專利名稱：一種含硼低合金高速鋼軋輥及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于軋鋼技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種軋輥，特別涉及一種含硼低合金高速鋼軋輥及其制造方法。
背景技術(shù)：
軋輥是軋鋼生產(chǎn)中的主要消耗備件，軋輥質(zhì)量直接影響軋材的表面質(zhì)量、軋機(jī)作業(yè)的生產(chǎn)率和軋材生產(chǎn)成本；故提高軋輥的質(zhì)量，降低軋輥的合金成分，節(jié)約軋輥的生產(chǎn)成本一直都是生產(chǎn)企業(yè)所關(guān)注的焦點。常用的熱軋輥材質(zhì)有高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥、半鋼軋輥和高鉻鑄鐵軋輥，它們 因為其優(yōu)良的使用性能而得到了廣泛的應(yīng)用，但是高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥中，碳化物M3C型為主，且碳化物呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，因而軋輥的耐磨性差，脆性大；半鋼軋輥中的合金碳化物數(shù)量較少，故軋輥的硬度低，易磨損；高鉻鑄鐵軋輥中由于鉻元素的大量加入，使得以M3C型的連續(xù)網(wǎng)狀分布的碳化物轉(zhuǎn)變成為以M7C3型的斷續(xù)狀分布的碳化物，增強了軋輥的耐磨性能；但是因為鉻元素的含量較高，軋輥的導(dǎo)熱性能較差，在鑄造和熱處理的過程中，軋輥易開裂，使得軋輥生產(chǎn)的廢品率升高；而且為了改善高鉻鑄鐵軋輥的淬透性，還要加入一定數(shù)量的鎳元素，在一定程度上提高了軋輥制造的成本。硼元素是一種能顯著改善耐磨材料的淬透性和淬硬性的合金元素，我國的硼存量極為豐富，且價格低廉，硼在耐磨材料領(lǐng)域已經(jīng)獲得了較好的應(yīng)用；中國發(fā)明專利CN1037548公開了一種低鉻硼多元合金耐磨鑄鐵，其化學(xué)成分(重量％)為C :1. 75^3. 0，Cr 1. 5 4. O, B 0. 07 O. 4，Mo 0. 2 1. O, Cu 0. 8 1. 3，Mn 0. 4 O. 8，Si 0. 4 1. 2，P 彡 O. 08，S彡O. 08，Re :0. 01 O. 05，余量為Fe ;中國發(fā)明專利CN1506487公開了一種多元合金鑄鐵，其化學(xué)成分(重量 %)為C :1· 5 3. 5，Cr 1. 0 4· O, B 0. Γθ. 5，Mo :0. 25 1. O, Cu
O.8 1. 25，Mn :0. 4 0· 6，P :0. 45 O. 85，余量為Fe ;都表明硼元素的加入，不僅降低鑄鐵中的鉻元素的含量，還使得耐磨鑄鐵的硬度增加，從而耐磨性得到改善，其綜合性能較為優(yōu)秀。硼元素應(yīng)用于高速鋼軋輥制造中，利用硼化物代替高速鋼中的部分碳化物可以提高鋼的性能，特別是耐磨性能，同時利用硼化物析出性能比碳化物析出能力更強的特點，可以降低高速鋼中合金元素的添加量，從而實現(xiàn)低成本；另外，需要優(yōu)化含硼高速鋼新材料的熱處理制度，從而實現(xiàn)高速鋼軋輥材料的高性能和長壽命，降低軋輥消耗；中國發(fā)明專利CN102409267A公開了一種含硼高速鋼軋輥，其化學(xué)成分(重量％)為C :0. 95 1. 15，Cr 8. 5 9. O, B 0. 