CN101797630A - 改进型高速钢轧辊及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进型高速钢轧辊及其制备方法，采用离心复合铸造方法成形，轧辊外层是高速钢，轧辊内层是球铁或高强度铸铁。轧辊外层在离心铸造机上成形，然后将辊芯铁水在静态下填芯，浇注成高速钢复合轧辊。高速钢轧辊外层的原料组成是(质量分数)：60-65％的M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)废钢，1.0-1.4％的金属铝，5.0-5.5％的硼铁，9.2-9.4％的碳素铬铁，0.2-0.4％的钛铁，1.0-1.2％的镍镁合金，18-23％的Q235废钢。本发明轧辊利用电炉便可生产，硬度高、不加贵重铁合金、且取消高温淬火处理，工艺简便、生产成本低廉，具有良好的耐磨性，推广使用具有很好的经济效益。

Description

改进型高速钢轧辊及其制备方法

技术领域

本发明为一种热轧辊制造方法，特别涉及一种改进型高速钢轧辊及其制备方法，属于铸造技术领域。

背景技术

热轧辊常工作在700℃～800℃的高温环境，与灼热的钢坯相接触，需要承受强大的轧制力，同时表面要承受轧材的强力磨损，反复被热轧材加热及冷却水冷却，经受温度变化幅度较大的热疲劳作用。这就要求热轧辊材料必须具有高的淬透性、低的热膨胀系数、高的热传导能力和高的高温屈服强度及高的抗氧化性。以前热轧辊主要使用锻钢和无限冷硬铸铁轧辊，除普通冷硬铸铁外，还有低镍铬钼、中镍铬钼、高镍铬钼铸铁材料，高档次的冷硬铸铁材料为高镍铬钼冷硬铸铁。这类材质轧辊的缺点是硬度低，耐磨性不好。后来采用了球墨复合铸铁轧辊，高铬铸铁轧辊和半钢轧辊后，使用寿命明显提高。近来热轧辊采用高硬度特殊半钢材质，对克服表面粗糙和抗磨损都很有效。为了提高热轧辊的表面耐磨性，热轧辊的材料不断地得到改进，其发展过程是从冷硬铸铁到高铬铸铁到半高速钢和高速钢。特别是高速钢轧辊已成为热轧辊的主要发展方向。

在高速钢轧辊方面，日本专利JP2002143908-A公开了一种高速钢复合轧辊制造方法，轧辊外层选用高速钢，并采用离心铸造方法成形，辊芯充入球铁，最后对轧辊进行锻造处理，以便进一步提高高速钢复合轧辊性能。日本专利JP2001294975-A还公开了一种高速钢复合轧辊制造方法，由高速钢外层和球铁内层复合而成，高速钢外层成分为3-10％Cr，4.5-10％V，1-3.5％C，0.2-2％Si，0.2-2％Mn，2-15％(Mo+W)。中国发明专利CN1631565公开了一种高钒高速钢复合轧辊，轧辊分为辊芯和轧辊耐磨层，辊芯采用韧性较好的低合金钢或中碳钢材料制作，其特征在于轧辊耐磨层采用高钒高速钢材料，该高钒高速钢的主要元素含量为：1.8-3.5％C，7-12％V，4-5％Cr，2-4％Mo，0.5-1.5％Ni，余量为铁。中国发明专利CN1803325公开了一种高速钢复合轧辊，其特征在于该复合轧辊的外层材料为高速钢，轧辊芯部材料为石墨钢，轧辊外层高速钢材料的化学成分重量％为：1.2-2.5％C，0.3-1.5％Si，0.4-1.0％Mn，3.0-8.0％Cr，2.0-7.0％Mo，2.0-7.0％V，1.0-5.0％W，0.01-0.5％RE，P＜0.05％，S＜0.05％，余为Fe，轧辊芯部石墨钢材料的化学成分重量％为：1.2-2.0％C，1.5-2.5％Si，0.3-1.0％Mn，0.5-1.5％Ni，Cr＜0.2％，Mo＜0.2％，P＜0.05％，S＜0.05％，0.01-0.2％RE，0.05-0.5％Ca，其余为Fe，复合轧辊外层高速钢材料与芯部石墨钢材料为冶金结合。中国发明专利CN 1846887也公开了一种高速钢复合轧辊及其制造方法，辊身和辊芯通过离心铸造方法复合而成，辊身材料是高碳高速钢，主要含有的化学成分的重量百分比是：C，1.8～2.8；Mo，4.0～8.0；V，3.0～7.0；Nb，1.5～4.0；Cr，6.0～12.0；RE，0.1～0.25；Ti，0.15～0.40；N，0.08～0.20；K，0.06～0.18；Si＜2.0；Mn＜2.0；S＜0.05；P＜0.05；余量为Fe和不可检测的微量杂质；辊芯材料是高强度球墨铸铁，主要含有的化学成分的重量百分比是：C，3.2～3.6；Si，1.8～2.4；Mn，0.4～0.8；Ni，0.3～1.2；Cr，0.3～0.8；Mo，0.2～0.5；Mg，0.03～0.08；RE，0.05～0.14；P＜0.08；S＜0.03；余量为Fe和不可检测的微量杂质。中国发明专利CN 101225500还公开了一种轧辊用高钼高钒微偏析铸造高速钢。其具体化学成分如下(wt％)：C 1.2～2.8％，Si 0.2～1.0％，Mn 0.2～1.0％，Ni 0.3～1.2％，Cr 3.0～6.0％，Mo 5.0～10.0％，V 5.0～12.0％，Al 0.1～0.7％，P≤0.025％，S≤0.025％，其余为铁。该发明特点是在高速钢中增加Mo、V含量来替代传统轧辊用高速钢中的W元素，以减少重元素W在离心铸造时造成的比重偏析，从而使轧辊径向性能均匀，提高使用稳定性。

