CN101050510A - 适用于棒线材连轧机的新型硬质材料轧辊及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种适用于棒线材连轧机的新型硬质材料轧辊，其化学成分按重量百分比是：C：1.5～2.5，W：5.0～8.0，Mo：5.5～8.0，V：3.0～5.0，Cr：4.0～6.0，Ni：0.5～1.0，Re：0.04～0.10；Ti：0.08～0.20，Al：0.10～0.30，Si0.7～1.5，Mn：1.5－3.0，其余为Fe。本发明还涉及所述轧辊的制造方法。本发明轧辊强度和硬度高，韧性好，耐磨性和抗氧化性优良，抗激冷激热性能极好。在使用过程中不断裂、不起皮、不发生龟裂、不粘钢，性能明显优于同类轧辊。能显著提高轧钢机作业率，降低轧材生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及适用于棒线材连轧机的新型硬质材料轧辊，本发明还涉及所述新型硬质材料的轧辊的制造方法。
技术背景
轧辊是冶金行业轧钢生产中最主要的工模具，是模具材料的重要部分。随着我国钢铁工业的发掌，我国轧辊年消耗资金已达90亿元以上。
棒线材热连轧机从90年代进入我国，已得到广泛采用。其轧辊材料也由铸铁、合金工具钢发展到硬质合金、普通高速钢。但是，铸铁、合金工具钢耐磨性差，硬质合金、普通高速钢易爆辊，均无法满足棒线材连轧机的生产需要。
所以，轧辊已成为制约棒线材连轧机生产效率的主要因素。
轧辊材质发展的明显趋势是广泛使用合金元素且逐渐提高合金化程度。如热轧带钢精轧前段由20世纪30年代的高镍铬无限冷硬铸铁轧辊发展到60年代的半钢工作轧辊，70年代开始使用高铬铸铁轧辊和高铬铸钢轧辊，80年代末开始使用高速钢轧辊。冷轧带钢工作辊材质由2％Cr钢发展到3％Cr、5％Cr钢，到了90年代开始使用半高速钢。
棒线材和型材轧机轧辊材质也由普通冷硬铸铁、合金球墨铸铁、高镍铬无限冷硬铸铁、高铬铸铁、锻造合金工具钢发展到硬质合金和高速钢。
棒线材轧机使用的轧辊现状
①普通铸铁使用状况
目前，棒线材热连轧机普遍使用高镍铬无限冷硬球墨铸铁轧辊，该轧辊耐磨性极差，单槽过钢量仅有几十吨，所以，造成轧机在工作过程中，频繁换辊，换槽，由于，换辊、换槽过程中，加热炉仍然在加热钢坯，造成，钢坯烧损严重；同时，更换轧槽后，需试轧一至二根钢坯，以上两个因素，均使成材率下降；由于铸铁轧辊碳化物粗大，所以，造成在轧钢过程中，磨损极不均匀，在钢厂进行负公差轧制时，极不容易，控制轧制精度，严重影响轧件质量。
所以，铸铁轧辊已不能满足棒线材热连轧机的生产需要，目前，钢厂使用铸铁轧辊，完全是不得以而为之。
②高档轧辊的使用状况
目前，各钢厂使用过的高档轧辊主要有国外硬质合金轧辊、国内硬质合金、铸造高速钢轧辊三种。
国外硬质合金轧辊售价高达1200元/kg，且对冷却水要求很高，一个钢厂如使用国外硬质合金轧辊，需投入数千万元进行冷却水改造，所以，国外硬质合金轧辊并不符合我国国情。
国内硬质合金抗热应力能力差，同时，由于硬质合金，用粉末冶金方式再造，存在大量的小孔，抗冲击韧性很差，在使用中，会出现爆辊现象，不能满足棒线材轧机的生产需要。
铸造高速钢轧辊，其组织是大量碳化物+高碳马氏体，高速钢中存在大量网状碳化物，在轧钢过程中，极易出现裂纹，而高碳马氏体韧性不足，无法阻止裂纹扩展，所以铸造高速钢应用于棒线材热连轧机时，均出现，爆辊现象，完全不能满足棒线材轧机的生产需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于棒线材连轧机的新型硬质材料轧辊及其制造方法。
