CN104018096B - 高速钢辊环及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高速钢辊环及其制备方法，属于冶金技术领域。高速钢辊环组分(wt％)为C2.2～3.2％，V4.0～6.0％，Cr4.0～4.8％，Mo5.0～5.5％，Ni0.5～1.5％，W6～10％，Nb1.5～3.5％，Ti1.0～1.5％，Al0.6～1.0％，B0.15～0.2％，Mg0.7～1.2％，Ce0.05～0.15％，Re0.035～0.05％，Ta0.035～0.05％，Na0.05～0.2％，K0.05～0.2％，Si0.3～0.5％，Mn0.3～0.5％，S≤0.035％，P≤0.035％，Fe余量，经过熔炼、铸造、退火等，制备出有强度、硬性、耐磨性和耐冲击性的高速钢辊环。

Description

高速钢辊环及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，其制备材料应用于高速钢辊环。

背景技术

辊环是热轧线材生产的关键工具，必须能够承受相当强烈的力与热的作用。除了要有良好的抗断裂性能外，表面还应具有良好的耐磨、耐热性能。辊环是轧钢生产中的主要消耗备件，其性能好坏直接影响轧材的表面质量和轧材成本，在冶金工业中占有重要地位。因此对辊环材质和生产工艺的研究，已成为国内外冶金生产厂家共同关注的问题。为适应轧钢生产需要，各种强度高、耐磨性好的辊环相继问世。为满足国内对高性能辊环的需求，开展了高速钢辊环的研究。

发明内容

本发明在高速钢辊环化学组成成分设计中，通过添加新型变质剂，采用电炉熔炼和数控离心铸造方法，再依次经过退火、粗加工、人工时效处理、精加工，最后制备出具有强度、硬性、耐磨性和耐冲击性较好的高速钢辊环。

本发明给出的技术方案为：

一种高速钢辊环，其特征在于，其化学组成成分(wt％)如下表所示

上述高速钢辊环的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、二次冶炼：

1)、将普通废钢、增碳剂、生铁、铬铁、钨铁、钼铁、钒铁、铌铁、钛铁和镍板作为初始原料按上述表格成分设定要求混合放入炉中加热熔化；

2)、将钢水温度升至1530℃～1580℃，向炉内加原料铝(Al)进行脱氧和合金化；

3)将原料硼铁加入炉内；

4)、将含钠、钾变质剂和原料铈(Ce)、钽(Ta)、铼(Re)基稀土镁合金破碎至粒度粒度小于15mm的小块，经200℃以下烘干后也加入炉内，对钢水进行复合变质处理；熔炼后熔融状态下所有元素组分含量稳定于如上述表格所示的含量范围，经炉前调整成分合格后出炉；

二、高速钢辊环用离心铸造方法成型：钢水浇注温度1450℃～1500℃，钢水浇注速度2.5Kg/s～8.0Kg/s，在钢水进入铸型时，立即用自来水冷却铸型，浇注1h～2h后开箱空冷辊环；

三、将辊环入炉进行退火处理：退火处理工艺是辊环随炉加热至930℃～950℃，保温3h～6h后炉冷至650℃～680℃，然后空冷至室温；

四、对辊环进行粗加工；

五、淬火处理：淬火处理工艺是辊环随炉进行1200℃真空淬火，保温2h～4h，再

进行-80℃深冷处理；

六、淬火后进行回火处理及人工时效：回火处理工艺是辊环随炉加热至530℃～580℃，保温3h～8h，然后进行人工时效，相同工艺下回火四次；

七、精加工：回火处理后进行精加工，得到尺寸精度和表面光洁度符合要求的辊环。

上述辊环性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，其中：

所述2.2％～3.2％的C：C是形成耐磨相碳化物的基本元素，C太少导致碳化物太少，影响耐磨性；但C量过多会增大材料的脆性。辊环工作时与温度高达1200℃的轧件相接触，辊环表面最高温度可达600℃，且接着又受高压水的冷却，因此若C含量过高，增大了辊环表面出现龟裂的危险，最终将导致辊环的破裂。

所述6％～10％的W：W在高速钢中主要以Fe₄W₂C形式存在，淬火加热时，一部分Fe₄W₂C溶入奥氏体，淬火后存在于马氏体中。W原子与C原子结合力较强，能提高回火马氏体的分解温度，W原子半径大，能提高铁的自扩散激活能，提高钢的回火温度，使高速钢中马氏体加热到600℃～625℃时还很稳定。回火过程中有一部分W以W₂C的形式弥散析出，造成二次硬化。淬火加热过程中未溶解的Fe₄W₂C能阻止高温下奥氏体晶粒长大。W含量增加，可以提高高速钢红硬性及减少热过敏性，但W含量太高会增加碳化物的不均匀性，增大钢的脆性。