上述高速钢轧辊中都需要加入价格昂贵的钒、钨、钼等合金元素，导致轧辊生产成本显著增加，轧辊市场竞争力弱，推广应用困难。

发明内容

本发明目的是针对现有高速钢轧辊生产中需加入昂贵的钒、钨、钼等合金元素，导致轧辊生产成本显著增加，而提出改进型高速钢轧辊及其制备方法，在M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)废料中，加入廉价的Q235废钢、碳素铬铁、硼铁和金属铝，另外还加入少量的镍镁合金，用于制造的高速钢轧辊性能好、成本低廉。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明改进型高速钢轧辊采用离心复合铸造方法成形，轧辊外层是高速钢，轧辊内层是球铁或高强度铸铁。轧辊外层在离心铸造机上成形，然后将辊芯铁水在静态下填芯，浇注成高速钢复合轧辊。

高速钢轧辊外层的原料组成是(质量分数，％)：60-65％的M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)废钢，1.0-1.4％的金属铝，5.0-5.5％的硼铁，9.2-9.4％的碳素铬铁，0.2％-0.4％的钛铁，1.0-1.2％的镍镁合金，18-23％的Q235废钢。

M2高速钢废钢(W6Mo5Cr4V2)的化学成分(质量分数)是：0.80-0.90％C，0.15-0.40％Mn，0.20-0.45％Si，3.80-4.40％Cr，5.50-6.75％W，4.50-5.50％Mo，1.75-2.20％V，余量为Fe。

Q235废钢的化学成分(质量分数)是：0.14-0.22％C，0.30％～0.80％Mn，≤0.30％Si，≤0.045％S，≤0.045％P，余量Fe。

碳素铬铁的化学成分(质量分数)是：59％-62％Cr，7.5-8.2％C，＜3.0％Si，＜0.05％P，0.06％S，余量Fe。

硼铁的化学成分(质量分数)是：19.0～23.0％B，＜0.5％C，＜3.0％Si，＜3.0％Al，＜0.01％S，＜0.08％P，余量Fe。

镍镁合金的化学成分(质量分数)是：82-86％Ni，14-18％Mg。

钛铁的化学成分(质量分数)是：28-32％Ti，＜0.18％C，＜3.0％Si，＜4.0％Al，＜2.5％Mn，＜0.4％Cu，＜0.03％S，＜0.05％P，余量Fe。

本发明高速钢轧辊用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将60-65％的M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)废钢、18-23％的Q235废钢和9.2-9.4％的碳素铬铁随炉加热熔化，钢水熔清并升温至1550～1600℃后，依次加入1.0-1.4％的金属铝、5.0-5.5％的硼铁，保温5～10分钟后出炉；

②将1.0-1.2％镍镁合金和0.2％-0.4％钛铁破碎至粒度为6～12mm的小块，经200～250℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行合金化处理；

③当钢水温度冷却至1420～1450℃时浇入安置在离心机上的铸型内，并在离心铸造条件下凝固成形，然后将球铁或高强度铸铁铁水在静态下填芯，浇注成高速钢复合轧辊；

④浇注15～30小时后开箱空冷轧辊，切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑤轧辊在500～530℃进行热处理，保温时间15～35小时，然后炉冷至温度200～250℃后，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。

