CN103014299A

CN103014299A - 提高高速钢轧辊热处理效率和组织质量的电脉冲处理方法

Info

Publication number: CN103014299A
Application number: CN2012105598116A
Authority: CN
Inventors: 李桂荣; 王宏明; 郭亚; 符德; 朱祥
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: CN103014299B

Abstract

本发明属于高速钢轧辊的热处理技术领域，特别涉及提高高速钢轧辊热处理效率和组织质量的电脉冲处理方法。为提高高速钢轧辊的热处理效率及处理后组织质量，提出一种新的高速钢热处理方法，即固溶处理后时效处理前对轧辊进行脉冲电流冲击处理，控制电流强度、脉宽和频率可起到促进碳化物快速均匀析出的目的，并达到缩短时效处理次数、时间，并可同时提高热处理后组织质量，可以在使用较少合金添加量时达到合格的使用性能。

Description

提高高速钢轧辊热处理效率和组织质量的电脉冲处理方法

技术领域

本发明属于高速钢轧辊的热处理技术领域，特别设计一种高性能高速钢轧辊的特殊热处理方法，即在固溶处理和时效处理中间施加电脉冲处理。

背景技术

轧辊是轧钢生产中大量消耗的关键耐磨件，其质量直接影响到轧钢产品质量、劳动生产率和生产成本等；由于轧辊使用条件极其苛刻，要求轧辊必须承受相当强烈的力与热的作用，除了要有较高的强韧性，防止轧辊使用中发生断裂事故，轧辊表面还应具有良好的耐磨、耐热性能，单一轧辊材质难以满足热轧辊的要求；用强韧性好的辊芯材料与耐磨、耐热性好的辊身材料组成的复合轧辊，是轧辊发展的主要方向。

将电脉冲处理应用到材料制备中来是近年来材料制备中的一个新方向，脉冲电流在材料中的机制主要有：（1）熔体凝固过程中起到细化金属凝固组织的作用；（2）电致塑性效应；（3）导致非晶材料的晶化；（4）快速再结晶，脉冲电流可促进位错滑移和原子扩散，加快位错攀移进入晶界，增加亚晶角度，通过加快位错回复而加速再结晶形核和提高再结晶形核率；同时通过加速位错在晶界上的攀移及消失，减小形核界面两边的能量差而降低形核界面的迁移速率及再结晶核心的长大速率，进而减小完全再结晶的晶粒直径；（5）钢中的裂纹愈合等；经过电脉冲处理后材料组织和性能的转变都与电脉冲的作用机制有关，研究表明：电脉冲是一个快速非平衡过程，处理过程中存在大量有一定漂移速度的电子流与原子实之间的冲击力，在这个过程中，焦耳热引入到材料中；在金属系统中，这种由电转变为热的速度是非常快的，这样的高速加热将产生温升与热膨胀的非同步改变，即热膨胀滞后于温升，可以形成一个瞬时的热压应力，将有助于改变微结构。

本发明提出的将电脉冲运用于高速钢材料的热处理，原因在于其降低了碳化物在钢中的析出温度，改变了碳化物析出热力学动力学，降低了碳化物起始析出温度和峰值析出温度，打破了常规相平衡状态；即：通过脉冲电流处理，提高了碳化物析出均匀性和析出速度，对改善高速钢材料的组织和性能有益；但并非施加任意一种电脉冲都会起到促进析出的有益效果，其作用效果与电脉冲主要参数有关，即电流强度、脉冲频率和脉宽，所以控制适宜的电脉冲参数是实现预期目的的关键技术。

对于常规的高速钢热处理工艺，一般是高温固溶处理后，进行三道次时效热处理，工序长，能耗高，因辊身较大，有时候时效效果并不理想，即出现碳化物析出不彻底、强化效果不显著的问题；所以对高速钢轧辊进行热处理工艺改革和优化是非常必要的。

发明内容

本发明提供一种提高高速钢轧辊热处理效率和组织质量的新方法；在时效处理前施加脉冲电场处理，可以缩短时效处理时间，提高时效处理效率，并提高高速钢轧辊中碳化物析出均匀性、析出速度和析出数量，进而达到提高高速钢轧辊制造质量和制造效率。

