CN103255348A

CN103255348A - 一种低碳高硼高速钢复合轧辊及制备方法

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Publication number: CN103255348A
Application number: CN2013102142892A
Authority: CN
Inventors: 王宏明; 赵加爱; 李桂荣; 曹磊
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2033-06-03
Also published as: CN103255348B

Abstract

本发明属于耐磨材料技术领域，特别涉及一种低碳高硼高速钢复合轧辊材料及其制备方法。采用低碳高硼高速钢作为轧辊工作层，球墨铸铁作为轧辊芯部；通过增加工作层中廉价硼的含量和降低贵金属钒的加入量，改善轧辊的耐磨性、红硬性和回火稳定性；为减少合金元素的偏析，采用在卧式离心装置外加脉冲磁场，并且使强化相的晶粒更加细小，分布更加弥散。

Description

一种低碳高硼高速钢复合轧辊及制备方法

技术领域

本发明属于耐磨材料技术领域，特别涉及一种低碳高硼高速钢复合轧辊材料及其制备方法。

背景技术

为了提高材料的强度、硬度和耐磨性，国内外已成功开发了多种性能优异的高速钢；这些材料中含有较多的铬、钼、镍等稀有元素，生产成本较高，市场竞争力弱；在高速钢中加人适量硼，可形成高硬度的碳硼化合物，通过控制硼含量可以控制硼化物硬质相的体积分数，控制含碳量可以实现控制基体含碳量，继而控制基体的性能，从而改善高速钢耐磨性；其中低碳高硼碳钢具有合金用量少、成本低、熔炼简单、铸造性能优异等特点；而且我国硼矿资源丰富，是世界上为数不多的硼资源大国；因此我国适合发展高硼高性能钢铁材料。

目前，复合轧辊的制备工艺有：离心铸造工艺（CF工艺）、连续铸造工艺（CPC工艺）、旋转电渣重熔工艺（ESR工艺）、电渣复合工艺（ESSLM工艺）及冲洗工艺等；离心铸造复合法具有工艺简单、生产率高、成本低等优势，是目前制备复合辊的最主要的方法；但是，由于本发明的复合轧辊外层含有较高的硼含量，与其它元素形成的硼化物与铁基体存在密度差异，离心铸造时，由于离心力的作用，高密度的硼化物及碳化物会向轧辊表层偏析，V及VC会向轧辊内层偏聚；解决在离心铸造复合法制备高速钢复合轧辊的偏析问题是制备良好综合性能轧辊工作层的关键。

中国专利200410004744.7及中国专利200910235071.9，均提出在铸型外施加稳恒磁场，产生电磁搅拌的作用减少合金元素及碳化物的宏观偏析，稳恒磁场引起的电磁搅拌可以减弱合金元素及其碳化物在轧辊径向上的偏析，取得了明显的效果，但是若磁场过弱，相对于离心铸造的离心力作用而言，该电磁搅拌作用也仅仅是使熔体产生微弱搅动，无明显搅动效果，若磁场过强，则会引起硼化物和碳化物的定向偏聚和粗大，恶化磁场的作用效果；因此选择合适的磁场强度至关重要；另外，避免重力作用力而引起的偏析，对提高高速钢轧辊的综合性能具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种低碳高硼高速钢复合轧辊及其制备方法；采用低碳高硼高速钢作为轧辊工作层，球墨铸铁作为轧辊芯部；通过增加工作层中廉价硼的含量和降低贵金属钒的加入量，改善轧辊的耐磨性、红硬性和回火稳定性；为减少合金元素的偏析，采用在卧式离心装置外加脉冲磁场，并且使强化相的晶粒更加细小，分布更加弥散。

本发明提供的低碳高硼高速钢复合轧辊工作层的化学成分如下（重量%）：0.20~0.35C，1.2~2.0B，3.2~4.0Cr，0.8~1.5Mo，0.8~1.5W，1.5~2.0Si，1.0~2.0V，0.02~0.05Zr，0.25~0.4Ti，0.2~0.5Al，0.07~0.15RE，Mn＜1，P＜0.04，S＜0.04，余量为Fe。

