CN101775533A

CN101775533A - 高强、高韧性球墨铸铁及宽厚板工作辊

Info

Publication number: CN101775533A
Application number: CN 201010112076
Authority: CN
Inventors: 邵黎军; 张文君; 周勤忠
Original assignee: GONGCHANG ROLL CO Ltd JIANGSU
Current assignee: JIANGSU GONGCHANG ROLL JOINT-STOCK CO., LTD.
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2030-02-12
Also published as: CN101775533B

Abstract

本发明是关于对球墨铸铁的改进，其特征在于将组成为(wt％)：C3.0-3.5，Si2.0-2.8，Mn0.5-0.8，P≤0.08，S≤0.02，Cu0.5-1.2，Mo0.2-0.6，Mg0.05-0.1，Ca0.01-0.03，Re0.01-0.015，Sb0.001-0.003，Ba0.01-0.05，其余为Fe及杂质元素；熔炼后加入钇基重稀土镁冲入法球化；球化后再用钇基长效孕育剂和硅铁复合孕育。所得球墨铸铁同时具有高强度和高韧性，铸态球墨铸铁抗拉强度≥500MPa，韧性ak≥9J/cm²，金相分析铸态球墨铸铁，有部分细片状珠光体和球状石墨形态组织结构，石墨球化率可以提高到2级以上，特别适用于宽厚板工作辊芯部用高强度球墨铸铁，大大提高了工作辊使用寿命。

Description

高强、高韧性球墨铸铁及宽厚板工作辊

技术领域

本发明是关于对球墨铸铁的改进，尤其涉及一种抗拉强度高、韧性优的球墨铸铁，以及热轧宽厚板工作辊。

背景技术

宽厚板(例如厚度≥50mm，板幅≥3.5m)热轧工作辊，通常由高耐磨铁基材料外层和球墨铸铁芯部，通过离心浇注复合组成。工作辊芯部用材，一般采用国家标准牌号SG I、SG II或SGIII铬钼球墨无限冷硬铸铁，以上三种材质的原铁水通过压力加镁或轻稀土镁冲入法球化，单一硅铁(例如FeSi75Al10.5-A)孕育后，作为离心复合宽厚板工作辊芯部用材，例如化学组成(wt％)：C2.90-3.60，Si0.80-2.50，Mn0.40-1.20，P≤0.25，S≤0.03，Cr0.2-0.60，Mo0.2-0.60，Mg≤0.04，其余为Fe及杂质元素。宽厚板的特殊性常采用可逆轧制方式，轧制时轧制力较高(一般轧制力在50000-12000KN)，是一般热轧带钢轧机的3倍以上，可逆轧制过程中板坯咬入时对工作辊冲击负荷大，因此要求轧制工作辊芯部有较高的强度(例如抗拉强度≥450Mpa)，和较高韧性(例如ak≥6J/cm²)。上述球铁组成材料在通常球化孕育工艺下，易造成铁水凝固结晶前球化和孕育严重衰退，直接影响球墨铸铁的基体组织，造成石墨形态差(呈团虫状)图2、石墨球化率低(3级以下)，抗拉强度降低(≤350Mpa)，韧性下降(ak≤6J/cm²)；并且由于宽厚板工作辊截面大，芯部的球墨铁水在离心浇注后冷却缓慢，晶粒和石墨容易长大，也降低了芯部球墨铸铁的强度和韧性，因而难以满足宽厚板轧制对轧辊的要求，轧制过程中易发生断辊，因此通常意义上的高强度球墨铸铁材质不适合用作宽厚板工作辊芯部材质。

高温铁水中加入低熔点纯镁压力加镁球化，在压力加镁过程中部分镁易产生镁蒸汽而容易发生跑镁，造成球化不良，使得材料强度降低，韧性下降；其次，球化过程中压力包内镁挥发产生的蒸汽压过高，容易发生爆炸危险，给安全生产带来隐患。轻稀土镁冲入球化，球化衰退严重，造成在大型铸件上石墨形态变差，影响材料强度和韧性。