轧辊的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于原料组成及热处理工艺，本发明轧辊的原料组成是这样确定的：

(1)M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)废钢：M2高速钢废钢中含有较多的钨、钼、钒、铬等合金元素，其主要化学成分是：0.80-0.90％C，0.15-0.40％Mn，0.20-0.45％Si，3.80-4.40％Cr，5.50-6.75％W，4.50-5.50％Mo，1.75-2.20％V。在本发明高速钢轧辊外层中，加入60-65％的M2高速钢废钢，主要是利用钨、钼元素部分进入基体，提高轧辊材料的红硬性，改善轧辊材料的高温使用性能。利用其中的钒元素，形成高硬度的MC型碳化物，有利于改善轧辊材料的耐磨性。

(2)碳素铬铁：本发明高速钢轧辊中，加入9.2-9.4％的碳素铬铁，主要是利用铬部分形成高硬度的M₇C₃型碳化物，有利于提高轧辊耐磨性，部分铬进入基体，提高基体淬透性和抗氧化性。碳素铬铁碳含量高，碳可与合金元素结合，形成碳化物，改善轧辊耐磨性。

(3)硼铁：本发明高速钢轧辊中，加入5.0-5.5％的硼铁，主要是利用硼铁中的硼元素部分进入碳化物，形成热稳定性好的高硬度碳硼化合物，有利于提高轧辊耐磨性，部分硼可进入基体，提高基体的淬硬性和淬透性，有利于轧辊铸态回火后直接使用，可以取消轧辊高温热处理，缩短轧辊生产周期，并节省能源。

(4)铝：加入1.0-1.4％的铝有两个目的，其一是脱氧，其二是利用铝进入基体，提高基体的高温硬度，改善轧辊的高温耐磨性。由于本发明材料中，加入了60-65％的M2高速钢废钢，钢水中氧含量高、夹杂物多，加铝可脱氧且易形成尺寸较大的含铝氧化物，有利于氧化物的去除，提高钢水纯净度，改善轧辊热疲劳抗力。

(5)钛铁：本发明轧辊材料中，加入0.2％-0.4％的钛铁，主要是为了细化晶粒，提高轧辊的强度和韧性，确保轧辊使用中不出现剥落和开裂。

(6)镍镁合金：本发明轧辊材料中，加入1.0-1.2％的镍镁合金，主要作用是利用其中的镍固溶于基体，起强化基体作用，有利于提高基体淬透性和抗疲劳能力。其中的镁在共晶结晶时，选择性地吸附在共晶碳硼化合物择优生长方向的表面上，形成吸附薄膜，阻碍钢液中的W、Mo、Cr、V、B等原子长入共晶碳硼化合物晶体，降低了共晶碳硼化合物择优方向的长大速度，促使共晶碳硼化合物由层片状变成团球状，有利于改善高速钢轧辊的强韧性和耐磨性。

(7)Q235废钢：本发明轧辊材料中，加入18-23％的Q235废钢，主要是为了补充轧辊中的铁含量，确保轧辊具有良好的综合性能。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明以M2高速钢废钢、Q235废钢、碳素铬铁和硼铁为主要原料，不加价格昂贵的钒铁、钼铁、钨铁和铌铁等，生产成本低廉，比常用的普通高速钢轧辊材料降低30～45％。

(2)本发明高速钢轧辊经500～530℃回火后可以直接使用，缩短了生产周期，节约了能源，且克服了普通高速钢轧辊高温热处理时易变形、开裂、氧化和辊芯强度明显下降等不足。

(3)本发明高速钢轧辊辊面硬度达到82～85HSD，并含有20～25％的热稳定性好的高硬度碳硼化合物，使轧辊的耐磨性比普通高速钢轧辊提高15～20％。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详述。

实施例1

本发明高速钢轧辊用1000kg中频感应电炉熔炼，浇注Φ350mm×2720mm高速钢复合轧辊，其制造工艺步骤是：

①将60％的M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)废钢、23％的Q235废钢和9.4％的碳素铬铁随炉加热熔化，钢水熔清并升温至1597℃后，依次加入1.0％的金属铝、5.3％的硼铁，保温5分钟后出炉。其中M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)的化学成分是：0.80-0.90％C，0.15-0.40％Mn，0.20-0.45％Si，3.80-4.40％Cr，5.50-6.75％W，4.50-5.50％Mo，1.75-2.20％V，余量为Fe。Q235废钢的化学成分是：0.14-0.22％C，0.30％～0.80％Mn，≤0.30％Si，≤0.045％S，≤0.045％P，余量Fe。碳素铬铁的化学成分是：59％-62％Cr，7.5-8.2％C，＜3.0％Si，＜0.05％P，0.06％S，余量Fe。硼铁的化学成分是：19.0～23.0％B，＜0.5％C，＜3.0％Si，＜3.0％Al，＜0.01％S，＜0.08％P，余量Fe。