本发明的目的是通过下列技术方案来实现的：

本发明提供一种高性能高速钢轧辊，该轧辊包括辊芯和轧辊耐磨工作层，辊芯采用球墨铸铁制作，耐磨工作层为高速钢材质，耐磨工作层的成分按质量百分含量为：C：1.5%~2.5%，V：4.0~6.0%，W：4.0%~6.0%，Mo：1.5%~4.5%，Cr：2.0%~4.0%，Zr：0.04%~0.18%， B：0.001~0.003%，Si≤0.5%，Mn≤0.5%，余量为Fe及不可避免的杂质元素，杂质中要求S<0.01%，P<0.01%，O<0.0010%。

具体制备过程为：

第一阶段：金属熔体熔炼：将低碳低合金纯净废钢、生铁或增碳剂、铬铁、钼铁、钨铁按化学成分要求混合，装入熔炼炉内加热熔化，钢水熔清后，加入铝铁预脱氧，调整合金元素C、W、Mo、Cr成分后，加入锆铁合金、硼铁合金进行Zr、B合金化，到出钢温度时，加入钒铁，在1550℃~1600℃温度范围内出钢；用冲天炉熔炼辊芯铁水，辊芯选用低合金球墨铸铁，辊芯铁水的出炉温度为1470℃。

第二阶段：离心复合浇铸：准备好铸型后，启动铸型离心旋转系统，使铸型在600~1400 r/min的转速下转动；当钢液温度高于液相线温度80~100℃时，浇铸工作层，工作层浇铸完毕，测量工作层内层表面（即复合界面）温度，当界面温度低于轧辊辊芯材料液相线温度60~80℃时，浇铸辊芯。

第三阶段：机加工和热处理：机加工以磨削去除冒口和轧辊外表面粘连的砂型，得到轧辊的粗坯原型；热处理包括淬火和回火处理；淬火的加热温度为1000~1050℃，保温时间为2~4小时；淬火冷却时，先喷雾冷却10~20分钟，然后强制风冷20~40分钟；空冷至辊面温度低于200℃时，对轧辊进行电脉冲处理，电流强度范围0.1-100kA，脉冲频率（每秒内施加的脉冲个数）为2-50Hz，脉宽15-30μs；处理过程中电能会转变成焦耳热，使得轧辊升温，并随着处理时间延长辊身温度升高，通过多点温度监测关注辊身温度变化，回火温度控制在530~560℃范围内，并维持1~2小时；然后再进行一次回火处理，主要目的是消除残余应力，此时不需要施加电脉冲处理，回火处理工艺为：回火温度为530~560℃，保温6~12小时；

第四阶段：精加工：出炉后冷却至室温，精加工至规定尺寸。

与现有技术相比较，采用本发明的优点如下：

1、缩短了时效次数和时间，缩短了工序时间，提高了轧辊制造效率；

2、提高了热处理后材料的组织质量和性能，碳化物和合金相析出均匀性大幅提高，其形状也有棒条状向圆粒状转变，提高了析出相的强化作用；

3、碳化物组织特征的改善，使得合金元素利用率提高，可在确保达到使用性能的前提下，可以减少合金元素的添加量，起到节省生产成本的目的;

4、从材料性能上看，轧辊的表层硬度和耐磨性同步提高。

本发明的高性能高速钢复合轧辊的耐磨工作层的化学成分确定根据如下：

碳：碳是高速钢轧辊中形成耐磨相碳化物的基本元素，要保证碳化物形成量，碳要有一定余量，但碳含量过高，轧辊在外界应力和热应力的作用下，容易龟裂，因此碳控制在1.5%~2.5%。

