CN102146547B - 一种合金钢轧辊及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种合金钢轧辊及其制造方法，该合金钢轧辊中合金钢内含有硅、锰、铬、钼、镍、钒、铌、等金属元素，碳的含量为0.60～0.68％，硫和磷的含量均小于等于0.025％。其制造方法包括包括冶炼工艺、锻造工艺和热处理工艺，其中的热处理工艺又包括锻后热处理工艺、预备热处理工艺、淬火热处理工艺和最终回火工艺。在淬火热处理工艺中采用了中频电磁感应加热装置内和喷水装置。通过上述材质的改进即热处理工艺的改进，该轧辊可延长连续轧制时间2小时以上，表面硬度、淬火层深度、表面耐磨性能和抗断裂等事故的能力也明显提高，综合性能有了明显改善，轧辊的损耗也有所降低，换辊频率明显减少，使冷轧钢板的生产效率得到了进一步提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属冷轧和或热轧的轧辊，具体涉及一种合金钢轧辊。
背景技术
现有技术在金属冷轧生产过程中，轧辊是轧机的主要变形工具，由于轧辊自身材质的问题，及其所处的恶劣工作环境，导致轧辊经常发生失效乃至报废。如：轧辊的过快磨损、表面粗糙化(桔皮状)、格坑、勒痕、开裂和剥落等。但归纳起来，不外三个方面的问题：一是耐磨性(包括耐粗糙性)的高低，二是有效淬硬层的深浅，三是抗裂能力(包括抗剥落性)的大小。因此，为了提高冷轧辊的使用寿命，首先轧辊必须具有较高耐磨性的合适的材质，其二轧辊表面的硬度要硬，并要具有较深的淬硬层深度，其三轧辊表面又必须具有高的耐裂性。然而，用现有技术制造出的轧辊很难满足上述要求。因此，有必要对现有的轧辊材质及加工制造工艺进行改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，设计一种用于提高冷轧辊材质性能的合金钢材料，同时在使用上述合金钢材料的基础上，还提供了用于提高冷轧辊表面硬度和硬度层深度的冷轧辊的制造工艺。
为实现上述目的，本发明的技术方案是提供了一种合金钢轧辊，其特征在于，所述合金钢轧辊中合金钢内包含有下列成分：按重量百分比计，碳(C)的含量为0.62～0.68％、硅(Si)的含量为1.6～1.8％、锰(Mn)的含量为1.85～1.95％、铬(Cr)的含量为1.8～2.0％、钼(Mo)的含量为0.25～0.35％、镍(Ni)的含量为0.25～0.5％、钒(V)的含量为0.06～0.10％、铌(Nb)的含量为0.06～0.08％、铝(Al)的含量为≤0.030％、硫(S)和磷(P)的含量小于等于0.025％。
本发明的技术方案还提供了一种采用上述合金成分生产合金钢轧辊的制造工艺，所述制造工艺包括冶炼工艺、锻造工艺和热处理工艺，其特征在于，上述工艺的工艺步骤为：
S1：冶炼工艺，所述冶炼工艺采用中频炉冶炼，在冶炼中加入上述合金成分，然后再进行电渣重熔工艺，对所述合金钢进行冶炼；
S2：锻造工艺，将所述轧辊材料加热到1180-1200℃，然后用锻压机进行锻造处理，在所述锻造处理中将锻件的终锻温度控制在890℃左右；
S3：锻后回火工艺，将锻造处理后的轧辊进行第一次回火处理，便于进行金加工，
S4：锻后预热处理工艺，将第一次回火处理后的轧辊装入加热炉内，在加热炉内将轧辊分段逐步加热到920℃±10℃进行保温，淬入40-80℃油中，冷至80℃左右然后进炉进行回火处理；
S5：淬火热处理工艺，将锻后预热处理后的轧辊放入中频电磁感应加热装置内，将轧辊迅速加热到920℃±10℃进行一段时间的透热，然后再将轧辊放入喷水装置中进行快速冷却处理；