所述5％～5.5％的Mo：Mo对高速钢的影响与W相近，它同样是促进二次硬化的主要元素，Mo的原子量约为W的1/2，加入1％Mo对高速钢的影响程度相当于加入2％W。高速钢中加Mo使钢的包晶反应温度降低，反应剩下的液相减少，在更低的温度下形成的莱氏体较细小，而且莱氏体的形态也发生了变化，可改善W系高速钢的致命的冶金缺陷——一次碳化物的不均匀性，降低了脆性，同时回火固溶的Mo可以阻止碳化物沿晶界析出，使高速钢强度和韧性提高。此外，含Mo量超过3％～4％的高速钢中的残余奥氏体的热稳定性比W系高速钢中的要低，一次回火可以完全转变，两次回火完全消除含M0高速钢中的应力。但Mo增大高速钢的脱碳敏感性，对高速钢的晶粒变粗也有较高的敏感性。

所述4％～6％的V：V在高速钢中除了净化钢液，减少夹杂物和气体含量外，主要形成稳定碳化物，溶解在固溶体中的VC可提高钢的二次硬化能力，保留的VC显微硬度达HV2800，可提高钢的耐磨性，且它的分布是孤立块状，对基体割裂小，有利于提高钢的韧性，故V是高速钢中不可缺少的元素。但V含量过高增加钢液的氧化性，并且含V含量过高，由于沿晶界易出现龟裂，基体易优先磨损，轧材粘附于辊面，辊表面易粗糙，降低轧材表面质量，反而加快了辊环更换周期。4％～4.8％的Cr：Cr在高速钢中部分存在于M₆C型碳化物中，也能够形成M₂₃C₆型碳化物，还有40％左右存在于基体中。含Cr的M₂₃C₆型碳化物在较低的淬火温度时便完全溶解，Cr同样能促使M₆C型碳化物更好地溶解在奥氏体中，使高速钢产生较高的淬硬性和淬透能力。Cr含量过高，多余的Cr参与回火时沉淀析出的碳化物的形成，这种含Cr碳化物在较低温度时容易析出，降低了钢的热稳定性。0.6％～1％的Al：Al主要固溶于基体，明显提高高速钢辊环的红硬性和高温耐磨性。Al还降低M2C共晶碳化物的分解温度，使共晶碳化物在高温加热时易于分解和粒化，有利于提高高速钢的韧性。但Al增加高速钢的脱碳敏感性加入量过多，易出现氧化夹杂。

所述1.5％～3.5％的Nb：Nb是强碳化物形成元素，加入高速钢中易形成高硬度的NbC颗粒，有利于提高高速钢辊环的耐磨性。NbC粉末可以成为奥氏体的结晶核心，促进高速钢辊环凝固组织的细化，有利于提高辊环的强韧性和耐磨性。

所述0.5％～1.5％Ni：Ni是非碳化物形成元素，主要固溶于基体，提高基体强韧性，使基体对碳化物提供良好的支撑，防止高温磨损时碳化物的剥落，有利于改善高速钢辊环的耐磨性。但是Ni含量过高，淬火组织中残留奥氏体增多，导致辊环回火次数增加。

所述1％～1.5％Ti：Ti能细化高速钢晶粒，提高其强度、韧性和耐磨性，但降低高速钢红硬性。随着Ti加入量的增加，高速钢凝固组织中莱氏体量减少，块状碳化物量增加。当Ti含量达到1％以上时，可基本消除高速钢中的网状共晶莱氏体，碳化物呈块状弥散分布。但是过量地加入Ti将使高速钢中碳化物量增加，基体中碳量降低，使高速钢的红硬性和切削性能下降。

所述0.15％～0.2％B：B加入高速钢辊环中有两方面的作用，其一是固溶于基体，提高基体淬透性和淬硬性；其二是固溶于碳化物，提高碳化物的硬度和高温稳定性，有利于高速钢辊环使用寿命的增加。但是B含量过高，辊环脆性加大。0.3％～0.5％Si、0.3％～0.5％Mn：钢水中加入Si、Mn主要起脱氧作用。Mn含量过高，高速钢辊环淬火组织中奥氏体增多，硬度下降，导致耐磨性降低。而Si含量过高，高速钢辊环使用中易出现龟裂。

