CN103624230A - 一种组合外场下离心铸造高速钢轧辊的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高速钢轧辊，特别涉及一种组合外场下离心铸造高速钢轧辊的方法。在高速钢轧辊旋转离心铸造过程中，在铸模外安置脉冲式磁场，脉冲式磁场的频率10-20Hz，脉冲宽度在15-25μs，使铸型中心部位的磁感应强度在0.01-0.7T，同时，在铸模两端分别安装一个电极，离心浇铸过程中对处于凝固过程中的金属通入稳定的直流电流，直流电流的电流密度为0.1-10A/m2，利用脉冲式磁场和高速旋转铸模内金属液中直流电流的交互作用改变高速钢轧辊凝固过程中析出硬质相的形态，并利用离心铸造的作用控制硬质相的分布。本发明综合了脉冲式磁场、磁电耦合及离心旋转铸造的技术优势，能显著改善高速钢轧辊的内部凝固组织，大幅度提高轧辊的寿命和使用性能。
Description
技术领域
本发明涉及高速钢轧辊，特别涉及一种组合外场下离心铸造高速钢轧辊的方法。
背景技术
高速钢中含有较高含量的Cr、Mo、W等合金元素，在凝固过程中和碳元素结合成碳化物析出，可以提高高速钢的耐磨性和硬度，因此高速钢作为一种很好的耐磨材料逐步开始应用，目前已经开始在轧辊领域开始推广应用；由于高速钢中含有高含量的合金元素，凝固时析出碳化物，就需要高速钢中还含有较高含量的碳，但是，在碳化物的析出过程中，容易形成片状及网状的碳化物析出，会严重影响材料的抗剥落性能，同时，由于碳化物的析出能力不够，碳化物析出量不足，这严重影响了高速钢材料作为轧辊等耐磨材料的工作稳定性、抗事故性和使用寿命；此外，轧辊工作层的剥落，对轧钢产品的质量影响也有致命危害，因此对高速钢轧辊凝固过程中析出碳化物的形态及分布都要有准确地控制。
现有技术中对高速钢轧辊的铸造凝固控制，提出了离心铸造的方法，并提出在铸造过程中施加外场控制；申请号:CN200910235071.9，一种高速钢轧辊及其在电磁场下离心复合制备的方法，提出施加1-10T的脉冲磁场；申请号:CN03114582.5， 一种离心铸造高速钢轧辊制造方法，提出施加磁感应强度为0.03T～0.20T交变电磁场；申请号:CN200710038573.3，一种电磁离心铸造高速钢复合轧辊工作层材质，提出施加磁感应强度为0.21T～0.30T的电磁场；申请号:CN200410004744.7，电磁离心铸造高速钢复合轧辊方法，提出在管模外面加稳恒磁场；这些现有技术的不足在于，单一施加脉冲磁场，需要1T以上的磁感应强度，对于生产轧辊这类大型的铸件，需要作用半径非常大的脉冲磁场装置，目前，这类大型脉冲磁场装置还很难实现商业化应用；而对于单一施加其他类型的稳恒磁场，磁感应强度在0.03—0.30T，其作用强度不能满足大型轧辊的使用要求，导致析出物的数量不够，析出物的形态和尺寸失控，即出现大量层片状和网状的析出物，轧辊的性能难以有效提高，特别是对于高速钢轧辊，需要开发一种有效控制析出物形态和分布的铸造方法。
发明内容
本发明的目的是针对目前高速钢轧辊铸造凝固过程析出物数量不足，以及析出物中出现大量层片状和网状结构，即析出物的形态和尺寸失控的问题，提出一种脉冲式磁场和直流电场形成的组合外场下离心铸造高速钢轧辊的方法，解决现有技术的不足。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种组合外场下离心铸造高速钢轧辊的方法，其特征在于：高速钢轧辊铸型旋转离心铸造过程中，在铸模外侧沿与铸模轴线平行的方向安置线圈位置固定的脉冲式磁场，所施加的脉冲式磁场的频率10-20Hz，脉冲宽度在15-25μs，使铸型中心部位的磁感应强度在0.01-0.7T；同时，在铸模的两端分别安装一个导电环，导电环的内外径分别与铸模的内外径一致，导电环的中心轴线与铸模的中心轴线在一条直线上，导电环与铸模之间通过螺栓连接，铸模两端通过法兰将导电环与铸模压紧，导电环外弧部与弹簧式电极相触接，导电环内部与铸模内壁平齐，即导电环内侧与铸模内钢液或凝固的铸件外层相触接，离心浇铸过程中对处于凝固过程中的金属液或铸件通入稳定的直流电流，直流电流的电流密度为0.1-10A/m2，利用脉冲式磁场和高速旋转铸模内金属液中直流电流的交互作用改变高速钢轧辊凝固过程中析出碳化物的形态，并利用脉冲式磁场与直流电场耦合形成的电磁搅拌作用及旋转铸造的作用离心作用控制硬质相的分布。
