CN103993220B - 一种亚共晶高铬白口铸铁轧辊及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种亚共晶高铬白口铸铁轧辊及制备方法，其特别之处是，它包括辊套和芯轴，所述辊套由亚共晶高铬白口铸铁的辊身和无缝钢管的衬层构成，所述辊身化学成分的质量分数百分比如下：C2.1-2.4%；Si0.5-0.8%；Mn0.3-0.5%；Cr21-23%；Mo1.2-1.5%；Ni1.5-1.8%；B0.3-0.6%；Ti0.1-0.2；W0.2-0.3%；Nb0.1-0.2%V0.2-0.3%；钇基稀土0.3-0.5%；S≤0.03%，P≤0.03%；余量为Fe。本发明轧辊抗热裂性能好、硬度落差小、韧性好，耐磨性好，轧制量比离心贝氏体复合轧辊提高3-4倍。
Description
技术领域
本发明型涉及一种轧辊及制备方法，特别是亚共晶高铬白口铸铁轧辊及制备方法。
背景技术
轧辊是用于轧钢生产的重要部件，轧辊的质量直接关系到轧机的生产效率和轧制产品的质量。目前在棒材成品、切分机架中，通常使用离心贝氏体轧辊，这种轧辊在长期使用过程中存在以下不足：1、硬度落差大，离心贝氏体轧辊第一次使用与最后一次使用，材料组织发生变化大，硬度耐磨性下降较快，轧制吨位可下降50-70吨；2、抗热疲劳性能差，轧辊长期工作在高温状态下，低的抗热疲劳性能导致轧辊在使用一段时间后，易产生裂纹及表层掉块等现象，严重影响轧件质量；3、离心贝氏体轧辊的韧性低、脆性大，断辊现象时有发生。上述问题导致离心贝氏体轧辊整体使用寿命较短，不能满足高效率轧机生产的要求。针对贝氏体轧辊存在的问题，开发新型的轧辊材料，改进传统的生产工艺，使轧辊满足轧机生产要求，是业内人士关注和研究的重要课题。
发明内容
本发明用于克服已有技术的缺陷，提供一种抗热裂性能好、硬度落差小、韧性好，耐磨性好的亚共晶高铬白口铸铁轧辊及制备方法。
本发明所称问题是以下技术方案解决的：
一种亚共晶高铬白口铸铁轧辊，特别之处是，它包括辊套和芯轴，所述辊套由亚共晶高铬白口铸铁的辊身和无缝钢管的衬层构成，所述辊身化学成分的质量分数百分比如下：C2.1-2.4%；Si0.5-0.8%；Mn0.3-0.5%；Cr21-23%；Mo1.2-1.5%；Ni1.5-1.8%；B0.3-0.6%；Ti0.1-0.2；W0.2-0.3%；Nb0.1-0.2%V0.2-0.3%；钇基稀土0.3-0.5%；S≤0.03%，P≤0.03%；余量为Fe。
上述亚共晶高铬白口铸铁轧辊，所述辊身的物理性能如下：硬度55-62HRC；冲击韧性5-10J/cm2。
上述亚共晶高铬白口铸铁轧辊，所述衬层的无缝钢管材质为45钢，衬层表面去除氧化层并车制出螺旋沟槽。
上述亚共晶高铬白口铸铁轧辊制备方法，它按照如下步骤进行：
a、熔炼辊身铁水：按配比将优质废钢、生铁、铬铁、钨铁、钼铁、镍板混合加热熔化，待铁水熔清加入硅铁和锰铁；温度升温至1500-1520℃，加铝脱氧；依次加入配比量的钒铁、铌铁、钛铁及配比量90%的硼铁，当铁水达到1630℃时出炉；
b、炉前处理：将配比量的钇基稀土、及配比量10%的硼铁、原料总量0.3%的镍镁合金烘烤后，置于包底对铁水进行变质处理；
c、浇注辊身：冷型内喷涂石英粉涂料，涂料厚度2.5-3mm，喷涂温度200-300摄氏度；底箱放在支架上找平，放入钢管，合好箱，铸型内冲入氩气，钢管下端插入烘烤枪烘烤钢管，钢管温度达到800/1000℃时浇注，铁水浇注温度1530-1580℃；
