CN101407891B - 一种含硼半高速钢冷轧辊及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种含硼半高速钢冷轧辊及其制造方法属于轧钢技术领域。现有冷轧辊具有耐磨性差，生产成本高等问题。本发明通过将成分为(重量％)0.30-0.45C、3.8-4.2Cr、0.2-0.6Si、0.2-0.6Mn、0.5-0.8Mo、0.2-0.4Ni、0.3-0.6Cu、0.6-1.0B、0.3-0.7V、0.6-0.8Ti、0.1-0.3Nb、0.03-0.10N、0.25-0.45Al，S<0.03，P<0.04，余量Fe的钢水浇注成轧辊外层，芯部采用球墨铸铁或者将钢水直接浇注成铸锭，得到含硼半高速钢冷轧辊。本发明轧辊具有硬度和强度高、韧性和耐磨性好，生产工艺简单、成本低等优点。

Description

一种含硼半高速钢冷轧辊及其制造方法

技术领域

本发明属于轧钢技术领域，具体涉及一种冷轧辊材料及其制造方法，特别涉及一种含硼半高速钢冷轧辊及其制造方法。

背景技术

冷轧工作辊(常简称为冷轧辊)是冷轧机的主要消耗部件，在工作过程中，由于被挤压材料的变形抗力比较大，轧辊的工作部分受到强烈的摩擦和挤压，其质量的好坏对冷轧板材的质量、成本、产量起着非常重要的作用，故冷轧辊应具有高强度、硬度和耐磨性。随着现代冷轧机向大型化和高速化方向发展，冷轧辊用钢从传统的铬钢系(如9Cr2Mo、86CrMoV7、Cr3、Cr5、Cr10等)向高铬铸铁和半高速钢和高速钢转变，冷轧辊的性能有了大幅度的提高。为了提高冷轧辊的耐磨性，延长其使用寿命，中国发明专利CN1060501公开了一种高合金耐热耐磨钢，其化学成份重量百分比是：1.30-2.4C，Mn≤1.5，Si≤1.5，23-32Cr，3-8Ni，Mo≤0.70，Ti≤0.20，P≤0.05，S≤0.05，余量为Fe，这种钢经浇铸、精加工、滚压、低温回火油浸后制成的矫直辊、挤压辊及冷轧辊等比传统材质制成的同类产品寿命提高3倍以上。但这种材料中含有较多价格昂贵的镍，导致生产成本增加。另外，铬含量也很高，导致材料熔炼困难，且铸造性能差，过多的铬也增加了生产成本。中国发明专利CN1951606公开了一种高铬铸铁复合冷轧辊生产工艺。其轧辊包括辊芯和轧辊耐磨层，辊芯采用低合金钢或中碳钢制作，轧辊耐磨层采用高铬白口铸铁材料制作，辊芯与轧辊耐磨层通过感应加热，其热成型工艺是：将铸型放入感应加热设备中，再将预制的低合金钢或中碳钢辊芯放入铸型，开启感应加热设备加热辊芯，加热至1200-1400℃时，浇入高铬铸铁熔液，再继续小功率加热5-15分钟后停止加热，通过循环水直至凝固完毕。该发明轧辊在重力下凝固，组织不易致密，影响轧辊耐磨性，另外，外层高铬铸铁韧性低、脆性大，轧辊使用过程中易出现开裂和剥落，影响轧机设备的正常运行和轧材表面质量。中国发明专利CN1170640公开了一种用普通钢料制取冷轧辊的工艺方法，先用35、45号钢铸成毛坯，预热到150-250℃，然后用高硬度耐磨药芯堆焊，焊完以后保温2-4小时，缓冷后进行机械加工，使精度达到要求，硬度可以达到62HRC以上，甚至可以达到69HRC，但堆焊方法制造冷轧辊存在辊面硬度均匀性差，且堆焊层易产生夹杂、气孔等缺陷，影响轧辊使用寿命。含0.50～0.56％C，0.36～0.39％Mn，0.95～1.03％Si，5.34～5.68％Cr，0.31～0.41％Ni，1.00～1.04％Mo和0.29～0.30％V的半高速钢经970～1000℃淬火，在500℃回火有明显的二次硬化，淬、回火后具有良好的综合机械性能，是优良的冷轧中间辊材质(李朝华，王志新，刘英武，冷轧中间辊用半高速钢16Cr5D的组织和性能，特殊钢，2006年27卷1期，28-29)。含0.5～1.0％C，4.0～10.0％Cr，0.5～2.0％Mo，0.5～1.0％V和<1.0％W半高速钢制作的冷轧中间辊，具有非常好的抗疲劳和抗磨损性能，半高速钢冷轧辊的磨损量是常用含铬2％钢种的一半。此外，因为半高速钢回火温度为480℃，而常用钢只有250℃，因此半高速钢冷轧辊具有更好的抗事故性能(汪磊川译，徐泷校，冷轧机采用新型锻造半高速钢和高速钢轧辊，武钢技术，2000年38卷2期，60-62)。由于半高速钢轧辊中合金元素加入量较少，存在淬透性较差和淬硬层浅的不足。因此，开发新型冷轧辊材质及其制造工艺，对延长冷轧辊寿命，降低辊耗，提高冷轧设备作业率，改善轧材表面质量以及降低轧钢生产成本，将具有积极的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硬度高、韧性和耐磨性好、生产工艺简便、生产成本较低以及易成型的含硼半高速钢冷轧辊。

