CN101805869B

CN101805869B - 含硼高铬高速钢轧辊材料及其热处理方法

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Publication number: CN101805869B
Application number: CN2010101523662A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 徐建忠; 雷永平; 成小乐; 杜忠泽
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: CN101805869A

Abstract

本发明公开了一种含硼高铬高速钢轧辊材料及其热处理方法，其化学成分(质量分数，％)是：2.6-3.0C，2.0-2.8Mo，1.0-1.5W，0.6-1.0Nb，1.0-1.5V，24-28Cr，0.5-0.8B，0.7-1.2Ni，0.5-1.0Si，0.5-1.2Mn，0.008-0.015Ca，0.06-0.08Zn，0.02-0.05Ta，0.03-0.06RE，0.04-0.10K，其余为Fe和不可避免的微量杂质，该轧辊材料经熔炼、炉外变质、浇注和热处理后，精加工成轧辊。该发明轧辊材料硬度高、耐磨性好，且不需要高温热处理，具有工艺简便、能耗低和使用寿命长等特点，推广应用具有较好的经济效益。

Description

含硼高铬高速钢轧辊材料及其热处理方法

技术领域

本发明为一种高速钢轧辊材料，特别涉及一种含硼高铬高速钢轧辊材料及其热处理方法，属于轧辊制造领域。

背景技术

高速钢轧辊自诞生到目前在西方发达国家已取得了广泛的应用，特别是日本，热轧带钢轧机精轧前架已全部采用高速钢轧辊，精轧后架的使用率也达到了50％，因此，日本热轧板带材吨钢平均辊耗为0.4公斤/吨，日新制铁热轧带钢轧机采用的是CPC高速钢轧辊，吨钢辊耗仅为0.3公斤/吨。我国热轧板带材目前吨钢平均辊耗为0.8公斤/吨左右，但在不远的将来，我国热轧板带材吨钢辊耗也会大幅度降低，其原因是我国各轧钢厂也开始纷纷采用高速钢轧辊。重钢热轧厂早在20世纪90年代中就从比利时引进高速钢轧辊，随后又从日本等国家大量引进高速钢轧辊，是我国最早使用高速钢轧辊的厂家。目前，宝钢1580毫米热连轧带钢轧机吨钢辊耗已降到0.5公斤/吨以下，其他如鞍钢热连轧机、武钢热轧厂等厂家也在使用高速钢轧辊，并取得了较好的使用效果。国产高速钢轧辊在线、棒材轧机上已有将近20个厂家在不同程度上使用或试用，均取得显著的使用效果，相信几年内高速钢轧辊在线、棒材轧机上将会得到广泛的应用。

为了进一步提高高速钢轧辊的性能，美国专利US20060097953公开了一种离心复合轧辊制造方法，其具体化学成分为2.5-9％C，0.1-3.5％Si，0.1-3.5％Mn，11-40％V，余量Fe。日本专利JP2007056722也提供了一种具有高耐磨性、高韧性的高速钢轧辊材料。中国发明专利CN1264749公开了一种高耐磨性铸造高速钢，适用于大型耐磨件、复合轧辊工作层。它的具体化学成分(重量％)如下：1.8-4.2C，2-12W，3-12Mo，4-15Cr，0-10Co，2.5-10V，0.3-2.5Nb，0.5-1.5Si，0.3-0.8Mn，0.2-0.6Al，0.02-0.10N，S≤0.03，P≤0.03，其余为Fe，该发明特点是一种高碳、高钒、高铬型铸造高速钢，铸造性能良好，耐磨及红硬性好。中国发明专利CN101225500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％，Mn0.2～1.0％，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。该发明涉及的高钼高钒高速钢具有铸造偏析小，硬度高，耐磨性强，红硬性好，强韧性优等特点。中国发明专利CN101274359还公开了一种电磁离心铸造高速钢复合轧辊工作层材质，其成分质量百分比为：C 1.8～2.5、W 3～10.0、Mo 2～4、Cr 4.0～7.0、V 0.5～2、RE 0.03～0.5、Si≤1、Mn≤1、余量为Fe和不可避免杂质；其中，在辊身工作层离心浇注和凝固过程中，施加磁感应强度为0.21T～0.30T的电磁场。该发明高碳高钨高速钢材质，采用电磁离心铸造工艺可以制造高碳高钨高速钢复合轧辊，以W代V，不仅消除了铸造组织的宏观偏析，有效地控制MC碳化物均匀分布，而且明显地改善了高速钢复合轧辊的使用性能。中国发明专利CN100999804还公开了一种新型高碳高钨高速钢轧辊及其制备方法，该发明中高碳高钨高速钢轧辊含有：碳2.0％～3.0％，钨6.0％～18.0％，钒2.0％～4.0％，钼1.0％～3.0％，铬3.0％～9.0％，硅小于1.2％，锰小于1.2％；制成的该高碳高钨高速钢轧辊含有钒、钨系的MC型复合碳化物。该发明中高碳高钨高速钢轧辊的制备方法是，将高碳高钨高速钢加热到1580℃～1620℃后脱氧；在1400℃～1500℃浇铸，同时对离心铸型施加0.05T～0.25T的稳恒磁场，并以600-1800转/分钟转速旋转至成型。中国发明专利CN1631565还公开了高钒高速钢复合轧辊及生产工艺，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，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：C：1.8-3.5％、V：7-12％、Cr：4-5％、Mo：2-4％、Ni：0.5-1.5％，余量为铁。其生产工艺为：辊芯与轧辊耐磨层通过感应加热顺序凝固结晶方法复合熔铸为一体。