所述S、P：不可避免的微量杂质是原料中带入的，其中有S和P均是有害元素.为了确保高速钢辊环的强度、韧性和耐磨性，将S和P含量各自都控制在0.035％以下。

所述0.12％～0.25％稀土元素RE，具体包括Ce、Re、Ta，其中：

Ce是钢铁合金中的强成分过冷元素，在凝固过程中通过溶质再分配而富集在初生奥氏体生长前沿的熔体中，造成成分过冷，使奥氏体枝晶细化。由于奥氏体枝晶的细化，在凝固后期，在奥氏体枝晶间由于偏析而形成的共晶钢液熔池变小，从而使共晶碳化物也得到细化，提高高速钢的强韧性；

Re可以净化晶界，细化晶粒，提高高速钢辊环的综合性能；

Ta还作为固溶强化剂，在提高高速钢辊环强度和韧性的同时，提高其高温抗氧化腐蚀性，使得红硬性得到改善。

本发明技术方案与现有技术相比具有显著有益效果，体现在：

1、本发明高速钢辊环的W当量(W当量＝W百分含量+2xMo百分含量)约为16％，达到高速工具钢W当量大于15％的成分配比。其国际市场高速钢辊环材质(德国，韩国)W当量基本在15％，而国内高速钢辊环材质W当量低于15％，仅相当于模具钢。故本发明高碳高钨高速钢辊环具有很好的红硬性及耐磨性，辊环经热处理后硬度高，辊面硬度均匀性好，耐磨性好，其中硬度达到65～70HRC，辊面硬度差小于1.5HRC。

2、本发明高速钢辊环中加入适量的RE-Mg-Ti变质剂，经过变质处理后的金相组织中，出现了大量的断网状、树枝状、团状和球状碳化物，使得高速钢辊环的抗拉强度和断裂韧性提高，冲击韧性大幅度提高，抗拉强度达到950Mpa～1100Mpa，冲击韧性达到15J/cm²～18J/cm²，断裂韧性达到70MPa·m^1/2～80MPa·m^1/2。

3、本发明高速钢辊环中加入适量的K、Na元素，有利于共晶领先相碳化物的形成，使晶核数增加。此外，K、Na是表面活性元素，阻碍铁水中的Fe、Cr、C等原子长入共晶碳化物晶体。并且K、Na还易促进碳化物的孪晶形成，导致碳化物形态的团块化，提高了辊环的综合性能。

4、本发明高速钢辊环成份无偏析，基体材质均匀、组织稳定，硬度均匀、衰减小，红硬性、耐磨性、耐冲击性极好，使用中无裂纹、无掉块，槽面磨损均匀光滑等性能特点。

5、本发明高速钢辊环具有良好的使用效果。在高速线材轧机预精轧机上：轧普线钢6000～6500t/单槽，修磨量0.4～0.6mm/单边；轧硬线钢4000～4500t/单槽，修磨量0.5～0.7mm/单边。在高线精轧机架上：轧普线钢1500～2000t/单槽，修磨量0.5～0.7mm/单边；轧硬线钢950～1000t/单槽，修磨量0.6～0.gmm/单边。

附图说明

图1为本发明制备的工艺流程示意图。

图2实施例1金相组织光学显微镜下放大100倍后的照片图。

图3实施例1金相组织光学显微镜下放大500倍后的照片图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。各实施例初始矿产品原料均为市售。实施例中，“[010]、[001]、[100]”，皆表示为晶体的晶格方向，本领域公知的表示方式。

实施例1

如图1所示，本实施例采用中频感应电炉进行二次冶炼、数控离心铸造及相应热处理的方法，具体的制造工艺步骤是：

步骤1、将普通废钢、增碳剂、生铁、铬铁、钨铁、钼铁、钒铁、铌铁、钛铁和镍板按表1成分要求取相应的原料，将各原料混合放入炉中加热熔化；

步骤2、将钢水温度升至1550℃，向炉内加原料铝(Al)进行脱氧和合金化；

步骤3、将原料硼铁加入炉内；

步骤4、将含钠、钾变质剂和原料铈(Ce)、钽(Ta)、铼(Re)基稀土镁合金破碎至粒度小于15mm的小块，经180℃烘干后也加入炉内对钢水进行复合变质处理；熔炼后熔融状态下所有元素组分含量稳定于如表格1所示的含量范围，经炉前调整成分合格后出炉；