普通高速钢主要作为切削工具或作为模具使用，由于工作条件恶劣，对钢的耐磨性和红硬性要求很高。为保证较高的耐磨性和红硬性，高速钢中的合金元素含量很高。半高速钢是为节约合金元素而尝试减少高速钢中的合金元素含量，并使其仍然保持足够的二次硬化效果，在大致相同的热处理工艺下，可以得到与高速钢相同的硬度，从而可以代替高速钢使用。本发明以半高速钢为基础，加入硼元素，并减少价格较高的钒、钼元素加入量。半高速钢具有高硬度和优异的耐磨性，加入硼元素后，部分硼溶于基体，可以改善半高速钢淬透性，部分硼可以形成硬度高、热稳定性好的硼化物，可以进一步提高半高速钢硬度，并提高轧辊耐磨性。为了改善硼化物形态和分布，提高含硼半高速钢的强度和韧性，还加入了钛、氮、铝和铌等元素，另外还加入少量的镍和铜，进一步提高轧辊淬透性。

本发明所提供的一种含硼半高速钢冷轧辊，其化学成分(重量％)为：0.30-0.45C、3.8-4.2Cr、0.2-0.6Si、0.2-0.6Mn、0.5-0.8Mo、0.2-0.4Ni、0.3-0.6Cu、0.6-1.0B、0.3-0.7V、0.6-0.8Ti、0.1-0.3Nb、0.03-0.10N、0.25-0.45A1、S<0.03、P<0.04，余量Fe。

本发明所提供的一种含硼半高速钢冷轧辊的制造工艺，包括以下步骤：

1)首先在电炉内熔化含硼半高速钢，即将废钢、铬铁、生铁、硅铁、锰铁、钼铁、镍板和铜板混合加热熔化，当钢水温度升至1550-1600℃时，用铝脱氧和合金化，然后依次加入钒铁、铌铁、钛铁和硼铁，并将钢水升温至1600-1620℃，炉前调整成分合格后，将钢水浇入浇包，浇包内预先放置有颗粒尺寸8-10mm的氮化铬铁；

2)采用钢包底吹氩气对钢水进行净化处理，钢包底吹氩气流量为6-12Nm³/h，吹氩时间4-10min；

3)将步骤2)中的钢水在离心机内浇注成轧辊外层，芯部采用球墨铸铁；

4)轧辊粗加工后，在1020-1080℃加热，保温2-6小时后，喷水雾冷却，随后在450-520℃回火两次，回火保温时间5-10小时，最后精加工至规定尺寸和精度。