单一硅铁孕育，孕育效果随时间延长而逐渐减弱以至消失，孕育衰退严重，造成石墨形态变差，也会导致降低材料的强度和韧性。

中国专利CN1506485公开高强度合金球墨铸铁生产方法，C3.46-3.76、Si2.04-2.22、Mn0.49-0.66、P＜0.05、S＜0.033、Cu0.34-0.46、Mo0.12-0.19、Re0.022-0.041、Mg0.025-0.052、Sn0.04-0.05、Ba0.03-0.05。中国专利CN1506486公开的高强度合金球墨铸铁生产方法，成份为C3.44-4.12、Si1.98-2.54、Mn0.30-0.62、P＜0.05、S＜0.03、Cu0.24-0.50、Mo0.16-0.20、Re0.019-0.034、Mg0.031-0.086、Sn0.02-0.03、Ba0.05-0.06。上述2个专利均是曲轴用球墨铸铁，并且其一是通过提高碳当量提高抗拉强度，然而碳当量较高对材料强度进一步提高有阻碍作用；其次，组成中铜元素含量较低，难以形成细片状珠光体，而珠光体片间距过大直接影响到材料的强度；再就是，稀土元素及Ba元素含量过高，申请人试验表明在大截面球墨铸铁铸件中，稀土元素含量过高会恶化石墨形态，影响材料组织完整性，对材料强度和韧性的进一步提高有阻碍作用，Ba元素含量过高，容易在晶界析出，影响材料的强度和韧性。

中国专利CN86104863高强度高韧性球墨铸铁，用于齿轮、曲轴、链轮和凸轮轴等，化学成份C、Si、Mn、S、P和Mg等元素，以及0.15～0.5％V，0.05～0.3％Ti和0.02～0.2％Re。其通过采取提高碳化物形成元素(V和Ti等)量，获得钒钛球墨铸铁。然而在铸件中过高的碳化物量会影响材料的韧性，造成抗冲击能力下降，作为高载荷和交变应力作用下铸件容易发生断裂。

中国专利CN101603142高强度高韧性球墨铸铁铸件，化学组成(wt％)：3.6％＜C＜3.8％，2.4％＜Si＜2.8％，Mn 0.8％～0.9％，0.1％＜Cr≤0.2％，P≤0.07％，S＜0.02％，0.5％＜Cu＜0.6％，余量为铁。其用途为机械工程零件，虽然称抗拉强度大于590MPa，但未有韧性指标。

中国专利CN1900340铸态高强度高伸长率球墨铸铁材料，各组分(wt％)：C3.5～3.8％，Si2.6～3.1％，Mn≤0.3％，S≤0.03％，P≤0.05％，余量为Fe。用途为汽车驱动轿用，抗拉强度σ_b≥480MPa，未有韧性指标。

中国专利CN1472356球墨铸铁的生产方法，化学成分(wt％)：C3.6-3.9，Si1.8-2.4，Mn0.25-0.6，Cu0.3-0.7，p≤0.05，S≤0.03，Ca0.001-0.05，Ba0.005-0.1。用于曲轴，抗拉强度≥800MPa，冲击韧性≥25J/cm²。并且其是通过正火、回火工艺获得高抗拉强度和高韧性，这种通过热处理方式获得高性能，工艺复杂，能耗高，生产周期长，从而导致生产成本较高，不适合大型铸件生产。

中国专利CN1323912公开高强度高韧性优质球墨铸铁生产方法，通过提高碳当量和热处理方法，获得高强度高和韧性。不仅高的碳当量影响到材料的韧性，不适合制造大截面高载荷和交变应力作用下的铸件，而且通过热处理方式获得高性能缺陷同样存在。

中国专利CN1077401复合铸铁轧辊，辊芯为含C3.0-3.4，Si1.7-2.8，Mn0.5-0.9，P0.1-0.3，S≤0.02，Mg0.02-0.09，Ba0.01-0.2，Ca0.01-0.01，Sb0-0.02，Y0.006-0.03余量为Fe的素球墨铸铁。然而其芯部因含有较高磷，磷共晶较高容易在晶界析出，影响晶界结合强度，影响材料强度和韧性，不适于高载荷和高冲击负荷轧辊，一般只适用于低轧制力低载荷的棒线材轧辊。

技术人员清楚，化学成份对球墨铸铁金相影响很大，而金相又决定铸件性能，并且不同使用条件和用途，成份显然各不相同。因此上述不足仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明主要目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种不仅同时具备高强度，高韧性，而且其性能主要通过铸态组织直接获得的高强、高韧性球墨铸铁。

