CN101469392A

CN101469392A - 切分轧辊用高耐磨合金及其制备方法

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Publication number: CN101469392A
Application number: CNA2007103060358A
Authority: CN
Inventors: 张朝龙
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-12-29
Filing date: 2007-12-29
Publication date: 2009-07-01

Abstract

本发明提供一种切分轧辊用高耐磨合金，其特征在于：各成分的重量百分数如下：C：1.9～3.8％，W：6～25％，Mo：6～18％，Cr：3～8％，Co：6～15％，V：5～15％，Nb：1.5～7.5％，Si：0.5～1.5％，Mn：0.3～ 1.2％，Ni：2～8.％，B：0.5～2.5％，S≤0.05％，P≤0.07％，其余为铁。本发明还提供上述切分轧辊用高耐磨合金的制备方法。本发明在提高材料耐磨性的同时大幅度提高冲击韧性，且制备工艺易于控制掌握。

Description

切分轧辊用高耐磨合金及其制备方法

所属技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种适用于制造处于高应力强磨粒磨损工况条件下的切分轧辊的高耐磨合金及该合金的制备方法。

背景技术

磨损是材料失效的主要方式之一，尤其是矿山、建材、电力、钢厂、轧辊等行业，由于钢厂轧辊(如钢厂棒材切分道次轧辊、高速线材预精轧辊环等)的轧钢使用寿命短，轧槽过钢量少，轧辊换槽频繁，全国要消耗普通高镍铬轧辊约上千万吨。普通轧辊不耐磨，消耗了大量金属材料，采用碳化钨价格昂贵，易爆辊剥落，影响了主机的运行效率。

为满足不同要求工况的需要，出现了各种耐磨材料，如高锰钢、低合金钢、白口铸铁等，其中高铬白口铸铁是目前耐磨性最优异的耐磨材料之一，得到广泛应用。但在一些高应力强磨粒磨损工况条件下，高铬白口铸铁的耐磨性、耐冲击性仍难以满足实际需要。这与高铬白口铸铁的组织结构特征有关。高铬白口铸铁的金相组织(淬火态)一般为M₇C₃型碳化物+马氏体基体，M₇C₃型碳化物的显微硬度(Hv1200～1800)，体积分数30％左右，相对于一些硬磨料如石英岩(Hv1000～1300)、刚玉(Hv1800)而言，其显微硬度还不理想，更为重要的是M₇C₃型碳化物的形貌是条块或菊花状，尽管其分布是不连续的网状，但对基体的割裂作用仍很大，大大降低了材料的冲击韧性，并且在基体组织磨损后条块状碳化物极易崩裂，失去对基体的保护作用，磨损加快。

发明内容

本发明提供一种切分轧辊用高耐磨合金，其目的解决现有技术存在的缺点，提供一种比现有技术的高铬白口铸铁的耐磨性和耐冲击韧性大大提高的合金以运用于切分轧辊。

本发明还提供了上述切分轧辊用高耐磨合金的制备方法

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

切分轧辊用高耐磨合金，其特征在于：各成分的重量百分数如下：C：1.9～3.8％，W：6～25％，Mo：6～18％，Cr：3～8％，Co：6～15％，V：5～15％，Nb：1.5～7.5％，Si：0.5～1.5％，Mn：0.3～1.2％，Ni：2～8.％，B：0.5～2.5％，S≤0.05％，P≤0.07％，其余为铁。

上述合金还含有Re：0～0.05％，Ti：0～0.5％。

上述合金成分中S≤0.03％，P≤0.03％。

上述切分轧辊用高耐磨合金的制备方法，其特征在于：

a：取生铁、废钢、铬铁、钼铁、钨铁、铌铁放入真空熔炼炉内加热熔化；

b：并将钒铁在钢水出炉20分钟前放入炉内加热熔化；

c：将真空熔炼炉内铁水升温至1500℃-1600℃，插铝充分脱氧；

d：硅铁、锰铁出炉前5分钟内加入，稀土、钛铁采用包内冲入法加入；

e：温度升至1490～1520℃时再次插铝脱氧后出炉；

f：铸件浇注温度1450～1500℃。

上述工艺得到的铸件冷却到1000～1150℃时放入高温炉进行等温冷却，冷却到350℃以下时出炉。因为温度冷却达到350℃以下时钢的内部组织结构不能再有变化。

当毛坯机械加工完成后留少量的磨加工量，再进行真空淬火处理，再三次低温回火处理。

上述技术方案的有益之处在于：本发明由于V的加入，形成了高硬度VC碳化物+WC碳化物，提高了材质耐磨性，同时由于V的作用，B的作用和W的作用，使材质铸态基体组织基本为碳化物+马氏体，可通过高温淬火处理，需要中温三次回火即可。本发明主要是以高硬度、红硬性好，呈弥散颗粒分布的碳化物WC+VC替代硬质合金，例如WC+CoC，在提高材料耐磨性的同时大幅度提高冲击韧性。其耐磨性是高铬白口铸铁的十几倍，冲击韧性是其三倍以上，且该合金的制备工艺易于控制掌握。