其中，步骤3)中可以将步骤2)中的钢水直接浇注成铸锭，并经锻造成型方法制备成轧辊。

合金材质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，本发明含硼半高速钢冷轧辊的化学成分是这样确定的：

碳：普通半高速钢的碳含量一般在0.5-1.0％之间，加入碳的目的主要是为了与钒结合，生成高硬度MC型碳化物，部分碳溶于基体，提高基体淬硬性。由于钒价格昂贵，本发明材料钒含量比普通半高速钢明显下降，因此可以适当降低碳含量，碳含量的下降，有利于提高半高速钢的强度和韧性，改善其疲劳性能，但是，碳含量过低，基体淬硬性差，导致轧辊耐磨性下降，综合考虑，将碳含量控制在0.30-0.45％。

铬：半高速钢中加入铬的主要目的是为了提高材料淬透性，这是因为铬与碳形成的碳化物热稳定性差，高温淬火加热时，碳化物易分解进入基体，促进基体淬透性的明显提高，铬含量过多增加半高速钢中碳化物的不均匀度，反而降低钢的强度和韧性，综合考虑，将铬含量控制在3.8-4.2％。

钒：钒是极强烈的碳化物形成元素，半高速钢轧辊中加入适量的钒，易形成高硬度的VC，有利于提高耐磨性，但是VC密度比半高速钢熔体低，离心铸造条件下易发生偏析，偏聚于轧辊内层，不利于改善轧辊耐磨性，且钒的价格较高，综合考虑，将钒含量控制在0.3-0.7％。

钼：加入适量的钼是为了强化半高速钢的回火马氏体基体，提高半高速钢的抗回火稳定性，钼还可减轻钢的回火脆性和细化莱氏体组织，钼价格昂贵，加入量过多，将显著增加轧辊生产成本，综合考虑，将钼含量控制在0.5-0.8％。

镍和铜：镍和铜是非碳化物、硼化物形成元素，加入半高速钢中，主要溶于基体，提高基体淬透性，镍加入量过多，使淬火残留奥氏体增多，回火后也不易去除，反而降低冷轧辊硬度，损害冷轧辊耐磨性，铜加入量过多，易在晶界沉淀析出，不利于改善半高速钢轧辊性能，综合考虑，将镍含量控制在0.2-0.4％，铜含量控制在0.3-0.6％。

硼：硼是我国富产元素，总贮量占世界第五位。硼是一种特殊的元素，原子序数为5，介于金属与非金属之间，既能与金属化合又能与非金属化合，如硼与钛反应易生成TiB₂，硼与氮反应易生成BN。在铸铁中加入少量的硼(0.01-0.10％B)，可以有效的提高铸铁的硬度和耐磨性，目前硼铸铁作为一种很好的减摩材料已成功应用到活塞环、发动机气缸套和机床导轨上，并使其磨损量明显减少。近来，硼应用于抗磨白口铸铁中，也明显改善了抗磨白口铸铁的淬透性和耐磨性。硼加入半高速钢中，主要是利用硼与铁反应，生成硬度高、热稳定性好的Fe₂(B，C)化合物，有利于提高半高速钢的硬度，并改善其耐磨性，另外，少量硼固溶于基体，有利于提高基体的淬透性和淬硬性。但是，硼加入量过多，导致半高速钢的强度和韧性下降，综合考虑，将硼含量控制在0.6-1.0％。

钛：含硼半高速钢中加入钛元素后，易生成高硬度的TiB₂，呈孤立分布，有利于提高含硼半高速钢的强度和韧性。含硼半高速钢中加入钛元素不会生成TiC和TiB，只形成TiB₂，这与反应的热力学和动力学有关。从反应热力学看，形成TiC、TiB和TiB₂的反应关系式如下：

Ti+B＝TiB       ΔG^o＝-163200+5.9T        式(1)

Ti+2B＝TiB₂     ΔG^o＝-284500+20.5T       式(2)

Ti+C＝TiC           ΔG^o＝-184800+12.55T        式(3)