本发明第二目的实现，提供一种采用上述球墨铸铁作辊芯的宽厚板工作辊。

本发明第一目的实现，主要改进是通过向铬钼球墨无限冷硬球墨铸铁组成中加入铜(Cu)和锑(Sb)，通过改变材料的基体组织，获得部分细片状珠光体，增强铁水的急冷性能，提高抗球化及孕育衰退的能力；同时改变球化方法，对出炉的原铁水采用钇基重稀土镁冲入法球化，从而减缓球化衰退及带来的缺陷；改变孕育方法，采用钇基长效孕育剂和硅铁复合孕育，提高抗球化和孕育衰退能力，改善石墨形态，提高材料强度和韧性。从而克服上述现有技术的不足，实现本发明目的。具体说，本发明高强、高韧性球墨铸铁，其特征在于将组成为(wt％)：C3.0-3.5，Si2.0-2.8，Mn0.5-0.8，P≤0.08，S≤0.02，Cu0.5-1.2，Mo0.2-0.6，Mg0.05-0.1，Ca0.01-0.03，Re0.01-0.015，Sb0.001-0.003，Ba0.01-0.05其余为Fe及杂质元素；熔炼后加入钇基重稀土镁冲入法球化；球化后再用钇基长效孕育剂和硅铁复合孕育。

本发明第二目的实现，将上述所得球墨铸铁作芯部材料，通过离心浇注与高耐磨铁基材外层复合。即本发明宽厚板工作辊，包括球墨铸铁芯部，和高耐磨铁基材外层，其特征在于所说球墨铸铁芯部由组成为(wt％)：C3.0-3.5，Si2.0-2.8，Mn0.5-0.8，P≤0.08，S≤0.02，Cu0.5-1.2，Mo0.2-0.6，Mg0.05-0.1，Ca0.01-0.03，Re0.01-0.015，Sb0.001-0.003，Ba0.01-0.05其余为Fe及杂质元素；熔炼后加入钇基重稀土镁冲入法球化；球化后再用钇基长效孕育剂和硅铁复合孕育所得。

在制造复合轧辊时，一种较好为复合内层芯，铁水温度为球墨铸铁液相线温度加80-120℃，采用较低的铁水复合温度，有利于减少球墨铸铁凝固结晶时间，减少球化和孕育衰退。

本发明高强、高韧性球墨铸铁，相对于现有技术，由于在轧辊用球墨铸铁基本组成中加入铜(Cu)和锑(Sb)，以及采用钇基重稀土镁冲入法球化，采用钇基长效孕育剂和硅铁复合孕育。通过加入铜(Cu)和锑(Sb)，改变了材料基体组织，可以获得部分细片状珠光体，增强了铁水的急冷性能，有利于提高抗球化及孕育衰退的能力；钇基重稀土镁冲入法球化，钇基长效孕育剂和硅铁复合孕育，增强了球化及孕育效果，改善石墨形态，提高材料强度和韧性。此外，通过球化及孕育带入稀土(Re)、钙、钡、锑，申请人发现低含量的稀土能增加球化效果，有利于抗球化衰退；钙、钡在球墨铸铁中也能很好抗孕育衰退，锑在球墨铸铁中能增加铁水的急冷性，增强球化孕育效果。上述综合效果，使所得新颖球墨铸铁同时具有高强度和高韧性，铸态球墨铸铁抗拉强度≥500Mpa，韧性ak≥9J/cm²，可以用于大型高载荷和高冲击负荷轧辊，用作宽厚板热轧工作辊，满足了宽厚板轧机轧制时的高轧制力和冲击负荷大要求，大大提高了工作辊使用寿命。特别是通过铸态组织直接获得两高性能，能耗成本低，生产工艺简单。经制片金相分析，铸态球墨铸铁，有部分细片状珠光体和球状石墨形态组织结构，石墨球化率可以提高到2级以上(图1)。本发明球墨铸铁，不仅适用于宽厚板工作辊辊芯，而且还可以用于使用要求高抗拉强度和高韧性场合工件。

以下结合二个具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明实质，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性增加和/或改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。