钒：钒在钢中以VC析出，改善钢的耐磨性，V量高，则以V₃C形式析出，降低钢的耐磨性，所以V量控制在4.0~6.0%。

钨：碳化钨有效提高钢的硬度，钨还可提高钢的红硬性，改善钢的高温耐磨损性能，所以W量控制在4.0~6.0%。

钼：钼可以提高钢的抗氧化性和耐磨性，所以Mo量控制在1.5~4.5%。

铬：铬的主要作用是提高钢的抗高温氧化性能，由于铬和碳可形成多种稳定性较低的氧化物，因此铬含量适当降低，可提高材料的热稳定性，所以Cr量控制在2.0~4.0%。

锆：锆是最强的碳化物形成元素，消除析出相中不稳定的碳化物，提高材料的热稳定性，但锆含量高会显著降低钢的淬透性，所以锆含量控制在0.04~0.18%。

硼：硼可以提高钢的淬透性，含量在0.001~0.003%就有明显效果。

硅和锰：高速钢中由于合金元素含量较高，硅和锰容易引起晶界强度降低和晶粒粗大，使得轧辊在机加工和热处理过程中出现裂纹，因此要求Si≤0.5%和Mn≤0.5%。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的阐述，实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。

实施实例1

该实施例高性能高速钢复合轧辊辊身尺寸为φ500×1700mm，复合轧辊耐磨工作层材料和辊芯球墨铸铁分别采用4t的中频感应电炉和5t/h的冲天炉熔炼，其制造工艺步骤如下：

第一阶段：金属熔体熔炼：将低碳低合金纯净废钢、生铁或增碳剂、铬铁、钼铁、钨铁按化学成分要求混合，装入熔炼炉内加热熔化，钢水熔清后，加入铝铁预脱氧，调整合金元素C、W、Mo、Cr成分后，加入锆铁合金、硼铁合金进行Zr、B合金化，到出钢温度时，加入钒铁，在1550℃温度出钢；用冲天炉熔炼辊芯铁水，辊芯选用低合金球墨铸铁，辊芯铁水的出炉温度为1470℃。

第二阶段：离心复合浇铸：准备好铸型后，启动铸型离心旋转系统，使铸型在600r/min的转速下转动；当钢液温度高于液相线温度80℃时，浇铸工作层，工作层浇铸完毕，测量工作层内层表面（即复合界面）温度，当界面温度低于轧辊辊芯材料液相线温度60℃时，浇铸辊芯。

第三阶段：机加工和热处理：机加工以磨削去除冒口和轧辊外表面粘连的砂型，得到轧辊的粗坯原型；热处理过程参数为：淬火的加热温度为1000℃，保温时间为4小时；淬火冷却时，先喷雾冷却10分钟，然后强制风冷40分钟；空冷至辊面温度低于200℃时，对轧辊进行电脉冲处理，电流强度15kA，脉冲频率45Hz，脉宽30μs ，此时辊身温度控制在530℃，维持2h；再进行一次回火处理，此时不需要施加电脉冲处理，回火温度为530℃，保温12小时。

第四阶段：出炉后冷却至室温，精加工至规定尺寸。

制得的高性能高速钢离心复合轧辊成分见表1，其力学性能见表2。

表1 高速钢离心复合轧辊耐磨工作层成分 (重量%)

元素	C	V	W	Mo	Cr	Zr	B
								含量	1.5	4.2	4.2	1.5	2.1	0.04	0.001
元素	Si	Mn	S	P	O	Fe
								含量	0.5	0.5	0.008	0.008	0.0010	余量

表2 轧辊的力学性能

性能	硬度/(HRC)	抗拉强度/(MPa)	抗弯强度/(MPa)	冲击韧性/(J/m²)
					辊身（工作层）	64.5	1300	1260	28.1

应用本发明制造的高性能高速钢离心复合轧辊，在热轧带钢轧机上进行了工业试验，毫米过钢量均在1000t以上，轧辊寿命大幅度提高，另外，该轧辊具有良好的抗热疲劳能力，本发明的高性能高速钢轧辊在使用过程中无断辊、龟裂和剥落现象；因此，应用该发明的轧辊，可降低轧辊消耗，提高轧机作业率、延长换辊周期，改善轧材的表面质量，具有良好的经济效益和社会效益；最关键的是，本工艺缩短了热处理时间，提高了轧辊制造效率，并在有益合金成分总量低于14%的情况下，远低于目前高合金高速钢中有益合金元素总量在30%-45%范围，因碳化物强化效果突出，仍达到了高速钢轧辊的使用性能要求。