附图说明

图1是本发明合金的金相组织图。

具体实施方式

实施例1：根据表1中的成分重量百分数，在真空中频感应炉中熔炼，其工艺步骤是：将生铁、废钢、铬铁、钼铁、钨铁、铌等合金放入熔炼炉内加热熔化，并将钒铁在钢水出炉20分钟前放入炉内加热熔化；将熔炼炉内铁水升温至1500℃-1600℃，插铝充分脱氧后分批加入硅铁、锰铁出炉前5分钟内加入，稀土、钛铁采用包内冲入法加入；温度升至1490～1520℃时再次插铝脱氧后出炉；用离心铸造，当离心铸造钢水在模筒成型后，温度降到1350℃时，在离心模筒的外面加上强大的电磁感应圈，电磁感应圈通电电流60A，通电电压380V，电磁的磁力可以吸重达8吨左右的钢铁。通过强磁的作用，再次提高了钢的密度，解决了锻打难的问题，因为这样的材料不能锻打，浇注温度1460～1520℃；当铸件冷却到1000～1150℃时放入高温炉进行等温随炉冷却，冷却到350℃以下时出炉。

当毛坯机械加工完成后留少量的磨加工量，再进行真空淬火处理，再三次低温回火处理，就可以达到使用效果。

实施例2、实施例3的工艺步骤与实施例1相同，其成分重量百分数见表1。

本发明得到的合金金相组织图见图1。

表一化学成分

其余是铁和不可避免的杂质元素。

将实施例1、实施例2、实施例3得到的合金的契型试块线切割、磨削加工成10×10×55mm试样。机械性能和耐磨性能见表2。磨损实验是在ML——10型销盘式磨损试验机上进行，载荷1300g，磨料为150^#Al₂O₃水砂纸，磨损时间30min。

表二机械性能及其耐磨性

	硬度HRC	冲击韧性αk(J/cm2)	磨耗(mg)
	硬度HRC	冲击韧性αk(J/cm2)	磨耗(mg)	实施例1	68.0	9.6	0.75
实施例2	66.0	8.3	1.15	实施例1	68.0	9.6	0.75
实施例2	66.0	8.3	1.15	实施例3	62.7	9.0	1.43

将实施例1、实施例2、实施例3得到的合金的契型试块线切割、磨削加工成10×10×55mm试样。装机考核结果见表3。

表三装机考核结果

合金牌号	轧制过钢量(吨)
合金牌号	轧制过钢量(吨)	实施例1	4000吨
实施例2	3500吨	实施例1	4000吨
实施例2	3500吨	实施例3	1500吨

本发明的化学成分涉及依据如下：

研究表明：钒是一种极强烈的碳化物形成元素，所形成的VC碳化物，所以钢中含有大量的钨，所形成WC碳化物，加以少量的硼更进一步的细化钢中所有元素的晶粒提高了耐磨性。硬度(HRC68)远比Cr₇C₃型碳化物硬度(Hv1200～1800)高。在含铬铸铁中，少量的钒(<0.5％)就具有细化共晶组织，改变共晶碳化物分布及形貌，产生弥散强化等作用。在铸态冷却条件下，它即能使奥氏体析出二次碳化物，降低碳与铬的含量，提高Ms点的温度，从而有利于马氏体的转变，提高材料抗磨损力。当钒含量增至5.5％时出现白亮的高钒碳化物颗粒，基体弥散析出二次碳化物，明显降低了奥氏体的稳定性，使部分基体转变成马氏体。但钒含量超过8.0％时，高钒碳化物颗粒及弥散的二次碳化物数量明显增加，基体基本转变成马氏体。由于VC碳化物度极高，且呈弥散颗粒状分布，对基体的割裂很小，由于钢中含有大量的钨，钨的含量以达到15％以上，在钢中又形成了钨的碳化物，因钨的比重在1.3％/CM，其它合金元素比重在0.7-0.8％/CM，所以钨比钢中的其它元素重，在离心铸造时通过离心的力，大量钨的碳化物往钢管的外面释放，大大的发挥钨在钢中的作用，因而进一步提高高耐磨合金的耐磨性、耐冲击都远高于高铬白口铸铁。

本发明的化学成分限定含量范围理由如下：

钒：含量在8.0％以上。含量过低，所析出的碳化物VC量少，材料的性能仍会以Cr₇C₃型碳化物特性为主，只有当碳化物VC的量达15％以上时，其作用才会非常显著。考虑综合成本其最高含量布超过16.0％；

