CN101549356A

CN101549356A - 一种高硼铸造合金轧辊及其制造方法

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Publication number: CN101549356A
Application number: CNA2009100814297A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 邢建东; 雷永平
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2029-04-03
Also published as: CN101549356B

Abstract

一种高硼铸造合金轧辊及其制造方法属于轧钢技术领域。本发明的目的在于提供一种耐磨性好，成本低的高硼铸造合金轧辊。本发明轧辊外层组成(质量分数，％)为：C 0.8～1.5、B 1.0～2.8、Cr 8.0～10.0、W 1.5～3.0、Ti 0.6～1.2、N 0.08～0.15、Ce 0.08～0.18，Si 0.3～0.8，Mn 0.4～0.8，S＜0.04，P＜0.05，余量为Fe，其中2.2≤B+C≤3.7；辊芯采用球墨铸铁；外层和辊芯通过离心复合铸造方法成形。本发明通过电炉熔炼、离心铸造、粗加工、硬化热处理、回火和精加工，制得硬度和强度高，韧性、耐磨性和抗热疲劳性能好，且成本低的高硼铸造合金轧辊。

Description

一种高硼铸造合金轧辊及其制造方法

技术领域

本发明属于轧钢技术领域，具体涉及一种铸造轧辊及其制造方法，特别涉及一种高硼铸造合金轧辊及其制造方法。

背景技术

轧辊材料的发展和选用，主要着眼于提高辊身的耐磨性能，在轧辊辊身表面的金相组织中形成较硬的碳化物。早期使用的冷硬铸铁轧辊以M₃C型碳化物为主，如Fe₃C等。后来加入合金元素铬发展起来的高铬铸铁轧辊，碳化物形态有所变化，以M₇C₃型为主，如Cr₇C₃等。目前正在迅速推广的高速钢复合轧辊，在使用状态下，轧辊表面层的金相组织主要由MC、M₆C型碳化物以及在高温下有较高硬度的基体组织构成，因此具有优异的耐磨性。早期使用的冷硬铸铁轧辊，硬度低，硬化层薄，轧辊耐磨性差，使用寿命短，需要频繁更换，降低了轧机作业率。在冷硬铸铁基础上发展起来的高镍铬无限冷硬铸铁轧辊，尽管耐磨性有明显改善，但轧辊脆性大，铸造和使用中易开裂，甚至出现剥落，且含有较多价格昂贵的合金元素，导致轧辊生产成本增加。高铬铸铁轧辊和高速钢轧辊尽管耐磨性好，但都含有较多的合金元素，导致轧辊生产成本增加。

硼是一种能显著改善耐磨材料淬透性和淬硬性的合金元素，我国硼储量丰富，且价格低廉，硼在耐磨材料领域已获得了较好的应用。中国发明专利CN1037548公开了一种低铬硼多元合金耐磨铸铁，其化学成分(重量％)为：C：1.75～3.0，Cr：1.5～4.0，B：0.07～0.4，Mo：0.2～1.0，Cu 0.8～1.3Mn：0.4～0.8，Si：0.4～1.2，P≤0.08，S：≤0.08，Re 0.01～0.05，余量为Fe。硼的加入使低铬铸铁硬度增加，耐磨性改善。中国发明专利CN1083540也公开了一种稀土硼多元合金耐磨铸铁。其化学成分(重量％)为C：3.00～3.70，B：0.05～0.30，Mn：0.40～1.50，Si：0.55～1.00，Mo：0～0.50，Cu：0～1.00，P＜0.07，S＜0.07，Re：0.01～0.05，余量为Fe。硼的加入也使耐磨铸铁硬度增加，耐磨性改善。中国发明专利CN1506487还公开了一种多元合金铸铁，其中，所述的铸铁中含有碳、铬、硼、钼、铜、锰、磷等，其中，所述的碳元素占所述的合金的重量百分比为1.5-3.5％、所述的铬元素占所述的合金的重量百分比为1.0-4.0％、所述的硼元素占所述的合金的重量百分比为0.1-0.5％、所述的钼元素占所述的合金的重量百分比为0.25-1.0％、所述的铜元素占所述的合金的重量百分比为0.8-1.25、所述的锰元素占所述的合金的重量百分比为0.4-0.6％、所述的磷元素占所述的合金的重量百分比为0.45-0.85％，余量为铁元素。该发明因硼的加入，降低了耐磨铸铁中的铬含量，其综合性能远远超出高锰钢，性能相当于高铬钢耐磨铸件。

