CN102392178B

CN102392178B - 离心复合铸造轧辊

Info

Publication number: CN102392178B
Application number: CN 201110363069
Authority: CN
Inventors: 白云龙; 赵文辉; 蒲远忠; 于进涛; 刘红才
Original assignee: Tianjin Heavy Equipment Engineering Research Co Ltd; China First Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: Tianjin Heavy Equipment Engineering Research Co Ltd; China First Heavy Industries Co Ltd
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-11-16
Also published as: CN102392178A

Abstract

本发明涉及一种球墨铸铁及离心复合铸造轧辊，该球墨铸铁的组成为(wt％)：C 3.0-3.4，Si 2.2-2.4，Mn＜0.4，P＜0.05，S＜0.015，Ni 0.85-0.95，Cu 0.3-0.5，Mo 0.2-0.3，Sb 0.015-0.020，RE 0.01-0.03，Mg 0.03-0.06，其余为Fe及杂质元素；具体步骤是：首先熔炼原铁水，原铁水熔炼后使用铈基轻稀土镁球化剂和镍镁合金球化剂，采用冲入法进行球化处理；随后在浇注过程中使用含钡和钙元素的长效孕育剂进行随流孕育，球墨铸铁浇注温度1430-1450℃，与离心浇注的高铬铸钢实现冶金熔合，形成轧辊芯部及辊颈。获得轧辊辊颈球墨铸铁抗拉强度≥550MPa，石墨球化率达到2-3级，硬度值为HSD35-45，宏观无灰斑、亮斑缺陷。此外，还提供了一种使用上述球墨铸铁作为芯部的高铬铸钢离心复合铸造轧辊。

Description

离心复合铸造轧辊

技术领域

本发明是对厚大断面球墨铸铁的改进，与传统厚大断面球墨铸铁制造技术所要求的低温球化处理、低温浇注不同，本发明是在与高铬铸钢实现冶金熔合的前提下，采用高温球化处理、高温浇注，通过合金化、使用两种球化剂处理、添加防止石墨畸变的微量元素等技术措施，使球墨铸铁适用于制造高铬铸钢离心复合铸造轧辊辊芯及辊颈，满足热连轧机粗轧机架对轧辊强度、硬度的技术要求。

背景技术

热连轧机粗轧机架一般由两个机架组成，其中使用高铬铸钢离心复合铸造轧辊作为工作辊，轧辊辊身高铬钢工作层与温度高达900~1000℃的轧材接触，辊身表面温度高达500℃，反复被轧材加热及冷却水冷却，经受温度变化幅度较大的激冷激热作用，在轧辊使用后期，高铬铸钢与球墨铸铁的冶金熔合区亦受到复杂的应力作用，而辊颈部分主要是承受弯矩和扭矩作用，因此对辊颈强度和硬度、冶金熔合质量有严格的技术要求。目前在高铬铸钢离心复合铸造轧辊中存在的与球墨铸铁制造质量有关的缺陷有：与高铬铸钢冶金熔合不良、轧辊裂纹甚至断辊、球化不良、抗拉强度＜400MPa、硬度低于HSD35、碳化物含量＞10%等等。

国家标准GB/T1504-2008铸铁轧辊规定了用于复合轧辊工作层材料的球墨铸铁化学成分，但未表明芯部球墨铸铁可采用的化学成分及制造方法。应用于工作层的球墨铸铁中合金元素含量较高，会形成大量共晶碳化物，若用于大型高铬铸钢离心复合铸造轧辊芯部材料，在制造及轧制钢材过程中易发生断辊事故。其它国标中规定的球墨铸铁，由于受离心复合铸造轧辊辊颈尺寸及热处理温度限制，也不适用于制造大型高铬铸钢离心复合铸造轧辊的辊芯及辊颈。

中国专利CN85102865A公开了高铬轧辊钢及其轧辊的化学成分，表明采用离心浇注技术可生产高铬轧辊，制造热带钢精轧前段机座工作辊时，芯部采用优质灰口铸铁，采用轧辊铸后缓冷工艺，采用930℃以上奥氏体化。此制造工艺存在工作层耐磨性较差、辊颈强度难以满足现代轧机的要求等问题；在制造带钢冷轧机工作辊时，芯部材料选用球墨铸铁，其组成为(wt％)：C2.8-3.0，Si2.2-2.6，Mn0.4-0.8，Ni0.2-0.5，Mo0.1-0.3，Mg≤0.05，但未表明球墨铸铁制造工艺及可达到的技术指标。