4 O. 6，Mo 1. (Tl. 2，W 0. 5 O. 8，V 0. 5 O. 8，Al 1. 6 1. 8，N 0. 18 O. 25，Cu 0. 4 O. 6，S1:1. 2 1. 4，RE 0. 06 O. 10，Mg 0. 03 O. 06，Ti 0. 04 O. 08，K 0. 025 O. 045，Na 0. 023 O. 045，Te 0. 02 O. 04，Bi 0. 02 O. 04，Mn 彡 O. 5，S 彡 O. 025，P 彡 O. 030，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)；該軋輥由于硼元素的加入，使得具有耐磨性好和輥頸強度高、韌性好等特點；中國發(fā)明專利CN101805869A公開了一種含硼高鉻高速鋼軋輥材料，其化學(xué)成分(重量 ％)為C 2. 6 3. O, Cr :24 28，B 0. 5 O. 8，Mo 2. 0 2· 8, W 1. (Tl. 5，Nb 0. 6 1. O,
V:1. (Tl. 5，N1:0. 7 1. 2，S1:0. 5 1. O, Mn :0. 5 1. 2，Ca :0. 008 O. 015，Zn :0. 06 O. 08，Ta 0.02 O. 05，RE :0. 03 O. 06，K :0. 04 O. 10，余量為Fe和不可避免的微量雜質(zhì)；由于硼元素的加入而使得軋輥的耐磨性得到顯著的提高；但是，現(xiàn)有技術(shù)中的含硼軋輥的合金成分匹配性方面需要優(yōu)化，主要的不足是硼元素的含量低導(dǎo)致硼化物析出量不足，為保持足夠硼化物析出量而增加過剩的昂貴合金元素如鎢、鑰、釩、鈮、鈷等合金元素，不僅增加了合金元素消耗和生產(chǎn)成本，而且，過剩合金元素析出物控制難度大，導(dǎo)致軋輥的耐磨性和后期抗事故性差等問題，需要發(fā)明一種新的軋輥材質(zhì)及相應(yīng)的熱處理方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前我國冶金軋輥用高速鋼材料存在的重要問題，即昂貴合金元素含量高導(dǎo)致成本高而耐磨性和抗事故性差等造成的壽命低的關(guān)鍵瓶頸，目的是在高速鋼軋輥中使用廉價的硼取代價格昂貴的鎢、鑰、釩、鈮、鈷等合金元素，促進(jìn)軋輥成本的明顯降低和 性能的大幅度提高，從而節(jié)約生產(chǎn)成本，提高軋輥的使用能力和安全性；硼與鐵的反應(yīng)可以可生成高硬度的硼化物，有利于改善軋輥的耐磨性；適當(dāng)過剩的硼元素加入還可以改善軋輥的淬透性和淬硬性，另外加入鈦、釔、鎂等元素可以有效的改善硼化物的形態(tài)和分布，提高高硼低合金高速鋼的強度和韌性；釩含量的降低，則可以明顯減輕離心鑄造時釩元素的偏析，對于提高和穩(wěn)定軋輥性能有著較好的效果。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是
本發(fā)明包括輥身和輥芯兩部分組成，輥身其化學(xué)成分(重量％)為c :0. 7^0. 8, Cr:
1.3 2. 4，B 2. 50 3· O, W 1. (Tl. 5，V 1. (Tl. 5，Si S1. O, Mn S O. 4，Ti 0. 09 O. 12，Mg O. 16 O. 19，RE 0. 10 0· 12，P ·.( O. 03，S彡O. 03，余量為Fe和不可避免的微量雜質(zhì)。上述的高硼低合金高速鋼軋輥的制造方法，所述的工藝步驟為
