CN105420629B - 适用于高速线材轧制的高塑性硬质材料辊环及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于高速线材轧制的高塑性硬质材料辊环及制造方法，该材料的化学组成按重量百分比为：C：4～5.5％，Re：0.04～0.1％，W：6～18％，Mo：3～5％，Cr：4～6％，Ni：0.5～2％，V：6～8％，S<0.035％，P<0.035％，其余为Fe。其制造方法采用电炉冶炼，离心铸造，球化退火+淬火+多次回火的热处理工艺。该种高塑性硬质材料辊环的技术创新点主要集中于材料创新和工艺创新两个方面，具有优异耐磨性，具有较高强韧性配合。主要用于取代目前国内冶金工业轧钢领域中广泛使用的普通铸铁辊环和WC辊环，延长辊环的使用寿命周期，提高高速线材轧机的作业率。

Description

适用于高速线材轧制的高塑性硬质材料辊环及制造方法

技术领域

本发明涉及冶金工业轧钢技术领域，具体是适用于高速线材轧制的高塑性硬质材料辊环，以及所述新型高塑性硬质材料辊环的制造方法。

背景技术

线材主要采用普通线材轧机和高速线材轧机生产，然而，随着线材生产技术本身的日臻完善和相关技术进步，高速线材轧机的产品在品种规格范围、盘重、尺寸精度、表面及内在质量上比以往的线材轧机产品均有长足的进步，能更好地满足经济和技术发展的需要。高速线材轧机还以其合理的孔型系统和高适应的机电设备及布置方式，使其产品规格范围远比常规线材轧机的大。一些带有盘条作业线的高速轧机生产直径的范围为5.5～60mm，一般高速轧机产品规格的范围5.5～30mm。另外，高速线材轧机以其精确的孔型设计，合理的张力及活套控制，单线无扭转高速连续轧制方式，以及足够的轧机刚性结构和耐磨的轧辊材质，保证了产品具有普通轧机所难以保持的断面尺寸精度。通常高速线材轧机的产品断面尺寸精度能达到±0.1mm(对5.5～8.0mm的产品而言)及±0.2mm(对9.0～16mm产品及盘条而言)，断面不圆度不大于断面尺寸总偏差的80％。

由于高速线材轧机具有以上系列优点，正在普遍取代普通线材轧机，我国1986年从国外引进首条高速线材轧机生产线以来，发展极其迅速，目前我国已建成高速线材轧机生产线200多条，高线产品的总产量已接近线材总产量的50％。

随着轧机速度的提高，对形成线材起关键作用的工模具----辊环，其质量要求越来越高，特别是辊环表面硬度要求越来越高。常用的辊环材质是高铬铸铁和高镍铬无限冷硬铸铁，其主要用于在高速线材轧机生产线的预精轧段和精轧段。随着轧机速度的不断提高，高铬铸铁和高镍铬无限冷硬铸铁越来越不适用于精轧段，碳化钨硬质合金辊环开始大范围地用于精轧段，并且取得了很好的使用效果。但是，由于硬质合金通过粉末冶金方法加工而成，成本高且脆性大，使用中易出现爆辊和剥落等现象，安全隐患大。另外由于硬质合金的特性造成与之结合的锥套生产制造要求很高，使用装配要求更高，并且极易损坏，影响轧制效率；另钨资源作为国家稀缺资源，从长远地说，也是不经济的。

而本发明的新产品其技术创新点主要集中于材料创新和工艺创新两个方面，使其具有优秀的耐磨性、极好的抗冲击韧性、优秀的断裂韧性、优秀的抗热疲劳性能、高轧制吨位下的高稳定性等优点。逐步取代目前国内冶金工业轧钢领域中广泛使用的普通铸铁辊环和WC辊环，延长辊环的使用寿命周期，提高高速线材轧机的作业率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于高速线材轧制的新型高塑性硬质材料辊环及其制造方法。

金属材料的组织决定了其性能，而组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明的高塑性硬质材料辊环是调整了特定的化学成分和热处理工艺制造而成的。

应用于高线辊环的材料必须具有优异的耐磨性，通常要求材料中硬质相碳化物数量在70％以上，为了给合金元素提供足够的碳，使材料中的碳大部分与W、Cr、Mo、V等形成高硬度碳化物，以改善辊环耐磨性，另外，少量的碳进入基体，改善高塑性硬质材料辊环淬透性和淬硬性。高塑性硬质材料辊环中碳含量将明显高于常规高速钢，现设计为4％～5.5％。

利用不同的热处理工艺得到不同的基体组织，满足高塑性硬质材料辊环的使用要求。由于高塑性硬质材料辊环用于辊环材料时，连轧机每一架次的使用工况不同。通过对碳化物和基体成份的研究，使用不同的热处理工艺可以得到不同基体组织和性能的高塑性硬质材料辊环，以满足不同轧机对辊环的使用要求。

