大型球墨铸铁轧辊的试制工艺

2020-03-04

铸造设备与工艺 2020年6期

（1.广东中天创展球铁有限公司，广东英德 513042；2.广东省高性能大型铸件制造及模拟工程技术研究中心，广东英德 513042）

某设备的重要轧辊部件，原为焊接件，现改为球墨铸铁件试制。应客户要求，材质应符合DIN EN 1563：2012-3 《铸造—球墨铸铁》，牌号EN-GJS-400-18U-RT，附铸试块尺寸为200 mm×200 mm×200 mm.铸件需要在本体两端轴心部套样做力学性能、金相组织检查，要求本体力学性能Rm≥350 MPa，Rp0.2≥230 MPa，A≥10%.铸件需要100%进行超声波、磁粉探伤；两端轴100%渗透探伤。本文从铸造工艺、熔炼工艺和生产结果介绍大型球墨铸铁轧辊的试制情况。

1 铸造工艺分析与设计

轧辊结构如图1 所示，外形尺寸为φ2 000 mm×4 500 mm，铸件重量约19 t，辊身段主要壁厚，两端轴直径φ320 mm.加工后要求用超声波检测壁厚，要求壁厚均匀；若壁厚不均匀，将严重影响动平衡的配重重量。轧辊重量大，壁厚要求均匀，生产的技术难度较大。

图1 大型轧辊结构示意图

虽然轧辊的主要壁厚是55 mm～107 mm，但最厚处轴为φ320 mm，也可以算为厚大断面球墨铸铁。生产厚大断面球铁件常常出现石墨漂浮、石墨开花、碎块状石墨，直接影响到本体套样的力学性能和金相组织。轧辊轮廓尺寸大，在上下端法兰与辊身连接处热节厚大，必须设计出适合的浇注系统和补缩系统，使铁液充型平稳、快速，铸造凝固均衡，补缩良好，防止出现冲砂、夹渣、缩孔、缩松等铸造缺陷。如浇注系统设计不合理，未对铁液进行有效过滤，则容易在上法兰附近产生夹渣缺陷，因此在横浇道底部与陶瓷管连接位置放置过滤网。

设计铸造工艺时，用计算机进行凝固模拟，根据凝固模拟的结果和经验来调整冒口、冷铁的大小和位置，最终获得一个比较满意的凝固模拟结果，轧辊铸造工艺见图2.浇注系统采用底注式，浇注时间为120 s，直浇道采用φ120 陶瓷管，浇注系统各组元的比例F直∶F横∶F内=1∶2∶1.2.

图2 轧辊铸造工艺模拟图

在轧辊上端法兰端面放置陶瓷管做暗冒口。上端轴顶部放大冒口补缩。考虑到上法兰附近是厚大热节部位，最容易出现补缩不足造成的缩孔，为了提高补缩效率，取得良好的补缩效果，采用冷铁和冒口相结合的补缩系统。

2 造型工艺

造型采用呋喃树脂自硬砂造型、制芯，涂料使用醇基锆英涂料，防止粘砂。由于轧辊整体需要100%超声波检测，如果铸型的刚性（强度）不够，则易出现超声探伤缺陷超标导致不合格等问题。为了防止这些铸造缺陷，需要适当增加型砂中树脂的加入量，以提高砂型的强度。

轧辊铸件的高度为4 500 mm，加上冒口和拔塞浇口杯的高度，整个铸造高达7 m 多，考虑到操作方便，因此采用三箱造型。虽然外模结构比较简单，但要保证壁厚均匀，首先要保证砂型尺寸准确，型腔内尺寸均匀是保证壁厚的关键。内孔砂芯直径φ1 880 mm，属于大砂芯，大砂芯下芯难度大，砂芯定位精度低，加上下型深度偏高，因此在合箱前需要仔细测量上下型多个位置的型腔尺寸，确保砂芯垂直度。

由于铁液的压头很高，容易发生胀砂、粘尖、跑火等铸造缺陷。压头高抬箱力大，除了采用常规的放置压铁、用螺栓紧固砂箱的方法，还要焊接钢板在分型面，对砂箱分型面进行围砂加固，以防止跑火。

3 熔炼工艺

3.1 确定化学成分

铸件的化学成分直接影响铸件的力学性能，而且也影响到流动性、收缩性等工艺性能。对于高要求铁素体球墨铸铁件应当采用“高碳、低硅、低锰、低硫、低磷、较低的稀土和镁”的原则来确定成分。

3.1.1 C 含量

对球墨铸铁来说，含碳量高，有利于石墨析出，石墨球圆整度增加，球径小；适当提高碳当量也有利于减少缩孔，提高铸件的致密度。但考虑到过高的含碳量可能出现石墨漂浮，将碳质量分数定为3.60%～3.70%.