1)軋輥合金材料采用電爐熔煉；用高速鋼的廢料廢鋼、生鐵、鎢鐵、釩鐵混合加熱熔化；鋼水熔清后加入鉻鐵；高速鋼廢料、生鐵都是含C、S1、Mn的原料；
2)爐前調(diào)整C、W、V、S1、Mn成分符合本發(fā)明的范圍后，將溫度升至156(Tl600°C，加入鋁鈣鎂鈰合金脫氧，而后依次加入鉻鐵、鈦鐵，當(dāng)鋼水升至163(Tl650°C時出爐，同時將加熱至120(Tl30(rC且破碎至的7 IOmm的硼鐵顆粒隨流沖入鋼包，由于鋼液已經(jīng)采用了鋁鈣鎂鈰合金進(jìn)行深度脫氧，隨鋼流加入的硼鐵顆粒的氧化被控制，實現(xiàn)高硼；鉻在脫氧前會有少量氧化，第二次加入鉻鐵的目的是準(zhǔn)確控制含量范圍。3)鋼包底部內(nèi)預(yù)先加入稀土鎂合金，經(jīng)過20(T230°C烘干后，用包內(nèi)沖入法對鋼水進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理；
4)鋼水出爐4飛分鐘后，對鋼包進(jìn)行吹氬凈化，吹氬時間為Γ8分鐘，鋼水溫度達(dá)到147(Tl490°C即可進(jìn)行澆注；
5)澆注的方法采用離心鑄造方法進(jìn)行澆注軋輥輥身；然后使用球墨鑄鐵澆注輥芯；
6)澆注好的軋輥要進(jìn)行等溫退火處理，退火加熱溫度為100(Tl04(rC，保溫時間為1(Γ12小時，隨爐冷卻至700°C以下后，空冷至室溫，進(jìn)行粗加工；
7)粗加工后的軋輥加熱至90(T950°C，保溫7 10小時后，出爐風(fēng)冷30 50分鐘，然后進(jìn)行淬火處理；淬火采用噴水霧冷卻軋棍；溫度低于400°C進(jìn)行回火處理；
8)在軋輥回火過程中，先將軋輥加熱至56(T580°C，保溫6 10小時后，隨爐冷至200°C以下，空冷，然后在相同工藝下回火兩次；9)將經(jīng)過回火處理好后的軋輥精加工至規(guī)定的尺寸和精度。軋輥的性能是由金相組織決定的，而一定的組織取決于化學(xué)成分及熱處理工藝，本發(fā)明的化學(xué)成分是這樣確定的
碳碳主要與強碳化物形成MC、M2C、M6C、M2C3等高硬度和高熱穩(wěn)定性的碳化物，提高耐磨性和紅硬性；由于高速鋼軋輥需要足夠的耐磨性，故軋輥工作層中的碳化物含量不能過低；碳在熔煉的過程中還可以避免鐵水被過分氧化；在高速鋼軋輥凝固過程中，隨著碳含量的增加，液相線溫度降低，鋼水流動性和鑄造性能得到一定的改善，初晶奧氏體量減少，晶粒細(xì)化，碳化物含量增多；但是碳含量過高，雖然硬度和紅硬性高，但碳化物不均勻性增加，使高速鋼的塑性和韌性變壞，綜合力學(xué)性能低劣；同時碳含量增加，使得鋼淬火后殘留奧氏體增加，回火次數(shù)相應(yīng)增加，能耗上升；碳含量過高，還會引發(fā)鑄造裂紋，高速鋼中會出現(xiàn)網(wǎng)狀的M3C型碳化物，增大材料脆性；碳含量超過3. 0%以后，抗熱沖擊性能明顯下降；同時還會產(chǎn)生碳化物偏析，降低軋輥的使用性能；綜合考慮碳含量控制在O. 79Π). 8%之間。鉻高速鋼軋輥的淬透性主要依靠鉻；鉻首先形成碳化物M3C、M23C6，這些碳化物在淬火加熱時基本都溶于基體中，增加了基體的穩(wěn)定性，使高速鋼軋輥產(chǎn)生較高的淬透性；鉻還可以調(diào)節(jié)基體的碳平衡，能 提高抗氧化脫碳和抗腐蝕能力；但鉻含量過高會在回火時形成不穩(wěn)定碳化物，降低穩(wěn)定性和紅硬性；鉻在離心澆注過程中也容易產(chǎn)生偏析。