d、辊身粗加工：浇注后保温20-30小时后开箱空冷，冷却后辊身表面粗加工，预留5-8mm余量；
e、辊套热处理：将辊套缓慢升温至1000-1050℃，保温4-6小时，空冷或风冷至400℃入回火窑进行两次回火；回火温度480-550℃，保温时间8-12小时，第二次回火保温结束后压装芯轴，装配完毕后的轧辊入炉随炉冷却至室温；
f、精加工：辊身加工至成品尺寸。
本发明所述轧辊包括亚共晶高铬白口铸铁的辊身和无缝钢管的衬层。本发明的特点之一是提供辊身的化学成分配比，辊身为高铬亚共晶白口铸铁。所述高铬白口亚共晶铸铁辊身通过多种合金元素的优化组合，使其耐磨性、韧性等机械性能得到大大提高，从而大幅度提高了轧制量。特点之二是采用镶铸的方法实现铸铁的辊身和碳钢钢管衬层的牢固复合，避免结合面开裂；特点之三是本发明衬层和辊身都具有良好的韧性，使其二次回火后可以直接热装芯轴而不会产生开裂，从而简化了加工工艺，降低了生产成本；特点之四是通过制定合理的热处理工艺，得到韧性好的板条状马氏体组织，有利于改善轧辊的热疲劳性能，从根本上解决了轧辊的裂纹及掉块问题。经检测，本发明轧辊的所述辊身的物理性能如下：硬度55-62HRC；冲击韧性5-10J/cm2。。本发明轧辊适用于棒材切分和成品机架，通过多个厂家使用证明，轧制量比离心贝氏体复合轧辊提高3-4倍。
附图说明
图1是本发明浇注装置示意图。
图中各标号清单为：1、底箱，2、冷型，3、无缝钢管，4、铁水，5、冒口箱，6、上盖。
具体实施方式
本发明所述轧辊包括辊套和芯轴，辊套由亚共晶高铬白口铸铁的辊身和无缝钢管的衬层构成。辊身含有碳、硅、锰、镍、硼、高铬等多种化学元素，其主要化学元素在的作用分析如下：
1、铬Cr:为得到高硬度且不连续分布的碳化物，又使铸件具有一定淬透性，铬元素含量取21-23％是本发明中的一个重要的改进。铬是高铬铸铁中主要的合金元素。铬除与碳形成碳化物外，尚有部分溶解在奥氏体中，提高淬透性。Cr含量增加，可改善碳化物的分布形式，提高材料硬度、耐磨性。
2、碳C：当碳含量高于共晶点时，会出现粗大的六方体初生碳化物，此时不仅力学性能下降，而且由于粗大碳化物易脆剥落，导致其抗磨性下降。因此，本发明辊身的碳含量应该低于共晶含碳量。C是形成亚共晶白口铸铁的主要元素，C含量可以使铸件显微组织中碳化物量增多，硬度提高，抗磨性好，但是随含碳量增加材料的韧性降低，这对于提高轧辊韧性是不利的，基于上述原因，本发明辊身中含碳量确定为2.1-2.4%。
3、硼B：是强碳化物形成元素，B元素主要进入碳化物中，形成Fe3（C,B）或Fe23（C,B）6，从而提高铸件碳化物的硬度，而且产生硬度较高的化合物，提高白口铸铁件的硬度和耐磨性。将硼加入高铬铸铁中能够在有冲击磨粒磨损的情况下仍有效提高其抗磨性，用廉价的硼部分替代昂贵的钒，从而达到降低成本、提高性能、节约合金的目的。但B元素可使白口铸铁的韧性下降，使铸件裂纹趋势增强，因此本发明辊身中B的添加量控制在0.3-0.6%。
4、镍Ni：Ni不溶入碳化物，全部进入基体细化晶粒。在辊身材料中添加1.5-1.8%的Ni元素，目的在于消除硼元素对髙铬白口铸铁韧性的消减作用，细化铸铁组织，抵消硼元素对高铬铸铁的韧性的影响，降低铸铁裂纹趋势。
5、钼Mo：钼一部分进入碳化物中，另一部分融入奥氏体。在亚共晶高铬铸铁中，基体中含钼量大约为合金总含钼量的10%-25%。基体中的钼能使基体和碳化物的显微硬度提高，使其碳化物细化，有利于铸铁的韧性和总体硬度的提高。经耐磨性研究表明，加入1.0%以上的钼便可使高铬铸铁的耐磨性得到显著提高，但是过量的钼会增加材料裂纹敏感性。基于上述原因，本发明辊身中含钼量确定为1.2-1.5%。
