CN103805902A - 一种离心铸造的易切削高速钢轧辊制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离心铸造的易切削高速钢轧辊制造工艺，属于冶金轧辊制造技术领域。技术方案是：包含如下工艺步骤：辊身材质化学成分确定，模具参数确定，工作层高速钢水的多元复合孕育石墨化处理，芯部球墨铸铁材料的球化处理，浇注温度控制，离心机转速300-800转/分，冷却参数控制，热处理的退火工艺、淬火工艺、回火工艺参数控制。本发明的有益效果是：生产的易切削高速钢在加工性能方面得到了改善，可以减少高速钢轧辊加工难度和加工周期，节约工时和刀具，具有显著的经济效益；用碳化硼刀具加工易切削高速钢轧辊时在加工件线速度20m情况下，吃刀量从原来的2mm提高到3-5mm；走刀量从原来的0.2mm/r提高到0.4-0.5mm/r。

Description

一种离心铸造的易切削高速钢轧辊制造工艺

技术领域

本发明涉及一种离心铸造的易切削高速钢轧辊制造工艺，属于冶金轧辊制造技术领域。

背景技术

轧辊质量直接影响冶金产品的内在质量和规格尺寸。高速钢轧辊应用于轧制行业是近30多年的事情。1988年日本首先开始采用高速钢轧辊，美国在90年代初开始引入高速钢轧辊，欧洲起步相对较晚但发展很快。使用高速钢轧辊，使轧辊单槽轧制产量提高了3-4倍，使轧件尺寸精度提高的同时延长作业时间，减少换辊次数，给轧制生产带来了显著的经济效益。高速钢轧辊的性价比已经得到冶金行业广泛认可，使用量不断提高，经济效益显著。在我国，高速钢轧辊也在本世纪初开始应用，只是由于价格原因没有大面积推广。但是性价比方面的优势显然起到了重要作用，高速钢轧辊的使用也越来越普遍。尤其是棒线材生产线，高速钢轧辊的优势更加明显。我国高速钢材料可以分为两种系列：一是机械行业广泛使用的工具高速钢（THSS——Tools with high speed steel）——制作量具、刃具、模具，以淬透性、红硬性、韧性作为主要突出性能特点的传统高速钢，是以合金元素含量高、含碳量在1.5%以下两个方面区别于冶金行业使用的轧辊用高速钢。轧辊高速钢(RHSS——High speed steel roll)——合金元素含量低于传统高速钢，而含碳量范围可以扩大到2.5%范围的以耐磨性为主、以热稳定性为辅的高碳高速钢系列。在80年代末期日本开始使用的高速钢轧辊的成分，介于目前工具高速钢和轧辊高速钢之间。由于成本的原因和制造方面的问题，轧辊高速钢的成分逐渐演变到目前的轧辊高速钢的成分范围（见国标GB/T1503-2008铸钢轧辊Cast steel rolls）。

目前背景技术存在的问题是：高速钢轧辊由于自身的高硬度，使高速钢轧辊的加工、修复变得异常困难。我国第一代高速钢轧辊可以用硬质合金刀具以很低的效率加工孔型（加工规格为Ф380×520的棒材成品机架上的高速钢轧辊，需要两个班或者三个班的工作时间完成一支轧辊的孔型，而普通轧辊相同的孔型一个班加工几个轧辊），但是随着轧制工艺要求不断提高，高速钢轧辊的硬度提高到85HSD以上，甚至90HSD或者更高（上述国家标准1503-2008给出的高速钢轧辊硬度范围是75-95HSD）。这样，不仅高级硬质合金刀具（如YG8、YG6等）加工不了，而且用立方氮化硼（CBN，这是目前加工黑色金属材料最好的刀具）刀具加工都已经非常困难了；本领域急需一种具有高速钢轧制能力，又有容易切削加工的高速钢轧辊。

发明内容

本发明目的是提供一种离心铸造的易切削高速钢轧辊制造工艺，生产的易切削高速钢在加工性能方面得到改善，可以减少高速钢轧辊加工难度和加工周期，节约工时和刀具，具有显著的经济效益，解决背景技术中存在的问题。

本发明的技术方案是：

一种离心铸造的易切削高速钢轧辊制造工艺，包含如下工艺步骤：

①身材质化学成分

辊身即指轧辊的工作部分也是离心铸造层，采用含碳量1.2-2.8%，硅含量1.2-2.5%，锰含量0.3-0.8%，磷含量小于0.05%，硫含量小于0.04%，其余合金元素W、Mo、V、Cr、Nb、Ti、Ni、Al分别为2-6%、2-6%、2-7%、3-5%、0.3-1.5%、0.1-0.5%、0-2%、0-4%材质，以保证离心铸造状态及随后的热处理过程中得到含有石墨的高速钢基体；