但是，上述高速钢轧辊材料均存在贵重合金元素加入量多，轧辊生产成本高的不足。

发明内容

本发明目的是针对轧辊在使用中出现的种种问题，提出一种含硼高铬高速钢轧辊材料及其热处理方法，该含硼高铬高速钢轧辊材料改善高速钢的铸造性能，降低轧辊成本，改善轧辊的淬透性和淬硬性，使轧辊在铸态下具有高硬度，提高轧辊材料的强韧性和抗疲劳性能。此外，其热处理方法不采用高温淬火热处理，只进行消除应力和稳定组织的回火热处理，以降低轧辊热处理能耗。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明含硼高铬高速钢轧辊材料的化学组成成分是(质量分数，％)：2.6-3.0C，2.0-2.8Mo，1.0-1.5W，0.6-1.0Nb，1.0-1.5V，24-28Cr，0.5-0.8B，0.7-1.2Ni，0.5-1.0Si，0.5-1.2Mn，0.008-0.015Ca，0.06-0.08Zn，0.02-0.05Ta，0.03-0.06RE，0.04-0.10K，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

上述轧辊材料采用电炉熔炼，具体工艺步骤如下：

①先将废钢、生铁、钼铁、铬铁、钨铁和镍板在炉内混合加热熔化，钢水溶清后加入硅铁和锰铁，升温至1530～1560℃，依次加入钒铁、铌铁和硼铁，其中铌铁只加入其加入总量的88％～92％，硼铁只加入其加入总量的92％～95％，保温8～15分钟后，依次加入硅钙合金预脱氧、加入铝终脱氧，炉前调整成分合格后出炉；

②将稀土硅铁、钾盐、钽铁、金属锌、剩余量的硼铁和剩余量的铌铁破碎至粒度10～15mm的小块，经150～180℃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；

③钢水扒渣后浇注成轧辊，钢水浇注温度为1450～1480℃。

④轧辊在500～550℃进行热处理，保温时间12～20小时，然后炉冷至150～200℃后空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。

在高速钢中，提高铬含量，以改善高速钢的铸造性能，并降低钨、钼、钒和铌等贵重合金元素的加入量，利于降低轧辊成本，另外加入适量硼元素，利于改善轧辊的淬透性和淬硬性，使轧辊在铸态下具有高硬度，还加入细化轧辊凝固组织的微合金元素，利于提高轧辊材料的强韧性和抗疲劳性能。此外，含硼高铬高速钢轧辊材料不采用高温淬火热处理，只进行消除应力和稳定组织的回火热处理，以降低轧辊热处理能耗。