本发明低碳高硼高速钢复合轧辊工作层的化学成分特征与现有技术相比，通过优化Cr、Mo、V、Zr、Si、Mn元素的量，并进一步降低碳含量在中低碳范围，实现有益硼元素的进一步提高到1.2-2.0%的范围，保证了硼化物的有效析出；各元素含量确定根据如下：

碳：碳与合金元素结合形成碳化物，是主要的耐磨相，其次，碳在基体中，可以提高轧辊工作层的淬透性和淬硬性；因硼元素的加入，硼可与碳和铁形成硼铁碳化物，另外硼也提高轧辊工作层的淬透性和淬硬性，因此可适当降低碳的加入量，使其在热处理后形成板条马氏体组织；本发明轧辊工作层的碳含量为0.20~0.35%。

硼：硼进入基体，可以提高轧辊的淬硬性和淬透性，大部分与碳铁形成合金硼化物，提高耐磨性和热稳定性，当硼加入量过多时，形成的脆硬相，降低轧辊性能；因此，硼元素的加入量定为1.2~2.0%。

铬：铬的碳化物存在形式有M₆C、M₂₃C₆及碳硼化合物Cr₇（C，B）₃和Cr₂₃（C，B）₆，这些合金化合物具有较高的强度和硬度，并且提高轧辊的高温抗氧化性能；铬含量高时，可形成多种不稳定的化合物，在较低温度时容易析出，提高材料脆性，降低轧辊性能；因此铬含量为3.2~4.0%。

钨和钼：钨和钼加入到高速钢中，可以形成一定数量难以溶解的一次碳化物，提高轧辊材料的淬火温度，提高轧辊的耐磨性；另外，形成的M₂C和MC是二次硬化和红硬性的主要因素，提高材料硬度，改善轧辊耐磨性能；本发明钨的含量为0.8~1.5%，钼的含量为0.8~1.5%。

硅：硅主要固溶于基体中，可细化奥氏体晶粒，提高轧辊的红硬性，硅含量较高时，易产生夹杂，降低基体的热疲劳性能；本发明将硅控制在1.5~2.0%。

锰：锰一般是做为脱氧剂而加入钢中，若锰含量高时，使晶粒粗大，脆性增加，在机加工时易产生裂纹；本发明将锰控制在1%以下。

钒：钒加入到钢中，形成高稳定性的MC型碳化物，具有较高的强度和硬度，当钢中钒的含量低于1%时，钢的二次硬化、耐磨性、红硬性不足，钒的含量高时，钢的机械加工性能急剧恶化，造成不必要的浪费；因此将钒含量控制在1.0~2.0%。

锆和钛：锆和钛为强碳化物形成元素，微量加入可细化初生晶粒，从而细化组织，提高钢的强度、硬度、耐磨性；当锆和钛含量较高时，组织中出现块状或角状MC，增加钢的脆性，降低轧辊性能；所以锆的含量为0.02~0.05%，钛的含量为0.25~0.4%。

铝：铝做为脱氧剂加入到钢中，铝为非碳化物形成元素，固溶于铁素体或奥氏体中；铝进入基体可提高轧辊工作层的回火稳定性和红硬性；铝含量过高时，易造成铸造缺陷；因此铝含量为0.2~0.5%。

稀土：稀土元素在钢中有脱氧除气，脱硫，改变夹杂物形态，净化境界，细化铸态组织，提高钢的高温抗氧化性能；稀土加入量过高时，增加钢中非金属夹杂物，造成组织缺陷，降低轧辊的性能；为此，将稀土含量控制在0.07~0.15%。

硫和磷：硫和磷是做为杂质元素存在于钢中，为有害元素，为保证轧辊的性能要求，将硫、磷控制在0.04%以下。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