需要特别指出的是：
1）所述的离心铸造为旋转离心铸造，铸型转速公式为n=250 
，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；对于采用其他转速确定方案，即使转速不在本发明提出的铸型转速公式确定的范围，但只要采用与本发明的磁场与脉冲电场复合作用旋转离心铸造，都属于本发明要保护的技术方案。
2）本发明是为高速钢轧辊离心浇铸所提出的控制方法，但对于其他成分类型的工具钢及高合金钢轧辊的离心铸造，同样适用，也属于本发明要保护的技术方案。
3）本发明中，在铸模的端部安装导电环，熔体内电流分布均匀，与采用点式电极引入电流相比，具有可引入大电流、电压平稳、接触可靠等优势，特别是熔体内电流及电势分配均匀，有利于提供铸件周向的均质性。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明综合利用脉冲式磁场震荡与搅拌，特别是脉冲式磁场与旋转铸型内金属液中直流电流的交互作用形成的电磁震荡搅拌及旋转离心作用提高了碳化物析出量，主要表现为高速钢的合金元素的平均收得率提高到95%，而常规高速钢中合金元素的平均收得率仅为87%左右；特别的，作为强化相的析出物在形态、形貌及其分布控制方面，旋转离心场下脉冲式磁场与金属液内直流电流的交互作用，消除了片层状硬质析出相，其网状析出物亦被破碎，硬质相形态和分布也变得均匀。
与现有技术只采用旋转离心铸造，即无外场作用下铸造相比，实现了析出相形态及分布的有效控制。
与现有技术中单一磁场作用下的离心铸造相比，由于熔体内增加了直流电流，磁场的强度可以大幅度降低，而作用效果却能成倍提高，这是由于增加了脉冲式磁场与直流电流在高速旋转过程中发生交互作用，充分利用并扩大了磁场的作用区域与效果，降低了磁场的功率要求，现有技术中单一脉冲电磁场下凝固需要的磁场强度为1-10T（申请号:CN200910235071.9，一种高速钢轧辊及其在电磁场下离心复合制备的方法，提出施加1-10T的脉冲磁场），这给磁场设备提出了很高的要求，而本发明需要的脉冲式磁场的强度仅为0.1-0.7T，显然，本发明的成本会显著降低；另外，相比现有技术提出采用单一交变磁场相比（如申请号:CN03114582.5， 一种离心铸造高速钢轧辊制造方法，提出施加磁感应强度为0.03T～0.20T交变电磁场；申请号:CN200710038573.3，一种电磁离心铸造高速钢复合轧辊工作层材质，提出施加磁感应强度为0.21T～0.30T的电磁场），本发明组合外场的作用区域和效果更佳，对析出相形态及分布的控制效果显著提高。
本发明在磁场式磁场和直流电流复合作用下离心铸造高速钢轧辊，材料凝固组织细小，碳化合物形态和分布明显改善，特别是碳化物均呈断网状和孤立分布，其使用寿命比常规高速钢轧辊提高30%以上。
附图说明
图1是组合外场作用于离心旋转底模（铸模）的示意图。
1、导电环；2、铸模；3、电极；4、脉冲式磁场；5、离心旋转底模；6、直流电源。
具体实施方式
实施实例
高速钢轧辊材质的冶炼成分如表1所示：
表1速钢复合轧辊实际化学成分（重量%）