碳：碳对材料的耐磨性和冲击韧性有重要影响。碳高则硬度高，耐磨性好，但冲击韧性低。兼顾考虑碳量控制在3.2％以下；

铬：为保证材质既有优异的耐磨性，其碳化物含量应处于合适的范围，一般体分比控制在3～8％。铬作为辅助强化元素与碳也有很强的结合力，所形成的Cr₇C₃型碳化物既有较好的耐磨性，且呈断续状分布。铬的含量与碳含量有关，即Cr/C值。考虑材质碳化物总含量范围，铬含量控制在1.5％以下；

硅：硅可产生固溶强化作用，促进Cr₇C₃型碳化物的生成，增加碳化物硬度，提高材料耐磨性。铁水硅与氧的亲和力强，有利于铁水脱氧除气，并改善材料的拄着工艺性，但过高的含硅量将增加材质的脆性。因而其最高含量控制在1.5％以内；

锰：主要起脱氧除气作用，含量过高会产生大量残余奥氏体，布利于材料耐磨性提高，应控制在1.2％以下。

钨：是在钢中是最耐磨的作用和耐高温作用，钨含量多增加钨的碳化物，因而最高含量控制在15-25％以上。

硼：在钢中产生强大的摧化级作用，使钢变质处理，更进一步细化钢的晶粒，因而最高含量控制在0.5-2.5％以内。

钼：钼也是合金元素中最耐磨的一种元素，它的性能和钨差不多，钼在热处理中抗淬火时的淬裂，提高忍性和耐磨性，因而最高含量控制在8.0-18％以内。

镍：镍主要耐高温元素，在高温时抗氧化和抗疲劳性，在钢中一加入量为3-8％以内。

稀土(Re)：稀土能细化晶粒，净化晶界、改善碳化物形态和分布，促使碳化物呈弧立状均匀分布，对韧性、抗弯强度、硬度的提高均有益处。当加入量少时效果不明显，加入量过多反而恶化性能。合适的稀土的残留量为0.03～0.05％。

钛(Ti)：钛能细化晶粒。提高晶粒粗化温度。钛与碳有很强的亲和力，可形成呈高读弥散分布的TiC硬质化合物，增加晶核数量、细化晶粒，在提高耐磨性同时，显著提高材质强韧性。在钒含量很高的情况下，增加钛含量的效果并不显著，反而增加材料成本，故其含量在0.5％以内即可。

本发明高钨高钒高硼高耐磨合金与现有技术(KmTBCr20Mo、CN1039267A)提高了耐磨性，改善了其分布形态，同时大量增加硬度高、呈弥散颗粒状分布的碳化物WC+VC，因而本发明合金耐磨性。冲击韧性十分优异。其耐磨性是高铬白口铸铁(KmTBCr20Mo)的十倍以上，冲击韧性是其三倍以上，性能价格比提高55％以上。能达到碳化钨材料使用使命的75-80％，工艺简便，因碳化钨价格是高钨高钒高硼高耐磨合金的3倍以上，碳化钨在轧螺纹钢切分轧辊不能用，因为在轧钢时压下力大会产生爆裂，本发明还具有节省能源消耗的特点，是一种使用范围更为广泛、高性能新型耐磨材料。

Claims

1、切分轧辊用高耐磨合金，其特征在于：各成分的重量百分数如下：C：1.9～3.8％，W：6～25％，Mo：6～18％，Cr：3～8％，Co：6～15％，V：5～15％，Nb：1.5～7.5％，Si：0.5～1.5％，Mn：0.3～1.2％，Ni：2～8.％，B：0.5～2.5％，S≤0.05％，P≤0.07％，其余为铁。

2、如权利要求1所述的切分轧辊用高耐磨合金，其特征在于：还含有Re：0～0.05％，Ti：0～0.5％。

3、如权利要求1或2所述的切分轧辊用高耐磨合金，其特征在于：S≤0.03％，P≤0.03％。

4、如权利要求1或2所述的切分轧辊用高耐磨合金的制备方法，其特征在于：a：取生铁、废钢、铬铁、钼铁、钨铁、铌铁放入真空熔炼炉内加热熔化；

b：并将钒铁在钢水出炉20分钟前放入炉内加热熔化；

c：将真空熔炼炉内铁水升温至1500℃-1600℃，插铝充分脱氧；

e：温度升至1490～1520℃时再次插铝脱氧后出炉；

f：铸件浇注温度1450～1500℃。

5、如权利要求4所述的切分轧辊用高耐磨合金的制备方法，其特征在于：铸件冷却到1000～1150℃时放入高温炉进行等温冷却，冷却到350℃以下时出炉。

6、如权利要求5所述的切分轧辊用高耐磨合金的制备方法，其特征在于：当毛坯机械加工完成后留少量的磨加工量，再进行真空淬火处理，再三次低温回火处理。