CN102019294B - 大尺寸高韧性耐磨合金轧辊的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸高韧性耐磨合金轧辊的制造方法，轧辊由高韧性耐磨合金外层和高强度铸铁内层组成，外层的化学成分按质量百分比计为：碳3.2-3.6，硅＜1.0，锰0.8-2.0，硫＜0.05，磷0.1-0.3，铬1.2-1.8，镍3.6-4.2，钼0.3-0.6，钛＜0.1，钒＜0.2，其余为铁和不可避免的杂质，轧辊显微组织由碳化物、下贝氏体和奥氏体组成，其中奥氏体的体积分数在10-35％之间，其特征在于制造方法包括以下步骤：(1)电炉熔炼；(2)离心浇注轧辊外层，(3)离心浇注轧辊内层；(4)内层浇注完成后，冷却到900-800℃时，将轧辊从模具中取出空冷至400-300℃时放入保温炉内保持5-15小时，然后再取出空冷；(5)将成型的合金轧辊经机械加工制得成品。本发明不易开裂，轧辊面硬度均匀，性能优良。

Description

大尺寸高韧性耐磨合金轧辊的制造方法

技术领域

本发明涉及一种粮油机械用大尺寸高韧性耐磨合金轧辊的制造方法，属于轻工机械制造技术领域。

背景技术

为提高生产效率，粮油破碎机械用轧辊的尺寸越来越大，直径达到800mm以上。传统的直径在600mm以下的粮油破碎机械用轧辊外层主要为铬钼冷硬铸铁，采用离心铸造成型，显微组织由骨架状碳化物和珠光体组成。采用铬钼冷硬铸铁，离心铸造成型800mm以上轧辊时，由于轧辊尺寸大，液态金属带入的热量多，凝固和冷却过程产生的铸造应力、相变应力和热应力很大，从而引起裂纹和硬度不均匀，轧辊面硬度差超过10HSD，造成成品率低，且耐磨性和韧性不高，使用过程中出现辊身表面剥落。国内外公开了一些用于热轧钢材的轧辊及其制造方法，如中国专利200710178689.7公开了一种离心复合改进型无限冷硬铸铁轧辊及其制备方法，其特征是轧辊外层化学成分是(重量％)：3.2-3.8％C，3.8-3.5％Ni，1.2-1.8％Cr，0.2-0.4％Mo，0.2-0.5％Cu，1.0-1.8％Si，＜0.8％Mn，0.10-0.30％Nb，0.05-0.20％Ti，0.04-0.07％Mg，0.02-0.05％Y，0.01-0.03％Sb，其余为Fe和不可避免的微量杂质，为提高轧辊的热疲劳性能和润滑性能，加入了较多的Si和球化元素Mg、Y形成球状石墨；中国专利CN1598030公开了改进的镍铬钼无限冷硬铸铁及复合轧辊，其特征是在含2.90-3.70％C，0.60-1.20％Si，0.4-1.2％Mn，3.01-5.00％Ni，1.00-2.00％Cr，0.20-0.60％Mo，余量为Fe组成的镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊中，加入0.03-0.1％B和0.2-1.5％Nb，由于部分硼溶入基体后，增大了基体的脆性。国外专利WO96/39544公开了一种含Nb的无限冷硬铸铁轧辊，在含2.5-4.0％C，4.2-4.6％Ni，0.3-0.5Mo％，1.5-2.0％Cr，0.7-1.2Si和0.7-1.0Mn的无限冷硬铸铁轧辊中，加入0.3-6.0％的Nb，来提高轧辊表面硬度和耐磨性，但对韧性改善不明显。粮油机械用大尺寸轧辊与热轧钢材轧辊的工作环境不同，对性能要求也不一样，按轧钢轧辊的生产技术无法制造粮油机械用大尺寸轧辊。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷、无裂纹且硬度均匀的大尺寸高韧性耐磨合金轧辊的制造方法。其技术方案为：

一种大尺寸高韧性耐磨合金轧辊的制造方法，轧辊由高韧性耐磨合金外层和高强度铸铁内层组成，其中外层的化学成分按质量百分比计为：碳3.2-3.6，硅＜1.0，锰0.8-2.0，硫＜0.05，磷0.1-0.3，铬1.2-1.8，镍3.6-4.2，钼0.3-0.6，钛＜0.1，钒＜0.2，其余为铁和不可避免的杂质，轧辊显微组织由碳化物、下贝氏体和奥氏体组成，其中奥氏体的体积分数在10-35％之间，制造步骤依次是：

(1)将废钢、钒钛生铁、铬铁、钼铁、纯镍或镍铁按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.10-0.20％的铝脱氧后出炉；