中国专利CN101775533B公开了高强高韧性球墨铸铁及宽厚板工作辊的化学成分，其组成为(wt％)：C3.0-3.5，Si2.0-2.8，Mn0.4-0.8，P≤0.08，S≤0.02，Cu0.5-1.2，Mo0.2-0.6，Mg0.05-0.10，Ca0.01-0.10，RE0.01-0.015，Sb0.0015-0.003，Ba0.01-0.05，其余为Fe及杂质元素，使用钇基重稀土镁球化剂，其球化处理温度＜1460℃，浇注温度＜1300℃，热处理温度＜500℃，抗拉强度≥500MPa，分析结果中未表明碳化物含量及取样位置。Mn含量为0.4-0.8wt％，此含量在厚大球墨铸铁中极易形成晶间碳化物，降低球墨铸铁韧性，此成分不适用于制造高铬铸钢离心复合铸造轧辊辊芯及辊颈。

中国专利CN1070600A公开了离心复合球墨铸铁轧辊的生产方法，其轧辊外层材料是球墨铸铁，芯部球墨铸铁的组成为(wt％)：C3.0-3.8，Si1.5-2.5，Mn0.2-0.8，Ni0.2-1.5，Cr＜0.5，Mo＜0.1-0.3，Sn＜0.3，Mg0.03-0.10，RE＞0.02，P＜0.15，S＜0.03，其余为铁，由于轧辊外层使用球墨铸铁，其液相线远低于高铬铸钢，因此芯部球墨铸铁浇注温度为1350-1390℃，未表明球墨铸铁制造工艺、热处理温度及可达到的技术指标。

针对高铬钢工作层Cr元素含量12-13wt％、液相线温度1340-1350℃，以及厚大断面球墨铸铁与轧辊进行1050℃淬火的特点，球墨铸铁浇注温度需要控制在1430-1450℃以实现冶金熔合，在高温浇注及断面尺寸大的条件下，减缓球化衰退及孕育衰退，防止产生碎块状石墨等畸变石墨，同时需要在控制合金元素加入量、控制碳化物数量的基础上提高基体强度，因此需要对传统球墨铸铁制造工艺进行改进。

发明内容

本发明主要目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种可完全满足现代化热连轧机对粗轧工作辊技术要求的球墨铸铁：辊颈抗拉强度≥400MPa、硬度值为HSD35-45，并且解决目前高铬铸钢离心复合铸造轧辊中常见的球化不良、碳化物含量＞10％、亮斑及灰斑缺陷。

本发明的另一个重要目的是，在离心浇注的高铬铸钢辊套内表面接近凝固时，在离心机上浇注一定厚度的球墨铸铁，然后再与芯部球墨铸铁实现冶金熔合，从而提供离心复合铸造轧辊。所述轧辊可减缓高铬铸钢中的铬元素溶入到芯部球墨铸铁的数量，同时减少芯部球墨铸铁中碳化物数量，保证在1050℃淬火条件下避免裂纹。

本发明的一个方面，提供一种球墨铸铁，其特征在于其组成为(wt％)：C3.0-3.4，Si2.2-2.4，Mn＜0.4，P＜0.05，S＜0.015，Ni0.85-0.95，Cu0.3-0.5，Mo0.2-0.3，Sb0.015-0.020，RE0.01-0.03，Mg0.03-0.06，其余为Fe及杂质元素；具体制备步骤是：首先熔炼原铁水，原铁水熔炼后使用铈基轻稀土镁球化剂和镍镁合金球化剂，采用冲入法进行球化处理；随后在浇注过程中使用含钡和钙元素的长效孕育剂进行随流孕育。

优选地，加入的铈基轻稀土镁球化剂为RE3Mg7球化剂(该球化剂中RE和Mg的含量分别为3wt％和7wt％，其余成分及含量与标准JB/T 9228-1999中所规定的QRMg7RE1球化剂相同)，加入量为熔炼后原铁水重量的1.5wt％。