硼硼元素的蘊含量在我國十分豐富，價格低廉而且穩(wěn)定，在普通的鋼鐵材料中加入硼元素，通過調(diào)節(jié)合金中硼含量和碳含量，來控制硼化物的體積百分?jǐn)?shù)和基體的含碳量，從而使材料具有優(yōu)異的耐磨性和強韌性；根據(jù)Fe-B 二元合金相圖可知，硼在Y相中的最大固溶度為O. 02%,使得多余的B原子富集于晶界上，形成硬質(zhì)相硼化物；由于硼化物的形成，使碳在剩余液相中的相對含量升高，室溫下，大部分共晶Y相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe，未轉(zhuǎn)變的Y相以殘余奧氏體的形式存在于基體中；碳硼化合物沿晶界呈網(wǎng)狀分布，局部會有斷網(wǎng)和縮頸現(xiàn)象；硼元素主要會形成Fe2 (B, C)硼化物，其硬度高，熱穩(wěn)定性好，基體組織為鐵素體、珠光體和馬氏體；適量的硼進(jìn)入基體還可以提高基體的淬透性和淬硬性，有利于軋輥的使用壽命的延長；但是Fe2 (B, C)硼化物沿晶界呈網(wǎng)狀分布，會使高速鋼軋輥的脆性增大，韌性降低，故硼含量不可過高；綜合考慮硼含量應(yīng)控制在2. 509Γ3. 0%之間。鎢鎢是促進(jìn)高速鋼抗回火性和紅硬性的首選元素；鎢主要形成Fe4W2C和少量的W2C ;淬火時，一部分Fe4W2C溶入基體，在回火時以W2C形式彌散析出，造成二次硬化，提高硬度和紅硬性；另一部分碳化物可以阻止奧氏晶粒長大，提高耐磨性；鎢還有一定的抗氧化性；若鎢含量太高會使軋輥中形成魚骨狀易碎的M6C型碳化物，降低其耐磨性；另外，鎢元素易產(chǎn)生偏析，惡化軋輥表面的韌性；綜合考慮鎢含量應(yīng)控制在1. 09Γ1. 5%之間。釩釩能形成碳化物VC ;回火時VC彌散析出，形成二次硬化；VC硬度高，晶粒度大，不易碎裂，主要成球團(tuán)狀或近球狀彌散分布在基體上，可以提高材料的沖擊韌性、硬度和耐磨性；釩還能有效的去除鋼液中的雜質(zhì)；但釩含量過高會增加鋼的氧化性，而且大大提高軋輥材料的成本；綜合考慮釩含量應(yīng)控制在1. 09Γ1. 5%之間。硅硅有一定的脫氧作用，但硅含量太高會形成粗大的M7C3型碳化物和鐵素體，降低組織的韌性和強度，使得軋輥在使用中易出現(xiàn)龜裂，嚴(yán)重時產(chǎn)生工作面的剝落；綜合考慮娃含量應(yīng)不超過1. 0%。錳錳可以降低馬氏體的開始轉(zhuǎn)變溫度，但含量過高會使得軋輥組織粗大，鑄造時出現(xiàn)熱裂，同時淬火組織中殘留奧氏體增加，軋輥的淬硬性下降；綜合考慮錳含量應(yīng)不超過
O.4%。鈦鈦與硼易生成高強度的TiB2，呈斷網(wǎng)狀分布，使軋輥強度和韌性有較大的提高；高速鋼軋輥經(jīng)過鈦元素的變質(zhì)處理后，奧氏體晶粒和共晶組織發(fā)生明顯細(xì)化，而且共晶碳化物出現(xiàn)明顯頸縮；綜合考慮鈦的含量在O. 099Γ0. 12%。鎂鎂是強脫氧、強脫硫元素，同時也是強成分過冷元素，在高硼低合金高速鋼軋輥中加入適量的鎂，有利于碳化物和硼化物的斷網(wǎng)和分布孤立，從而提高高速鋼軋輥的強度和韌性；綜合考慮鎂的含量控制在O. 169ΓΟ. 19%。
稀土 包含乾基鋪基等稀土兀素在聞速鋼乳棍中可以細(xì)化奧氏體晶粒，變質(zhì)夾雜物，改善碳化物的形態(tài)、改善組織，從而提高其塑性和韌性，提高熱疲勞性能、抗熱沖擊性能、抗淬裂性能及高溫的熱加工性能；與不加稀土相比，在熱循環(huán)時出現(xiàn)裂紋的循環(huán)次數(shù)提高42°/Γ 60% ;但稀土過高會使強度和韌性降低；綜合考慮稀土的含量控制在O. 109Γ0. 12%。硫和磷硫和磷在高速鋼軋輥中多以低熔點夾雜物的形式聚集于晶界，在高溫加熱過程中易出現(xiàn)局部熔化，降低鋼的強度和塑性，因此硫和磷的含量應(yīng)嚴(yán)格控制在O. 03%以下。本發(fā)明具有以下特點