实施实例2

第一阶段：金属熔体熔炼：将低碳低合金纯净废钢、生铁或增碳剂、铬铁、钼铁、钨铁按化学成分要求混合，装入熔炼炉内加热熔化，钢水熔清后，加入铝铁预脱氧，调整合金元素C、W、Mo、Cr成分后，加入锆铁合金、硼铁合金进行Zr、B合金化，到出钢温度时，加入钒铁，在1580℃温度范围内出钢；用冲天炉熔炼辊芯铁水，辊芯选用低合金球墨铸铁，辊芯铁水的出炉温度为1470℃。

第二阶段：离心复合浇铸：准备好铸型后，启动铸型离心旋转系统，使铸型在1000 r/min的转速下转动，当钢液温度高于液相线温度90℃时，浇铸工作层，工作层浇铸完毕，测量工作层内层表面（即复合界面）温度，当界面温度低于轧辊辊芯材料液相线温度70℃时，浇铸辊芯；

第三阶段：机加工和热处理：机加工以磨削去除冒口和轧辊外表面粘连的砂型，得到轧辊的粗坯原型；热处理过程参数为：淬火的加热温度为1025℃，保温时间为3小时；淬火冷却时，先喷雾冷却15分钟，然后强制风冷30分钟；空冷至辊面温度低于200℃时，对轧辊进行电脉冲处理，电流强度50kA，脉冲频率25Hz，脉宽23μs，此时辊身控制温度在545℃，维持1.5h；再进行一次回火处理，此时不需要施加电脉冲处理，回火温度为545℃，保温9小时。

第四阶段：出炉后冷却至室温，精加工至规定尺寸。

制得的高性能高速钢离心复合轧辊成分见表3，其力学性能见表4。

表3 高速钢离心复合轧辊耐磨工作层成分 (重量%)

元素	C	V	W	Mo	Cr	Zr	B
								含量	2.1	5.0	5.0	3.0	3.0	0.11	0.002
元素	Si	Mn	S	P	O	Fe
								含量	0.5	0.5	0.008	0.008	0.0010	余量

表4 轧辊的力学性能

性能	600℃时硬度/(HRC)	抗拉强度/(MPa)	抗弯强度/(MPa)	冲击韧性/(J/m²)
					辊身（工作层）	68.5	1340	1290	28.5

应用本发明制造的高性能高速钢离心复合轧辊，在热轧带钢轧机上进行了工业试验，毫米过钢量均在1000t以上，轧辊寿命大幅度提高，另外，该轧辊具有良好的抗热疲劳能力，本发明的高性能高速钢轧辊在使用过程中无断辊、龟裂和剥落现象；因此，应用该发明的轧辊，可降低轧辊消耗，提高轧机作业率、延长换辊周期，改善轧材的表面质量，具有良好的经济效益和社会效益；最关键的是，本工艺缩短了热处理时间，提高了轧辊制造效率，并在有益合金成分总量低于20%的情况下，远低于目前高合金高速钢中有益合金元素总量在30%-45%范围，因碳化物强化效果突出，仍达到了高速钢轧辊的使用性能要求。

实施实例3

第一阶段：金属熔体熔炼：将低碳低合金纯净废钢、生铁或增碳剂、铬铁、钼铁、钨铁按化学成分要求混合，装入熔炼炉内加热熔化，钢水熔清后，加入铝铁预脱氧，调整合金元素C、W、Mo、Cr成分后，到出钢温度时，加入锆铁合金、硼铁合金进行Zr、B合金化，加入钒铁，在1600℃温度范围内出钢；用冲天炉熔炼辊芯铁水，辊芯选用低合金球墨铸铁，辊芯铁水的出炉温度为1470℃。

第二阶段：离心复合浇铸：准备好铸型后，启动铸型离心旋转系统，使铸型在1400 r/min的转速下转动；当钢液温度高于液相线温度100℃时，浇铸工作层，工作层浇铸完毕，测量工作层内层表面（即复合界面）温度，当界面温度低于轧辊辊芯材料液相线温度80℃时，浇铸辊芯；