优选地，加入的镍镁合金球化剂为NiMg10合金球化剂(该球化剂中Ni和Mg的含量分别为90wt％和10wt％)，加入量为熔炼后原铁水重量的0.3wt％。

优选地，在浇注过程中，随流加入的含有钡和钙元素的长效孕育剂的重量占原铁水重量的0.2wt％。

优选地，球化处理温度为1510-1520℃，浇注温度为1430-1450℃。

所述球墨铸铁的化学成分设计主要基于以下考虑：碳当量控制在4.0％左右，以防止石墨飘浮，将Si含量降低至2.3～2.5wt％，避免灰斑缺陷。球墨铸铁常用合金化元素中，铬、锰、钼在球墨铸铁凝固过程时呈正偏析，易偏析于晶界处，而镍、铜呈反偏析，在初生奥氏体和共晶团内部富集，在最后凝固的液体中含量较少，为了克服偏析元素对组织与性能的不利影响，在合金化方面，采用同时添加正、反偏析元素抵消彼此的负面影响从而提高基体强度。镍在球墨铸铁凝固过程时呈反偏析，在初生奥氏体和共晶团内部富集，而在残余铁水中贫化，镍是奥氏体稳定化元素，加入镍元素可使球墨铸铁中的铁素体受到抑制，降低奥氏体转变温度从而细化珠光体，并以固溶强化方式提高球墨铸铁的力学性能，Ni的加入量为0.8～1.0wt％。铜是中等促进石墨化的元素，在球墨铸铁凝固后期固相转变过程中，铜具有阻碍碳在石墨与奥氏体基体界面扩散的能力，促进奥氏体向珠光体转变从而提高基体强度和硬度，Cu的加入量为0.4～0.5wt％。钼对石墨形态没有影响，加钼可使共晶团细化，提高球墨铸铁基体强度的作用要比锰、铜明显，添加钼同时是防止回火脆性的有效措施，Mo的加入量为0.2～0.3wt％。锰是球墨铸铁中稳定和细化珠光体的重要元素，但锰在基体中珠光体数量较高的情况下，促进和细化珠光体的作用减弱，并且锰量较高时会溶入渗碳体中，当渗碳体以网状形式存在时对球墨铸铁的力学性能带来不利影响，因此将锰量控制为＜0.4wt％。同时将易于形成碳化物的Cr含量控制＜0.1wt％。

在球化处理方面，由于国产生铁中干扰石墨球化及易导致石墨畸变的微量元素含量较高，因此使用两种球化剂进行球化处理。采用冲入法球化处理，铁水包砌坝，包底放入镍镁合金合金球化剂(例如NiMg10合金球化剂)，上部是铈基轻稀土镁球化剂(例如RE3Mg7球化剂)，然后用Fe75Si覆盖。球化处理时，铈基轻稀土镁球化剂先进行反应，在有效清除O、S及其它微量干扰元素后，镍镁合金合金球化剂参与球化反应，发挥镍镁合金球化剂在高温球化处理时，减缓高温浇注条件下的球化衰退，有效提高球形石墨圆整度的作用。

Sb元素在球墨铸铁中具有双重作用：在原铁液中存在的Sb元素，可以与Mg、Ce反应形成化合物，减弱Mg、Ce元素的球化作用；在球化处理后加入Sb元素，不但减轻残余RE元素在厚大断面球墨铸铁中导致的石墨畸变现象，而且可形成吸附薄膜，对提高球状石墨圆整度、控制球状石墨直径从而对球化起促进作用，在球化处理后纯金属Sb的加入量为0.015～0.02wt％。

本发明的另一方面，将上述所得的球墨铸铁作芯部材料，通过离心复合铸造与高铬铸钢复合，即本发明的离心复合铸造轧辊，包括球墨铸铁芯部、球墨铸铁中间层和高铬铸钢外层，其特征在于：

(1)离心浇注高铬铸钢外层；

(2)在离心浇注的高铬铸钢外层内表面接近凝固时，在离心机上浇注厚度为20～25mm的球墨铸铁中间层，所述球墨铸铁中间层的组成为(wt％)：C3.03-3.06，Si2.05-2.10，Mn0.12-0.15，P＜0.05，S＜0.015，Cr＜0.015，Ni＜0.05，RE＜0.01，Mg＜0.015，其余为Fe及杂质元素；

(3)然后再浇注球墨铸铁芯部，所述球墨铸铁芯部的组成为(wt％)：C3.0-3.4，Si2.2-2.4，Mn＜0.4，P＜0.05，S＜0.015，Ni0.85-0.95，Cu0.3-0.5，Mo0.2-0.3，Sb0.015-0.020，RE0.01-0.03，Mg0.03-0.06，其余为Fe及杂质元素；具体制备步骤是：首先熔炼原铁水，原铁水熔炼后使用铈基轻稀土镁球化剂和镍镁合金球化剂，采用冲入法进行球化处理；随后在浇注过程中使用含钡和钙元素的长效孕育剂进行随流孕育。