S6：最终回火工艺，将淬火处理后的轧辊再进行回火消应力处理，达到使用的硬度要求。
为了消除轧辊在铸造与锻造工艺中金属内部的内应力，防止轧辊表面出现裂纹和便于加工等问题，优选的技术方案是，所述的第一次回火处理是将冷却后的锻件加热到850-870℃后，再以30℃/h速度降温到450℃，然后出炉空冷至环境温度。
为了进一步改变轧辊内部的金相组织结构，使其内柔外刚经久耐用，优选的技术方案还包括，在所述锻后预热处理工艺中，在所述加热炉内先将轧辊加热到400℃±50℃，然后保温1～2h，再升温到650℃±10℃，然后保温1.5～3h，再升温到920℃±10℃，然后保温1～1.5h/100mm，然后将轧辊从炉内取出投入到40～80℃油中冷却；再将冷却后的轧辊放入炉中加热到350℃±10℃，然后保温2h，再升温到620℃±10℃，然后保温3～4h/100mm，然后再降温到≤500℃出炉空冷至室温；上述的100mm是指轧辊的直径。
为了进一步增加轧辊表面的硬度和表面硬度层的深度，以及增加轧辊表面的耐磨性能，优选的技术方案还包括，所述的最终回火工艺是将淬火处理后的轧辊加热到200℃左右，然后保温，所述的保温时间为20h/100mm，保温后再进行空冷；上述的100mm是指轧辊的直径。
为了使轧辊表面产生涡流电流，以达到将轧辊表面迅速升温的目的，优选的技术方案还包括，所述中频电磁感应加热装置包括用铜管盘绕的螺旋状线圈，所述线圈设置在所述轧辊的外侧，并与轧辊间设有间隙，所述线圈的两端通过接线夹与中频电磁感应加热装置中的控制器相连接，所述线圈固定在用胶木板制成的支架上。
为了使轧辊表面能够被均匀地加热，优选的技术方案还有，在所述中频电磁感应加热装置中还包括，驱动所述轧辊旋转的驱动装置，在所述驱动装置与所述轧辊之间设有卡盘式连轴器。
为了使用于加热轧辊的线圈的温度不会过高，甚至被烧损，优选的技术方案还包括，所述铜管伸出所述线圈外的一端与冷却水的进水管连接，另一端与冷却水的出水管连接。
为了有效地控制轧辊表面加热的速度、加热的时间和加热的温度，优选的技术方案还包括，所述控制器输出端的电压为320V，频率为950Hz。
为了使加热后的轧辊表面能够迅速地，均匀的和简单的得到冷却，优选的技术方案还包括，所述的喷水装置包括有空心套筒，在所述空心套筒的内壁上均布有网孔，在所述空心套筒的外壁上设有进水管，将所述进水管与冷却水源连接。
本发明的优点和有益效果在于，采用在本发明的合金钢材质中设有较高的碳含量，这样就可以保证轧辊用钢具有较高的硬度及耐磨性，同时使奥氏体中有足够的碳含量以维持其在快速冷却过程中奥氏体的稳定性。
另外，在本发明的合金钢材质中设有较高硅锰含量，这样在热处理中易得到无碳贝氏体组织，而硅可以强烈的仰制碳化物析出，确保富碳奥氏体具有较高稳定性。通过透射电镜(TEM)分析表明，当硅含量达到1.6％时形成无碳贝氏体和薄膜状残余奥氏体当含量达到2.0％硬度有下降迹象，硅含量达到2.4％时其硬度明显下降，这与增加铸钢的支状偏析和块状残余奥氏体有关，因此硅含量控制在1.6％-1.8％是比较合适的。
再有在轧辊的合金钢中含有少量的钼，镍，路等多种合金元素有利于产生高硬度高韧性无碳贝氏体。钢中加入少量的钒元素有利于提高钢的耐磨性和耐裂性。对扩展的裂纹尖端有明显的钝化作用，这将增加裂纹扩展的阻力，有效提高钢材的抗事故综合能力。
再有通过上述特定的热处理工艺处理后，可使轧辊材质的内部晶格组织奥氏体、贝氏体等更加均匀表面硬度层更深，而且其表面的硬度与耐磨性能有了明显的提高。