(2)将出炉钢水采用卧式离心机浇注轧辊外层，钢水浇注温度为1420-1380℃；

(3)轧辊外层浇注完成后，离心机继续旋转，直到内表面温度冷却到1170-1130℃时，浇注轧辊内层，浇注温度为1400-1350℃；

(4)冷却；

(5)将成型的合金轧辊经机械加工制得成品；

其特征在于：步骤(4)中待轧辊在旋转的离心机中冷却到950-800℃，将轧辊从模具中取出空冷至400-300℃，再放入保温炉内保持5-15小时，然后再取出空冷。

其工作原理为：

本发明大尺寸轧辊的高韧性和高耐磨性是通过控制轧辊外层合金显微组织来实现的。通过选择化学成分和优化制造工艺参数获得本发明规定比例的碳化物、下贝氏体和奥氏体，其中的碳化物和下贝氏体保证合金层具有高的硬度和耐磨性，下贝氏体与马氏体、上贝氏体和珠光体相比本身就具有良好的强度和韧性，再与规定比例的韧性好的奥氏体配合，进一步保证了合金的高韧性。

对本发明轧辊外层合金化学成分的选择理由解释如下：

碳：碳是影响合金轧辊外层硬度和韧性的主要元素，其含量高时，组织中碳化物数量多，基体硬度高，耐磨性好，但含量过高，碳化物数量过多，使韧性下降，使用中易产生剥落，降低轧辊使用寿命，因此C含量以3.2-3.5％为宜。

镍：在轧辊外层合金中加入镍，稳定奥氏体，提高淬透性，抑制珠光体形成，增加组织中奥氏体量，提高合金轧辊的韧性和硬度均匀性，防止冷却过程中出现开裂。但加入量过多，会降低轧辊外层的硬度和耐磨性，且增加轧辊的成本。因此，合适的Ni加入量是3.6-4.2％。

铬：在轧辊外层合金中加入的铬，稳定碳化物，阻碍碳化物的石墨化，从而提高轧辊外层的硬度，提高耐磨性。但加入量过多，会增加碳化物的数量，增加轧辊外层合金的脆性，制造和使用中易出现裂纹和剥落。因此，合适的铬的加入量是1.2-1.8％。

钼：在轧辊外层合金中加入少量钼，可以改善淬透性，抑制珠光体形成，促进下贝氏体的形成。但钼是价格昂贵的元素，加入量过多，将增加轧辊生产成本，合适的钼加入量是0.3-0.6％。

锰：在轧辊外层合金中加入锰，可以代替镍稳定奥氏体，提高淬透性，增加组织中奥氏体的含量，降低成本，但Mn改善韧性方面不如镍。合适的Mn加入量是0.8-2.0％。

硅：硅是促进石墨化元素，在轧辊外层合金中加入硅，易促进石墨的析出，损害轧辊的强度和韧性，其含量尽量降低。合适的硅含量是控制在1.0％以下。

钒和钛：钒和钛是强碳化物形成元素，形成的碳化物熔点高、稳定性好，在轧辊外层合金中含有少量钒和钛，可使凝固组织细化，有利于碳化物断网，提高轧辊的强度和韧性，改善轧辊耐磨性。但含量过多，碳化物量增加，损害轧辊外层合金的强度和韧性。因此，合适的含量为钛＜0.1％，钒＜0.2％。

磷：可防止轧辊离心铸造成型过程中的产生开裂，但降低轧辊外层合金的韧性。合适的磷的加入量为：0.1-0.3％。

硫：促进轧辊离心铸造成型过程中的产生开裂，属有害元素，其含量尽量降低。合适的S含量是控制在0.05％以下。

本发明大尺寸高韧性耐磨轧辊的制造过程中，步骤(4)所述的冷却方法是获得本发明规定的显微组织、赋予轧辊外层合金高韧性、高耐磨性的关键。轧辊内层浇注完成后，冷却到950-800℃时，将轧辊从模具中取出空冷的目的是抑制珠光体的形成，空冷至400-300℃时放入保温炉内保持5-15小时的目的是获得本发明规定比例的下贝氏体和奥氏体，保证轧辊合金外层的韧性，同时还降低了轧辊凝固和冷却过程中产生的内应力，防止轧辊开裂。

本发明与现有技术相比，其优点是：

1、通过选择化学成分和优化制造工艺参数，克服了由于轧辊尺寸大，液态金属带入的热量多，导致凝固和冷却过程产生的铸造应力、相变应力和热应力很大，从而引起裂纹和硬度不均匀的缺点。