②将1.0％镍镁合金和0.3％钛铁破碎至粒度为6～12mm的小块，经250℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行合金化处理。其中镍镁合金的化学成分是：Ni 82-86％，Mg 14-18％。钛铁的化学成分是：28-32％Ti，＜0.18％C，＜3.0％Si，＜4.0％Al，＜2.5％Mn，＜0.4％Cu，＜0.03％S，＜0.05％P，余量Fe。

③当钢水温度冷却至1448℃时浇入安置在离心机上的铸型内，并在离心铸造条件下凝固成形，然后将球铁铁水在静态下填芯，浇注成高速钢复合轧辊。

④浇注15小时后开箱空冷轧辊，切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺。

⑤轧辊在530℃进行热处理，保温时间15小时，然后炉冷至温度240℃后，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。

实施例2

本发明高速钢轧辊用1000kg中频感应电炉熔炼，浇注Φ370mm×2910mm高速钢复合轧辊，其制造工艺步骤是：

①将65％的M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)废钢、18％的Q235废钢和9.2％的碳素铬铁随炉加热熔化，钢水熔清并升温至1552℃后，依次加入1.4％的金属铝、5.0％的硼铁，保温10分钟后出炉。其中M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)的化学成分是：0.80-0.90％C，0.15-0.40％Mn，0.20-0.45％Si，3.80-4.40％Cr，5.50-6.75％W，4.50-5.50％Mo，1.75-2.20％V，余量为Fe。Q235废钢的化学成分是：0.14-0.22％C，0.30％～0.80％Mn，≤0.30％Si，≤0.045％S，≤0.045％P，余量Fe。碳素铬铁的化学成分是：59％-62％Cr，7.5-8.2％C，＜3.0％Si，＜0.05％P，0.06％S，余量Fe。硼铁的化学成分是：19.0～23.0％B，＜0.5％C，＜3.0％Si，＜3.0％Al，＜0.01％S，＜0.08％P，余量Fe。

②将1.2％镍镁合金和0.2％钛铁破碎至粒度为6～12mm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合金化处理。其中镍镁合金的化学成分是：Ni 82-86％，Mg 14-18％。钛铁的化学成分是：28-32％Ti，＜0.18％C，＜3.0％Si，＜4.0％Al，＜2.5％Mn，＜0.4％Cu，＜0.03％S，＜0.05％P，余量Fe。

③当钢水温度冷却至1423℃时浇入安置在离心机上的铸型内，并在离心铸造条件下凝固成形，然后将球铁铁水在静态下填芯，浇注成高速钢复合轧辊。

④浇注30小时后开箱空冷轧辊，切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺。

⑤轧辊在500℃进行热处理，保温时间35小时，然后炉冷至温度200℃后，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。

实施例3：

本发明高速钢轧辊用750kg中频感应电炉熔炼，浇注Φ320mm×2580mm高速钢复合轧辊，其制造工艺步骤是：

①将62.8％的M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)废钢、19.7％的Q235废钢和9.3％的碳素铬铁随炉加热熔化，钢水熔清并升温至1577℃后，依次加入1.2％的金属铝、5.5％的硼铁，保温8分钟后出炉。其中M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)的化学成分是：0.80-0.90％C，0.15-0.40％Mn，0.20-0.45％Si，3.80-4.40％Cr，5.50-6.75％W，4.50-5.50％Mo，1.75-2.20％V，余量Fe。Q235废钢的化学成分是：0.14-0.22％C，0.30％～0.80％Mn，≤0.30％Si，≤0.045％S，≤0.045％P，余量Fe。碳素铬铁的化学成分是：59％-62％Cr，7.5-8.2％C，＜3.0％Si，＜0.05％P，0.06％S，余量Fe。硼铁的化学成分是：19.0～23.0％B，＜0.5％C，＜3.0％Si，＜3.0％Al，＜0.01％S，＜0.08％P，余量Fe。

②将1.1％镍镁合金和0.4％钛铁破碎至粒度为6～12mm的小块，经230℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行合金化处理。其中镍镁合金的化学成分是：Ni 82-86％，Mg 14-18％。钛铁的化学成分是：28-32％Ti，＜0.18％C，＜3.0％Si，＜4.0％Al，＜2.5％Mn，＜0.4％Cu，＜0.03％S，＜0.05％P，余量Fe。

