而优于钢辊,通过合理的化学成份与热处理工艺最终获得良好的抗折断、抗磨损、抗表面粗糙、抗热裂等主要性能。本文讲述了高碳半钢轧辊工艺设计的基本原理。关键词:高碳半钢轧辊 热处理 碳化物 索氏体一、前言一、前言高碳半钢轧辊在国外称为 Adamite 轧辊,在苏联和东欧国家称其为过共析钢轧辊。它的微观组织一般由珠光体基体和游离碳化物组成,与铸钢轧辊相比,它有游离碳化物存在,与铸铁轧辊相比,它没有石墨析出。由于其同时具有较高的强度与耐磨性的特点,且能使硬度与韧性在较宽的范围内相互匹配,被广泛应用于型钢粗轧和中间机架、热轧带钢连轧机粗轧和精轧前段工作辊。二、设计原理二、设计原理1、化学成份的制定依据、化学成份的制定依据碳:伴随着含碳量的增加,共晶碳化物量增加,轧辊的硬度、耐磨性呈线性趋势提高,强度、塑韧性随之下降。硅、锰:硅是钢中的有益元素,作为脱氧剂用把钢液中的 FeO 还原成铁,减少钢液中的夹杂物,提高纯净度。但含硅量过高会提高共析转变温度,不易获得较细的珠光体组织。一般硅在 0.3~0.6%之间控制。锰能够提高钢的强度和硬度,当含锰量小于 0.8%时,可以稍微提高或不降低钢的塑性和韧性。另外锰除了具有脱氧作用外,还能与钢液中的硫生成 MnS,较大程度的消除硫在钢中的有害影响。磷、硫:磷、硫属于有害元素,应严格限制。磷可以提高钢的强度和硬度,但剧烈降低钢的韧性,增加冷脆倾向;且磷具有严重的偏析特性,在 γ-Fe 中的扩散速度很小,很难用热处理的方法消除。硫在钢中以 FeS 的形式留在晶界处,增加热裂倾向。因此,磷、硫元素含量应严格控制。铬:铬是碳化物形成元素,与镍匹配,可显著提高高碳半钢轧辊的综合力学性能。随着铬含量的增加,C 曲线右移、淬透性增加。同时偏析程度增大,容易促成粗大碳化物的形成。因此,高碳半钢轧辊铬含量控制在 0.8~1.5%之间。镍:镍增加基体强度。可无限固溶于奥氏体中,使奥氏体冷却曲线右移,提高淬透性,不形成碳化物。镍含量过高会增加基体组织中残余奥氏体含量。镍含量一般在 0.6~1.2 之间控制。钼:钼部分固溶于 α-Fe,另一部分与碳形成碳化物,显著提高轧辊的高温强度;提高半钢淬透性。需与铬、锰元素配合使用进一步提高淬透性,降低轧辊回火脆性。钼在高碳半钢中按 0.2~0.6%控制。2、铸造工艺原理、铸造工艺原理采用外冷铁强制冷却、冷型刮砂、顶注的工艺方法使下辊颈、冷型、上辊颈、保温冒口形成 1、2、3、4 的顺序凝固,最终使缩孔、二次缩松带集中于冒口中,切除保温冒口,获得组织致密的轧辊毛坯。轧辊辊身使用 6-8 目大粒儿干模砂,确保良好的透气性能。吃砂量 12~15mm,涂料厚度 2~3mm。辊身与下辊颈采用大圆弧连接,如辊颈与辊身直径比值较小,需适当加大下辊颈直径,以避免出现辊身与下辊颈收缩严重不同时出现的受阻热裂纹。辊身与上辊颈之间采用可滑动砂芯连接,目的为了辊身收缩完毕以后上辊颈开始收缩的过程中,辊身可以随上辊颈自由的收缩不受阻碍。冒口采用保温发热套,由硅铁粉、木炭粉、硝酸钠等材料组成。在金属液热作用下,其中的硅铁粉与氧化铁反应释放热量,增加冒口中钢液温度,延缓凝固时间;硝酸钠促进放热反应的进行;木炭粉起保温作用。冒口中钢液的长时间高温状态,使冒口补缩效率大大提高、补缩过程充分有效。高碳半钢轧辊上辊颈直径的确定是决定着是否可以实现顺序凝固、将缩孔和二次缩松带移至冒口的关键环节。上辊颈直径=Ф辊身×e×(1.15~1.30) ,其中,Ф辊身为轧辊辊身毛坯直径;e 为轧辊辊身直径衰减系数,取 0.560~0.678;衰减系数 e 值的确定应考虑轧辊毛坯直径、化学成份、冷型壁厚的影响。辊身直径小,e 值取上限;反之,取下限。含碳量高,e 值取上限;反之,取下限。另外,冷型壁厚对 e 值的影响也应考虑进去。另外,确保建立补缩通道的上辊颈直径增加系数在 1.15~1.30 之间取值。首先应充分考虑含碳量对结晶范围的影响,随着含碳量的增加,固相线与液相线距离越大,结晶范围越宽,越倾向于糊状凝固特性,补缩扩张角减小,补缩通道的建立难度增加。因此,含碳量越高取上限;反之,取下限。另外,上辊颈高度越高取上限;反之,取下限。冒口的设计,应综合考虑激冷区与轧辊毛坯体积的比值、上辊颈的高度、化学成份、浇注温度等因素的影响,将工艺出品率控制在 0.76~0.86 之间。3、热处理机理、热处理机理高碳半钢轧辊毛坯通过扩散、球化、正火、回火四段热处理工艺,最终获得细珠光体(索氏体)基体+少量贝氏体+颗粒状碳化物、未能溶解的较大片状和块状伪共晶碳化物。各段热处理的目的如下。高温扩散:高碳半钢轧辊的凝固过程是一个非平衡凝固过程,在加上铬合金元素的影响,组织偏析更加严重。高温扩散的目的在于消除晶内偏析,使成分均匀化、合金元素的分子充分的扩散,从而改善碳化物的形态及分布特征。当加热温度升高至 800 度以上时,网状和针片状的二次碳化物开始溶解于奥氏体中;当加热温度升高至 980 度左右时,针片状碳化物基本溶解完毕;网状碳化物要在 1060 度才全部溶解消失;扩散完毕仍保留部分粗大块儿状一次碳化物,但量有所减少。球化退火:其目的是改善加工性能,降低硬度。获得粒状珠光体组织。正火和回火:正火处理后,除了消除网状碳化物外,还可部分改善针片状或棒状碳化物的形态,使其由长的针片状或棒状断开,变成颗粒状或短棒状;这样,在不影响耐磨性的前提下,提高轧辊综合力学性能。之后的回火处理使轧辊内应力降低,获得索氏体组织。随着回火温度升高,硬度稍微降低,抗拉强度下降较大,而塑性和韧性增加。三、结论三、结论A、合理的化学成分是获得最终金相组织与力学性能的先决条件。B、冒口、上辊颈等工艺参数的确定,是决定补缩扩张角是否足够大、补缩通道是否足够畅通的关键环节。决定着能否获得组织致密的轧辊毛坯。C、热处理是提高高碳半钢轧辊力学性能的主要手段。通过热处理过程,消除网状碳化物对基体的割裂作用,细化珠光体组织提高基体强度,从而获得优良的综合力学性能。参考文献1、崔忠圻.《金属学与热处理》.机械工业出版社.1997.012、文铁铮、郭玉珍.《冶金轧辊技术特性概论》.河北科学出版社 3、王文清、李魁盛.《铸造工艺学》.机械工业出版社.2002.08caoporn

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