2、采用本发明制造的高韧性耐磨合金轧辊的轧辊面硬度差小于5HSD，轧辊外层合金的显微组织由规定比例的碳化物、下贝氏体和奥氏体组成，赋予轧辊外层合金高韧性和高耐磨性，克服了制造过程中容易开裂和轧辊面硬度不均性以及在使用过程中出现辊身表面剥落现象的缺点。

具体实施方式

实施例1：

采用一台2吨容量的中频感应电炉熔炼轧辊外层合金，轧辊外层合金的化学成分见表1，利用冲天炉熔炼轧辊内层高强度灰铸铁。合金轧辊的外径800mm，合金轧辊毛坯的总重量约3.5吨，其制造工艺步骤如下：

(1)将废钢、钒钛生铁、铬铁、钼铁、纯镍或镍铁按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.10％的铝脱氧后出炉；

(2)将出炉钢水采用卧式离心机浇注轧辊外层，钢水浇注温度为1420℃；

(3)轧辊外层浇注完成后，离心机继续旋转，直到内表面温度冷却到1170℃时，浇注轧辊内层，浇注温度为1400℃；

(4)轧辊内层浇注完成后，冷却到950℃时，将轧辊从模具中取出空冷至300℃时放入保温炉内保持15小时，然后再取出空冷；

(5)将成型的合金轧辊经机械加工制得成品。

表1轧辊外层合金的化学成分(质量百分数)

轧辊无裂纹，轧辊面硬度平均值77HSD，硬度差小于4HSD。轧辊外层合金的显微组织由碳化物、下贝氏体和奥氏体组成，奥氏体所占体积分数为25％。轧辊在使用过程中无辊身表面剥落的现象。

实施例2：

采用一台2吨容量的中频感应电炉熔炼轧辊外层合金，轧辊外层合金的化学成分见表2，利用冲天炉熔炼轧辊内层高强度灰铸铁。合金轧辊的外径800mm，合金轧辊毛坯的总重量约3.5吨，其制造工艺步骤如下：

(1)将废钢、钒钛生铁、铬铁、钼铁、纯镍或镍铁按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.20％的铝脱氧后出炉；

(2)将出炉钢水采用卧式离心机浇注轧辊外层，钢水浇注温度为1380℃；

(3)轧辊外层浇注完成后，离心机继续旋转，直到内表面温度冷却到1170℃时，浇注轧辊内层，浇注温度为1350℃；

(4)轧辊内层浇注完成后，冷却到900℃时，将轧辊从模具中取出空冷至400℃时放入保温炉内保持5小时，然后再取出空冷；

(5)将成型的合金轧辊经机械加工制得成品。

表2轧辊外层合金的化学成分(质量百分数)

轧辊无裂纹，轧辊面硬度平均值79HSD，硬度差小于3HSD。轧辊外层合金的显微组织由碳化物、下贝氏体和奥氏体组成，奥氏体所占体积分数为20％。轧辊在使用过程中无辊身表面剥落的现象。

实施例3：

采用一台2吨容量的中频感应电炉熔炼轧辊外层合金，轧辊外层合金的化学成分见表3，利用冲天炉熔炼轧辊内层高强度灰铸铁。合金轧辊的外径800mm，合金轧辊毛坯的总重量约3.5吨，其制造工艺步骤如下：

(1)将废钢、钒钛生铁、铬铁、钼铁、纯镍或镍铁按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.15％的铝脱氧后出炉；

(2)将出炉钢水采用卧式离心机浇注轧辊外层，钢水浇注温度为1400℃；

(3)轧辊外层浇注完成后，离心机继续旋转，直到内表面温度冷却到1150℃时，浇注轧辊内层，浇注温度为1370℃；

(4)轧辊内层浇注完成后，冷却到850℃时，将轧辊从模具中取出空冷至350℃时放入保温炉内保持10小时，然后再取出空冷；

(5)将成型的合金轧辊经机械加工制得成品。

表3轧辊外层合金的化学成分(质量百分数)

轧辊无裂纹，轧辊面硬度平均值76HSD，硬度差小于3HSD。轧辊外层合金的显微组织由碳化物、下贝氏体和奥氏体组成，奥氏体所占体积分数为35％。轧辊在使用过程中无辊身表面剥落的现象。

实施例4：

采用一台2吨容量的中频感应电炉熔炼轧辊外层合金，轧辊外层合金的化学成分见表4，利用冲天炉熔炼轧辊内层高强度灰铸铁。合金轧辊的外径800mm，合金轧辊毛坯的总重量约3.5吨，其制造工艺步骤如下：

(1)将废钢、钒钛生铁、铬铁、钼铁、纯镍或镍铁按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.15％的铝脱氧后出炉；

