CN104532165B - 一种改良型冷轧辊 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改良型冷轧辊，属于轧辊制备技术领域。本发明在常规添加Cr、Mn、Ni的基础上，从提高轧辊显微硬度，细化轧辊晶粒以达到轧辊组织细化的角度出发，进一步增加了N、Al、Zr等元素。本发明的制备步骤为：一、按化学元素组分配比进行熔炼，铸出轧辊铸坯；二、对轧辊进行退火处理；三、一次加热至950~1020℃，并在冷却装置中控制轧辊旋转，冷却至温度低于400℃；四、二次加热至温度为700~750℃，边加热边喷水进行淬火冷却；五、在冷却过程中测量辊面温度，当辊面温度低于200℃时，停止冷却。本发明增加了冷轧辊的组织均匀性、硬度落差小，耐磨性更好、抗剥落能力更强。
Description
技术领域
本发明涉及轧辊制备技术领域，更具体地说，涉及一种改良型冷轧辊。
背景技术
现代冶金工业生产是集采矿、选矿、烧结、炼铁、炼钢和轧钢为一体的系统工程，轧钢是这一系统工程的最后一个环节，绝大多数冶金产品要经过轧制过程才能进入市场。而轧辊又是轧制过程中最重要的生产工具，轧辊的质量好坏直接影响着冶金产品的产量和质量，一个国家的轧辊制造技术的高低直接反映了该国冶金工业水平的高低。
冷轧辊是金属冷轧设备上的必备部件，作为一种使金属产生塑性变形的工具，其工作条件非常复杂，在工作过程中会受到如弯曲、扭转、剪切、冲击、摩擦和热应力等各种周期性应力的交互作用。因此，若想提高冷轧辊的使用效果和使用寿命，就要求冷轧辊的组织更加均匀、硬度落差小，耐磨性更好、抗剥落能力更强。
经检索，中国专利号ZL200910197482.3，授权公告日为2014年4月3日，发明创造名称为：一种用于锻造成形冷轧辊的高硬度钢，该申请案公开了一种用于锻造成形冷轧辊的高硬度钢，其化学元素质量百分比组成为：C 0.80 ～ 1.0 ％，Si 0.50 ～ 1.0 ％，Mn0.80 ～1.5 ％，Cr 4.0 ～ 6.0 ％，Ni 0.1 ～ 0.4 ％，P ≤ 0.020％，S ≤ 0.015％，Mo0.20 ～ 0.60％，V 0.10 ～ 0.50％，Zr 0.10 ～ 0.20％，Be 0.10 ～0.40％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。该申请案添加了Be 元素和Zr 元素，通过这两种元素的固溶强化作用和细晶强化作用，获得了高硬度冷轧辊用钢，但该申请案制造成本较高，不具有普遍适用性。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种可提高产品质量、保证生产安全性和降低成本的改良型冷轧辊及制备方法。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种改良型冷轧辊，包括如下质量百分比的化学元素：C 1.8~2.3%；Si0.8~1.8%；Mn 0.3~0.5%；P ≤0.08%；S ≤0.05%；Cr 6.0~8.0%；Ni 0.1~0.2%；N ≤0.25%；Al0.01~0.2%；Zr 0.05~0.1%。
更进一步地，还包括如下质量百分比的化学元素：Mo 0.2~0.3%；Cu 0.12~0.24%。
更进一步地，还包括如下质量百分比的化学元素：Nb 0.08~0.22%；V 0.2~0.6%；Ti0.05~0.2%；余量为Fe和不可避免的杂质。
更进一步地，Mn/ Zr＞3，且0.35%≤Cu+ Mo≤0.45%，6.2%≤Al + N+ Cr≤8.2%
更进一步地，其化学元素质量百分比组成如下：C 2.0%；Si 1.4%；Mn 0.4%；P0.08%；S 0.05%；Cr 7.0%；Ni 0.15%；Mo 0.25%；Nb 0.16%；V 0.4%；N 0.25%；Al 0.05%；Zr0.1%；Cu 0.12%；Ti 0.15%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明的一种改良型冷轧辊的制备方法，其步骤为：