步骤5、高速钢辊环用离心铸造方法成型：钢水浇注温度1470℃，钢水浇注速度4.0Kg/s，在钢水进入铸型时，立即用自来水冷却铸型，浇注1.4h后开箱空冷辊环。

步骤6、将辊环入炉进行退火处理，其中退火处理工艺是辊环随炉加热至940℃，保温4h后炉冷至660℃，然后空冷至室温；

步骤7、退火处理后，对辊环进行粗加工；

步骤8、辊环粗加工后进行淬火处理，淬火处理工艺是辊环随炉进行1200℃真空淬火，保温3h后进行-80℃深冷处理；

步骤9、淬火后进行回火处理，回火处理工艺是辊环随炉加热至550℃，保温4h，然后进行人工时效，相同工艺下回火四次；

步骤10、回火处理后进行精加工，得到尺寸精度和表面光洁度符合要求的辊环，该最终辊环产品成分见表1。辊环性能是由金相组织决定的，辊环性能见表2，产品高速钢辊环成份无偏析，基体材质均匀、组织稳定，硬度均匀、衰减小，红硬性、耐磨性、耐冲击性极好，使用中无裂纹、无掉块，槽面磨损均匀光滑等性能特点。高速钢辊环实际应用具有良好的使用效果。在高速线材轧机预精轧机上：轧普线钢6000～6500t/单槽，修磨量0.4～0.6mm/单边；轧硬线钢4000～4500t/单槽，修磨量0.5～0.7mm/单边。在高线精轧机架上：轧普线钢1500～2000t/单槽，修磨量0.5～0.7mm/单边；轧硬线钢950～1000t/单槽，修磨量0.6～0.8mm/单边。

由于本实施例高速钢辊环在上述制备工艺过程中加入适量的RE-Mg-Ti变质剂，经过变质处理后，高速钢的铸态共晶碳化物发生了明显变化，由网状分布变成断网状、树枝状、团块状甚至球状分布(金相如图2、图3所示组织：黑色树枝状+网状碳化物+条状碳化物+小颗粒状碳化物)。在高速钢凝固过程中，由于C及碳化物形成元素W、Mo、Cr、V等的偏析，在高速钢晶界上形成大量粗大的连续网状共晶碳化物。网状共晶碳化物严重割裂基体，同时又是高速钢断裂时的裂纹源和裂纹扩展的途径，使得高速钢晶界脆化严重，韧性低。而经过变质处理后，由于Ce、Re、Ta稀土元素的作用，使得钢液中S、O含量变小，同时增加共晶凝固的过冷度，使共晶组织细化。并且还可以细化奥氏体枝晶，促进孤立块状MC型碳化物大量形成，使共晶碳化物的形态和分布得到改善，MC的增加又将促进层片状M₂C的形成，抑制鱼骨状M₆C的形成。

本发明创造性得在变质剂中考虑加入适量Ta，可增加高速钢辊环的抗氧化性，同时提高辊环的力学性能。同时结合加入适量的Ti、Ce，使其组织细化，特别是使共晶碳化物团球化，如此有利于提高高速钢综合力学性能，并大幅度提高热疲劳性能，最终将导致高速钢辊环使用寿命提高。

又由于体系中加入了变质剂K、Na，K、Na变质剂加入铁水后，初晶结晶温度和共晶结晶温度会下降。这说明K、Na变质处理后的铁水在液相线和共晶区已过冷，有利于共晶领先相碳化物的形成，使晶核数增加。另外，K、Na是表面活性元素，共晶结晶时选择性地吸附在共晶碳化物择优生长方向的表面上，形成吸附薄膜，阻碍铁水中的Fe、Cr、C等原子长入共晶碳化物晶体，降低了共晶碳化物[010]择优方向的长大速度，导致[010]方向长大减慢，而[001]、[100]方向长大速度增大，形成不规则团块状碳化。K、Na还易促进碳化物的孪晶形成，导致碳化物形态的团块化。

第三方面，体系中加入的V、Ti、Nb等强碳化物形成元素，可以在高速钢凝固过程中形成大量弥散的一次块状碳化物，替代部分网状共晶碳化物，使碳化物的形貌和分布得到改善。

第四方面，RE、Mg在高速钢辊环中还有细化枝晶的作用，由于奥氏体枝晶的细化，在凝固后期，在奥氏体枝晶间由于偏析而形成的共晶钢液熔池变小，从而使共晶碳化物得到细化。TiC的熔点很高，高温下即可形成。在高速钢凝固过程中，Ti和钢液中C反应，生成大量弥散的TiC质点，TiC和奥氏体以及MC碳化物均为面心立方晶格，且晶格常数相近，晶格错配度很小，TiC可以作为奥氏体和MC型的异质核心，细化奥氏体枝晶，促进孤立块状MC型碳化物大量形成，使共晶碳化物的形态和分布得到改善，MC的增加又将促进层片状M₂C的形成，抑制鱼骨状M₆C的形成。