附图说明

图1为本发明球墨铸铁金相照片，显示石墨呈球状。

图2为现有技术(图标)球墨铸铁金相照片，显示石墨呈团虫状。

具体实施方式

实施例1：在中频电炉内按设计成份，加入生铁、废钢和相应，熔炼得到球墨铸铁原铁水，控制成分为(wt％)：C3.4，Si1.35，Mn0.65，P≤0.063，S≤0.027，Cu0.73，Mo0.28，Sb0.0021，其余为Fe及杂质元素，当原铁水温度达到1455℃左右出铁，出铁时在包内加入按0.16％纯镁/吨铁水，加入钇基重稀土镁(牌号DY-3)冲入法球化，球化后预计铁水增Si0.5wt％，再向包内加入以纯Si计量、铁水重量0.8wt％的复合孕育剂孕育。孕育剂由钇基长效孕育剂(牌号YFY-1)和FeSi75Al10.5-A，两者按4∶6投加。得到最终成分为(wt％)：C3.32，Si2.45，Mn0.6，P≤0.062，S≤0.008，Cu0.71，Mo0.26，Mg0.067，Ca0.022，Re0.014，Sb0.0021，Ba0.033，其余为Fe及杂质元素的球墨铸铁。其中Mg、Ca、Re和Ba含量有球化和孕育操作控制，其他成份由组成原料控制。所得铸态球墨铸铁的抗拉强度R_m＝563Mpa，冲击韧性ak＝9.5J/cm²。用此球墨铸铁在1295℃浇注离心复合宽厚板工作辊芯部，开箱后经480℃回火后，芯部球墨铸铁技术性能指标：抗拉强度R_m＝630Mpa，冲击韧性ak＝10.3J/cm²。

实施例2：在中频电炉内加入生铁、废钢和相应的合金料，熔炼得到球墨铸铁原铁水，原铁水成分为(wt％)：C3.3，Si1.31，Mn0.68，P≤0.059，S≤0.024，Cu0.75，Mo0.27，Sb0.0019，其余为Fe及杂质元素，在1455℃出铁，在包内加入按0.18％纯镁/吨铁水，加入钇基重稀土镁(牌号DY-3)冲入法球化，球化后预计铁水增Si0.6％，球化后向包内加入以纯Si计量、铁水重量的0.85％的复合孕育剂孕育。复合孕育剂由钇基长效孕育剂(牌号YFY-1)和FeSi75Al10.5-A，两者按4∶6投加。得到球墨铸铁的最终成分为(wt％)：C3.24，Si2.56，Mn0.65，P≤0.052，S≤0.006，Cu0.71，Mo0.26，Mg0.070，Ca0.025，Re0.014，Sb0.0026，Ba0.038，其余为Fe及杂质元素的球墨铸铁。铸态球墨铸铁的抗拉强度R_m＝582Mpa，冲击韧性ak＝9.3J/cm²。用此球墨铸铁在1300℃浇注离心复合宽厚板工作辊芯部，开箱后经460℃回火后，芯部球墨铸铁技术性能指标：抗拉强度R_m＝642Mpa，冲击韧性ak＝10.5J/cm²。

对于本领域技术人员来说，在本专利构思及具体实施例启示下，能够从本专利公开内容及常识直接导出或联想到的一些变形，本领域普通技术人员将意识到也可采用其他方法，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征间的相互不同组合，例如钇基重稀土镁球化剂及钇基长效孕育剂、硅铁牌号的改变(GB2277-87)，等等的非实质性改动，同样可以被应用，都能实现本专利描述功能和效果，不再一一举例展开细说，均属于本专利保护范围。

Claims

1.高强、高韧性球墨铸铁，其特征在于将组成为(wt％)：C3.0-3.5，Si2.0-2.8，Mn0.5-0.8，P≤0.08，S≤0.02，Cu0.5-1.2，Mo0.2-0.6，Mg0.05-0.1，Ca0.01-0.03，Re0.01-0.015，Sb0.001-0.003，Ba0.01-0.05其余为Fe及杂质元素；熔炼后加入钇基重稀土镁冲入法球化；球化后再用钇基长效孕育剂和硅铁复合孕育。

2.宽厚板工作辊，包括球墨铸铁芯部，和高耐磨铁基材外层，其特征在于所说球墨铸铁芯部由组成为(wt％)：C3.0-3.5，Si2.0-2.8，Mn0.5-0.8，P≤0.08，S≤0.02，Cu0.5-1.2，Mo0.2-0.6，Mg0.05-0.1，Ca0.01-0.03，Re0.01-0.015，Sb0.001-0.003，Ba0.01-0.05其余为Fe及杂质元素；熔炼后加入钇基重稀土镁冲入法球化；球化后再用钇基长效孕育剂和硅铁复合孕育所得。

3.根据权利要求2所述宽厚板工作辊，其特征在于在复合内层芯铁水温度为球墨铸铁液相线温度加80-120℃。