脉冲式磁场和直流电流复合作用下离心铸造高速钢轧辊的步骤为：铸模的内半径为350mm，转速调至550rpm，在铸模外侧沿与铸模轴线平行的方向安置线圈位置固定的脉冲式磁场，脉冲式磁场的频率10Hz，脉冲宽度在15μs，使铸型中心部位的磁感应强度在0.7T；同时，在铸模的两端分别安装一个导电环，导电环外侧与电极相连接，导电环内侧与铸型内金属液或铸件接通，离心浇铸过程中对处于凝固过程中的金属液或铸件通入稳定的直流电流，直流电流的电流密度为0.1A/m2，浇铸后经冷却后处理，取样作性能分析。
在其他条件完全相同的状态下，改变脉冲电场和稳恒磁场的电参数，进行实施例2（脉冲式磁场的频率20Hz，脉冲宽度在25μs，使铸型中心部位的磁感应强度在0.01T；通入稳定的直流电流的电流密度为10A/m2）；进行实施例3（脉冲式磁场的频率15Hz，脉冲宽度在20μs，使铸型中心部位的磁感应强度在0.50T；通入稳定的直流电流的电流密度为1A/m2）。
在其他条件完全相同的状态下，进行无外场作用下离心铸造、单一脉冲磁场+离心铸造、单一直流电流+离心铸造，将制取的辊环进行相同的冷却方式和热处理后，取样进行力学性能对比分析。
表2轧辊的力学性能
表3是金相组织分析统计结果比较
注：“-”表示无此项。
由以上对比结果可知：
本发明综合利用脉冲式磁场、直流电流以及其与脉冲式磁场交互作用形成的电磁震荡搅拌及旋转离心作用提高了碳化物析出量，主要表现为高速钢的合金元素的平均收得率提高到95%左右，而不采用本发明的对比例的合金元素的平均收得率仅为85%~87%；采用本发明的高速钢轧辊的硬度、强度及抗冲击性能均有明显提高，证明轧辊的综合机械性能提高，实践证明采用本发明生产的高速钢轧辊，其使用寿命比常规高速钢轧辊提高30%以上。
Claims (8)
1.一种组合外场下离心铸造高速钢轧辊的方法，其特征在于：在高速钢轧辊旋转离心
铸造过程中，在铸模外侧施加脉冲式磁场，在铸模的两端分别安装一个导电环，离心浇铸过程中对处于凝固过程中的金属液或铸件通入直流电流，利用脉冲式磁场和高速旋转铸模内金属液中直流电流的交互作用改变高速钢轧辊凝固过程中析出硬质相的形态，并利用脉冲式磁场与直流电场耦合形成的电磁搅拌作用及旋转铸造的作用离心作用控制硬质相的分布。
2.如权利要求1所述的一种组合外场下离心铸造高速钢轧辊的方法，其特征在于：所
述脉冲式磁场是在铸模外侧沿与铸模轴线平行的方向安置线圈位置固定的脉冲式磁场。
3.如权利要求1所述的一种组合外场下离心铸造高速钢轧辊的方法，其特征在于：
所述的在铸模的两端分别安装一个导电环，具体指：导电环的内外径分别与铸模的内外径一致，导电环的中心轴线与铸模的中心轴线在一条直线上，导电环与铸模之间通过螺栓连接，铸模两端通过法兰将导电环与铸模压紧，导电环外弧部与弹簧式电极相触接，导电环内部与铸模内壁平齐，即导电环内侧与铸模内钢液或凝固的铸件外层相触接，离心浇铸过程中对处于凝固过程中的金属液或铸件通入稳定的直流电流。
4.如权利要求1所述的一种组合外场下离心铸造高速钢轧辊的方法，其特征在于：
所施加的脉冲式磁场在铸型中心部位的磁感应强度达到0.01-0.7T。
5.如权利要求1所述的一种组合外场下离心铸造高速钢轧辊的方法，其特征在于：
所施加的脉冲式磁场的脉冲频率为10-20Hz，脉冲宽度在15-25μs范围内。
6.如权利要求1所述的一种组合外场下离心铸造高速钢轧辊的方法，其特征在于：
所述直流电流的电流密度为0.1-10A/m2。
7.如权利要求1所述的一种组合外场下离心铸造高速钢轧辊的方法，其特征在于：
所述的离心铸造为铸型旋转离心铸造。
8.如权利要求1所述的一种组合外场下离心铸造高速钢轧辊的方法，其特征在于：
采用旋转离心铸造，铸型转速公式为n=250 
，式中：n表示铸型转速，rpm；G为重力倍数，控制在90~120；r一轧辊内半径，cm 。
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