②模具参数

铁模厚度/外层铁水浇注厚度＞1.25，直径的加工余量25-40mm，长度的加工余量30-50mm，壁厚120-220mm，以确定模具外径；针对不同直径的轧辊，模具的外径和子口形成系列，便于制作及端盖互换；

底箱、冒口箱内径的吃砂量30-120mm，壁厚40-60mm，

端盖、铁模、底箱、冒口箱子针对不同直径轧辊形成系列，便于互换；

端盖样子、底箱样子、冒口样子直径方向加工余量20-40mm，起模斜度为30′-2°；

铁模经涂刷涂料、覆膜砂涂覆之后，烘烤至150℃-250℃，放置离心机上转动，准备浇注；

③工作层高速钢水的石墨化处理

经熔炼，达到浇注温度要求和成分要求的工作层金属液，采用Ca-Mg-Re-Si-Ti复合孕育剂，加入量为钢水量的0.15-0.25%，质量比，块度3-12mm，出钢前放置包底；

④芯部球墨铸铁材料的球化处理

球化剂量为铁水量的1.7-2.1%，质量比，块度5-15mm，出铁前放置包底，瞬时孕育量为铁水量的0.10-0.30%，块度1-5mm，浇注时随流加入；

⑤浇注温度

外层浇注温度1460-1520℃，芯部浇注温度1370-1430℃；

⑥离心机转速：300-800转/分；

⑦冷却参数

冷却方式：模内自然冷却；冷却时间18-48小时，模温＜150℃时开箱；

⑧热处理

退火工艺：升温速度，分别在350℃保温2h，650℃范围保温2h，840℃保温3-8h后出炉，冷却至300℃以下立即装入淬火炉内淬火；

淬火工艺：升温速度，分别在350℃保温2h，650-860℃范围保温2h，1000-1050℃保温3-8h后出炉，轧辊转动空冷或喷雾，冷却至300℃以下立即装入炉温为300℃的炉内保温回火；

回火工艺：第一次回火在淬火后立即进行，在第二次回火前冷至80℃以下，升温过程中，当≤350℃  15℃/h，当≤530℃  20℃/h，分别在350℃保温2h，530℃-550℃保温3-8h，然后随炉冷却至200℃以下出炉。

所述的Ca-Mg-Re-Si-Ti复合孕育剂，为含钙的孕育剂和稀土孕育剂按照3：7的质量比例混合而成。含钙的孕育剂和稀土孕育剂为本领域公知公用的孕育剂。Ca-Mg-Re-Si-Ti复合孕育剂，其原理是：利用钙孕育剂因改变钢铁材料夹杂物组成而改善切削加工性能的优点及因脱硫而促进钢铁中的碳的石墨化析出；利用稀土孕育剂净化金属及改善切削性能的贡献，加上充分利用硅和钛的石墨化作用，镁的石墨球化作用。

本发明适用于高速钢及半钢复合离心轧辊。

工作层厚度，根据用户要求、产品标准或辊身最大直径、最小直径、孔型深度以及辊身直径与辊颈直径对比值来确定。辊颈材质、硬度、抗拉强度，根据用户要求，产品标准或轧制条件及使用架次来确定，要考虑轧辊的抗破断性；确定上述参数为本领域常规选择。

提高高速钢轧辊的切削性能，传统的方法是通过形成夹杂物，改善切削性能，这个方法是在钢中形成足够数量的塑性夹杂物（如硫的夹杂物、钙的夹杂物、稀土夹杂物、碲的夹杂物、铅等自由金属夹杂物等等），减少刀具磨损，改善切削性能，但是，该方法是以降低轧辊（产品）硬度和耐磨性作为代价的。

本发明采用Ca-Mg-Re-Si-Ti复合孕育剂，工作层高速钢水经多元复合孕育石墨化处理后高速钢中形成石墨，高速钢材料是含有大量碳化物形成元素的高合金，在这样的合金中形成石墨是生产石墨高速钢工艺的关键环节，需要得到高速钢基体上分布一定量（2-10%显微组织试样上面积百分数）石墨的组织，出现石墨或者形成石墨，对于高速钢来讲，在一定程度上能够提高轧辊的耐热性——提高抗热疲劳能力，在轧辊工作的急冷急热条件下具有稳定性；改善热膨胀特性——减少因热冲击产生的工作应力，由于石墨的润滑作用而改善可切削性能，是高速钢轧辊生产的一项创新。