优选地，加入的铈基轻稀土镁球化剂为RE3Mg7球化剂，加入量为熔炼后原铁水重量的1.5wt％。

优选地，加入的镍镁合金球化剂为NiMg10合金球化剂，加入量为熔炼后原铁水重量的0.3wt％。

优选地，在球墨铸铁芯部浇注过程中，随流加入的含有钡和钙元素的长效孕育剂的重量占原铁水重量的0.2wt％。

优选地，球墨铸铁芯部的球化处理温度为1510-1520℃，浇注温度为1430-1450℃。

在上述离心铸造完成后可对离心铸造轧辊进行后续的热处理及加工。实现高铬铸钢与球墨铸铁的冶金熔合后，高铬铸钢中的铬等元素部分溶入球墨铸铁，会导致球墨铸铁中碳化物数量急剧上升，在轧辊高温热处理过程中辊颈易产生裂纹；高铬铸钢轧辊芯部球墨铸铁直径φ1100mm，辊颈球墨铸铁直径在φ700-800mm，浇注重量约25-35吨，属于厚大断面球墨铸铁，凝固时间长，形成粗大畸变石墨导致硬度下降，高铬铸钢离心复合铸造轧辊需经1050℃淬火处理。在上述高温浇注、溶入合金元素、厚大断面尺寸凝固时间长、1050℃风冷淬火等条件下，减缓球化衰退及孕育衰退现象，减少碎块状石墨和晶间碳化物，防止热处理裂纹，保证球墨铸铁抗拉强度≥400MPa、硬度值为HSD35-45、与高铬铸钢实现良好冶金熔合的技术条件要求。

以下结合两个具体实施案例，示例性说明本发明实质，但实施例具体细节仅是为了说明本专利，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，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为本发明高铬铸钢离心复合铸造轧辊球墨铸铁辊颈的金相照片，显示出球状石墨弥散分布于珠光体基体，碳化物数量＜5％。

图2为目前高铬铸钢离心复合铸造轧辊球墨铸铁辊颈常见的金相照片，其基体组织是铁素体与珠光体，在铁素体基体上分布碎块状、团块状、条状等畸变石墨。

图3为本发明球墨铸铁与高铬铸钢实现冶金熔合后包含高铬铸钢工作层、冶金熔合区、芯部球墨铸铁的金相照片，显示出高铬铸钢离心复合铸造轧辊实现了良好冶金熔合，冶金熔合区厚度约1.6mm。

具体实施方式

实施例1

在离心浇注的高铬铸钢辊套内表面接近凝固时，采用离心浇注方法浇注25mm厚、组成为(wt％)：C3.03、Si2.05、Mn0.12、P0.03、S0.014、Cr0.013、Ni0.02、RE0.008、Mg0.011其余为Fe及杂质的球墨铸铁铁水，待其凝固后离心机停机，吊装模具与形成上下辊颈的砂型组装，准备浇注芯部球墨铸铁。熔炼芯部球墨铸铁时，先将废钢与生铁、合金料放入感应电炉内熔炼，铁水溶清后进行化学成分检测，使用碳酸钠脱硫，加入石墨粉、硅铁、锰铁、镍板、钼铁、电解铜调整化学成分，得到化学成分：(wt％)：C3.29、Si1.73、Mn0.13、P0.03、S0.014、Cr0.015、Ni0.89、Cu0.48、Mo0.27、其余为Fe及杂质的铁液，采用堤坝式铁水包进行冲入法球化处理，包底放入占铁水重量0.20％的NiMg10合金球化剂、占铁水重量1.5％的RE3Mg7球化剂，球化剂上部覆盖占铁水重量0.7％的FeSi75合金。球化处理温度1518℃，球化处理后球墨铸铁中元素含量(wt％)：Si2.26、Re0.026、Mg0.047、Sb0.019。芯部球墨铸铁浇注重量为33000kg，浇注温度1438℃，浇注时随铁水流连续加入含有钡和钙元素的长效孕育剂，含有钡和钙元素的长效孕育剂的重量占铁水总重量的0.2％。高铬铸钢轧辊打箱脱模后，先进行650℃退火处理，粗加工后采用1050℃风冷淬火及两次500～520℃回火处理。粗加工后检测，上辊颈铬元素含量0.15wt％，下辊颈铬含量0.43wt％，石墨球化率为2-3级，碳化物含量＜4％，冶金熔合区抗拉强度平均值460MPa。最终热处理后获得下辊颈2/3圆周处球墨铸铁抗拉强度560MPa。精加工后辊颈表面硬度值为HSD38-40。