硼应用于轧辊中，对改善轧辊耐磨性，也具有较好的效果。中国发明专利CN1598030公开了改进的轧辊用镍铬钼无限冷硬铸铁及复合轧辊，其特征是在镍铬钼无限冷硬铸铁(IV)成分中添加有0.03-0.1％(wt)的硼和0.2-1.5％的铌。由于添加了硼和铌，使材料的耐磨性和抗热裂纹性能得到显著提高。中国发明专利CN101240402也公开了一种用于制作复合辊环轧辊用铸造高硼高速钢及其热处理方法，其化学成分设计为(重量％)：0.20-1.10C，1.0-2.5B，3.0-5.0Cr，0.5-0.9Si，0.6-1.3Mn，2.0-10.0V，0.5-1.5Ni，1.0-4.0Mo，0.2-4.0W，0.1-2.0Nb，S＜0.04，P＜0.04，其余为Fe；它的热处理方法包括退火，淬火和2-3次回火，退火加热温度为800-860℃，炉冷至小于500℃后炉冷或空冷；淬火加热温度为1020-1150℃，随后风冷或空冷；回火2-3次，加热温度500-550℃，随后炉冷或空冷。与传统高镍铬钼轧辊相比，大幅提高合金耐磨性、耐热性、抗热冲击性，减少轧辊在使用过程中出现的热疲劳裂纹现象及由此产生的掉肉、崩裂，体现出良好的安全性与耐磨性的有机结合。日本专利JP2000144302-A公开了一种含硼铸造轧辊的化学组成(质量％)：2.3-3.0C，2.0-3.0Si，0.1-2.0Mn，0.5-3.0Cr，1.5-5.0Mo，7.0-10.0Ni，0.5-3.0Nb，1.0-5.0V，0.05-0.08B，硼的加入有利于提高轧辊耐磨性。日本专利JP2003105483-A还公开了一种含硼铸造轧辊的化学组成(质量％)：2-4C，0.5-2Si，0.2-2Mn，2-6Ni，1-4Cr，0.3-4Mo，0.1-2V，0.1-1Ti，0.2-2.5(W+Nb+B+RE)，硼的加入也有利于提高轧辊耐磨性。但是，上述含硼轧辊中都含有较多价格昂贵的合金元素，轧辊生产成本高，推广应用困难。

发明内容

本发明目的是提供一种以硼为主要合金元素，不含镍、钼、钴等昂贵合金元素的高硼铸造合金轧辊及其制造方法，为了提高轧辊的抗氧化能力，轧辊中还加入了较多的铬元素，为了提高轧辊的抗高温性能，还加入适量钨元素，为了改善硼化物形态，还加入了适量钛元素，为了细化和净化凝固组织，轧辊中还加入了少量稀土和氮元素，为了获得致密的轧辊组织，高硼铸造合金轧辊外层采用离心铸造方法成形，辊芯采用球墨铸铁，并以顶注方法浇注成形。

本发明的目的通过以下措施实现：

本发明所提供的高硼铸造合金轧辊，外层采用高硼铸造合金，轧辊辊芯采用球墨铸铁，外层和辊芯通过离心复合铸造方法成形；外层的化学组成及其质量百分含量(％)为：C 0.8～1.5、B 1.0～2.8、Cr 8.0～10.0、W 1.5～3.0、Ti 0.6～1.2、N 0.08～0.15、Ce 0.08～0.18，Si 0.3～0.8，Mn 0.4～0.8，S＜0.04，P＜0.05，余量为Fe，其中2.2≤B+C≤3.7。

本发明所提供的高硼铸造合金轧辊的制造方法，包括以下步骤：

①将普通废钢、铬铁、生铁和钨铁混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁；

②炉前调整成分合格后，将温度升至1520～1550℃，加入占上述钢水质量0.08～0.12％的铝脱氧，而后依次加入钛铁和硼铁，当钢水温度达到1560～1580℃时出炉；

③将铈基稀土和含氮铬铁破碎至粒度8～15mm的小块，经160～200℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④用离心铸造机浇注轧辊外层，外层钢水浇注温度为1440～1460℃，当轧辊外层完全凝固，且轧辊外层内表面温度低于固相线温度8～18℃时，浇注辊芯球墨铸铁，辊芯球铁浇注温度为1340～1370℃；

⑤轧辊浇注12～24小时后拆箱，然后置于缓冷坑，冷却至室温后切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺后粗加工；