步骤一、按化学元素组分配比进行熔炼，铸出轧辊铸坯，所述的化学元素质量百分比组成如下：C 1.8~2.3%；Si 0.8~1.8%；Mn 0.3~0.5%；P ≤0.08%；S ≤0.05%；Cr 6.0~8.0%；Ni 0.1~0.2%；Mo 0.2~0.3%；Nb 0.08~0.22%；V 0.2~0.6%；N ≤0.25%；Al 0.01~0.2%；Zr 0.05~0.1%；Cu 0.12~0.24%；Ti 0.05~0.2%，余量为Fe和不可避免的杂质；其中，Mn/ Zr＞3，且0.35%≤Cu+ Mo≤0.45%，6.2%≤Al + N+ Cr≤8.2%；
步骤二、对轧辊进行退火处理，具体退火处理工艺为：将轧辊加热至900~920℃保温2~4h，炉冷至750~780℃，保温4~6h，再炉冷至550℃以下出炉空冷，然后对轧辊进行粗加工；
步骤三、对轧辊进行快速加热，加热至950~1020℃，并在冷却装置中控制轧辊旋转，同时在轧辊辊颈表面涂覆纳米陶瓷涂层，冷却至温度低于400℃；
步骤四、进行第二次加热，至温度为700~750℃，边加热边喷水进行淬火冷却；
步骤五、在冷却过程中测量辊面温度，当辊面温度低于200℃时，停止冷却，自然空冷后精加工至规定尺寸。
更进一步地，其化学元素质量百分比组成如下：C 2.0%；Si 1.4%；Mn 0.4%；P0.08%；S 0.05%；Cr 7.0%；Ni 0.15%；Mo 0.25%；Nb 0.16%；V 0.4%；N 0.25%；Al 0.05%；Zr0.1%；Cu 0.12%；Ti 0.15%，余量为Fe和不可避免的杂质。
更进一步地，步骤三中轧辊旋转速度与轧辊直径之间满足：
N=K/D
其中，N为轧辊的旋转速度，r/min；D为轧辊直径，mm；K为直径系数，当轧辊直径小于等于450mm时，K取11000mm.r/min，当轧辊直径大于450mm时，K取9000 mm.r/min。
更进一步地，步骤三中纳米陶瓷涂层的厚度为2~5mm，导热系数小于0.07W/m.k。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
（1）本发明的一种改良型冷轧辊，通过对轧辊化学成分配比及制备工艺的改进，达到了轧辊内部晶粒细化的目的，进而增加了冷轧辊的组织均匀性、硬度落差小，耐磨性更好、抗剥落能力更强；
（2）本发明的一种改良型冷轧辊，制备工艺简便、能耗低生产周期短，制备得到的轧辊使用安全系数高，便于推广应用。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
本发明的一种改良型冷轧辊，化学元素质量百分比组成如下：C 1.8~2.3%；Si 0.8~1.8%；Mn 0.3~0.5%；P ≤0.08%；S ≤0.05%；Cr 6.0~8.0%；Ni 0.1~0.2%；Mo 0.2~0.3%；Nb0.08~0.22%；V 0.2~0.6%；N ≤0.25%；Al 0.01~0.2%；Zr 0.05~0.1%；Cu 0.12~0.24%；Ti0.05~0.2%，余量为Fe和不可避免的杂质；其中，Mn/ Zr＞3，且0.35%≤Cu+ Mo≤0.45%，6.2%≤Al + N+ Cr≤8.2%。
本发明轧辊组分的优化设计思想如下：本发明在常规添加Cr、Mn、Ni的基础上，从提高轧辊显微硬度，细化轧辊晶粒以达到轧辊组织细化，提高轧辊质量的角度出发，进一步增加了N、Al、Zr等其他元素。其中，轧辊组分原料中加入N，通过冶炼其易于Al、V和Cr等形成氮化物，以小颗粒形态均匀分布于组织中，在结晶过程中，作为外来结晶的核心，抑制晶粒长大和碳化物在晶界移动，从而细化铸态组织，改善碳化物的分布，因而可提高轧辊硬度及抗蚀能力；Al的加入，细化了晶粒，尤其与氮生成的氮化铝能成为轧辊中的高硬质点，使轧辊的硬度提高；硬度的提高及晶粒的细化有利于耐磨性的提高，同时，晶粒的细化能提高晶粒界面间的结合能，从而提高轧辊的抗剥落性能。通过多次试验，本发明最终确定Al 0.01~0.2%，N ≤0.25%，且6.2%≤Al + N+ Cr≤8.2%时能够达到最佳的晶粒细化效果，又不至产生原料的浪费。