轧辊材料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，本发明化学成分是这样确定的：

碳：本发明加入碳的目的是为了增加高速钢轧辊中碳化物数量，改善轧辊耐磨性，且碳含量增加后，高速钢的铸造性能明显改善，碳含量过高，易使轧辊脆性增大，合适的碳加入量为2.6-3.0％。

钼和钨：加入钼和钨，部分进入基体，有利于提高基体高温性能，部分进入碳化物，有利于提高碳化物硬度和高温稳定性，导致轧辊使用寿命的延长。但是钼和钨加入量过多，导致轧辊生产成本增加，且钨元素密度大，轧辊离心铸造成形过程中易出现明显的偏析，合适的钼加入量为2.0-2.8％，合适的钨加入量为1.0-1.5％。

钒和铌：加入钒和铌的主要目的是为了获得高硬度的MC型碳化物，有利于改善轧辊耐磨性，炉外加入的铌还有利于细化凝固组织，但是钒和铌价格高，加入量过多，导致轧辊生产成本增加，且钒元素密度小，轧辊离心铸造成形过程中易出现明显的偏析，合适的钒加入量为1.0-1.5％，合适的铌加入量为0.6-1.0％。

铬：高速钢轧辊中提高铬含量，一方面可以增加高硬度M₇C₃型碳化物数量，有利于轧辊耐磨性的改善，另外，还可增加轧辊的淬透性和抗氧化性能，合适的铬加入量为24-28％。

硼：高速钢轧辊中加入硼除了形成高硬度硼化物、提高淬透性、淬硬性，导致轧辊耐磨性明显改善外，炉外加入的硼能减少固溶体中碳的含量，使钢液中碳的溶解度增加，造成钢液中碳的原子集团数增多，从而使碳化物的生长核心增多，有利于碳化物的细化，促进高速钢轧辊强度和韧性的增加，合适的硼加入量为0.5-0.8％。

镍：镍是非碳化物、硼化物形成元素，主要溶于基体，有利于基体淬透性的提高，还可以提高基体强度，防止轧辊使用中出现剥落和开裂，但加入量过多，轧辊组织中出现大量高温稳定性好的奥氏体组织，不利于轧辊硬度的提高和耐磨性的改善，合适的镍加入量为0.7-1.2％。

硅和锰：高速钢轧辊中加入硅和锰主要起脱氧作用，另外，硅和锰还可以强化基体，有利于提高轧辊耐磨性。但是硅含量过高，轧辊使用中易出现疲劳裂纹，降低轧辊使用寿命，锰含量过高，易促使轧辊组织粗大，损害轧辊大强度和韧性，合适的硅加入量为0.5-1.0％，合适的锰加入量为0.5-1.2％。

钙：钙与氧有很大的亲合力，钙的脱氧能力很强。钙对高速钢中夹杂物的变质具有显著作用，高速钢中加入适量钙可将高速钢中的长条状硫化物夹杂转变为球状的CaS或(Ca，Mn)S夹杂，高速钢中加入适量钙还显著降低硫在晶界的偏聚，钙对降低高速钢脆性和提高含硼高铬高速钢轧辊铸造时抗热裂性是十分有益的。但加入过多的钙将使高速钢中夹杂物增多，对高速钢韧性的提高不利，合适的钙加入量为0.008-0.015％。

锌：锌促使含硼高铬高速钢轧辊中碳化物变得细小、孤立、尖角圆钝，数量增加，碳化物数量增加是由于形成了含锌复合碳化物的缘故，对耐磨性的提高是有利的。锌加入量过多时会导致出现大量含锌复合碳化物，反而降低含硼高铬高速钢轧辊的韧性，合适的锌加入量是0.06-0.08％。

稀土：稀土的熔点低，是强成分过冷元素，变质前后，含硼高铬高速钢轧辊的初晶结晶时间和凝固区间均缩短，由于稀土为非碳化物形成元素，在凝固过程中通过溶质元素再分配而富集在碳化物结晶前沿的液体中，提高了碳化物的形核率，促进碳化物的细化。另外，稀土元素与钢液中的氧和硫均有较大的亲和力，能净化钢水，在结晶时避免了初生相的有方向性的生长，因而避免了晶粒粗大。大量稀土高熔点化合物及脱硫去氧形成的夹杂可作为奥氏体、碳化物的晶核基底，形成异质晶核，使晶核数增加，进而细化凝固组织。合适的稀土加入量是0.03-0.06％。