例如φ175×550×1780五联轧机组工作辊，经上述加工工艺处理后，在使用当中比常规轧辊钢材有明显优势，具体表现在连续冷轧钢板换辊时间原先在6小时左右，现在可延续到8小时左右，连续轧制量提高20％左右。抗断裂等事故的能力也明显提高。因此，上所述具有贝氏体组织的冷轧辊比传统冷轧辊的综合性能有了明显提高，事故率明显降低，轧辊的损耗也降低了20％以上，换辊频率明显减少，冷轧钢板的生产效率得到了进一步提高。
附图说明
图1是本本发明锻后预热处理加热曲线图；
图2是本发明中频电磁感应加热装置结构示意图；
图3是本发明中喷水装置的结构示意图。
图中：1、中频电磁感应加热装置；2、喷水装置；3、轧辊；4、线圈；5、控制器；6、支架；7、驱动装置；8、连轴器；9、进水管；10、出水管；11、空心套筒；12、网孔；13、进水管。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明的实施方案之一是一种合金钢轧辊，该合金钢轧辊中合金钢内包含有下列成分：按重量百分比计，碳(C)的含量为0.60％、硅(Si)的含量为1.6％、锰(Mn)的含量为1.75％、铬(Cr)的含量为1.6％、钼(Mo)的含量为0.25％、镍(Ni)的含量为0.25％、钒(V)的含量为0.08％、铌(Nb)的含量为0.06％、硫(S)和磷(P)的含量小于等于0.025％。
本发明的技术方案还提供了一种采用上述合金成分生产合金钢轧辊的制造工艺，所述制造工艺包括冶炼工艺、锻造工艺和热处理工艺，其特征在于，上述工艺的工艺步骤为：
第一步：冶炼工艺，所述冶炼工艺采用中频炉冶炼，在冶炼中加入上述合金成分，然后再进行电渣重熔工艺，对所述合金钢进行冶炼；
第二步：锻造工艺，将所述轧辊坯料加热到1180℃，然后用锻压机进行锻造处理，在所述锻造处理中将锻件的终锻温度控制在890℃左右；
第三步：锻后热处理工艺，将锻造处理后的轧辊进行第一次回火处理；
第四步：预备热处理工艺，将第一次回火处理后的轧辊装入加热炉内，在加热炉内将轧辊分段逐步加热到920℃±10℃进行保温，淬入40-80℃油中，冷至80℃左右然后进炉进行回火处理。
第五步：淬火热处理工艺，将锻后预热处理后的轧辊放入中频电磁感应加热装置1内，将轧辊3迅速加热到920℃±10℃，然后再将轧辊放入喷水装置2中进行快速冷却处理；
第六步：最终回火工艺，将淬火处理后的轧辊再进行回火消应力处理。
在上述工艺步骤的基础上，为了消除轧辊在铸造与锻造工艺中金属内部的内应力，防止轧辊表面出现裂纹和便于加工等问题，所述的第一次回火处理是将冷却后的锻件加热到850-870℃后，再以30℃/h速度降温到450℃，然后出炉空冷至环境温度。
在上述工艺步骤的基础上，为了进一步改变轧辊内部的金相组织结构，使其内柔外刚经久耐用，在所述锻后预热处理工艺中，在所述加热炉内先将轧辊加热到400℃±50℃，然后保温1h，再升温到650℃±10℃，然后保温1.5h，再升温到920℃±10℃，然后保温1h/100mm，然后将轧辊从炉内取出投入到40℃-80℃油中冷却；再将冷却后的轧辊放入炉中加热到350℃±10℃，然后保温2h，再升温到620℃±10℃，然后保温3h/100mm，然后再降温到≤500℃出炉空冷至室温；上述的100mm是指轧辊的直径，其中保温的时间可根据轧辊直径的不同再进行调整，例如100毫米的轧辊直径需要保温3小时。