本发明考虑到Ni、Mo、Nb 的价格昂贵，在可行的情况下少用或不用是降低冷轧辊生产成本的重要手段，而Mo元素的作用是提高轧辊的硬度及耐磨性，Mn、Cu 均有较强降低Ms 点的作用，将Mo与Cu、Mn联合作用时，对提高轧辊淬透性、硬度、耐磨性效果更好。因此，本发明加入了Cu元素，且从最大程度节约成本的角度考虑，限制0.35%≤Cu+ Mo≤0.45%，最佳时2＜Cu/Mo＜2.5。
细晶强化作用是通过添加微合金化元素Zr 实现的，因为Zr 是碳化物形成元素，在炼钢过程中又是强有力的脱氧和脱氮元素，其能细化钢的奥氏体晶粒，还能和S 化合成硫化锆，防止钢的热脆性。但过多的Zr 不易充分溶入到奥氏体中，会使Zr 不仅不能增加钢的淬透性，反而会因固定了部分的碳，致使钢的淬透性降低，又由于Mn含量过高有使钢晶粒粗化的倾向，固本发明控制Zr 0.05~0.1%，Mn 0.3~0.5%且Mn/ Zr＞3。
Ti 是强碳化物形成元素，当熔体中Ti 和C 的浓度满足一定条件时能形成稳定的TiC 晶核；加入N后，生成的高熔点的碳氮化物可提高材料的热性能。因此，本发明加入了Ti0.05~0.2%。
实施例1
本实施例的改良型冷轧辊成分较好为C 2.0%；Si 1.4%；Mn 0.4%；P 0.08%；S0.05%；Cr 7.0%；Ni 0.15%；Mo 0.25%；Nb 0.16%；V 0.4%；N 0.25%；Al 0.05%；Zr 0.1%；Cu0.12%；Ti 0.15%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明的改良型冷轧辊的制备步骤为：
步骤一、按上述化学元素组分配比进行熔炼，铸出轧辊铸坯。
步骤二、对轧辊进行退火处理，具体退火处理工艺为：将轧辊加热至910℃保温3h，炉冷至765℃，保温5h，再炉冷至550℃以下出炉空冷，然后对轧辊进行粗加工。本实施例首先对轧辊进行退火处理，并控制加热温度在900~920℃之间，其目的在于改善轧辊加工性能，提高粗加工轧辊的效率。
步骤三、对轧辊进行快速加热，加热至985℃，并在冷却装置中控制轧辊旋转，轧辊旋转速度与轧辊直径之间满足：
N=K/D
其中，N为轧辊的旋转速度，r/min；D为轧辊直径，mm；K为直径系数，当轧辊直径小于等于450mm时，K取11000mm.r/min，当轧辊直径大于450mm时，K取9000 mm.r/min。本实施例在轧辊冷却过程中控制轧辊旋转并限定不同轧辊直径对应的旋转速度，有利于不同直径的轧辊辊面冷却均匀，进而可以提高辊面硬度的均匀性。此外，本实施例在轧辊旋转冷却的同时在轧辊辊颈表面涂覆纳米陶瓷涂层，且辊颈置于冷却装置以外，本实施例在轧辊辊颈上涂覆纳米陶瓷涂层主要是考虑到在轧辊冷却过程中，不仅辊面快速冷却，轧辊辊颈也同样快速冷却，辊颈基体组织中易出现高硬度的马氏体，使辊颈硬度明显提高，韧性下降，导致轧辊使用过程中易出现断裂事故，给生产带来安全隐患，同时增加生产成本。涂覆纳米陶瓷涂层可确保辊颈冷却缓慢，有利于提高辊颈强韧性，防止辊颈使用中出现断裂事故。发明人通过长期的生产实践确定涂覆纳米陶瓷涂层的厚度在2~5mm范围内较适宜，在该范围内能够确保纳米陶瓷涂层不起皮、不开裂，超过5mm则容易出现起皮、开裂、剥落现象，小于2mm则辊面冷却快，硬度高，均不能达到预期效果，具体到本实施例设置涂覆纳米陶瓷涂层的厚度为4mm，该厚度下纳米陶瓷涂层的导热系数为0.06 W/m.k，能够保证轧辊辊颈缓慢冷却，提高辊颈强韧性。
步骤四、在步骤三冷却至温度低于400℃后，进行第二次加热，至温度为725℃，边加热边喷水进行淬火冷却。且在冷却过程中测量辊面温度，当辊面温度低于200℃时，停止冷却，自然空冷后精加工至规定尺寸。
值得说明的是，本实施例为了提高轧辊的组织均匀性、耐磨性，不仅在轧辊的化学成分配比上进行了优化，使轧辊内部晶粒细化、晶界增多。同时，考虑到晶粒度级别与加热速度有很大关系，加热速度越快，形核率越高，晶粒越细。本实施例采用了两次加热工艺，且第一次采用快速加热的方式，其加热速度平均比正常加热速度高1~2℃/min，第二次加热则采用常规的淬火加热速度，通过二次加热，轧辊的形核率较高，且由于加热时间相对缩短，晶粒来不及长大，达到了细化晶粒的目的。