⑥将粗加工后的轧辊加热至980～1050℃，保温4～10小时后风冷至200℃以下，随后继续加热至250～280℃，保温8～12小时，然后炉冷至150℃以下，继续空冷至室温后，精加工至规定尺寸和精度，得到高硼铸造合金轧辊。

高硼铸造合金轧辊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，本发明轧辊外层化学成分是这样确定的：

碳：将碳加入轧辊中的主要目的有二，其一是与合金元素铬结合，形成碳化物，改善轧辊耐磨性，其二是进入基体，提高轧辊淬透性和淬硬性，但碳含量过高，轧辊脆性大，且热疲劳抗力差，轧辊使用寿命反而缩短，合适的碳含量宜控制在0.8～1.5％。

硼：硼是我国富有的元素，价格低而且稳定，在普通钢铁材料中，加入适量硼，通过调节合金中硼含量和碳含量，可以实现对硼化物体积百分数及基体含碳量的控制，使材料具有优异的耐磨性和强韧性。由Fe-B-C合金相图可知，Fe-B-C合金的凝固过程不同于普通碳钢，由于Fe-B-C合金中硼含量高，凝固过程发生了如下反应：

L→γ 式(1)

L→γ+硼化物式(2)

Fe-B-C合金凝固过程是首先从液相(L)中析出初晶γ，由于Cr、B等元素在γ相的分配系数小于1，因此随后γ一边向液相中排出Cr、B等元素，一边长大。当B含量接近3.8％左右时，在和γ初晶相接的富集Cr、B的残留液相中发生γ+硼化物的共晶反应，易生成硬度高、热稳定性好的Fe₂(B，C)硼化物，基体组织是铁素体、珠光体和少量马氏体，它们是由初生奥氏体和共晶奥氏体在凝固冷却过程中转变而成。另外，部分硼进入基体，提高基体淬透性和淬硬性，有利于轧辊使用寿命的延长。但是，Fe₂(B，C)硼化物沿晶界呈网状分布，因此轧辊中硼含量过高，轧辊脆性大，合适的硼加入量为1.0～2.8％，且2.2％≤B+C≤3.7％。

铬：轧辊中加入铬主要是为了提高轧辊的淬透性和高温下的抗氧化性，另外，与碳、硼结合生成的Cr₇(C，B)₃和Cr₂₃(C，B)₆型碳、硼化合物，具有较高的硬度，对改善轧辊耐磨性有利，但铬加入量过多，Cr/C比过高，不能得到高硬度的Cr₇(C，B)₃型碳、硼化合物，反而不利于改善轧辊耐磨性，合适的铬含量为8.0～10.0％。

钨：将钨加入轧辊中能提高轧辊的淬透性、抗回火稳定性，改善轧辊的抗高温性能，但加入较多的钨，将增加轧辊生产成本，合适的钨加入量为1.5～3.0％。

钛：Fe-B-C铸造合金中加入钛元素后，易生成高硬度的TiB₂，呈断网状分布，克服了Fe₂B硼化物沿晶界呈网状分布的不足，对改善轧辊强度和韧性有利，合适的钛加入量为0.6～1.2％。

氮和铈：高硼铸造合金经氮和铈复合变质处理后，组织明显细化，硼化物中出现了多处明显颈缩和断网现象。尽管硼化物网状分布特征依然存在，但硼化物大量颈缩和断网的出现，将会有利于随后热处理时硼化物形态的进一步改善。氮和铈改善高硼铸造合金凝固组织的主要原因是：稀土铈的熔点低，原子半径大，其中r_Ce＝0.182nm，在合金凝固过程中是强成分过冷元素，由于其平衡常数K₀远小于1，在凝固过程中将发生严重偏析，通过溶质再分配而富集在初生奥氏体生长前沿的熔体中，造成较大的成分过冷，有利于奥氏体枝晶的多次分枝及枝晶间距的降低，细化奥氏体枝晶。由于奥氏体枝晶的细化，在凝固后期，奥氏体枝晶间由于偏析而形成的共晶液相熔池变小，从而使共晶硼化物细化。稀土铈还可以明显降低金属熔体中的S、O含量，增加共晶凝固的过冷度，使共晶组织细化。另外，在合金熔液冷却过程中，TiN和稀土的硫氧化合物Ce₂O₂S首先从熔液中结晶出来，TiN和Ce₂O₂S具有很高的熔点，TiN熔点为2950℃，Ce₂O₂S的熔点为1640℃，根据错配度理论，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：

δ = \frac{a_{C} - a_{N}}{a_{N}}

式(3)