目前虽然处于钢铁过剩状态，但是，钢铁产品的质量水平和品种水平远远不能满足我国工业发展的需要。另外高速钢轧辊的性价比，更是产品倍受欢迎的主要原因。使用高速钢轧辊，不仅冶金企业减少轧辊资金投入，提高轧机作业率、提高单机、单槽产量、改善轧制产品的质量和尺寸精度，高速钢轧辊的生产企业也得到巨额的生产利润。每吨高速钢轧辊的利润比普通轧辊高3倍到5倍。在不提高产量的前提下，可以使利润提高3-5倍。具有显著的经济效益。

本发明的有益效果是：本发明通过辊身材质化学成分确定，模具参数确定，工作层高速钢水的石墨化处理，芯部球墨铸铁材料的球化处理，浇注温度控制，离心机转速300-800转/分，冷却参数控制，热处理的退火工艺、淬火工艺、回火工艺参数控制，生产的易切削高速钢在加工性能方面得到了改善，可以减少高速钢轧辊加工难度和加工周期，节约工时和刀具，具有显著的经济效益；用碳化硼刀具加工易切削高速钢轧辊时在加工件线速度20m情况下，吃刀量从原来的2mm提高到3-5mm；走刀量从原来的0.2mm/r提高到0.4-0.5mm/r 。

附图说明

图1为本发明实施例退火工艺曲线；

图2为本发明实施例淬火工艺曲线；

图3为本发明实施例回火工艺曲线。

具体实施方式

以下结合附图，通过实例对本发明作进一步说明。

一种离心铸造的易切削高速钢轧辊制造工艺，包含如下工艺步骤：

①身材质化学成分

辊身即指轧辊的工作部分也是离心铸造层，采用含碳量1.2-2.8%，硅含量1.2-2.5%，锰含量0.3-0.8%，磷含量小于0.05%，硫含量小于0.04%，其余合金元素W、Mo、V、Cr、Nb、Ti、Ni、Al分别为2-6%、2-6%、2-7%、3-5%、0.3-1.5%、0.1-0.5%、0-2%、0-4%材质，以保证离心铸造状态及随后的热处理过程中得到含有石墨的高速钢基体；

②模具参数

铁模厚度/外层铁水浇注厚度＞1.25，直径的加工余量25-40mm，长度的加工余量30-50mm，壁厚120-220mm，以确定模具外径，针对不同直径的轧辊，模具的外径和子口形成系列，便于制作及端盖互换；

底箱、冒口箱内径的吃砂量30-120mm，壁厚40-60mm，端盖、铁模、底箱、冒口箱子等针对不同直径轧辊形成系列，便于互换；

端盖样子、底箱样子、冒口样子直径方向加工余量20-40mm，起模斜度为30′-2°；

铁模经涂刷涂料、覆膜砂涂覆之后，烘烤至150℃-250℃，放置离心机上转动，准备浇注；

③工作层高速钢水的石墨化处理

采用Ca-Mg-Re-Si-Ti复合孕育剂，加入重量为钢水量的0.15-0.25%，块度3-12mm，出钢前放置包底；

④芯部球墨铸铁材料的球化处理

球化剂加入重量为铁水量的1.7-2.1%,球化剂为稀土镁FeSiMg8RE7，孕育剂量实增Si0.5-1.0 %,孕育剂为75%SiFe，块度5-15mm，出铁前放置包底，瞬时孕育量为铁水量的0.10-0.30%，块度1-5mm，浇注时随流加入；

⑤浇注温度

外层浇注温度1460-1520℃，芯部浇注温度1370-1430℃；

⑥离心机转速：300-800转/分；

⑦冷却参数

冷却方式：模内自然冷却；冷却时间18-48小时，模温＜150℃时开箱；

⑧热处理

退火工艺：升温速度，分别在350℃保温2h，650℃范围保温2h，840℃保温3-8h后出炉，冷却至300℃以下立即装入淬火炉内淬火；

淬火工艺：升温速度，分别在350℃保温2h，650-860℃范围保温2h，1000-1050℃保温3-8h后出炉，轧辊转动空冷或喷雾，冷却至300℃以下立即装入炉温为300℃的炉内保温回火；