第三阶段：机加工和热处理：机加工以磨削去除冒口和轧辊外表面粘连的砂型，得到轧辊的粗坯原型；热处理过程参数为：淬火的加热温度为1050℃，保温时间为2小时；淬火冷却时，先喷雾冷却20分钟，然后强制风冷20分钟；空冷至辊面温度低于200℃时，对轧辊进行电脉冲处理，电流强度90kA，脉冲频率5Hz，脉宽15μs，此时辊身控制温度在560℃，维持1h；再进行一次回火处理，此时不需要施加电脉冲处理，回火温度为560℃，保温6小时。

第四阶段：出炉后冷却至室温，精加工至规定尺寸。

制得的高性能高速钢离心复合轧辊成分见表5，其力学性能见表6。

表5高速钢离心复合轧辊耐磨工作层成分 (重量%)

元素	C	V	W	Mo	Cr	Zr	B
								含量	2.4	6.0	6.0	4.4	3.8	0.17	0.003
元素	Si	Mn	S	P	O	Fe
								含量	0.5	0.5	0.008	0.008	0.0010	余量

表6 轧辊的力学性能

性能	硬度/(HRC)	抗拉强度/(MPa)	抗弯强度/(MPa)	冲击韧性/(J/m²)
					辊身（工作层）	72.5	1380	1320	28.9

应用本发明制造的高性能高速钢离心复合轧辊，在热轧带钢轧机上进行了工业试验，毫米过钢量均在1000t以上，轧辊寿命大幅度提高，另外，该轧辊具有良好的抗热疲劳能力，本发明的高性能高速钢轧辊在使用过程中无断辊、龟裂和剥落现象；因此，应用该发明的轧辊，降低轧辊消耗，提高轧机作业率、延长换辊周期，改善轧材的表面质量，具有良好的经济效益和社会效益；最关键的是，缩短了热处理时间，提高了轧辊制造效率，并在有益合金成分总量低于24%的情况下，远低于目前高合金高速钢中有益合金元素总量在30%-45%范围，因碳化物强化效果突出，仍达到了高速钢轧辊的使用性能要求。

Claims

1.提高高速钢轧辊热处理效率和组织质量的电脉冲处理方法，包括金属熔体熔炼的步骤、离心复合浇铸的步骤、机加工和热处理的步骤和精加工的步骤，其特征在于：热处理包括淬火和回火处理；淬火的加热温度为1000~1050℃，保温时间为2~4小时；淬火冷却时，先喷雾冷却10~20分钟，然后强制风冷20~40分钟；空冷至辊面温度低于200℃时，进行回火处理，处理的同时对轧辊进行电脉冲处理，电流强度范围0.1-100kA，脉冲频率为2-50Hz，脉宽15-30μs；回火温度控制在530~560℃范围内，并维持1~2小时；然后再进行一次回火处理，回火处理工艺为：回火温度为530~560℃，保温6~12小时。

2.如权利要求1所述的提高高速钢轧辊热处理效率和组织质量的电脉冲处理方法，其特征在于：所述金属熔体熔炼的步骤为：将低碳低合金纯净废钢、生铁或增碳剂、铬铁、钼铁、钨铁按化学成分要求混合，装入熔炼炉内加热熔化，钢水熔清后，加入铝铁预脱氧，调整合金元素C、W、Mo、Cr成分后，加入锆铁合金、硼铁合金进行Zr、B合金化，到出钢温度时，加入钒铁，在1550℃~1600℃温度范围内出钢；用冲天炉熔炼辊芯铁水，辊芯选用低合金球墨铸铁，辊芯铁水的出炉温度为1470℃。

3.如权利要求1所述的提高高速钢轧辊热处理效率和组织质量的电脉冲处理方法，其特征在于：所述离心复合浇铸的步骤为：准备好铸型后，启动铸型离心旋转系统，使铸型在600~1400 r/min的转速下转动；当钢液温度高于液相线温度80~100℃时，浇铸工作层，工作层浇铸完毕，测量工作层内层表面温度，当界面温度低于轧辊辊芯材料液相线温度60~80℃时，浇铸辊芯。