离心铸造高速钢一球铁复合轧辊的制造工艺
王志成，付会敏，李剑平，冯长海
(中国第一重型机械集团公司铸锻钢公司，黑龙江齐齐哈尔 161042)
摘要：高速钢—球铁复合轧辊由三层不同材料组成，外层材料为高碳高钒高速钢，芯部材料为合金球墨铸铁，中间层为
过渡层。介绍了各层的化学成分，离心浇注机金属型转速、涂料厚度、外层和中间层浇注厚度、浇注温度及间隔时间等工
艺参数，以及各种缺陷的预防措施。轧辊检查结果：辊身硬度为76。78Hs，辊颈抗拉强度达570MPa，伸长率为5％，冲击
韧性大于5J／cmz。
关键词：离心铸造；高速钢—球铁复合轧辊；制造工艺
中图分类号：TG249．4 文献标识码：A 文章编号：1003—8345(2009)03--0044--05
ProductionProcessofCentrifugallyCastHighSpeedSteel-NodularIronCompositeRoller
WANGZhi-cheng，FUHui-min，LIJian-ping，FENGChang-hai
(Foundry-SteelForgeCo．Ltd．，ChinaFirstHeavyMachineryGroupCo．Ltd．，Qiqihaer161042，China)
Abstract：Thehighspeedsteel-nodularironcompositerollerconsistsofthreelayerswithdifferentmaterials：theouterlayer
ismadeofhishcarbonandhighvanadiumhiishspeedsteel，thecorepartismadeofalloyednodulariron，andthemiddle
layeristhetransitionlayer．Variousparameterofprocesswasdescribedincludingthechemicalcompositionsofeachlayers，
rotationspeedofpermanentmoldofthecentrifugalcastingmachine，coatingthickness，thicknessofouterlayerandmiddle
layer,pouringtemperatureandtimeintervalbetweenmiddlelayerpouringandcorepartpouring．Andmeasurestoprevent
vailOU$defectswerealsointroduced．Resultsofrollersinspectionareasfollows：hardnessofrollerbodywasof76～78HS．
tensilestrengthofrollerneckreached570MPa，itselongationwasof5％，andimpacttoughnesswashigherthan5J／cm2．
Keywords：centrifugaJcasting；highspeedsteel-nodularironcompositeroilenproductionprocess
随着钢板产品质量和生产率的提高，对轧辊
的强度、耐磨性及表面抗缺陷性等提出了更为严
格的要求。高速钢轧辊具有硬度高、红硬性及耐
磨性好等特点而受到极大的重视，其耐磨性较传
统的NiCr轧辊和高Cr轧辊提高4。5倍Ill。1988
年日本一家工厂在带钢热连轧机上首次正式采
用铸造高速钢轧辊，之后美国和欧洲也开始开发
使用这种轧辊。随着铸造高速钢轧辊的成功应
用，国内外随即研究开发了不同成分、不同工艺
的高速钢轧辊，并取得了一些成果【2-3]，其中立式
离心铸造工艺(VSP)和连续浇注复合法工艺
(CPC)较为成熟，应用较为广泛[41。
离心铸造高速钢—球铁复合轧辊是以高速
钢作为轧辊工作层材料，以高性能球墨铸铁作为
辊芯材料，将工作层和辊芯材料以熔铸方式复合
收稿日期：2009-03--06修定日期：2009-04--27
作者简介：王志成(1973一，．男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
师．现主要从事铸造舍金及工艺技术的工作。
44l现代铸铁2009／3
起来的高性能轧辊，由于装备简单、效率高，因而
作为制造高速钢轧辊的主要方法而受到青睐；但
离心铸造易产生裂纹、偏析及结合层冶金质量差
等铸造缺陷。目前，大型离心铸造高速钢一球铁复
合轧辊的制造在国内还处于研究探索阶段，笔者
就防止偏析、消除裂纹及提高结合层质量等问题
对某公司4,780mmxl780mm高速钢一球铁复
合轧辊进行了分析研究。
1 高速钢一球铁复合轧辊成分设计
1．1 外层成分
研究表明：碳化物均匀分布在基体之中能有