轧辊工作层的熔炼过程为：

首先将普通废钢、生铁（4.0%C）、钨铁（72%W）、钼铁（60%Mo）、钒铁（50%V）、铬铁（50%Cr）混合装入中频感应炉熔炼，待钢液溶清后，加入铝预脱氧，铝的加入量为熔炼炉内钢液重量的1.0-1.5%，然后加入锆铁(70%Zr)、钛铁(72%Ti)及复合硼铝铁合金(18%B，1.5%Al)，炉前调整成分到本发明的范围，即化学成分为（重量%）：0.20~0.35C，1.2~2.0B，3.2~4.0Cr，0.8~1.5Mo，0.8~1.5W，1.5~2.0Si，1.0~2.0V，0.02~0.05Zr，0.25~0.4Ti，0.2~0.5Al，0.07~0.15RE，Mn＜1，P＜0.04，S＜0.04，余量为Fe，然后将温度升至1570℃~1620℃温度范围内出炉。

稀土-硅钙复合变质剂在250℃以下烘烤，按熔炼炉内钢液总重量的0.5-0.8%放入钢包底部，并用铁屑压实，复合变质剂的颗粒尺寸小于15mm，随后用冲入法对钢水进行复合变质处理。

将钢包中的钢液静置3~5min后准备浇注。

低碳高硼高速钢复合轧辊的浇注步骤为：

1）、采用脉冲电磁场下卧式离心方法浇铸，首先，启动脉冲磁场装置，频率设为1-10HZ，铸型中心磁场的峰值强度为1~10T；然后启动铸型旋转系统；铸型转速公式为n=299

Figure 2013102142892100002DEST_PATH_IMAGE001

，式中:n表示铸型转速，rpm；G为重力倍数，本发明的重力倍数控制在90~120；r一轧辊内半径，cm；根据轧辊内半径将转速调至350~550rpm，待钢液温度为1420℃~1450℃时浇注轧辊工作层。

2）、待工作层凝固后，用红外测温仪测定轧辊工作层内表面的温度，待温度冷却至1200℃左右时停止旋转系统，吊立铸型。

3）、铸型竖立后，与冒口箱组合到一起，立即浇注轧辊芯部，轧辊芯部采用球墨铸铁浇铸，轧辊随坑冷却至室温后进入到热处理步骤。

4）、轧辊的热处理方法为：淬火加热温度950℃~1050℃，保温3h，出炉水淬；然后在电阻炉中进行回火处理，在230℃~280℃温度下回火，保温4h；出炉后空冷至室温。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明增加了硼的加入量，生成的硼铁化合物具有较高的硬度，改善轧辊的耐磨性；另外，部分硼溶入到基体中，改善了轧辊的淬透性和淬硬性，从而降低了钒的加入量，大大降低了生产成本。

本发明低碳高硼高速钢的硼元素收得率大于92%，而常规硼钢的硼收得率仅为75%~82%。

本发明采用脉冲电磁场下卧式离心方法铸造，与现有技术中施加稳恒磁场相比，具有明显地细晶和促进硼化物细化和分散的作用，而卧式离心铸造对比立式离心铸造而言，具有突出的降低成本优势并提高轧辊质量。

本发明在复合浇注下得到的低碳高硼高速钢轧辊材料凝固组织细小，碳硼化合物形态和分布明显改善，碳化物和硼化物均呈断网状和孤立分布，在合理的热处理工艺下，其使用寿命比常规高速钢轧辊提高15%以上。

具体实施方式

实施实例1 该实施例低碳高硼高速钢复合轧辊辊身的尺寸为φ350×400mm，工作层厚度为30mm，外层采用500Kg中频感应炉熔炼，芯部球墨铸铁采用1t中频感应炉熔炼；低碳高硼高速钢复合轧辊辊的制作工艺步骤为：