众所周知，材料的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明是采用一种反应铸造法及相应的热处理工艺制造而成。
应用于轧辊的材料必须具有优异的耐磨性，通常要求轧辊中碳化物数量在15％以上，为了给合金元素提供足够的碳，本材料中的碳及合金含量高于常规高速钢，C为1.5％～2.5％，轧辊材料中合金碳化物数量22％以上。使本材料中的碳大部分与W、Cr、Mo、V等形成高硬度碳化物，以改善轧辊耐磨性，另外，少量的碳进入基体，改善高速钢的淬透性和淬硬性。
棒线材热连轧机，具有热应力大，冲击负荷大的特点，通过对基体成份的研究，当合金成份含量不同时，金属材料的C曲线会发生不同的变化，在此基础上，使用急冷+控制冷却+回火的热处理工艺可以得到强韧性配合极佳基体组织，以满足棒线材热连轧机轧辊的使用要求。
对本材料采用稀土-钛-铌等进行复合变质处理，可有效的改善本材料中的碳化物形态和分布，消除典型的网状组织，使碳化物细化且分布均匀化，经急冷+控制冷却+回火热处理后能获得优良的综合力学性能。
根据本发明的技术方案，本发明适用于棒线材连轧机的新型硬质材料轧辊的化学组成是(重量％)：C：1.5～2.5，W：5.0～8.0，Mo：5.5～8.0，V：3.0～5.0，Cr：4.0～6.0，Ni：0.5～1.0，Re：0.04～0.10；Ti：0.08～0.20，Al：0.10～0.30，Si0.7～1.5，Mn：1.5-3.0，其余为Fe。
上述化学成分中，碳：碳是获得高硬度耐磨碳化物颗粒增强相所必须的元素，同时部分碳固溶于基体，改善基体的淬透性和淬硬性。加入量过少，高硬度耐磨碳化物颗粒增强相少，材料耐磨性差，加入量过多，高硬度耐磨碳化物颗粒增强相多，材料韧性降低，碳的加入量还与碳化物形成元素铬、钼、钨和钒等元素有关，因此碳含量以1.5％～2.5％为宜。
铬、钼、钨、钒：加入铬、钼、钨和钒的主要目的是为了获得高硬度的耐磨碳化物，加入量太少，高硬度耐磨碳化物颗粒增强相少，材料耐磨性差，加入量过多，高硬度耐磨碳化物颗粒增强相多，材料韧性降低。铬、钼、钨和钒除了形成碳化物外，还有部分溶入基体，改善基体淬透性和红硬性，溶入基体的铬还可以改善材料的抗氧化性。因此铬含量以4.0％～6.0％为宜，钨含量以5.0％～8.0％为宜，钼含量以5.5％～8.0％为宜，钒含量以3.0％～5.0％为宜。
镍：镍是非碳化物形成元素，主要溶于基体，能提高材料的韧性和抗疲劳性能。镍还与铁以互溶的形式存在于钢中，使之强化。镍还可以降低临界转变温度和降低钢中各元素的扩散速度。镍加入量过多，材料淬火组织中低硬度的残留奥氏体太多，不利于改善材料耐磨性，因此将其含量控制在0.5％～1.0％。
稀土加入金属熔体中具有脱硫、除气的作用，同时稀土与液态金属反应生成的细小粒子，加速凝固的形核作用，表面活性稀土元素在流动的晶体表面形成吸附原子薄膜，降低流动离子的速度，稀土元素的这些特性能细化新材料的晶粒，限制树枝晶偏析，提高机械性能和耐磨性。稀土加入量过多，使稀土夹杂物增多，反而降低材料的性能，因此稀土含量控制在0.04-0.10％。
钛的目的是为了细化组织，提高材料的强度和韧性，钛还可提高材料的抗氧化性，加入量过少，对材料的性能影响不大，加入量过多，增大材料的热裂倾向，因此钛含量控制在0.08％～0.20％。
铝使M2C碳化物分解温度降低，有利于片状M2C碳化物大量分解并粒化，促进颗粒状增强碳化物的形成，改善复合材料的强韧性。因此将铝控制在0.10-0.30％
硅：硅是非碳化物形成元素，主要溶于基体，降低复合材料的热疲劳性能。
因此将硅含量限制在0.7～1.5％。