在上述工艺步骤的基础上，为了进一步增加轧辊表面的硬度和表面硬度层的深度，以及增加轧辊表面的耐磨性能，所述的最终回火工艺是将淬火处理后的轧辊加热到200℃左右，然后保温，所述的保温时间为20h/100mm，保温后再进行空冷；上述的100mm是指轧辊的直径为100毫米时保温时间为20小时。
在上述工艺步骤的基础上，为了使轧辊表面产生涡流电流，以达到将轧辊表面迅速升温的目的，所述中频电磁感应加热装置1包括用铜管盘绕的螺旋状线圈4，所述线圈4设置在所述轧辊3的外侧，并与轧辊间设有间隙，所述线圈4的两端通过接线夹与中频电磁感应加热装置1中的控制器5相连接，所述线圈4固定在用胶木板制成的支架6上。
在上述工艺步骤的基础上，为了使轧辊的表面能够被均匀地加热，在所述中频电磁感应加热装置1中还包括，驱动所述轧辊3旋转的驱动装置7，在所述驱动装置7与所述轧辊3之间设有卡盘式连轴器8。
在上述工艺步骤的基础上，为了使用于加热轧辊的线圈的温度不会过高，甚至被烧损，所述铜管伸出所述线圈外4的一端与冷却水的进水管9连接，另一端与冷却水的出水管10连接。
在上述工艺步骤的基础上，为了有效地控制轧辊表面加热的速度、加热的时间和加热的温度，所述控制器5输出端的电压为320V，频率为950Hz。
在上述工艺步骤的基础上，为了使加热后的轧辊表面能够迅速地，均匀的和简单的得到冷却，所述的喷水装置2包括有空心套筒11，在所述空心套筒11的内壁上均布有网孔12，在所述空心套筒11的外壁上设有进水管13，将所述进水管13与冷却水源连接。
实施例2
本发明的实施方案之一是一种合金钢轧辊，该合金钢轧辊中合金钢内包含有下列成分：按重量百分比计，碳(C)的含量为0.68％、硅(Si)的含量为1.8％、锰(Mn)的含量为1.85％、铬(Cr)的含量为1.8％、钼(Mo)的含量为0.35％、镍(Ni)的含量为0.5％、钒(V)的含量为0.10％、铌(Nb)的含量为0.08％、硫(S)和磷(P)的含量小于等于0.025％。
本发明的技术方案还提供了一种采用上述合金成分生产合金钢轧辊的制造工艺，所述制造工艺包括冶炼工艺、锻造工艺和热处理工艺，其特征在于，上述工艺的工艺步骤为：
第一步：冶炼工艺，所述冶炼工艺采用中频炉冶炼，在冶炼中加入上述合金成分，然后再进行电渣重熔工艺，对所述合金钢进行冶炼；
第二步：锻造工艺，将所述轧辊坯料加热到1180℃，然后用锻压机进行锻造处理，在所述锻造处理中将锻件的终锻温度控制在890℃左右；
第三步：锻后热处理工艺，将锻造处理后的轧辊进行第一次回火处理；
第四步：预备热处理工艺，将第一次回火处理后的轧辊装入加热炉内，在加热炉内将轧辊分段逐步加热到920℃±10℃进行保温，淬入40-80℃油中，冷至80℃左右然后进炉进行回火处理。
第五步：淬火热处理工艺，将锻后预热处理后的轧辊放入中频电磁感应加热装置1内，将轧辊3迅速加热到920℃±10℃，然后再将轧辊放入喷水装置2中进行快速冷却处理；
第六步：最终回火工艺，将淬火处理后的轧辊再进行回火消应力处理。
在上述工艺步骤的基础上，为了消除轧辊在铸造与锻造工艺中金属内部的内应力，防止轧辊表面出现裂纹和淬火后断裂等问题，所述的第一次回火处理是将冷却后的锻件加热到850-870℃后，再以30℃/h速度降温到450℃，然后出炉空冷至环境温度。
在上述工艺步骤的基础上，为了进一步改变轧辊内部的金相组织结构，使其内柔外刚经久耐用，在所述锻后预热处理工艺中，在所述锻后预热处理工艺中，在所述加热炉内先将轧辊加热到400℃±50℃，然后保温2h，再升温到650℃±10℃，然后保温3h，再升温到920℃±10℃，然后保温1.5h/100mm，然后将轧辊从炉内取出投入到80℃油中冷却；再将冷却后的轧辊放入炉中加热到350℃±10℃，然后保温2h，再升温到620℃±10℃，然后保温4h/100mm，然后再降温到≤500℃出炉空冷至室温；上述的100mm是指轧辊的直径，其中保温的时间可根据轧辊直径的不同再进行调整，例如100毫米的轧辊直径需要保温3小时。