轧辊工作层的熔炼过程为：

首先将普通废钢70Kg、生铁（4.0%C）5Kg、钨铁（72%W）1.53Kg、钼铁（60%Mo）2Kg、钒铁（50%V）3.5Kg、铬铁（50%Cr）7Kg混合装入500Kg中频感应炉熔炼，待钢液溶清后，加入100g铝预脱氧，然后加入锆铁(70%Zr)57g、钛铁(72%Ti)417g及复合硼铝铁合金(18%B，7.1%Al)8.3Kg，炉前调整成分合格后，将温度升至1620℃温度出炉。

将1.0Kg稀土—镁复合变质剂在250℃以下烘烤，放入钢包底部，并用铁屑压实，复合变质剂的颗粒尺寸小于15mm，随后用冲入法对钢水进行复合变质处理。

将钢包中的钢液静置5min后准备浇注。

轧辊芯部的熔炼过程为：

用1t中频感应炉熔炼辊芯，辊芯铁水的出炉温度为1500℃。

低碳高硼高速钢复合轧辊轧辊的浇注步骤为：

启动脉冲磁场装置，频率设为5HZ，铸型中心磁场的峰值强度为6T；启动铸型旋转系统，该铸型的内半径为350mm，工作层厚度为30mm，先将转速调至550rpm，待钢液温度为1450℃时浇注轧辊工作层。

待工作层凝固后，用红外测温仪测定轧辊工作层内表面的温度，待温度冷却至1200℃时停止旋转系统，吊立铸型。

铸型竖立后，与冒口箱组合到一起，立即浇注轧辊芯部。

轧辊的热处理工艺为：淬火加热温度1050℃，保温3h，出炉水淬；然后在电阻炉中进行回火处理，在280℃温度下回火，保温4h；出炉后空冷至室温。

精加工到规定尺寸。

本实施例所制备的低碳高硼高速钢复合轧辊实际化学成分见表1，轧辊力学性能见表2。

表1低碳高硼高速钢复合轧辊工作层实际化学成分（重量%）

表2轧辊的力学性能

Figure 2013102142892100002DEST_PATH_IMAGE002

实施实例2 该实施例低碳高硼高速钢复合轧辊辊身的尺寸为φ450×550mm，工作层厚度为40mm，外层采用1000Kg中频感应炉熔炼，芯部球墨铸铁采用1t中频感应炉熔炼；其制作工艺步骤为：

轧辊工作层的熔炼过程为：

首先将普通废钢85Kg、生铁（4.0%C）6.3Kg、钨铁（72%W）1.87Kg、钼铁（60%Mo）2.43Kg、钒铁（50%V）3.64Kg、铬铁（50%Cr）8.5Kg混合装入500Kg中频感应炉熔炼，待钢液溶清后，加入120g铝预脱氧，然后加入锆铁(70%Zr)69.2g、钛铁(72%Ti)506.24g及复合硼铝铁合金(18%B，7.1%Al)10.10Kg，炉前调整成分合格后，将温度升至1570℃温度范围内出炉。

将1.2Kg稀土—硅钙复合变质剂在250℃以下烘烤，放入钢包底部，并用铁屑压实，复合变质剂的颗粒尺寸小于15mm，随后用冲入法对钢水进行复合变质处理。

将钢包中的钢液静置3min后准备浇注。

轧辊芯部的熔炼过程为：

用1t中频感应炉熔炼辊芯，辊芯铁水的出炉温度为1500℃。

低碳高硼高速钢轧辊的浇注步骤为：

启动脉冲磁场装置，频率设为6.3HZ，铸型中心磁场的峰值强度为8T；启动铸型旋转系统，该铸型的内半径为450mm，工作层厚度为40mm，先将转速调至350rpm，待钢液温度为1420℃℃时浇注轧辊工作层。