1)本發(fā)明以廉價的硼為主要的合金元素，不含價格昂貴的鈷、鎳、鑰、鈮等合金元素，而且釩、鈦和鎢的含量較少，因此本發(fā)明軋輥的生產(chǎn)成本較低，可節(jié)約20°/Γ30% ；
2)本發(fā)明的軋輥含有硬度高，耐磨性和熱穩(wěn)定性好的硼化物，具有較高的硬度和良好的耐磨性，硬度可達(dá)62飛5GHRC，軋輥的淬硬層深度大于62mm ；
3)本發(fā)明軋輥的碳含量較低，具有良好的抗熱疲勞性能；
4)本發(fā)明軋輥加入鋁鈣鎂鈰合金脫氧和微合金化，并且加入稀土鎂合金復(fù)合變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理，因此軋輥中的夾雜物少，顯微組織的純凈度高，且晶粒細(xì)小；
5)本發(fā)明軋輥應(yīng)用于熱軋帶鋼軋機(jī)和棒材軋機(jī)上，軋鋼量比高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥提高4. 5倍以上，比貝氏球鐵軋輥提高3 4倍，而生產(chǎn)成本僅增加20% 25%。
具體實施例方式以下結(jié)合實施實例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述；實施實例僅用于說明本發(fā)明，而不是以任何方式限制本發(fā)明。實施實例I
采用500公斤的中頻感應(yīng)電爐熔煉高硼低合金高速鋼軋輥，具體工藝步驟如下
1)軋輥合金材料采用電爐熔煉；用高速鋼的廢料廢鋼、生鐵、鎢鐵、釩鐵混合加熱熔化；鋼水熔清后加入鉻鐵；
2)爐前調(diào)整C、W、V、S1、Mn成分符合本發(fā)明的范圍后將溫度升至1520°C，加入鋁鈣鎂鈰合金脫氧，而后依次加入鉻鐵、鈦鐵、錳鐵，當(dāng)鋼水升至1635°C時出爐，同時將加熱至1230°C且破碎至的7 IOmm的硼鐵顆粒隨流沖入鋼包；
3 )鋼包底部內(nèi)預(yù)先加入稀土鎂合金作復(fù)合變質(zhì)劑,經(jīng)過203 °C烘干后，用包內(nèi)沖入法對鋼水進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理；
4)鋼水出爐4分鐘后，對鋼包進(jìn)行吹氬凈化，吹氬時間為4分鐘，鋼水溫度達(dá)到1474°C進(jìn)行澆注；
5)澆注的方法采用離心鑄造方法進(jìn)行澆注軋輥輥身；然后使用球墨鑄鐵熔液填充輥
心;
6)澆注好的軋輥進(jìn)行等溫退火處理，退火加熱溫度為1000°C，保溫時間為10小時，隨爐冷卻至700°C以下，空冷至室溫，進(jìn)行粗加工；
7)粗加工后的軋輥加熱至906°C，保溫7小時后，出爐風(fēng)冷34分鐘，然后進(jìn)行淬火處理；淬火采用噴水霧冷卻軋輥；溫度低于400°C時進(jìn)行回火處理；
8)在軋輥回火過程中，先將軋輥加熱至562°C，保溫6.5小時后，隨爐冷至200°C以下，空冷，然后在相同工藝下回火兩次；
9)將經(jīng)過回火處理好后的軋輥精加工至規(guī)定的尺寸和精度。本實施例軋棍棍身化學(xué)成分見表1，棍身力學(xué)性能見表2。表I軋輥輥身化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)
權(quán)利要求