实施例2

如图1所示，本实施例采用中频感应电炉进行二次冶炼、数控离心铸造及相应热处理的方法，具体的制造工艺步骤是：

步骤1、将普通废钢、增碳剂、生铁、铬铁、钨铁、钼铁、钒铁、铌铁、钛铁和镍板按表1成分要求取相应的原料，将各原料混合放入炉中加热熔化；

步骤2、将钢水温度升至1570℃，向炉内加原料铝(Al)进行脱氧和合金化；

步骤3、将原料硼铁加入炉内；

步骤4、将含钠、钾变质剂和原料铈(Ce)、钽(Ta)、铼(Re)基稀土镁合金破碎至粒度小于15mm的小块，经180℃烘干后也加入炉内对钢水进行复合变质处理；熔炼后熔融状态下所有元素组分含量稳定于如表格1所示的含量范围，经炉前调整成分合格后出炉；

步骤5、高速钢辊环用离心铸造方法成型，钢水浇注温度1490℃，钢水浇注速度6.0Kg/s，在钢水进入铸型时，立即用自来水冷却铸型，浇注1.6h后开箱空冷辊环；

步骤6、将辊环入炉进行退火处理，其中退火处理工艺是辊环随炉加热至940℃，保温5h后炉冷至670℃，然后空冷至室温；

步骤7、退火处理后，对辊环进行粗加工；

步骤8、辊环粗加工后进行淬火处理，淬火处理工艺是辊环随炉进行1200℃真空淬火，保温3.5h后进行-80℃深冷处理；

步骤9、淬火后进行回火处理，回火处理工艺是辊环随炉加热至570℃，保温5h，然后进行人工时效，相同工艺下回火四次；

步骤10、回火处理后进行精加工，得到尺寸精度和表面光洁度符合要求的辊环。辊环成分见表1，辊环性能见表2。

表1辊环成分

表2辊环性能

Claims (2)

1.一种高速钢辊环，其特征在于，其化学组成成分(wt％)如下表所示

C：2.2～3.2；V：4.0～6.0；Cr：4.0～4.8；Mo：5.0～5.5；Ni：0.5～1.5；W：6～10；Nb：1.5～3.5；Ti：1.0～1.5；Al：0.6～1.0；B：0.15～0.2；Mg：0.7～1.2；Ce：0.05～0.15；Re：0.035～0.05；Ta：0.035～0.05；Na：0.05～0.2；K：0.05～0.2；Si：0.3～0.5；Mn：0.3～0.5；S：≤0.035；P：≤0.035；Fe：余量。

2.一种获得权利要求1所述高速钢辊环的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、二次冶炼：

1)、将普通废钢、增碳剂、生铁、铬铁、钨铁、钼铁、钒铁、铌铁、钛铁和镍板作为初始原料按成分设定要求混合放入炉中加热熔化；

2)、将钢水温度升至1530℃～1580℃，向炉内加原料铝(A1)进行脱氧和合金化；

3)将原料硼铁加入炉内；

4)、将含钠、钾变质剂和原料铈(Ce)、钽(Ta)、铼(Re)稀土镁合金破碎至粒度小于15mm的小块，经200℃以下烘干后也加入炉内，对钢水进行复合变质处理；熔炼后熔融状态下所有元素组分含量稳定于如上述权利要求1所示的含量范围，经炉前调整成分合格后出炉；

二、高速钢辊环用离心铸造方法成型：钢水浇注温度1450℃～1500℃，钢水浇注速度2.5Kg/s～8.0Kg/s，在钢水进入铸型时，立即用自来水冷却铸型，浇注1h～2h后开箱空冷辊环；

三、将辊环入炉进行退火处理：退火处理工艺是辊环随炉加热至930℃～950℃，保温3h～6h后炉冷至650℃～680℃，然后空冷至室温；

四、对辊环进行粗加工；

五、淬火处理：淬火处理工艺是辊环随炉进行1200℃真空淬火，保温2h～4h，再进行-80℃深冷处理；

六、淬火后进行回火处理及人工时效：回火处理工艺是辊环随炉加热至530℃～580℃，保温3h～8h，然后进行人工时效，相同工艺下回火四次；

七、精加工：回火处理后进行精加工，得到尺寸精度和表面光洁度符合要求的辊环。