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。由于稀土硫氧化物及TiN与γ-Fe晶格间具有很低的错配度，例如Ce₂O₂S、TiN与γ相的错配度分别为5.0％和3.9％。而两相错配度小于12％时，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。稀土硫氧化物和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。另外，稀土铈是表面活性元素，凝固过程中易富集在硼化物的周围，阻止硼化物沿晶界长大，使硼化物细化，有利于高硼铸造合金轧辊强度和韧性的提高，合适的氮加入量为0.08～0.15％，合适的铈加入量为0.08～0.18％。

硅和锰：加入适量硅和锰具有脱氧作用，但硅的加入使基体热疲劳性能下降，且锰的加入使轧辊组织粗化，因此将硅含量控制在0.3～0.8％、锰含量控制在0.4～0.8％。

硫和磷：不可避免的杂质元素硫和磷是从原料中带来的，对轧辊的性能，特别是强度和韧性有害，因此其含量应严格控制，其中硫含量控制在0.04％以下，磷含控制在0.05％以下。

本发明轧辊与现有技术相比，具有以下优点：

1)本发明轧辊以廉价的硼为主要合金元素，并加入铬、钨、钛等元素改善轧辊组织和性能，不含价格昂贵的镍、钼、钒、铌等合金元素，具有较低的生产成本。

2)本发明轧辊含有硬度高、热稳定性好的硼化物，具有较高的硬度和较好的耐磨性，其中硬度达到62～64HRC。

3)本发明轧辊碳含量较低，具有较好的抗热疲劳性能。

4)本发明轧辊铸态硬度较低，具有较好的机械加工性能，可以不经退火直接粗加工。

5)本发明轧辊用于棒、线材轧机的成品机架，单槽轧制量是贝氏体球铁轧辊的4倍以上；用于成品机架轧制带肋钢筋，单槽轧制量是贝氏体球铁轧辊的3倍以上；用于预切分机架时，单槽轧制量是贝氏体球铁轧辊的3.5倍以上，同时减少了换辊次数，延长了轧制时间，降低了轧材生产成本。

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：

用500公斤碱性中频感应电炉熔炼高硼铸造合金轧辊，具体工艺步骤如下：

②炉前调整成分合格后，将温度升至1549℃，加入占上述钢水质量0.10％的铝脱氧，而后依次加入钛铁和硼铁，当钢水温度达到1577℃时出炉；

③将铈基稀土和含氮铬铁破碎至粒度8～15mm的小块，经160℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④用离心铸造机浇注轧辊外层，外层钢水浇注温度为1451℃，当轧辊外层完全凝固，且轧辊外层内表面温度低于固相线温度8～18℃时，浇注辊芯球墨铸铁，辊芯球铁浇注温度为1343℃；

⑤轧辊浇注12小时后拆箱，然后置于缓冷坑，冷却至室温后切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺后粗加工；

⑥粗加工后的轧辊加热至1050℃，保温4小时后风冷至200℃以下，随后继续加热至250℃，保温12小时，然后炉冷至150℃以下，继续空冷至室温后，精加工至规定尺寸和精度。轧辊外层成分见表1，轧辊外层力学性能见表2。

化学组成	C	B	Cr	W	Ti	N
化学组成	C	B	Cr	W	Ti	N	含量	0.82	2.77	9.19	1.53	1.19	0.08
化学组成	Ce	S i	Mn	S	P	Fe	含量	0.82	2.77	9.19	1.53	1.19	0.08
化学组成	Ce	S i	Mn	S	P	Fe	含量	0.17	0.63	0.72	0.023	0.040	余量

表1轧辊外层成分(质量分数，％)

硬度/HRC	冲击韧性/(J.cm^-2)	抗弯强度/MPa
硬度/HRC	冲击韧性/(J.cm^-2)	抗弯强度/MPa	63.6	11.5	1872.2

表2轧辊外层力学性能

实施例2：

用1000公斤碱性中频感应电炉熔炼高硼铸造合金轧辊，具体工艺步骤如下：

②炉前调整成分合格后将温度升至1520℃，加入占上述钢水质量0.08％的铝脱氧，而后依次加入钛铁和硼铁，当钢水温度达到1566℃时出炉；

③将铈基稀土和含氮铬铁破碎至粒度8～15mm的小块，经200℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④用离心铸造机浇注轧辊外层，外层钢水浇注温度为1442℃，当轧辊外层完全凝固，且轧辊外层内表面温度低于固相线温度8～18℃时，浇注辊芯球墨铸铁，辊芯球铁浇注温度为1369℃；