1.一種含硼低合金高速鋼軋輥，由輥身和輥芯兩部分組成，輥芯為球墨鑄鐵材質(zhì)，其特征在于輥身其化學(xué)成分按照重量百分?jǐn)?shù)計算為c :0. 7 O. 8，Cr :1. 3 2. 4，B :2. 50 3· 0,ff 1.(Tl. 5, V 1. (Tl. 5, S1:彡1. O,Mn S O. 4, Ti 0. 09 O. 12,Mg 0. 16 O. 19, RE 0. 10 0· 12，P O. 03，S^O. 03，余量為Fe和不可避免的微量雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種含硼低合金高速鋼軋輥的制造方法，其特征在于包括如下步驟 I)軋輥合金材料采用電爐熔煉；用高速鋼的廢料廢鋼、生鐵、鎢鐵、釩鐵混合加熱熔化；鋼水熔清后加入鉻鐵； 2)爐前調(diào)整C、W、V、S1、Mn成分符合范圍后，將溫度升至156(Tl60(TC，加入鋁鈣鎂鈰合金脫氧，而后依次加入鉻鐵、鈦鐵，當(dāng)鋼水升至163(Tl650°C時出爐，同時將加熱至120(Tl300°C且破碎至的7 IOmm的硼鐵顆粒隨流沖入鋼包； 3)鋼包底部內(nèi)預(yù)先加入稀土鎂合金，經(jīng)過20(T23(TC烘干后，用包內(nèi)沖入法對鋼水進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理； 4)鋼水出爐4飛分鐘后，對鋼包進(jìn)行吹氬凈化，吹氬時間為Γ8分鐘，鋼水溫度達(dá)到147(Tl490°C即可進(jìn)行澆注； 5)澆注的方法采用離心鑄造方法進(jìn)行澆注軋輥輥身；然后使用球墨鑄鐵澆注輥芯； 6)澆注好的軋輥要進(jìn)行等溫退火處理，退火加熱溫度為100(Tl04(rC，保溫時間為1(Γ12小時，隨爐冷卻至700°C以下后，空冷至室溫，進(jìn)行粗加工； 7)粗加工后的軋輥加熱至90(T950°C，保溫7 10小時后，出爐風(fēng)冷30 50分鐘，然后進(jìn)行淬火處理；淬火采用噴水霧冷卻軋棍；溫度低于400°C進(jìn)行回火處理； 8)在軋輥回火過程中，先將軋輥加熱至56(T580°C，保溫6 10小時后，隨爐冷至200°C以下，空冷，然后在相同工藝下回火兩次； 9)將經(jīng)過回火處理好后的軋輥精加工至規(guī)定的尺寸和精度。
全文摘要
本發(fā)明屬于軋鋼技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種軋輥，特別涉及一種含硼低合金高速鋼軋輥及其制造方法。所述軋輥包括輥身和輥芯兩部分組成，輥身的化學(xué)成分按照重量百分比計算為C0.7~0.8，Cr1.3~2.4，B2.50~3.0，W1.0~1.5，V1.0~1.5，Si≤1.0，Mn≤0.4，Ti0.09~0.12，Mg0.16~0.19，RE0.10~0.12，P≤0.03，S≤0.03，余量為Fe和不可避免的微量雜質(zhì)，輥芯為球墨鑄鐵。本發(fā)明的所述軋輥的制造方法為熔煉-脫氧合金化-稀土鎂復(fù)合變質(zhì)處理后采用離心澆注，再經(jīng)熱處理后加工成成品；本發(fā)明的主要優(yōu)點是耐磨顆粒以硼化物顆粒為主，降低合金元素添加量，從而降低生產(chǎn)成本，并且硬度高、耐磨性和抗熱疲勞性能好，材質(zhì)均勻后期抗事故性強。
文檔編號B22D1/00GK103014516SQ201210559788
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者李桂榮, 符德, 王宏明, 郭亞 申請人:江蘇大學(xué)