回火工艺：第一次回火在淬火后立即进行，在第二次回火前冷至80℃以下，升温过程中，当≤350℃  15℃/h，当≤530℃  20℃/h，分别在350℃保温2h，530℃-550℃保温3-8h，然后随炉冷却至200℃以下出炉。

本实施例中，所述离心机转速，参照重力系数确定离心机转速；重力系数一览表见表1。

离心机转速计算公式如下：

r ——单位：米  工艺中端盖小头半径；

D铸型——辊模跑道直径   单位：毫米；  

D托轮——离心机托轮直径  单位：毫米；

G——重力系数(具体取值见表1)；

N表——仪表显示的离心机转速。

所述的Ca-Mg-Re-Si-Ti复合孕育剂，为含钙的孕育剂和稀土孕育剂按照3：7的质量比例混合而成。

Claims (4)

1.一种离心铸造的易切削高速钢轧辊制造工艺，其特征在于包含如下工艺步骤：

①辊身材质化学成分

辊身即指轧辊的工作部分也是离心铸造层，采用含碳量1.2-2.8%，硅含量1.2-2.5%，锰含量0.3-0.8%，磷含量小于0.05%，硫含量小于0.04%，其余合金元素W、Mo、V、Cr、Nb、Ti、Ni、Al分别为2-6%、2-6%、2-7%、3-5%、0.3-1.5%、0.1-0.5%、0-2%、0-4%材质，以保证离心铸造状态及随后的热处理过程中得到含有石墨的高速钢基体；

②模具参数

铁模厚度/外层铁水浇注厚度＞1.25，直径的加工余量25-40mm，长度的加工余量30-50mm，壁厚120-220mm，以确定模具外径；针对不同直径的轧辊，模具的外径和子口形成系列，便于制作及端盖互换；

底箱、冒口箱内径的吃砂量30-120mm，壁厚40-60mm；

端盖、铁模、底箱、冒口箱子针对不同直径轧辊形成系列，便于互换；

端盖样子、底箱样子、冒口样子直径方向加工余量20-40mm，起模斜度为30′-2°；

铁模经涂料、覆膜砂涂覆之后，烘烤至150℃-250℃，放置离心机上转动，准备浇注；

③工作层高速钢水的石墨化处理

经熔炼，达到浇注温度要求和成分要求的工作层金属液，采用Ca-Mg-Re-Si-Ti复合孕育剂，加入量为钢水量的0.15-0.25%，质量比，块度3-12mm，出钢前放置包底；

④芯部球墨铸铁材料的球化处理

球化剂量为铁水量的1.7-2.1%，质量比，块度5-15mm，出铁前放置包底，瞬时孕育量为铁水量的0.10-0.30%，块度1-5mm，浇注时随流加入；

⑤浇注温度

外层浇注温度1460-1520℃，芯部浇注温度1370-1430℃；

⑥离心机转速：300-800转/分；

⑦冷却参数

冷却方式：模内自然冷却；冷却时间18-48小时，模温＜150℃时开箱；

⑧热处理

退火工艺：升温速度，分别在350℃保温2h，650℃范围保温2h，840℃保温3-8h后出炉，冷却至300℃以下立即装入淬火炉内淬火；

淬火工艺：升温速度，分别在350℃保温2h，650-860℃范围保温2h，1000-1050℃保温3-8h后出炉，轧辊转动空冷或喷雾，冷却至300℃以下立即装入炉温为300℃的炉内保温回火；

回火工艺：第一次回火在淬火后立即进行，在第二次回火前冷至80℃以下，升温过程中，当≤350℃  15℃/h，当≤530℃  20℃/h，分别在350℃保温2h，530℃-550℃保温3-8h，然后随炉冷却至200℃以下出炉。

2.根据权利要求1所述的一种离心铸造的易切削高速钢轧辊制造工艺，其特征在于所述离心机转速，参照重力系数确定离心机转速。

3.根据权利要求2所述的一种离心铸造的易切削高速钢轧辊制造工艺，其特征在于：离心机转速计算公式如下:

r——单位：米  工艺中端盖小头半径；

D铸型——辊模跑道直径   单位：毫米；  

D托轮——离心机托轮直径  单位：毫米；

G——重力系数(具体取值见表1)；

N表——仪表显示的离心机转速。

4.根据权利要求1或2所述的一种离心铸造的易切削高速钢轧辊制造工艺，其特征在于所述的Ca-Mg-Re-Si-Ti复合孕育剂，为含钙的孕育剂和稀土孕育剂按照3：7的质量比例混合而成。

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