效提高轧辊的综合性能阁。高速钢—球铁复合轧
辊外层碳化物主要由MC、M托、M：C及M7C，型碳
化物组成，基体由回火马氏体和残余奥氏体组
成。随着w(C)量的增加，高速钢中碳化物数量增
多，耐磨I生得到提高。为了使高速钢轧辊兼有优良
的耐磨性、抗热裂性及综合的力学性能，tt，(C)量应
万方数据
表1 高速钢—球铁复合轧辊各层材料的化学成分彬。(％)
Tab．1Chemicalcompositionofeachlaversofhi—speed
steel—nodulariIoncompositeroller 埘B(％)
C Si Mn P S cr Mo V Ni Mg
外层1．8-2．8<0．8(o．8
方案
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即可解决
上述难题，即在外层和芯部之间增加一个中间过
渡层，将中间层的成分设计成与芯部成分接近的
一个过渡成分。芯部成分选择强韧性好的合金球
墨铸铁，为了提高辊颈力学性能及保证避免产生
球化不良，加入一些合金并采取适当的工艺措
施，同时严格控制原铁液中的反石墨化元素。表
l为离心铸造高速钢—球铁复合轧辊三层材料
的具体化学成分。
2高速钢一球铁复合轧辊离心铸造
工艺参数选择
2．1 离心浇注机转速
高速钢—球铁复合轧辊的外层及中间层均
在卧式离心浇注机上浇注。在离心力场中铸造，
重力系数是保证轧辊质量的重要参数。离心力过
大，会造成轧辊表面出现裂纹，增加成分和组织的
偏析；离心力过小，会造成雨淋或导致轧辊基体组
织不够致密，表面产生疏松、气孔及夹杂等缺陷。
离心力的大小常表现为金属型转速，按照康斯坦
丁诺夫公式(公式2)计算【10】，根据外层浇注厚度
及技术要求确定金属型转数为605，615r／rain。
n：主三2Q塑
。。。。。。。●。。。。一
、／rxy
(2)
式中：n——金属型转数(r／min)；
r——金属型内半径(m)；
7——金属液质度(N／m3)；
口——调整系数。
2．2金属型及涂料
金属型设计不仅要考虑其导热性和蓄热能
力，还要考虑金属型涂料层厚度及轧辊工作层加
工量⋯l。若金属型内表面存在龟裂纹，会促使轧辊
形成裂纹。因此提高金属型强度，也是防止轧辊产
生裂纹的有效措施之一旧。辊身金属型采用锻钢，
尺寸为西外1300mm、咖内840rnmx3000IIIlTI。
涂料不仅影响轧辊的表面质量，而且还会影
响轧辊的耐磨性。如果涂料层不好还会导致轧辊
表面硬度不均及裂纹的产生。涂料以锆英粉作为
耐火骨料，涂料层厚度控制在2，3哪。采用移动
现代铸铁2009／3』45
万方数据
式自动喷枪将涂料喷涂在金属型内表面，确保涂
层均匀，提高涂层强度。另外，为了提高涂层的强
度及附着力，金属型内表面需加工出深度小于1
toni的螺纹。喷涂时金属型温度控制在160。260
℃，金属型喷完涂料后直接浇注，否则要放入炉内
保温待浇。浇注外层时金属型温度要大于110℃。
2。3外层及中间层厚度
外层使用厚度要求大于50mm，厚度落差小
于15mm。外层浇注厚度的选择要保证工作层厚
度、加工量、中间层和芯部的冶金熔合厚度，同时
还要兼顾轧辊辊身轴肩处的具体要求，一般选择
在95～105mm。同时，中间层浇注厚度不宜过厚，
选择在20～35toni。
3高速钢一球铁复合轧辊离心铸造
3．1熔炼
离心铸造高速钢—球铁复合轧辊对材料的
化学成分要求相当严格。为便于准确控制化学成
分。选用低P低S生铁和优质废钢作为原材料在
电弧炉中熔化；采用精炼炉进行精炼去除杂质，
待P、S等杂质元素含量达到要求后，在工频电炉
中调整成分。为改善外层材料质量、细化基体及
碳化物。炉前调整成分合格后加人0．005％一
0．01％的RE及纯Al对钢液进行去气变质处理，
出炉温度控制在l530～1550℃。
中间层及芯部球墨铸铁铁液在中频电炉中
进行熔炼，中间层出炉温度1500。1520oC，芯
部出炉温度1480。1500℃。为保证大断面球墨
铸铁不产生石墨漂浮及球化衰退等铸造缺陷，炉
前加入REMgSiFe球化剂及Ni—Mg变质剂，采用
堤坝包冲人法球化处理，在浇注前加入孕育剂及
纯Sb以消除崎形石墨，细化并稳定珠光体。
3．2离心铸造
高速钢一球铁复合轧辊外层及中间层在45t
液压驱动卧式离心机上铸造。出钢前利用热分析
仪测量外层液相线温度为l330一l340oC，因此
外层钢液浇注温度控制在l450±5℃。在浇注座
包的底注孔上安放过滤网，以防止钢液中夹杂物
进入金属型内。浇注外层钢液时浇注速度要尽量
快，使钢液尽快铺满金属型内表面，浇注过程中
不能断流。外层钢液浇注结束后，立即从金属型
两端加人经过烘烤的YK一2浮渣玻璃保护外层
46I现代铸铁2009／3
内表面，防止氧化。同时为保证温度场均匀性及