实施例2
本实施例的一种改良型冷轧辊，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例中冷轧辊的化学元素质量百分比组成如下：C 1.8%；Si 1.8%；Mn 0.3%；P 0.07%；S 0.04%；Cr6.0%；Ni 0.2%；Mo 0.2%；Nb 0.22%；V 0.2%；N 0.20%；Al 0.01%；Zr 0.05%；Cu 0.24%；Ti0.05%，余量为Fe和不可避免的杂质。其制备过程为：
步骤一、按化学元素组分配比进行熔炼，铸出轧辊铸坯；
步骤二、对轧辊进行退火处理，具体退火处理工艺为：将轧辊加热至900℃保温2h，炉冷至750℃，保温6h，再炉冷至550℃以下出炉空冷，然后对轧辊进行粗加工；
步骤三、对轧辊进行快速加热，加热至950℃，并在冷却装置中控制轧辊旋转，同时在轧辊辊颈表面涂覆纳米陶瓷涂层，纳米陶瓷涂层的厚度为2mm，导热系数为0.07W/m.k；
步骤四、进行第二次加热，至温度为700℃，边加热边喷水进行淬火冷却；
步骤五、在冷却过程中测量辊面温度，当辊面温度低于200℃时，停止冷却，自然空冷后精加工至规定尺寸。
实施例3
本实施例的一种改良型冷轧辊，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例中冷轧辊的化学元素质量百分比组成如下：C 2.3%；Si 0.8%；Mn 0.5%；P 0.08%；S 0.05%；Cr8.0%；Ni 0.1%；Mo 0.3%；Nb 0.08%；V 0.6%；N 0.15%；Al 0.05%；Zr 0.1%；Cu 0.12%；Ti0.2%，余量为Fe和不可避免的杂质。其制备过程为：
步骤一、按化学元素组分配比进行熔炼，铸出轧辊铸坯；
步骤二、对轧辊进行退火处理，具体退火处理工艺为：将轧辊加热至920℃保温4h，炉冷至780℃，保温4h，再炉冷至550℃以下出炉空冷，然后对轧辊进行粗加工；
步骤三、对轧辊进行快速加热，加热至1020℃，并在冷却装置中控制轧辊旋转，同时在轧辊辊颈表面涂覆纳米陶瓷涂层，纳米陶瓷涂层的厚度为5mm，导热系数为0.05W/m.k；
步骤四、进行第二次加热，至温度为750℃，边加热边喷水进行淬火冷却；
步骤五、在冷却过程中测量辊面温度，当辊面温度低于200℃时，停止冷却，自然空冷后精加工至规定尺寸。
实施例1~3所述的一种改良型冷轧辊，通过对轧辊化学成分配比及制备工艺的改进，达到了轧辊内部晶粒细化的目的，进而增加了冷轧辊的组织均匀性、硬度落差小，耐磨性更好、抗剥落能力更强，在轧辊使用过程中无断辊现象出现，生产安全性高，且轧辊的制备工艺简便、能耗低生产周期短，便于推广应用。
Claims (2)
1.一种改良型冷轧辊，其特征在于：包括如下质量百分比的化学元素：C 1.8～2.3％；Si0.8～1.8％；Mn 0.3～0.5％；P≤0.08％；S≤0.05％；Cr 6.0～8.0％；Ni 0.1～0.2％；N≤0.25％；Al 0.01～0.2％；Zr 0.05～0.1％；Mo 0.2～0.3％；Cu 0.12～0.24％；Nb 0.08～0.22％；V 0.2～0.6％；Ti 0.05～0.2％；余量为Fe和不可避免的杂质；其中，Mn/Zr＞3，且0.35％≤Cu+Mo≤0.45％，6.2％≤Al+N+Cr≤8.2％。
2.根据权利要求1所述的一种改良型冷轧辊，其特征在于：其化学元素质量百分比组成如下：C 2.0％；Si 1.4％；Mn 0.4％；P 0.08％；S 0.05％；Cr 7.0％；Ni 0.15％；Mo0.25％；Nb0.16％；V 0.4％；N 0.25％；Al 0.05％；Zr 0.1％；Cu 0.12％；Ti 0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。
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