从式(1)至式(3)可以看出，生成TiB₂的反应自由能绝对值最大，在热力学上是最稳定的，也是最容易生成的。从动力学看，金属熔体中硼含量比碳含量高，金属熔体中生成TiB₂比生成TiC更容易，因此，凝固组织中只会出现TiB₂，不会出现TiC和TiB。钛的合适加入量为0.6-0.8％。

氮：氮加入含硼半高速钢中，易与其中的钛反应生成TiN，TiN熔点为2950℃，根据Bramfitt(Bramfitt B L.Planar latticedisregistry theory and its application on heterogistry nucleiof metal.Metall Trans，1970，1(7)：1987-1995)提出的错配度理论，高熔点化合物能否成为新结晶相的非自发晶核，可用两相晶格间的错配度来判定，即：

$\mathrm{\&delta;}=\frac{a_C-a_N}{a_N}$          式(4)

式中δ—错配度，α_C—化合物低指数面的点阵间距，α_N—新结晶相低指数面的点阵间距。δ值越小，两相匹配愈好，化合物越易成为非自发晶核。Bramfitt按照错配度理论研究多种化合物在纯铁及钢中凝固的行为。发现TiN与γ-Fe晶格间具有很低的错配度，仅为3.9％。一般认为当两相错配度小于12％，高熔点的化合物相能作为非自发核心，促进形核，使铸态组织细化，而且，错配度越小，效果越明显。TiN与高温γ晶格具有很低的错配度，同时又具有很高的熔点，因此强烈的促进形核，可成为结晶核心，使铸态晶粒细化。有利于提高含硼高速钢的强度和韧性，加入量过多，铸件中易出现气孔，反而不利于改善轧辊的性能，综合考虑将氮含量控制在0.03-0.10％。

铌：铌是强碳化物形成元素，加入适量铌，易形成高熔点的NbC、NbN，它们可作为Fe₂(B，C)化合物结晶核心，促进Fe₂(B，C)化合物的细化及其断网和孤立分布，提高含硼半高速钢的强度和韧性，合适的加入量宜控制在0.1-0.3％。

铝：铝加入含硼半高速钢中，具有脱氧、除气、净化钢液并降低初生奥氏体形核阻力的作用。另外，铝与氧、氮易形成Al₂O₃和AlN，作为异质形核核心的Al₂O₃和AlN，加速了奥氏体的的凝固，使晶粒细化。另外铝为非硼化物形成元素，限制了共晶硼化物的数量，也限制了共晶硼化物的粗化。凝固过程中，铝元素主要富集在硼化物的表面，也能起到阻碍熔体中的B、C、Fe等硼化物形成元素的原子向硼化物晶体扩散的作用，从而减缓了硼化物的生长速率并细化硼化物。并且铝元素也能优先吸附在生长较快的晶面上从而降低硼化物在择优长大方向上的生长速度，促进了硼化物形貌的改善，有利于大幅度提高含硼半高速钢的力学性能。铝加入量过多，钢水熔炼困难，流动性差，不利于浇注成型，合适的铝加入量宜控制在0.25-0.45％。

本发明含硼半高速钢冷轧辊与现有技术相比具有如下特点：

1)含硼半高速钢冷轧辊与普通半高速钢冷轧辊相比，贵重合金元素钼、钒加入量明显减少，可以明显降低轧辊生产成本；

2)含硼半高速钢冷轧辊中因硼元素的加入，可以形成高硬度硼化物，提高轧辊硬度，改善轧辊耐磨性，另外部分硼溶入基体，可提高基体淬透性，本发明含硼半高速钢冷轧辊的硬度大于92 HSD，淬硬层深度大于40mm；

3)含硼半高速钢冷轧辊基体组织是板条马氏体，比普通半高速钢冷轧辊中的高碳片状马氏体具有更好的强度、韧性和抵抗裂纹萌生与扩展的能力，半高速钢冷轧辊经钛、氮、铌、铝多元微合金化处理后，硼化物呈孤立均匀分布于板条马氏体基体上，促进含硼半高速钢冷轧辊强度和韧性的提高，其中拉伸强度大于850Mpa，冲击韧性大于20J/cm²；

