CN103624240A - 磁场电场复合作用下离心铸造高硼高速钢轧辊的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高硼高速钢轧辊，特别涉及磁场电场复合作用下离心铸造高硼高速钢轧辊的方法。在高硼高速钢轧辊离心铸造过程中，在铸模外安置固定的稳恒磁场，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导电环并与电极接触，离心浇铸过程中对处于凝固过程中的铸件通入脉冲电流，脉冲电流的电压为100V-1500V，频率10-20Hz，脉冲宽度在15-25μs，利用脉冲电场的震荡以及磁场内带电旋转铸件形成的电磁震荡作用改变高硼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。本发明综合了脉冲电场、磁电耦合及离心旋转铸造的技术优势，能显著改善高硼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
本发明涉及高硼高速钢轧辊，特别涉及磁场电场复合作用下离心铸造高硼高速钢轧辊的方法。
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，传统的高速钢中还含有较高含量的碳，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。在高速钢中加入适量的硼元素，由于硼与高速钢中的合金元素有更强的结合析出能力，且硼化物的硬度、耐磨性均高于同类型的碳化物，所以高硼高速钢作为一种很好的耐磨材料逐步开始应用，目前高硼高速钢是最具有应用前途的高速钢轧辊材质；但是，问题同样存在，高硼高速钢轧辊在凝固过程中硼、碳与高速钢合金元素结合析出的硼化物、碳化物及硼碳化物也是决定材料耐磨性及抗剥落性能的关键因素，如果不采用控制措施，析出的硬质相体积分数低、容易呈现片层状及网状，严重降低材料的抗剥落性能和使用稳定性。
现有技术中对高硼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，特别是对于高硼高速钢轧辊，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硼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，提出一种磁场电场复合作用下离心铸造高硼高速钢轧辊的方法，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：
一种磁场电场复合作用下离心铸造高硼高速钢轧辊的方法，具体为：在高硼高速钢轧辊竖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固定的稳恒磁场，所施加的稳恒磁场在铸型中心部位的磁感应强度控制在0.01-0.7T范围内；同时，在铸模的两端分别安装一个石墨材质的导电环，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，将电流导入铸模内金属中，离心浇铸过程中对处于凝固过程中的铸件通入脉冲电流，所施加的脉冲电流的电压为100V-1500V，频率10-20Hz，脉冲宽度在15-25μs；利用脉冲电流震荡、脉冲电流与稳恒磁场交互作用形成的电磁震荡及旋转离心作用，改变高硼高速钢轧辊凝固过程中析出硬质相的形态和控制硬质相的分布。
需要特别指出的是：
1）所述的离心铸造为竖型旋转离心铸造，铸型转速公式为n=299 
，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竖型旋转离心铸造，都属于本发明要保护的技术方案；
2）所述的高硼高速钢轧辊是指硼含量高于1.0%的高速钢轧辊，但对于其他成分类型的高速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电流震荡、脉冲电流与稳恒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硼化物析出量，主要表现为高硼高速钢的硼元素收得率提高到92%，而常规高硼钢的硼收得率仅为75%~82%；析出物形态、分布及凝固组织控制方面，旋转离心场下脉冲电流和稳恒磁场的交互作用，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，增加了脉冲电流作用，并且由于脉冲电流在高速旋转过程中与磁场发生交互作用，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。
与单一施加脉冲电流相比，增加了脉冲电流与稳恒磁场在高速旋转状态下的交互作用，对析出相形态及分布的控制效果显著提高；
本发明在磁场电场复合作用下离心铸造高硼高速钢轧辊，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，其使用寿命比常规高速钢轧辊提高30%以上。
附图说明
图1为磁场电场复合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、稳恒磁场；5、离心旋转底模。
具体实施方式
实施实例
高硼高速钢轧辊材质的冶炼成分如表1所示：
表1高硼速钢复合轧辊实际化学成分（重量%）
磁场电场复合作用下离心铸造高硼高速钢轧辊的步骤为：轧辊的半径为350mm，转速调至550rpm，在铸模外侧沿与铸模轴线平行的方向安置固定的稳恒磁场，在铸型中心部位的磁感应强度控制在0.1T；在铸模的两端分别安装一个导电环，导电环外部与电极相连接，内部与铸模内壁平齐，即与铸模内钢液或凝固的铸件外层连接，离心浇铸过程中对处于凝固过程中的铸件通入脉冲电流，所施加的脉冲电流的电压为600V，频率18Hz，脉冲宽度在22μs，浇铸后经冷却后处理，取样做性能分析；
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（脉冲电流的电压为1500V，频率10Hz，脉冲宽度在25μs；稳恒磁场的磁感应强度0.01T）；进行实施例3（脉冲电流的电压为100V，频率20Hz，脉冲宽度在15μs；稳恒磁场的磁感应强度0.7T）
在其他条件完全相同的状态下，进行只离心铸造、单一脉冲电场+离心铸造、单一稳恒磁场+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金相组织统计分析结果对比
注：“-”表示无此项。
由以上对比结果可知：
本发明综合利用脉冲电流震荡、脉冲电流与稳恒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硼化物析出量，主要表现为高硼高速钢的硼元素收得率提高到92%以上，而常规高硼钢的硼收得率仅为78%~82%；析出物形态、分布及凝固组织控制方面，旋转离心场下脉冲电流和稳恒磁场的交互作用，消除了片层状硬质析出相，其网状析出物亦被破碎，形成尺寸小的断网结构有利于轧辊材质性能的提高；实践证明采用本发明，使用寿命比常规高速钢轧辊提高30%以上。
Claims (7)
1.磁场电场复合作用下离心铸造高硼高速钢轧辊的方法，其特征在于：在高硼高速钢轧辊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固定的稳恒磁场，同时，在铸模的两端分别安装一个导电环，将脉冲电流导入铸模内金属中，利用脉冲电流震荡、脉冲电流与稳恒磁场交互作用形成的电磁震荡及旋转离心作用，改变高硼高速钢轧辊凝固过程中析出硬质相的形态和控制硬质相的分布。
2.如权利要求1所述的磁场电场复合作用下离心铸造高硼高速钢轧辊的方法，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，将电流导入铸模内金属中.
如权利要求1所述的磁场电场复合作用下离心铸造高硼高速钢轧辊的方法，其特征在于：所述的导电环采用电极石墨材质。
3.如权利要求1所述的磁场电场复合作用下离心铸造高硼高速钢轧辊的方法，其特征在于：所施加的稳恒磁场在铸型中心部位的磁感应强度控制在0.01-0.7T范围内。
4.如权利要求1所述的磁场电场复合作用下离心铸造高硼高速钢轧辊的方法，其特征在于：所施加的脉冲电流的电压为100V-1500V，频率10-20Hz，脉冲宽度在15-25μs。
5.如权利要求1所述的磁场电场复合作用下离心铸造高硼高速钢轧辊的方法，其特征在于：所述的离心铸造为竖型旋转离心铸造。
6.如权利要求1所述的磁场电场复合作用下离心铸造高硼高速钢轧辊的方法，其特征在于：铸型旋转转速公式为n=299 
，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。
7.如权利要求1所述的磁场电场复合作用下离心铸造高硼高速钢轧辊的方法，其特征在于：所述的高硼高速钢轧辊是指硼含量高于1.0%的高速钢轧辊。
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