锰：锰有提高淬透性和强化基体作用，同时，降低临界转变温度，并且因为造成奥氏体的不稳定，有利于控制相变。因此将锰含量限制在1.5％-3.0％。
另外，不可避免的微量杂质是原料中带入的，主要有磷和硫，均是有害元素，为了保证原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊的强度、韧性和耐磨性，将磷、硫含量分别控制在0.05％以下。
本发明所述适用于棒线材连轧机的新型硬质材料轧辊的制造方法，采用电炉冶炼，用离心铸造、金属型铸造，使用独具特色的急冷+控制冷却+回火的热处理工艺；
其工艺步骤是：
①将普通废钢、钨铁、钼铁、钒铁、铬铁和镍板混合加热熔化，用石墨增碳；
②炉前调整成分合格后将温度升至1600℃～1650℃，加入脱氧剂铝，而后出炉；
③将镧铈混合稀土、钛铁破碎至粒度小于20mm的小块，经250℃～300℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对金属熔体进行复合变质处理；
④轧辊采用离心铸造、金属型铸造等方法成型，金属熔体浇铸温度为1460～1500℃；
⑤轧辊经950～1150℃高温奥氏体化后，急冷至500℃-600℃，然后以5℃～20℃/分冷速控制冷却至室温；
⑥轧辊然后在500～600℃进行消除应力的回火处理。
最后可以获得强韧性板条型基体组织上镶嵌有大量高硬度碳化物颗粒的适用于棒线材连轧机的新型硬质材料。
附图说明
图1为本发明适用于棒线材连轧机的新型硬质材料轧辊的金相组织图。
图1中，在光镜下可见强韧性板条型基体上镶嵌有大量高硬度碳化物颗粒。该基体组织特点：板条型组织强韧型配合极好，同时，在基体上镶嵌着大量细小均匀的各种高硬度碳化物颗粒，所以耐磨性也极好。
具体实施例
实施例1：
本发明轧辊用300公斤中频感应电炉熔化，其制造工艺步骤是：
①将普通废钢、生铁、钨铁、钼铁、钒铁、铬铁和镍板混合加热熔化；
②炉前调整成分合格后将温度升至1645℃，加入脱氧剂铝，而后出炉；
③将镧铈混合稀土、钛铁破碎至粒度小于20mm的小块，经280℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对金属熔体进行复合变质处理；
④轧辊采用离心铸造方法成型，轧辊尺寸φ300mm×600mm，金属熔体浇铸温度为1490℃；
⑤轧辊经1130℃高温奥氏体化后，急冷至590℃然后以15℃-20℃/分冷速控制冷却至室温；
⑥轧辊然后在590℃进行消除应力的回火处理。
最后可以获得高韧性基体上镶嵌有高硬度碳化物颗粒的适用于棒线材连轧机的新型硬质材料轧辊。轧辊化学成分见表1。金相照片见图1。
在轧辊本体上测试其硬度为67～68HRC。在与轧辊同炉浇铸、同炉热处理的Y型试块上切取20mm×20mm×110mm试样和φ10mm×130mm试样，测试材料的冲击韧性为16～20J/cm2，测试材料的抗拉强度为900～1200MPa。该材料轧辊在高速线材轧机预精轧机架使用，轧制φ6.5mm普碳钢线材，单槽过钢量超过6000吨，修磨量小于1.2mm。
表1 轧辊化学成分
| 元素 | C | W | Mo | V | Cr | Ni | Re |
| 成分 | 1.73 | 7.86 | 7.54 | 3.88 | 5.77 | 0.61 | 0.05 |
| 元素 | Al | Si | Mn | S | P | Fe | Ti |
| 成分 | 0.12 | 1.17 | 1.84 | 0.009 | 0.028 | 余量 | 0.19 |
实施例2：
本发明的新型硬质材料轧辊用500公斤中频感应电炉熔化，其制造工艺步骤是：