辊身工作层硬度均匀，金属型两端采取封闭罩来
阻止金属型内空气流动。用红外测温仪监控外层
内表面温度，当外层温度达到固相线以下5。10
℃左右时浇人中间层铁液，中间层浇注温度控制
在1440_+10℃。中间层浇注结束后，采用YK一1
浮渣玻璃保护内表面。当温度降到中间层出现固
相线拐点3～4min后停机，进行组装铸型，准备
浇注辊芯。
芯部铁液浇注温度控制在1420_+10℃。浇
注间隔时间是决定高速钢复合轧辊结合层冶金
质量的关键因素，间隔时间过长会造成结合不上
或者结合层强度过低，影响轧辊的性能；间隔时
间过短会造成内外层冲混严重，使得轧辊工作层
厚度不够，外层合金混入内层过多降低轧辊的辊
颈强度。生产中，经反复试验，确定间隔时间在
180。240s内，同时要保证浇注管垂直度(依靠专
用附具实现定位)和浇注速度(依靠有经验的浇
注工人控制)。
4 高速钢一球铁复合轧辊离心铸造
缺陷预防措施
4．1防止偏析
以V为主体的MC型碳化物密度比钢液密
万方数据
度小，在离心力场中易产生偏析。添加适量的Nb
元素可以促进形成(NbVMo)C型复合碳化物，能
有效解决偏析问题。另外密度较大的Mo元素，
对减轻碳化物偏析也有一定的作用。
4．2防止裂纹
离心铸造高速钢—球铁复合轧辊裂纹主要
有热裂和冷裂两大类，但以热裂为主。由于热裂
纹是在合金凝固过程中收缩受到外界阻碍而产
生于晶界的～种缺陷．因此与合金在凝固过程中
的力学行为、晶界状态及合金凝固过程中的自身
特点有着密切的关系，研究表明：凡是降低品间
液膜表面张力的表面活性物质都可以使热裂倾
向增加。S、P均为表面活性元素，在一定范围内
随其含量的增加，热裂倾向增大，所以含量应严
格控制在0．02％以下。由于生产实践的复杂性以
及影响裂纹形成因素的多样性。对于裂纹的预防
要考虑许多方面⋯J。
4．3提高结合层冶金质量
采用三层浇注工艺方案不但可以解决冲混
的问题，而且可以保证工作层厚度均匀一致。中
间层作为外层与芯部的过渡，可以有效的保证结
合层的冶金质量。为了减轻温度场不均对结合层
的不良影响，外层浇注温度应尽量低一些、浇注
速度尽量快一点，另外在浇注过程中可以采用移
动式浇注和金属型两端加封闭罩等。采用性能优
良并符合离心铸造特点的浮渣玻璃保护内表面，
对提高结合层冶金质量极为关键。此外，芯部材
料纯洁度要高，尽量减少夹杂物；冲芯温度要适
当，过高过低都会造成结合层质量不良。
4．4提高厚大断面球化质量
为了避免辊芯大断面球墨铸铁不产生石墨
漂浮、石墨畸变及球化衰退等铸造缺陷，必须采
用优质生铁、优质废钢进行熔炼来保证铁液质
量，选择CE<4．3％的亚共晶区。芯部铁液成分及
温度合格后，炉前进行变质及球化处理。同时根
据凝同时间加入适量的Sb，可以显著提高球化
等级与石墨球数量lnJ。孕育采用包内孕育与瞬时
孕育相结合的方式，并使用特殊复合长效孕育剂
来增强孕育效果。
5 高速钢一球铁复合轧辊性能及
应用
图1为离心铸造高速钢—球铁复合轧辊铸
态的外层及芯部组织，外层由马氏体、屈氏体、莱
氏体、MC、M，C、M￡，型碳化物及残余奥氏体组
成；内层由球状石墨、珠光体及渗碳体组成。由图
1可见，内外层微观组织基本达到了设计要求，
效果较为理想。
铸态下辊身硬度为69HS，辊身硬度均匀
性±1．5HS，在每10mm厚度内辊身硬度落差
<0．3HS，毛坯外层厚度85mm，外层厚度不均匀
性小于5mm。按照图2所示的热处理工艺进行
热处理后，辊身硬度为76～78HS，辊颈抗拉强度
570MPa，伸长率5％，冲击韧性大于5脓m：。高速
钢一球铁复合轧辊在国内某大型钢铁公司进行试
用，轧材为普通碳素钢，轧制后轧辊表面光滑，磨
损均匀。轧制1000t钢约磨损0．15．0．2him，轧
制5个周期后的高速钢一球铁复合轧辊见图3。
现代铸铁2009／3『47
万方数据
6结论
(1)利用离心铸造方法制造高速钢一球铁复
合轧辊，外层材料采用高碳高钒高速钢，芯部材
料采用合金球墨铸铁。生产工艺简单，成本低廉，
适于批量生产。
(2)通过合理选择并控制金属型转速、涂料
厚度、外层和中间层浇注厚度、浇注温度及间隔
时间等工艺参数，可以有效防止离心铸造高速
钢一球铁复合轧辊产生裂纹。轧辊在铸态下硬度
可以达到69HS，经热处理后成品硬度可以达到
78HS。
(3)适当调整高速钢一球铁复合轧辊的化学
成分，可以降低离心铸造时碳化物偏析的倾向。
(4)通过采用三层浇注工艺方案，辅以相应
工艺措施，可以有效保证结合层的冶金质量，并
且能保证外层厚度均匀一致。
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(编辑：王峰，E—mail：xdzt_wf@fawfe．com)
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