其余实施方案与实施例1完全相同。
实施例3
本发明的实施方案之一是一种合金钢轧辊，该合金钢轧辊中合金钢内包含有下列成分：按重量百分比计，碳(C)的含量为0.64％、硅(Si)的含量为1.7％、锰(Mn)的含量为1.80％、铬(Cr)的含量为1.7％、钼(Mo)的含量为0.30％、镍(Ni)的含量为0.375％、钒(V)的含量为0.09％、铌(Nb)的含量为0.07％、铝(Al)的含量为0.0225％、硫(S)和磷(P)的含量小于等于0.025％。
本发明的技术方案还提供了一种采用上述合金成分生产合金钢轧辊的制造工艺，所述制造工艺包括冶炼工艺、锻造工艺和热处理工艺，其特征在于，上述工艺的工艺步骤为：
第一步：冶炼工艺，所述冶炼工艺采用中频炉冶炼，在冶炼中加入上述合金成分，然后再进行电渣重熔工艺，对所述合金钢进行冶炼；
第二步：锻造工艺，将所述轧辊坯料加热到1180℃，然后用锻压机进行锻造处理，在所述锻造处理中将锻件的终锻温度控制在890℃左右；
第三步：锻后热处理工艺，将锻造处理后的轧辊进行第一次回火处理；
第四步：预备熟处理工艺，将第一次回火处理后的轧辊装入加热炉内，在加热炉内将轧辊分段逐步加热到920℃±10℃进行保温，淬入40-80℃油中，冷至80℃左右然后进炉进行回火处理。
第五步：淬火热处理工艺，将锻后预热处理后的轧辊放入中频电磁感应加热装置1内，将轧辊3迅速加热到920℃±10℃，然后再将轧辊放入喷水装置2中进行快速冷却处理；
第六步：最终回火工艺，将淬火处理后的轧辊再进行回火消应力处理。
在上述工艺步骤的基础上，为了消除轧辊在铸造与锻造工艺中金属内部的内应力，防止轧辊表面出现裂纹和淬火后断裂等问题，所述的第一次回火处理是将冷却后的锻件加热到850-870℃后，再以30℃/h速度降温到450℃，然后出炉空冷至环境温度。
在上述工艺步骤的基础上，为了进一步改变轧辊内部的金相组织结构，使其内柔外刚经久耐用，在所述锻后预热处理工艺中，在所述锻后预热处理工艺中，在所述加热炉内先将轧辊加热到400℃±50℃，然后保温1.5h，再升温到650℃±10℃，然后保温2.3h，再升温到920℃±10℃，然后保温1.25h/100mm，然后将轧辊从炉内取出投入到60℃油中冷却；再将冷却后的轧辊放入炉中加热到350℃±10℃，然后保温2h，再升温到620℃±10℃，然后保温3.5h/100mm，然后再降温到≤500℃出炉空冷至室温；上述的100mm是指轧辊的直径，其中保温的时间可根据轧辊直径的不同再进行调整，例如100毫米的轧辊直径需要保温3小时。
其余实施方案与实施例1完全相同。
下面以φ175×550×1780五联轧机组工作轧辊为例，该轧辊在中频电磁感应加热装置中进行表面淬火处理时，各项参数可按下表中的数值进行设置。
通过上述实施例1、或2、或3的具体实施后，可对φ175轧辊表面不同深度层进行取样测试，主要测试不同深度层的硬度值(HV1)具体测试结果如下：
φ175冷轧辊硬度梯度测试值