6、钒V：是强碳化物形成元素，由于钒会降低奥氏体中碳的浓度，使Ms点上升，使奥氏体不稳定，将有利于马氏体的形成。极小的VC颗粒均匀的分布在组织中，能够提高力学性能，在结晶时会作为外来核心，明显控制了结晶过程中其晶粒长大和碳化物晶界的移动，从而使组织细化，改善了碳化物的分布，减少粗壮的柱状晶组织。钒可使碳化物球化。铸态时，钒与碳结合既会生成初生碳化物，又会生成二次碳化物，使基体中的碳含量有所降低，提高Ms点，可获得铸态马氏体组织。本发明辊身中含钒量为0.2-0.3%。
7、钨W：钨的化学性质与钼相近，唯一的差别是钼引起组织转变时的温度较低。钨的碳化物硬度较高，作为硬质相提高高铬铸铁的硬度。本发明辊身中含钨量确定为0.2-0.3%。
8、钛Ti：钛对于减少在晶界处沉淀的含硼相的数量和减轻脆性相沿奥氏体晶界的连续分布具有明显的效果。但如果钛过量，含钛化合物数量增多且粗化，会导致高铬铸铁的强度.韧性下降。基于上述原因，本发明辊身中含钛量确定为0.1-0.2%
9、铌Nb：铌加入高铬铸铁中可形成复合的MC型（V.Nb），提高铸铁的耐磨性。铌还可以增加碳化物的数量，细化凝固组织，减少网状碳化物，提高高铬铸铁的热疲劳抗力。本发明辊身中含铌量确定为0.1-0.2%。
此外，为保证辊身的质量，硫和磷的含量都要控制≤0.03%。
以下给出几个本发明辊身化学成分质量分数百分比的实施例：
实施例1：C2.1%；Si0.6%；Mn0.4%；Cr21.4%；Mo1.41%；Ni1.57%；B0.3%；Ti0.15；W0.2%；Nb0.13%V0.26%；钇基稀土0.3%；S0.021%，P0.022%；余量为Fe。
实施例2：C2.2%；Si0.5；Mn0.34%；Cr23%；Mo1.3%；Ni1.66%；B0.5%；Ti0.18；W0.25%；Nb0.2%V0.23%；钇基稀土0.4%；S0.013%，P0.018%；余量为Fe。
实施例3：C2.29%；Si0.71%；Mn0.3%；Cr22.3%；Mo1.2%；Ni1.78%；B0.55%；Ti0.2；W0.23%；Nb0.16%V0.2%；钇基稀土0.35%；S0.14%，P0.015%；余量为Fe。
实施例4：C2.3%；Si0.7%；Mn0.38%；Cr21%；Mo1.34%；Ni1.8%；B0.6%；Ti0.14；W0.3%；Nb0.14%V0.3%；钇基稀土0.5%；S0.024%，P0.017%；余量为Fe。
实施例5：C2.4%；Si0.8%；Mn0.5%；Cr22.8%；Mo1.5%；Ni1.5%；B0.35%；Ti0.1；W0.25%；Nb0.1%V0.27%；钇基稀土0.37%；S0.026%，P0.028%；余量为Fe。
本发明所述轧辊的制备方法如下：
a、熔炼辊身铁水：该步骤按配比将辊身原料优质废钢、生铁、铬铁、钨铁、钼铁、镍板混合加热熔化，待铁水熔清加入硅铁和锰铁；当温度升温至1500-1520℃时加铝脱氧，然后依次加入配比量的钒铁、铌铁、钛铁及配比量90%的硼铁，当铁水达到1630℃时出炉。
b、铁水炉前处理：将配比量的钇基稀土、及配比量10%的硼铁、原料总量0.3%镍镁合金（镍镁合金中含镍80%含镁20%）破碎至粒度3-8mm的小块，烘烤后置于包底，用包内冲入法对铁水进行变质处理。