钾：钾熔点低，是表面活性元素，吸附在碳化物与奥氏体的界面上，造成成分过冷，在碳化物择优生长表面的吸附与偏聚改变碳化物的结晶惯习面，从而使得基体及碳化物晶粒向各个方向生长的几率相等，生长形状趋向于团球状。钾还具有很强的脱氧、脱硫能力，能有效减少氧、硫等杂质的数量，使晶界大大净化，结晶核心周围过冷度均匀，进而细化了碳化物。合适的钾加入量为0.04-0.10％。

钽：钽加入含硼高铬高速钢轧辊中，可形成细小、熔点高的TaC，TaC可以作为初生奥氏体、共晶碳化物、硼化物的结晶核心，有利于凝固组织的细化，可改善含硼高铬高速钢轧辊的强度和韧性，延长其使用寿命，合适的钽加入量为0.02-0.05％。

本发明含硼高铬高速钢轧辊中，铸态组织以马氏体和奥氏体为主，加上高硬度的MC、M₂C、M₇C₃型碳化物和Fe₂B硼化物，无低硬度的铁素体和珠光体，铸态硬度达到85～88HSD，无需进行高温硬化淬火处理，只需在500～550℃进行消除应力和稳定组织的回火热处理，保温时间12～20小时，然后炉冷至150～200℃后空冷至室温。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明高速钢轧辊材料中，钨、钼、钒和铌等贵重合金元素的加入量较少，轧辊材料成本明显下降。

(2)本发明高速钢轧辊材料通过提高碳、铬含量，并加入适量硼元素，铸态组织以马氏体和奥氏体为主，加上高硬度的MC、M₂C、M₇C₃型碳化物和Fe₂B硼化物，无低硬度的铁素体和珠光体，铸态硬度达到85～88HSD，无需进行高温硬化淬火处理，只进行消除应力和稳定组织的回火热处理，可以明显降低轧辊热处理能耗和缩短轧辊生产周期，且回火后硬度无明显下降，仍维持在83～87HSD。

(3)本发明轧辊材料经钽、硼、铌、稀土、锌和钾复合变质处理，凝固组织细小、碳化物和硼化物孤立分布，导致轧辊材料强度和韧性明显提高，其中抗拉强度达到750～820Mpa，冲击韧性达到12～15J/cm²。

(4)本发明轧辊材料用于轧钢生产中，使用寿命比高镍铬铸铁轧辊提高200～250％，与普通高速钢轧辊相当。

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：

采用1000公斤中频感应电炉熔化含硼高铬高速钢轧辊材料，具体工艺步骤是：

①先将废钢、生铁、钼铁、铬铁、钨铁和镍板在炉内混合加热熔化，钢水溶清后加入硅铁和锰铁，升温至1532℃，依次加入钒铁、铌铁和硼铁，其中铌铁只加入其加入总量的88％，硼铁只加入其加入总量的95％，保温15分钟后，依次加入硅钙合金预脱氧、加入铝终脱氧，炉前调整成分合格后出炉。

②将稀土硅铁、钾盐、钽铁、金属锌、硼铁和铌铁破碎至粒度10～15mm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，其中铌铁只加入其加入总量的12％，硼铁只加入其加入总量的5％；

③钢水扒渣后浇注成轧辊，钢水浇注温度为1455℃。

④轧辊在500℃进行热处理，保温时间20小时，然后炉冷至200℃后空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。轧辊材料的化学成分见表1，轧辊材料的力学性能见表2。

实施例2：

①先将废钢、生铁、钼铁、铬铁、钨铁和镍板在炉内混合加热熔化，钢水溶清后加入硅铁和锰铁，升温至1557℃，依次加入钒铁、铌铁和硼铁，其中铌铁只加入其加入总量的92％，硼铁只加入其加入总量的92％，保温8分钟后，依次加入硅钙合金预脱氧、加入铝终脱氧，炉前调整成分合格后出炉。

②将稀土硅铁、钾盐、钽铁、金属锌、硼铁和铌铁破碎至粒度10～15mm的小块，经150℃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，其中铌铁只加入其加入总量的8％，硼铁只加入其加入总量的8％；