①将普通废钢、生铁、钨铁、钼铁、钒铁、铬铁和镍板混合加热熔化，；
②炉前调整成分合格后将温度升至1630℃，加入脱氧剂铝，而后出炉；
③将镧铈混合稀土、钛铁破碎至粒度小于20mm的小块，经270℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对金属熔体进行复合变质处理；
④轧辊采用金属型铸造方法成型，轧辊尺寸φ380mm×700mm，金属熔体浇铸温度为1480℃；
⑤轧辊经980℃高温奥氏体化后，急冷至520℃然后以5℃-10℃/分冷速控制冷却至室温；
⑥轧辊然后在550℃进行消除应力的回火处理。
最后可以获得高强韧性板条型基体上镶嵌有高硬度碳化物颗粒的适用于棒线材连轧机的新型硬质材料轧辊，轧辊化学成分见表2，金相照片见图1。在轧辊本体上测试其硬度为65～67HRC。在与轧辊同炉浇铸、同炉热处理的Y型试块上切取20mm×20mm×110mm试样和φ10mm×130mm试样，测试材料的冲击韧性为18～20J/cm2，测试材料的抗拉强度为890～1180MPa。新型硬质材料轧辊在棒线材轧机精轧机架轧制φ12mm螺纹钢，单组过钢量超过1200吨，修磨量小于4.0mm。
表2 轧辊化学成分
| 元素 | C | W | Mo | V | Cr | Ni | Re |
| 成分 | 2.37 | 6.57 | 5.98 | 4.98 | 4.85 | 0.97 | 0.08 |
| 元素 | Al | Si | Mn | S | P | Fe | Ti |
| 成分 | 0.26 | 1.26 | 2.68 | 0.017 | 0.033 | 余量 | 0.09 |
本发明轧辊强度和硬度高，韧性好，耐磨性和抗氧化性优良，抗激冷激热性能极好。在使用过程中不断裂、不起皮、不发生龟裂、不粘钢，在棒线材轧机上，使用性能明显优于高铬铸铁和高镍铬无限冷硬铸铁以及高速钢轧辊、国产硬质合金轧辊。使用性能接近国外硬质合金轧辊，但使用成本大大低于国外硬质合金轧辊，更加符合我国国情。使用本发明轧辊可以显著提高轧钢机作业率，降低轧材生产成本，具有很好的经济效益。
Claims (2)
1、一种适用于棒线材连轧机的新型硬质材料轧辊，其特征在于：轧辊的化学组成按重量百分比是：C：1.5～2.5，W：5.0～8.0，Mo：5.5～8.0，V：3.0～5.0，Cr：4.0～6.0，Ni：0.5～1.0，Re：0.04～0.10；Ti：0.08～0.20，Al：0.10～0.30，Si 0.7～1.5，Mn：1.5-3.0，其余为Fe。
2、一种如权利要求1所述适用于棒线材连轧机的新型硬质材料轧辊的制造方法，其特征在于轧辊用电炉冶炼，用离心铸造、金属型铸造，使用独具特色的急冷+控制冷却+回火的热处理工艺；
其工艺步骤是：
①将普通废钢、钨铁、钼铁、钒铁、铬铁和镍板混合加热熔化，用石墨增碳；
②炉前调整成分合格后将温度升至1600℃～1650℃，加入脱氧剂铝，而后出炉；
③将镧铈混合稀土、钛铁破碎至粒度小于20mm的小块，经250℃～300℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对金属熔体进行复合变质处理；
④轧辊采用离心铸造、金属型铸造等方法成型，金属熔体浇铸温度为1460～1500℃；
⑤轧辊经950～1150℃高温奥氏体化后，急冷至500℃-600℃，然后以5℃～20℃/分冷速控制冷却至室温；
⑥轧辊然后在500～600℃进行消除应力的回火处理。
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