c、浇注辊身：该步骤采用镶铸，镶铸前先对衬层的45号无缝钢管的表面去除氧化层，并车制出螺旋沟槽，螺旋沟槽的槽深和槽宽均为1毫米。参看图1，镶铸装置由下至上依次为底箱1、冷型2、冒口箱5和上盖6。浇注前在冷型2内喷涂石英粉涂料，涂料厚度2.5-3mm，喷涂温度200-300摄氏度；底箱1放在支架上找平，放入钢管3，合好箱；铸型内冲入氩气，钢管下端插入烘烤枪烘烤钢管，当钢管温度达到800-1000℃时浇注铁水，铁水4浇注在冷型与钢管之间，铁水浇注温度为1530-1580℃。本发明采用镶铸的方法将衬层与辊身复合为一体，可以明显提高辊身与衬层的结合强度，有效避免使用中结合面开裂。
d、粗加工：浇注后保温20-30小时后开箱将辊套空冷，冷却后对辊身表面进行粗加工，预留5-8mm余量；
e、热处理：淬火和二次回火。先将辊套缓慢升温至1000-1050℃，保温4-6小时，空冷或风冷至400℃；然后入回火窑进行两次回火，回火温度480-550℃，保温时间8-12小时，第二次回火保温结束后即可直接压装芯轴，装配完毕后的轧辊入炉随炉冷却至室温。
f、精加工：将辊身加工至成品尺寸。
本发明辊身经热处理后的组织为板条状马氏体，其硬度：60.9HRC、冲击韧性：8.2J/cm2，上述指标均高于离心贝氏体轧辊，轧制量比离心贝氏体复合轧辊的轧制量提高3-4倍。
Claims (4)
1.一种亚共晶高铬白口铸铁轧辊，其特征在于，它包括辊套和芯轴，所述辊套由亚共晶高铬白口铸铁的辊身和无缝钢管的衬层构成，所述辊身化学成分的质量分数百分比如下：C2.1-2.4%；Si0.5-0.8%；Mn0.3-0.5%；Cr21-23%；Mo1.2-1.5%；Ni1.5-1.8%；B0.3-0.6%；Ti0.1-0.2；W0.2-0.3%；Nb0.1-0.2%V0.2-0.3%；钇基稀土0.3-0.5%；S≤0.03%，P≤0.03%；余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的亚共晶高铬白口铸铁轧辊，其特征在于，所述辊身的物理性能如下：硬度55-62HRC；冲击韧性5-10J/cm2。
3.根据权利要求2所述的亚共晶高铬白口铸铁轧辊，其特征在于：所述衬层的无缝钢管材质为45钢，衬层表面去除氧化层并车制出螺旋沟槽。
4.一种制备如权利要求1、2或3所述的亚共晶高铬白口铸铁轧辊方法，其特征在于，它按照如下步骤进行：
a、熔炼辊身铁水：按配比将优质废钢、生铁、铬铁、钨铁、钼铁、镍板混合加热熔化，待铁水熔清加入硅铁和锰铁；温度升温至1500-1520℃，加铝脱氧；依次加入配比量的钒铁、铌铁、钛铁及配比量90%的硼铁，当铁水达到1630℃时出炉；
b、炉前处理：将配比量的钇基稀土、及配比量10%的硼铁、原料总量0.3%的镍镁合金烘烤后，置于包底对铁水进行变质处理；
c、浇注辊身：冷型内喷涂石英粉涂料，涂料厚度2.5-3mm，喷涂温度200-300摄氏度；底箱放在支架上找平，放入钢管，合好箱，铸型内冲入氩气，钢管下端插入烘烤枪烘烤钢管，钢管温度达到800-1000℃时浇注，铁水浇注温度1530-1580℃；
d、辊身粗加工：浇注后保温20-30小时后开箱空冷，冷却后辊身表面粗加工，预留5-8mm余量；
e、辊套热处理：将辊套缓慢升温至1000-1050℃，保温4-6小时，空冷或风冷至400℃；入回火窑进行两次回火，回火温度480-550℃，保温时间8-12小时，第二次回火保温结束后压装芯轴，装配完毕后的轧辊入炉随炉冷却至室温；
f、精加工：辊身加工至成品尺寸。
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