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种合金钢轧辊，其特征在于，所述合金钢轧辊中合金钢内包含有下列成分：按重量百分比计，碳(C)的含量为0.62～0.68％、硅(Si)的含量为1.6～1.8％、锰(Mn)的含量为1.85～1.95％、铬(Cr)的含量为1.8～2.0％、钼(Mo)的含量为0.25～0.35％、镍(Ni)的含量为0.25～0.5％、钒(V)的含量为0.06～0.10％、铌(Nb)的含量为0.06～0.08％、铝(Al)的含量为≤0.030％、硫(S)和磷(P)的含量小于等于0.025％。
2.如权利要求1所述的合金钢轧辊的制造工艺，所述制造工艺包括冶炼工艺、锻造工艺和热处理工艺，其特征在于，上述工艺的工艺步骤为：
S1：冶炼工艺，所述冶炼工艺采用中频炉冶炼，在冶炼中加入上述合金成分，然后再进行电渣重熔工艺，对所述合金钢进行冶炼；
S2：锻造工艺，将所述轧辊材料加热到1180-1200℃，然后用锻压机进行锻造处理，在所述锻造处理中将锻件的终锻温度控制在890℃；
S3：锻后回火工艺，将锻造处理后的轧辊进行第一次回火处理；
S4：锻后预热处理工艺，将第一次回火处理后的轧辊装入加热炉内，在加热炉内将轧辊分段逐步加热到920℃±10℃进行保温，淬入40-80℃油中，冷至80℃然后进炉进行回火处理；
S5：淬火热处理工艺，将锻后预热处理后的轧辊放入中频电磁感应加热装置内，将轧辊迅速加热到920℃±10℃进行一段时间的透热，然后再将轧辊放入喷水装置中进行快速冷却处理；
S6：最终回火工艺，将淬火处理后的轧辊再进行回火消应力处理。
3.如权利要求2所述的合金钢轧辊的制造工艺，其特征在于，所述的第一次回火处理是将冷却后的锻件加热到850-870℃后，再以30℃/h速度降温到450℃，然后出炉空冷至环境温度。
4.如权利要求2所述的合金钢轧辊的制造工艺，其特征在于，在所述锻后预热处理工艺中，在所述加热炉内先将轧辊加热到400℃±50℃，然后保温1～2h，再升温到650℃±10℃，然后保温1.5～3h，再升温到920℃±10℃，然后保温1～1.5h/100mm，然后将轧辊从炉内取出投入到40～80℃油中冷却；再将冷却后的轧辊放入炉中加热到350℃±10℃，然后保温2h，再升温到620℃±10℃，然后保温3～4h/100mm，然后再降温到≤500℃出炉空冷至室温；上述的100mm是指轧辊的直径。
5.如权利要求2所述的合金钢轧辊的制造工艺，其特征在于，所述的最终回火工艺是将淬火处理后的轧辊加热到200℃，然后保温，所述的保温时间为20h/100mm，保温后再进行空冷；上述的100mm是指轧辊的直径。
6.如权利要求2所述的合金钢轧辊的制造工艺，其特征在于，所述中频电磁感应加热装置包括用铜管盘绕的螺旋状线圈，所述线圈设置在所述轧辊的外侧，并与轧辊间设有间隙，所述线圈的两端通过接线夹与中频电磁感应加热装置中的控制器相连接，所述线圈固定在用胶木板制成的支架上。
7.如权利要求6所述的合金钢轧辊的制造工艺，其特征在于，在所述中频电磁感应加热装置中还包括，驱动所述轧辊旋转的驱动装置，在所述驱动装置与所述轧辊之间设有卡盘式连轴器。
8.如权利要求6所述的合金钢轧辊的制造工艺，其特征在于，所述铜管伸出所述线圈外的一端与冷却水的进水管连接，另一端与冷却水的出水管连接。
9.如权利要求6所述的合金钢轧辊的制造工艺，其特征在于，所述控制器输出端的电压为320V，频率为950Hz。
10.如权利要求2所述的合金钢轧辊的制造工艺，其特征在于，所述的喷水装置包括有空心套筒，在所述空心套筒的内壁上均布有网孔，在所述空心套筒的外壁上设有进水管，将所述进水管与冷却水源连接。
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