③当钢水温度冷却至1435℃时浇入安置在离心机上的铸型内，并在离心铸造条件下凝固成形，然后将高强度铸铁铁水在静态下填芯，浇注成高速钢复合轧辊。

④浇注24小时后开箱空冷轧辊，切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺。

⑤轧辊在520℃进行热处理，保温时间20小时，然后炉冷至温度220℃后，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。

上述高速钢轧辊经探伤和硬度检测后，发现辊面硬度为82～85HSD，辊面硬度差小于2HSD，辊颈硬度为40～43HSD，辊身和辊芯结合良好，结合层无裂纹、夹杂和孔洞等缺陷存在。本发明轧辊已在热轧棒材轧机的K1、K2和K4机架以及高线的中间机架上成功使用，用于替代高铬铸铁轧辊、高镍铬无限冷硬铸铁轧辊和贝氏体球铁轧辊，使用寿命提高4～5倍。用于替代普通高速钢轧辊，使用寿命提高15～20％。由于本发明轧辊不加价格昂贵的钒铁、钼铁、钨铁和铌铁等，生产成本低廉，比常用的普通高速钢轧辊材料降低30～45％。本发明轧辊使用安全、可靠，推广应用具有显著的经济和社会效益。

Claims (8)

1.改进型高速钢轧辊，其特征在于，采用离心复合铸造方法成形，轧辊外层是高速钢，轧辊内层是球铁或高强度铸铁，轧辊外层在离心铸造机上成形，然后将辊芯铁水在静态下填芯，浇注成高速钢复合轧辊；

高速钢轧辊外层的原料组成质量分数是：60-65％的M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)废钢，1.0-1.4％的金属铝，5.0-5.5％的硼铁，9.2-9.4％的碳素铬铁，0.2-0.4％的钛铁，1.0-1.2％的镍镁合金，18-23％的Q235废钢。

2.按照权利要求1的改进型高速钢轧辊，其特征在于，所述M2高速钢废钢(W6Mo5Cr4V2)的化学成分质量分数是：0.80-0.90％C，0.15-0.40％Mn，0.20-0.45％Si，3.80-4.40％Cr，5.50-6.75％W，4.50-5.50％Mo，1.75-2.20％V，余量为Fe。

3.按照权利要求1的改进型高速钢轧辊，其特征在于，所述Q235废钢的化学成分质量分数是：0.14-0.22％C，0.30％～0.80％Mn，≤0.30％Si，≤0.045％S，≤0.045％P，余量Fe。

4.按照权利要求1的改进型高速钢轧辊，其特征在于，所述碳素铬铁的化学成分质量分数是：59-62％Cr，7.5-8.2％C，＜3.0％Si，＜0.05％P，0.06％S，余量Fe。

5.按照权利要求1的改进型高速钢轧辊，其特征在于，所述硼铁的化学成分质量分数是：19.0～23.0％B，＜0.5％C，＜3.0％Si，＜3.0％Al，＜0.01％S，＜0.08％P，余量Fe。

6.按照权利要求1的改进型高速钢轧辊，其特征在于，所述镍镁合金的化学成分质量分数是：82-86％Ni，14-18％Mg。

7.按照权利要求1的改进型高速钢轧辊，其特征在于，所述钛铁的化学成分质量分数是：28-32％Ti，＜0.18％C，＜3.0％Si，＜4.0％Al，＜2.5％Mn，＜0.4％Cu，＜0.03％S，＜0.05％P，余量Fe。

8.权利要求1-7的任一高速钢轧辊的制备方法，其特征在于，用电炉熔炼，包括以下步骤：

①将60-65％的M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)废钢、18-23％的Q235废钢和9.2-9.4％的碳素铬铁随炉加热熔化，钢水熔清并升温至1550～1600℃后，依次加入1.0-1.4％的金属铝、5.0-5.5％的硼铁，保温5～10分钟后出炉；

②将1.0-1.2％镍镁合金和0.2％-0.4％钛铁破碎至粒度为6～12mm的小块，经200～250℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行合金化处理；

③当钢水温度冷却至1420～1450℃时浇入安置在离心机上的铸型内，并在离心铸造条件下凝固成形，然后将球铁或高强度铸铁铁水在静态下填芯，浇注成高速钢复合轧辊；

④浇注15～30小时后开箱空冷轧辊，切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑤轧辊在500～530℃进行热处理，保温时间15～35小时，然后炉冷至温度200～250℃后，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。