实施例2

在离心浇注的高铬铸钢辊套内表面接近凝固时，采用离心浇注方法浇注20mm厚、组成为(wt％)：C3.06、Si2.10、Mn0.15、P0.025、S0.013、Cr0.013、Ni0.03、RE0.009、Mg0.009其余为Fe及杂质的球墨铸铁铁水，待其凝固后离心机停机，吊装模具与形成上下辊颈的砂型组装，准备浇注芯部球墨铸铁。熔炼芯部球墨铸铁时，先将废钢与生铁、合金料放入感应电炉内熔炼，铁水溶清后进行化学成分检测，使用碳酸钠脱硫，加入石墨粉、硅铁、锰铁、镍板、钼铁、电解铜调整化学成分，得到组成为(wt％)：C3.25、Si1.71、Mn0.13、P0.03、S0.012、Cr0.016、Ni0.83、Cu0.45、Mo0.22、其余为Fe及杂质的铁液，采用堤坝式铁水包进行冲入法球化处理，包底放入占铁水重量0.15％的NiMg10合金球化剂、占铁水重量1.5％的RE3Mg7球化剂，球化剂上部覆盖占铁水重量0.7％的FeSi75合金。球化处理温度1514℃，球化处理后球墨铸铁中元素含量(wt％)：Si2.24、RE0.029、Mg0.038、Sb0.016。芯部球墨铸铁浇注重量为33000kg，浇注温度1433℃，浇注时随铁水流连续加入含有钡和钙元素的长效孕育剂，含有钡和钙元素的长效孕育剂的重量占铁水总重量的0.2％。高铬铸钢轧辊打箱脱模后，先进行650℃退火处理，粗加工后采用1050℃风冷淬火及两次500～520℃回火处理。粗加工后检测，上辊颈铬元素含量0.13wt％，下辊颈铬含量0.39wt％，石墨球化率为2-3级，碳化物含量＜4％，冶金熔合区抗拉强度平均值460MPa。最终热处理后获得下辊颈2/3圆周处球墨铸铁抗拉强度580MPa。精加工后辊颈表面硬度值为HSD38-40。

Claims

1.一种离心复合铸造轧辊，包括球墨铸铁芯部、球墨铸铁中间层和高铬铸钢外层，其特征在于：

（1）离心浇注高铬铸钢外层；

（2）在离心浇注的高铬铸钢外层内表面接近凝固时，在离心机上浇注厚度为20~25mm的球墨铸铁中间层，所述球墨铸铁中间层的组成为（wt%）：C3.03-3.06，Si2.05-2.10，Mn0.12-0.15，P＜0.05，S＜0.015，Cr＜0.015，Ni＜0.05，RE＜0.01，Mg＜0.015，其余为Fe及杂质元素；

（3）然后再浇注球墨铸铁芯部，所述球墨铸铁芯部的组成为（wt%）:C3.0-3.4，Si2.2-2.4，Mn＜0.4，P＜0.05，S＜0.015，Ni0.85-0.95，Cu0.3-0.5，Mo0.2-0.3，Sb0.015-0.020，RE0.01-0.03，Mg0.03-0.06，其余为Fe及杂质元素；具体制备步骤是：首先熔炼原铁水，原铁水熔炼后使用铈基轻稀土镁球化剂和镍镁合金球化剂，采用冲入法进行球化处理；随后在浇注过程中使用含钡和钙元素的长效孕育剂进行随流孕育；其中球化处理温度为1510-1520°C，浇注温度为1430-1450°C；其中在浇注过程中，随流加入的含钡和钙元素的长效孕育剂的重量占原铁水重量的0.2wt%。

2.根据权利要求1的离心复合铸造轧辊，其中加入的铈基轻稀土镁球化剂为RE3Mg7球化剂，加入量为熔炼后原铁水重量的1.5wt%。

3.根据权利要求1的离心复合铸造轧辊，其中加入的镍镁合金球化剂为NiMg10合金球化剂，加入量为熔炼后原铁水重量的0.3wt%。