(2)将出炉钢水采用卧式离心机浇注轧辊外层，钢水浇注温度为1400℃；

(3)轧辊外层浇注完成后，离心机继续旋转，直到内表面温度冷却到1150℃时，浇注轧辊内层，浇注温度为1370℃；

(4)轧辊内层浇注完成后，冷却到800℃时，将轧辊从模具中取出空冷至400℃时放入保温炉内保持8小时，然后再取出空冷；

(5)将成型的合金轧辊经机械加工制得成品。

表4轧辊外层合金的化学成分(质量百分数)

轧辊无裂纹，轧辊面硬度平均值78HSD，硬度差小于4HSD。轧辊外层合金的显微组织由碳化物、下贝氏体和奥氏体组成，奥氏体所占体积分数为30％。轧辊在使用过程中无辊身表面剥落的现象。

实施例5：

采用一台2吨容量的中频感应电炉熔炼轧辊外层合金，轧辊外层合金的化学成分见表5，利用冲天炉熔炼轧辊内层高强度灰铸铁。合金轧辊的外径800mm，合金轧辊毛坯的总重量约3.5吨。

表5轧辊外层合金的化学成分(质量百分数)

其制造工艺步骤如下：

(1)将废钢、钒钛生铁、铬铁、钼铁、纯镍或镍铁按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.15％的铝脱氧后出炉；

(2)将出炉钢水采用卧式离心机浇注轧辊外层，钢水浇注温度为1400℃；

(3)轧辊外层浇注完成后，离心机继续旋转，直到内表面温度冷却到1170℃时，浇注轧辊内层，浇注温度为1400℃；

(4)轧辊内层浇注完成后，冷却到850℃时，将轧辊从模具中取出空冷至350℃时放入保温炉内保持15小时，然后再取出空冷；

(5)将成型的合金轧辊经机械加工制得成品。

轧辊无裂纹，轧辊面硬度平均值80HSD，硬度差小于4HSD。轧辊外层合金的显微组织由碳化物、下贝氏体和奥氏体组成，奥氏体所占体积分数为15％。轧辊在使用过程中无辊身表面剥落的现象。

实施例6：

采用一台2吨容量的中频感应电炉熔炼轧辊外层合金，轧辊外层合金的化学成分见表6，利用冲天炉熔炼轧辊内层高强度灰铸铁。合金轧辊的外径800mm，合金轧辊毛坯的总重量约3.5吨，其制造工艺步骤如下：

(1)将废钢、钒钛生铁、铬铁、钼铁、纯镍或镍铁按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.15％的铝脱氧后出炉；

(2)将出炉钢水采用卧式离心机浇注轧辊外层，钢水浇注温度为1400℃；

(3)轧辊外层浇注完成后，离心机继续旋转，直到内表面温度冷却到1130℃时，浇注轧辊内层，浇注温度为1370℃；

(4)轧辊内层浇注完成后，冷却到950℃时，将轧辊从模具中取出空冷至400℃时放入保温炉内保持5小时，然后再取出空冷；

(5)将成型的合金轧辊经机械加工制得成品。

表6轧辊外层合金的化学成分(质量百分数)

轧辊无裂纹，轧辊面硬度平均值77HSD，硬度差小于4HSD。轧辊外层合金的显微组织由碳化物、下贝氏体和奥氏体组成，奥氏体所占体积分数为10％。轧辊在使用过程中无辊身表面剥落的现象。

Claims (1)

1.一种大尺寸高韧性耐磨合金轧辊的制造方法，轧辊由高韧性耐磨合金外层和高强度铸铁内层组成，其中外层的化学成分按质量百分比计为：碳3.2-3.6，硅＜1.0，锰0.8-2.0，硫＜0.05，磷0.1-0.3，铬1.2-1.8，镍3.6-4.2，钼0.3-0.6，钛＜0.1，钒＜0.2，其余为铁和不可避免的杂质，轧辊的外层显微组织由碳化物、下贝氏体和奥氏体组成，其中奥氏体的体积分数在10-35％之间，制造步骤依次是：

(1)将废钢、钒钛生铁、铬铁、钼铁、纯镍或镍铁按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.10-0.20％的铝脱氧后出炉；

(2)将出炉钢水采用卧式离心机浇注轧辊外层，钢水浇注温度为1420-1380℃；

(3)轧辊外层浇注完成后，离心机继续旋转，直到内表面温度冷却到1170-1130℃时，浇注轧辊内层，浇注温度为1400-1350℃；

(4)冷却；

(5)将成型的合金轧辊经机械加工制得成品；

其特征在于：步骤(4)中待轧辊在旋转的离心机中冷却到950-800℃，将轧辊从模具中取出空冷至400-300℃，再放入保温炉内保持5-15小时，然后再取出空冷。