③钢水扒渣后浇注成轧辊，钢水浇注温度为1475℃。

④轧辊在550℃进行热处理，保温时间12小时，然后炉冷至150℃后空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。轧辊材料的化学成分见表1，轧辊材料的力学性能见表2。

实施例3：

采用750公斤中频感应电炉熔化含硼高铬高速钢轧辊材料，具体工艺步骤是：

①先将废钢、生铁、钼铁、铬铁、钨铁和镍板在炉内混合加热熔化，钢水溶清后加入硅铁和锰铁，升温至1548℃，依次加入钒铁、铌铁和硼铁，其中铌铁只加入其加入总量的90％，硼铁只加入其加入总量的94％，保温10分钟后，依次加入硅钙合金预脱氧、加入铝终脱氧，炉前调整成分合格后出炉。

②将稀土硅铁、钾盐、钽铁、金属锌、硼铁和铌铁破碎至粒度10～15mm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，其中铌铁只加入其加入总量的10％，硼铁只加入其加入总量的6％；

③钢水扒渣后浇注成轧辊，钢水浇注温度为1466℃。

④轧辊在530℃进行热处理，保温时间15小时，然后炉冷至180℃后空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。轧辊材料的化学成分见表1，轧辊材料的力学性能见表2。

表1含硼高铬高速钢轧辊材料化学成分(质量分数，％)

元素	C	Mo	W	Nb	V	Cr	B	Ni	S i
										实施例1	2.61	2.05	1.49	0.98	1.01	24.09	0.79	1.02	0.54
实施例2	2.74	2.77	1.30	0.73	1.36	27.81	0.64	1.19	0.91
										实施例3	2.98	2.62	1.06	0.60	1.47	25.47	0.50	0.73	0.78
元素	Mn	Ca	Zn	Ta	RE	K	S	P	Fe
										实施例1	1.19	0.008	0.079	0.024	0.031	0.040	0.025	0.038	余量
实施例2	0.53	0.014	0.068	0.031	0.058	0.077	0.024	0.039	余量
										实施例3	0.87	0.011	0.060	0.049	0.046	0.093	0.021	0.035	余量

表2含硼高铬高速钢轧辊力学性能

力学性能	硬度/HSD	抗拉强度/MPa	冲击韧性/J.cm^-2
				实施例1	86.4	795.9	12.5
实施例2	83.7	813.0	14.7
				实施例3	85.8	760.2	13.0

采用含硼高铬高速钢轧辊材料制造的轧辊，已在热轧棒材轧机精轧机架前架(K2机架)、预切分机架(K4机架)和热轧窄带钢轧机上进行了工业运行试验，试验结果显示，含硼高铬高速钢轧辊材料制造的轧辊，具有硬度高、硬度均匀性好、淬硬层深等特点，还具有良好的强韧性和抗疲劳性能，轧辊使用中无剥落、开裂和断辊现象出现，轧辊使用寿命比高镍铬铸铁轧辊提高200～250％，与普通高速钢轧辊相当，而生产成本比普通高速钢轧辊材料降低30％左右。推广应用本发明轧辊材料，可降低轧材成本，改善轧材表面质量，具有良好的经济和社会效益。

Claims

1.含硼高铬高速钢轧辊，轧辊的化学组成及成分质量分数(％)是：2.6-3.0C，2.0-2.8Mo，1.0-1.5W，0.6-1.0Nb，1.0-1.5V，24-28Cr，0.5-0.8B，0.7-1.2Ni，0.5-1.0Si，0.5-1.2Mn，0.008-0.015Ca，0.06-0.08Zn，0.02-0.05Ta，0.03-0.06RE，0.04-0.10K，其余为Fe和不可避免的微量杂质，该轧辊材料采用以下工艺步骤熔炼和浇注：

③钢水扒渣后浇注成轧辊，钢水浇注温度为1450～1480℃。

2.一种权利要求1所述的含硼高铬高速钢轧辊的热处理方法，其特征在于，轧辊在500～550℃进行热处理，保温时间12～20小时，然后炉冷至150～200℃后空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。