对高塑性硬质材料辊环采用稀土－钛－铌等进行复合变质处理，可有效的改善组织中的碳化物形态和分布，消除典型的网状组织，使碳化物细化且分布均匀化，经(淬火+回火)热处理后能获得优良的综合力学性能。

在离心铸造基础上添加电磁搅拌技术，可以减轻高塑性硬质材料辊环的偏析。日本学者通过添加铌来改善高速钢的偏析，但效果并不明显。在离心铸造中应用电磁搅拌技术，极大减轻了高塑性硬质材料辊环的偏析现象。

本发明的具体方案为，高速线材轧制的高塑性硬质材料辊环的化学组成是(按重量百分比)：C：4～5.5％，Re：0.04～0.1％，W：6～18％，Mo：3～5％，Cr：4～6％，Ni：0.5～2％，V：6～8％，S<0.035％，P<0.035％，其余为Fe。

上述化学成分中，碳：碳是获得高硬度耐磨碳化物颗粒增强相所必须元素，同时部分碳固溶于基体，改善基体的淬透性和淬硬性。加入量过少，高硬度耐磨碳化物颗粒增强相少，材料耐磨性差，加入量过多，高硬度耐磨碳化物颗粒增强相多，材料韧性降低，碳的加入还与碳化物形成元素铬、钼、钨、钒等元素有关，因此碳含量以4％～5.5％为宜。

钒：当含钒的高塑性硬质材料辊环开始凝固时，首先析出以钒为主要成分的MC型碳化物。在一次碳化物中碳化钒的形态和体积对性能最有利。钒含量过高，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，反而加快了换辊周期。此外MC数量过多，硬度过高，导致轧辊磨削加工困难，同时随着钒含量的增加，合金碳化物MC尺寸增大，高速钢轧辊的韧性和热疲劳性能下降。因此，将高塑性硬质材料辊环中的钒含量控制在6.0％～8.0％。

钨：钨是提高红硬性和耐磨性的主要元素，钨量增加，提高钢的红硬性及减少热过敏性，但钨太高会增加碳化物的不均匀性，增大钢的脆性，综合考虑将钨含量控制在6％～18％。

钼：钼与钨结构和物理性能相近，可以相互代替，一般说来1.0％钼可以代替1.6％～2.0％钨。但若用钼完全取代钨，在随后的热处理过程中会加剧氧化和脱碳，因此一般情况下将钼、钨混合加入。综合考虑将钼含量控制在3％～5％。

铬：铬的作用主要是提高淬透性，同时铬还是抗氧化性的重要元素。在回火时，一部分铬从马氏体中析出，促进弥散硬化，另一部分铬保留在α固溶体中，以阻止加热到较高温度时软化，铬含量过高，多余的铬参与回火时沉淀析出的碳化物的形成，这种含铬碳化物在较低温度时容易析出，降低高速钢的热稳定性。因此，高塑性硬质材料辊环中合适的铬含量是4％～6％。

镍：镍是非碳化物形成元素，主要溶于基体，能提高材料的韧性和抗疲劳性能。镍还与铁以互溶的形式存在于钢中，使之强化。镍还可以降低临界转变温度和降低钢中铬元素的扩撒速度。镍加入量过多，材料淬火组织中低硬度的残留奥氏体太多，不利于改善材料的耐磨性，因此其含量控制在0.5％～2％。

稀土加入金属熔体中具有脱硫、出气的作用，同时稀土与液态金属生成的细小粒子加速凝固的形核作用，表面活性稀土元素在流动的晶体便面形成吸附原子薄膜，降低流动离子的速度，稀土元素的这些特征能细化材料的晶粒，限制树枝晶偏析，提高机械性能和耐磨性，但加入过多，使稀土夹杂物增多，反而降低材料的性能，因此稀土的含量控制在0.04％～0.1％。

此外，不可避免的微量杂质是原料中带入的，主要有磷和硫，均是有害元素，为了保证材料的耐磨性、强度、韧性。将磷、硫含量控制在0.035％以下。

为实现本发明的另一目的，采用的技术方案是，适用于高速线材轧制的高塑性硬质材料辊环的制造方法，采用电炉冶炼，离心铸造，球化退火+淬火+多次回火的热处理工艺，其工艺步骤是：