4)含硼半高速钢冷轧辊具有优良的使用性能，在带钢冷轧机上使用，其耐磨性比9Cr2Mo锻钢冷轧辊提高3倍以上，比普通半高速钢冷轧辊提高60％以上。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详述：

具体实施方式

实施例1

含硼半高速钢冷轧辊采用1000公斤中频电炉熔炼，其制造工艺步骤如下：

1)首先在电炉内熔化含硼半高速钢，即将废钢、铬铁、生铁、硅铁、锰铁、钼铁、镍板和铜板混合加热熔化，当钢水温度升至1596℃时，用铝脱氧和合金化，然后依次加入钒铁、铌铁、钛铁和硼铁，并将钢水升温至1617℃，炉前调整成分合格后，将钢水浇入浇包，浇包内预先放置有颗粒尺寸8-10mm的氮化铬铁。

2)采用钢包底吹氩气对钢水进行净化处理，钢包底吹氩气流量为10Nm³/h，吹氩时间8min。

3)将上述钢水在离心机内浇注成轧辊外层，芯部采用球墨铸铁。

4)轧辊粗加工后，在1070℃加热，保温3小时后，喷水雾冷却，随后在490℃回火两次，回火保温时间8小时，最后精加工至规定尺寸和精度。含硼半高速钢冷轧辊成分见表1，力学性能及淬硬层深度见表2。

 

元素	C	Cr	Si	Mn	Mo	Ni	Cu	B
									成分	0.38	4.02	0.37	0.40	0.65	0.32	0.49	0.78
元素	V	Ti	Nb	N	Al	S	P	Fe
									成分	0.50	0.71	0.24	0.07	0.36	0.022	0.037	余量

表1 含硼半高速钢冷轧辊成分/％

 

硬度/HSD	冲击韧性/(J/cm<sup>2</sup>)	抗拉强度/MPa	淬硬层深度/mm
				93.5	21.2	864.8	42

表2 含硼半高速钢冷轧辊力学性能

实施例2

含硼半高速钢冷轧辊采用1500公斤中频电炉熔炼，其制造工艺步骤如下：

1)首先在电炉内熔化含硼半高速钢，即将废钢、铬铁、生铁、硅铁、锰铁、钼铁、镍板和铜板混合加热熔化，当钢水温度升至1554℃时，用铝脱氧和合金化，然后依次加入钒铁、铌铁、钛铁和硼铁，并将钢水升温至1601℃，炉前调整成分合格后，将钢水浇入浇包，浇包内预先放置有颗粒尺寸8-10mm的氮化铬铁。

2)采用钢包底吹氩气对钢水进行净化处理，钢包底吹氩气流量为6Nm³/h，吹氩时间5min。

3)将上述钢水直接浇注成铸锭，并经锻造成型方法制备成轧辊。

4)轧辊粗加工后，在1030℃加热，保温6小时后，喷水雾冷却，随后在460℃回火两次，回火保温时间10小时，最后精加工至规定尺寸和精度。含硼半高速钢冷轧辊成分见表3，力学性能及淬硬层深度见表4。

 

元素	C	Cr	Si	Mn	Mo	Ni	Cu	B
									成分	0.44	3.83	0.58	0.20	0.53	0.39	0.30	0.61
元素	V	Ti	Nb	N	Al	S	P	Fe
									成分	0.69	0.62	0.11	0.03	0.28	0.028	0.035	余量

表3 含硼半高速钢冷轧辊成分/％

 

硬度/HSD	冲击韧性/(J/cm<sup>2</sup>)	抗拉强度/MPa	淬硬层深度/mm
				92.8	27.6	934.7	41

表4 含硼半高速钢冷轧辊力学性能

实施例3

含硼半高速钢冷轧辊采用750公斤中频电炉熔炼，其制造工艺步骤如下：

1)首先在电炉内熔化含硼半高速钢，即将废钢、铬铁、生铁、硅铁、锰铁、钼铁、镍板和铜板混合加热熔化，当钢水温度升至1573℃时，用铝脱氧和合金化，然后依次加入钒铁、铌铁、钛铁和硼铁，并将钢水升温至1612℃，炉前调整成分合格后，将钢水浇入浇包，浇包内预先放置有颗粒尺寸8-10mm的氮化铬铁。