待工作层凝固后，用红外测温仪测定轧辊工作层内表面的温度，待温度冷却至1200℃左右时停止旋转系统，吊立铸型。

铸型竖立后，与冒口箱组合到一起，立即浇注轧辊芯部。

轧辊的热处理工艺为：淬火加热温度950℃，保温3h，出炉水淬；然后在电阻炉中进行回火处理，在230℃温度下回火，保温4h；出炉后空冷至室温。

精加工到规定尺寸。

本实施例所制备的低碳高硼高速钢复合轧辊实际化学成分见表3，轧辊的力学性能见表4。

表3高硼速钢复合轧辊工作层实际化学成分（重量%）

Figure 2013102142892100002DEST_PATH_IMAGE003

表4轧辊的力学性能

Figure 2013102142892100002DEST_PATH_IMAGE004

本发明制造的低碳高硼高速钢复合轧辊，在成分上减少了钨、铬、钼、钒等昂贵重金属的加入量，大大降低了材料的成本，由于硼的加入，使其满足轧辊高强度、高耐磨性的性能要求，在成型过程中采用卧式电磁离心浇铸，改善轧辊工作层的质量，降低了轧辊径向断面的合金元素偏析，使辊面成分均匀，性能稳定，具有良好的经济效益和社会效益。

Claims

1.一种低碳高硼高速钢复合轧辊，采用低碳高硼高速钢作为轧辊工作层，球墨铸铁作为轧辊芯部，其特征在于：低碳高硼高速钢复合轧辊工作层的化学成分如下（重量%）：0.20~0.35C，1.2~2.0B，3.2~4.0Cr，0.8~1.5Mo，0.8~1.5W，1.5~2.0Si，1.0~2.0V，0.02~0.05Zr，0.25~0.4Ti，0.2~0.5Al，0.07~0.15RE，Mn＜1，P＜0.04，S＜0.04，余量为Fe。

2.如权利要求1所述的一种低碳高硼高速钢复合轧辊的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）轧辊工作层的熔炼：

首先将普通废钢、生铁（4.0%C）、钨铁（72%W）、钼铁（60%Mo）、钒铁（50%V）、铬铁（50%Cr）混合装入中频感应炉熔炼，待钢液溶清后，加入铝预脱氧，铝的加入量为熔炼炉内钢液重量的1.0-1.5%，然后加入锆铁(70%Zr)、钛铁(72%Ti)及复合硼铝铁合金(18%B，1.5%Al)，炉前调整成分为（重量%）：0.20~0.35C，1.2~2.0B，3.2~4.0Cr，0.8~1.5Mo，0.8~1.5W，1.5~2.0Si，1.0~2.0V，0.02~0.05Zr，0.25~0.4Ti，0.2~0.5Al，0.07~0.15RE，Mn＜1，P＜0.04，S＜0.04，余量为Fe，然后将温度升至1570℃~1620℃温度范围内出炉；

稀土-硅钙复合变质剂在250℃以下烘烤，按熔炼炉内钢液总重量的0.5-0.8%放入钢包底部，并用铁屑压实，复合变质剂的颗粒尺寸小于15mm，随后用冲入法对钢水进行复合变质处理；

将钢包中的钢液静置3~5min后准备浇注；

（2）低碳高硼高速钢复合轧辊的浇注步骤为：

采用脉冲电磁场下卧式离心方法浇铸，首先，启动脉冲磁场装置，频率设为1-10HZ，铸型中心磁场的峰值强度为1~10T；然后启动铸型旋转系统；将转速调至350~550rpm，待钢液温度为1420℃~1450℃时浇注轧辊工作层；

待工作层凝固后，用红外测温仪测定轧辊工作层内表面的温度，待温度冷却至1200℃左右时停止旋转系统，吊立铸型；

铸型竖立后，与冒口箱组合到一起，立即浇注轧辊芯部，轧辊芯部采用球墨铸铁浇铸，轧辊随坑冷却至室温后进入到热处理步骤；

轧辊的热处理：淬火加热温度950℃~1050℃，保温3h，出炉水淬；然后在电阻炉中进行回火处理，在230℃~280℃温度下回火，保温4h；出炉后空冷至室温。