3.1.2 Si 含量

Si 是石墨化元素，随着含硅量的增加，球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度和硬度增加，伸长率和冲击韧性下降。在生产铁素体球墨铸铁时，含硅量的控制尤为重要。较高的含硅量会引起大断面球墨铸铁件出现碎块状石墨。从金相组织、强度以及防止石墨畸变等方面综合考虑，确定合适的含硅量，将硅的质量分数控制在2.20%～2.40%.

3.1.3 碳当量

防止石墨漂浮的主要措施是控制好碳当量。结合以往往做厚大断面球铁件的经验，碳当量控制在4.40%～4.60%.

3.1.4 Mn 含量

Mn 属于反石墨化元素，促进珠光体和渗碳体的形成。锰和硅的作用类似，可以提高球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度和硬度，但对伸长率的不利影响较硅更为严重。锰的增加使珠光体量增加，而且固溶于铁素体中并强化铁素体，此外锰还容易出现微区偏析。对于铸态高韧性球墨铸铁来说，锰是属于弊大于利的元素，应当尽可能将含锰量控制在较低的水平。将锰质量分数控制在0.3%以下。

3.1.5 P 含量

P 在球墨铸铁中很容易偏析，在晶界形成磷共晶硬脆相，对球墨铸铁的力学性能特别是塑性和冲击韧性产生十分恶劣的影响。所以，生产铁素体球墨铸铁时，总是希望磷越低越好。但受生铁磷含量限制，控制过低的磷是不现实的。使用高纯生铁，可以将磷质量分数控制在0.03%以下。

3.1.6 S 含量

S 是球墨铸铁中最主要的反球化元素，属于杂质有害元素，当然是越低越好。还应该注意到，较低的含硫量不仅有利于球化反应和保持球化效果，而且较低的含硫量，对减轻“回硫现象”，减少夹渣也大有益处。这一点，对要求进行超声波探伤、磁粉探伤的铸件很值得重视。

3.1.7 RE 含量

RE 是属于反石墨化元素，又易于偏析，过高的残留稀土量将可能导致异形石墨的形成，这在厚大断面球墨铸铁中值得重视。因为生产要求高的铸件必须使用微量元素较低的高纯生铁，不必要求较高的残留稀土量。所以，应当严格将残留稀土质量分数控制在0.02%以下。

3.1.8 Mg 含量

Mg 是主要的球化元素，生产厚大断面球铁件要求有足够的石墨球数，随着铸件壁厚的增大，凝固时间延长，铁水中残留镁量会逐渐消耗。石墨球数量是随着残留镁的增加而增加的，但残留镁量超过一定数值后，石墨球数不增反减。另外，较高的残留镁量还会影响到石墨的圆整度，增大缩松倾向和夹渣。因此，在确保石墨球化的前提下，把残留镁量控制中下限较为合适，将残留镁控制在0.030%～0.050%.

如上所述，化学成分控制范围如表1 所示。

表1 化学成分控制范围（质量分数，%）

3.2 原材料的选择

生产铸态高韧性的球墨铸铁要求选用优质的原材料。一般选用低锰、低磷、低硫的高纯生铁，尤其应严重控制Ti、V、Cr、Pb、Sn、As、B 等杂质元素的含量，微量元素质量分数之和不大于0.06%.

用成分稳定的碳素废钢，所用废钢取样做光谱分析检验，控制ω（Mn）≤0.30%，ω（Ti）＜0.030%.

3.3 球化处理

一般认为，厚大断面球铁铸件生产中，重稀土与轻稀土相比较，重稀土的抗球化衰退作用更强，因此在厚大断面球墨铸铁中提倡用钇基重稀土球化剂。但也此有不同的意见，认为在1 300 ℃以下，重稀土的抗球化衰退作用并不比轻稀土强。考虑到辊身部位壁厚并不是太大，采用经验的做法，按照一定的比例，将重稀土和轻稀土混合使用，加入质量分数控制在1.3%～1.4%.

用冲入法进行球化处理。控制铁液出炉温度在1 430 ℃～1 450 ℃，防止球化剂严重烧损。在操作过程中防止铁液提前反应，球化剂放入堤坝式铁水包后用矽钢片覆盖表面。

3.4 孕育处理

孕育处理是铁液处理的关键，孕育剂采用75#、高钙钡孕育剂相结合三次孕育方法。包底孕育的孕育剂加入质量分数为0.2%～0.3%，随流孕育的孕育剂加入质量分数为0.4%～0.5%，瞬时孕育的孕育剂加入质量分数为0.1%～0.2%，控制总孕育剂的加入质量分数在0.8%～1.0%。控制浇注温度在1 350 ℃～1 360 ℃.