2)采用钢包底吹氩气对钢水进行净化处理，钢包底吹氩气流量为12Nm³/h，吹氩时间4min。

3)将上述钢水在离心机内浇注成轧辊外层，芯部采用球墨铸铁。

4)轧辊粗加工后，在1050℃加热，保温4小时后，喷水雾冷却，随后在520℃回火两次，回火保温时间5小时，最后精加工至规定尺寸和精度。含硼半高速钢冷轧辊成分见表5，力学性能及淬硬层深度见表6。

 

元素	C	Cr	Si	Mn	Mo	Ni	Cu	B
									成分	0.32	4.14	0.24	0.57	0.79	0.20	0.58	0.97
元素	V	Ti	Nb	N	Al	S	P	Fe
									成分	0.31	0.77	0.29	0.10	0.44	0.021	0.038	余量

表5 含硼半高速钢冷轧辊成分/％

 

硬度/HSD	冲击韧性/(J/cm<sup>2</sup>)	抗拉强度/MPa	淬硬层深度/mm
				93.9	20.7	858.6	43

表6 含硼半高速钢冷轧辊力学性能

取本发明含硼半高速钢冷轧辊在带钢冷轧机上进行装机使用，轧制宽度600mm、厚度1.25mm冷轧带钢，经使用的实绩来看，该材质具有较强的抗事故能力和高的耐磨性，表面疲劳层小，毫米轧制量比9Cr2Mo锻钢冷轧辊提高3倍以上，比普通半高速钢冷轧辊提高60％以上。

本发明含硼半高速钢冷轧辊与现有技术相比有如下优点：

本发明含硼半高速钢冷轧辊强度高，韧性好，耐磨性优良，抗疲劳性能也很好，使用过程中不断裂、不剥落、不发生龟裂、不粘钢，使用性能明显优于9Cr2Mo锻钢冷轧辊和普通半高速钢冷轧辊，贵重合金元素加入量少，轧辊加工与锻钢辊相同，生产工艺简单，因而生产成本低。使用本发明冷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 (3)

1.一种含硼半高速钢冷轧辊，其特征在于，所述的轧辊的化学成分为，重量％：0.30-0.45C、3.8-4.2Cr、0.2-0.6Si、0.2-0.6Mn、0.5-0.8Mo、0.2-0.4Ni、0.3-0.6Cu、0.6-1.0B、0.3-0.7V、0.6-0.8Ti、0.1-0.3Nb、0.03-0.10N、0.25-0.45A1，S<0.03，P<0.04，余量Fe。

2.根据权利要求1所述的一种含硼半高速钢冷轧辊的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先在电炉内熔化含硼半高速钢，即将废钢、铬铁、生铁、硅铁、锰铁、钼铁、镍板和铜板混合加热熔化，当钢水温度升至1550-1600℃时，用铝脱氧和合金化，然后依次加入钒铁、铌铁、钛铁和硼铁，并将钢水升温至1600-1620℃，炉前调整成分合格后，将钢水浇入浇包，浇包内预先放置有颗粒尺寸8-10mm的氮化铬铁；

2)采用钢包底吹氩气对钢水进行净化处理，钢包底吹氩气流量为6-12Nm³/h，吹氩时间4-10min；

3)将步骤2)中的钢水在离心机内浇注成轧辊外层，芯部采用球墨铸铁；

4)轧辊粗加工后，在1020-1080℃加热，保温2-6小时后，喷水雾冷却，随后在450-520℃回火两次，回火保温时间5-10小时，最后精加工至规定尺寸和精度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3)中可以将步骤2)中的钢水直接浇注成铸锭，并经锻造成型方法制备成轧辊。