⑤轧辊浇注24小时后拆箱，然后置于缓冷坑，冷却至室温后切割浇胃口，清理残根、飞边、毛刺后粗加工；

⑥粗加工后的轧辊加热至980℃，保温10小时后风冷至200℃以下，随后继续加热至280℃，保温9小时，然后炉冷至150℃以下，继续空冷至室温后，精加工至规定尺寸和精度。轧辊外层成分见表3，轧辊外层力学性能见表4。

化学组成	C	B	Cr	W	Ti	N
化学组成	C	B	Cr	W	Ti	N	含量	1.49	1.06	8.21	2.96	0.60	0.12
化学组成	Ce	Si	Mn	S	P	Fe	含量	1.49	1.06	8.21	2.96	0.60	0.12
化学组成	Ce	Si	Mn	S	P	Fe	含量	0.09	0.59	0.44	0.031	0.038	余量

表3轧辊外层成分(质量分数，％)

硬度/HRC	冲击韧性/(J.cm^-2)	抗弯强度/MPa
硬度/HRC	冲击韧性/(J.cm^-2)	抗弯强度/MPa	62.7	12.8	1845.9

表4轧辊外层力学性能

实施例3：

②炉前调整成分合格后将温度升至1538℃，加入占上述钢水质量0.12％的铝脱氧，而后依次加入钛铁和硼铁，当钢水温度达到1573℃时出炉；

③将铈基稀土和含氮铬铁破碎至粒度8～15mm的小块，经180℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④用离心铸造机浇注轧辊外层，外层钢水浇注温度为1457℃，当轧辊外层完全凝固，且轧辊外层内表面温度低于固相线温度8～18℃时，浇注辊芯球墨铸铁，辊芯球铁浇注温度为1352℃；

⑤轧辊浇注18小时后拆箱，然后置于缓冷坑，冷却至室温后切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺后粗加工；

⑥粗加工后的轧辊加热至1020℃，保温6小时后风冷至200℃以下，随后继续加热至260℃，保温10小时，然后炉冷至150℃以下，继续空冷至室温后，精加工至规定尺寸和精度。轧辊外层成分见表5，轧辊外层力学性能见表6。

化学组成	C	B	Cr	W	Ti	N
化学组成	C	B	Cr	W	Ti	N	含量	1.18	2.05	9.84	1.92	0.87	0.09
化学组成	Ce	Si	Mn	S	P	Fe	含量	1.18	2.05	9.84	1.92	0.87	0.09
化学组成	Ce	Si	Mn	S	P	Fe	含量	0.15	0.70	0.65	0.028	0.041	余量

表5轧辊外层成分(质量分数，％)

硬度/HRC	冲击韧性/(J.cm^-2)	抗弯强度/MPa
硬度/HRC	冲击韧性/(J.cm^-2)	抗弯强度/MPa	63.1	12.0	1891.6

表6轧辊外层力学性能

本发明轧辊因具有较高的硬度和强度，较好的韧性和抗热疲劳性能，已成功应用于热轧生产中，将其应用于棒、线材轧机的成品机架，单槽轧制量比贝氏体球铁轧辊提高3倍以上；用于成品机架轧制带肋钢筋，单槽轧制量比贝氏体球铁轧辊提高2倍以上；用于预切分机架时，单槽轧制量比贝氏体球铁轧辊提高2.5倍以上。

使用本发明轧辊，减少了轧钢生产中的换槽、换辊次数，延长了轧制时间，增加了轧材产量，降低了轧材生产成本，提高了轧材表面质量，减轻了工人劳动强度，增加了产品市场竞争力。推广使用本发明轧辊，具有显著的经济和社会效益。

Claims

1、一种高硼铸造合金轧辊，其特征在于，所述的轧辊外层采用高硼铸造合金，轧辊辊芯采用球墨铸铁，外层和辊芯通过离心复合铸造方法成形；外层的化学组成及其质量百分含量％为：C 0.8～1.5、B 1.0～2.8、Cr 8.0～10.0、W 1.5～3.0、Ti 0.6～1.2、N 0.08～0.15、Ce 0.08～0.18，Si 0.3～0.8，Mn 0.4～0.8，S＜0.04，P＜0.05，余量为Fe，其中2.2≤B+C≤3.7。

2、根据权利要求1所述的一种高硼铸造合金轧辊的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

⑥将粗加工后的轧辊加热至980～1050℃，保温4～10小时后风冷至200℃以下，随后继续加热至250～280℃，保温8～12小时，然后炉冷至150℃以下，继续空冷至室温后，精加工至规定尺寸和精度。