(1)将普通废钢、钨铁、钼铁、钒铁、铬铁和镍板混合加热溶化，用石墨增碳。

(2)炉前调整成分合格后进行造渣，再将温度升至1600℃，加入脱氧剂铝条后出炉。

(3)将稀土破碎至粒度小于20mm的小块，经250～300℃烘烤后，置于钢包底部，用包内冲入法对钢液进行复合变质处理。

(4)出炉的钢液经炉内底部吹氩镇静10～20min后，待温度将至1400℃左右时，采用离心铸造方法浇铸成型，离心铸造时采用电磁搅拌。

(5)浇铸成型的辊环经退火→粗加工→淬火→回火→精加工成成品。

其中退火工艺为，将浇铸成型的辊环加热至800-840℃，保温，随炉缓冷至500℃以下后，取出空冷。

其中淬火工艺为，将粗加工后的辊环加热到1250℃保温3h，风冷淬火，再经过560℃三次回火每次4h。

本发明的高塑性硬质材料辊环具有优秀的耐磨性、极好的抗冲击韧性、优秀的断裂韧性、优秀的抗热疲劳性能、高轧制吨位下的高稳定性等优点。明显优于目前国内冶金工业轧钢领域中广泛使用的普通铸铁辊环和WC辊环。延长辊环的使用周期，提高了高速线材轧机的作业率。

具体实施方式

实施例1(化学成分1)：

1、过程实施

1)电炉冶炼和铸造

具体实施如下：

将低碳废钢、钨铁、钼铁、铬铁、钒铁、镍板按顺序依次加入500KG中频感应炉中熔清；

调整钢水化学成分，通过炉前化学检测分析，成分合格后，加入脱氧剂铝条，升温至1600℃准备出钢；

将稀土粉碎至20mm大小，并经过280℃x4h烘烤后的稀土置于钢烘烤后的钢包中，1600℃的钢水混冲钢包；

炉内吹氩；

镇静10-20min后，待钢温至1400℃左右开始浇铸。

2)退火

将铸锭加热至800-840℃，保温，随炉缓冷至500℃以下后，取出空冷。

3)粗加工

将经过退火后的坯件，粗车到指定尺寸。

4)热处理

经过粗加工的坯件，将表面油污清洗干净后刷上抗氧化涂料；

加热到1250℃保温3h，风冷淬火，再经过560℃三次回火每次4h；

检查金相组织、机械性能。

2、检测结果：

1)化学成分(重量百分比)

3)使用效果

该材料辊环在高速线材轧机预精轧使用，轧制Φ6mm普碳钢盘圆，单槽过钢量超过3500吨，每次修磨量小于1.2mm。

实施例2(化学成分2)：

1、过程实施

过程实施同实施例1的过程。

2、检测结果

1)化学成分(重量百分比)

3)使用效果

该材料辊环在高速线材轧机预精轧使用，轧制Φ10mm普碳钢盘圆，单槽过钢量超过4000吨，每次修磨量小于1.5mm。

Claims (7)

1.适用于高速线材轧制的高塑性硬质材料辊环，其化学组成按重量百分比为：C：4.61~5.5%，Re：0.04~0.1%，W：6.12~18%，Mo：3~5%，Cr：4~6%，Ni：0.5~2%，V：6~8%， S<0.035%，P<0.035%，其余为Fe。

2.根据权利要求1所述适用于高速线材轧制的高塑性硬质材料辊环，其特征在于：其化学组成按重量百分比为：C：4.61%，Re：0.07%，W：6.12%，Mo：4.35%，Cr：5.26%，Ni：0.91%，V：6.98%， S：0.028%，P：0.025%，其余为Fe。

3.根据权利要求1所述适用于高速线材轧制的高塑性硬质材料辊环，其特征在于：其化学组成按重量百分比为：C：5.12 %，Re：0.07%，W：15.58%，Mo：4.77%，Cr：5.12%，Ni：0.75%，V：6.34%， S：0.027%，P：0.026%，其余为Fe。

4.如权利要求1所述适用于高速线材轧制的高塑性硬质材料辊环的制造方法，其特征在于：采用电炉冶炼，离心铸造，球化退火+淬火+多次回火的热处理工艺，其具体工艺步骤是：

（1）将普通废钢、钨铁、钼铁、钒铁、铬铁和镍板混合加热熔化，用石墨增碳；

（2）炉前调整成分合格后进行造渣，再将温度升至1600℃，加入脱氧剂铝条后出炉；

（3）将稀土破碎至粒度小于20mm的小块，经250~300℃烘烤后，置于钢包底部，用包内冲入法对钢液进行复合变质处理；

（4）出炉的钢液经炉内底部吹氩镇静10~20min后，待温度降至1400℃时，采用离心铸造方法浇铸成型；

（5）浇铸成型的辊环经退火→粗加工→淬火→回火→精加工成成品。

5.根据权利要求4所述适用于高速线材轧制的高塑性硬质材料辊环的制造方法，其特征在于：所述退火工艺为，将浇铸成型的辊环加热至800-840℃，保温，随炉缓冷至500℃以下后，取出空冷。

6.根据权利要求4所述适用于高速线材轧制的高塑性硬质材料辊环的制造方法，其特征在于：所述淬火工艺为，将粗加工后的辊环加热到1250℃保温3h，风冷淬火，再经过560℃三次回火每次4h。

7.根据权利要求4所述适用于高速线材轧制的高塑性硬质材料辊环的制造方法，其特征在于：所述离心铸造采用电磁搅拌。