CN105821333A - 一种低合金磨辊的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种低合金磨辊的制造方法，磨辊外层的化学成分按重量百分比计为：碳3.65‑3.75％，硅0.30‑0.55％，锰0.3‑0.5％，磷0.30‑0.55％，硫≤0.12％镍0.5‑0.6％，铬0.8‑1.0％，钼0.1‑0.2％，钒0.1‑0.2％，钛0.1‑0.3％，余量为铁，浇注完成后采用两步等温淬火热处理方法，通过淬火温度和淬火时间的控制，得到同时具有高强度、硬度和抗冲击性能，以及良好的韧性和耐磨性的磨辊，特别适用于粮食磨粉机使用。

Description

一种低合金磨辊的制造方法
技术领域
本发明涉及冶金技术，特别是一种低合金磨辊的制造方法，所述低合金磨辊适合于粮食加工的磨粉机使用。
背景技术
磨辊是磨粉机的核心构件。性能优良的磨辊可提高研磨效率、延长更换周期、节约能源，提高粮食加工质量。磨辊工作中通常承受粮食颗粒、混入粮食颗粒中的碎石、砂粒等磨料的磨损，以及承受一定的冲击荷载，因而要求磨辊具有较高的强度、硬度和抗冲击性能，以及具有良好的耐磨性。
磨辊的耐磨性取决于磨辊的硬度和韧性。磨辊的硬度越高，耐磨性越好。磨辊的韧性会促进材料发生塑性变形和加工硬化，使表面硬度得到提高，因而良好的韧性有助于提高磨辊的耐磨性。考虑到磨辊硬度较高时其表面机加工性能较差，因此，现有技术通常采用综合提高磨辊的硬度和韧性的方式，以提高磨辊的耐磨性。
中国发明专利“大尺寸高韧性耐磨合金轧辊的制造方法”，授权公告号：CN102019294B，公告日：2012.07.18，公开了一种粮食破碎机械用、直径800mm以上的大尺寸轧辊的制造方法，采用特定的热处理工艺步骤及参数，制得的轧辊显微组织由碳化物、下贝氏体和奥氏体组成，并控制奥氏体的体积分数在10-35％之间，因而同时具有高韧性和高耐磨性。
但是，上述发明专利仍然存在明显的缺陷：虽然采用特定的热处理工艺，得到的特定的贝氏体－奥氏体组织，因而同时具有较高的耐磨性和韧性，但是，采用单步法等温淬火热处理得到的贝氏体－奥氏体组织，不能获得同时具有高韧性和高强度、硬度和抗冲击性。这是因为，在等温淬火热处理过程中，淬火温度较低时，贝氏体组织细小，分布均匀，但奥氏体含量低，此时强度、硬度较高，抗冲击性好，但韧性较低；当淬火温度较高时，残余奥氏体含量增加，韧性强，但贝氏体开始变大变粗，分布开始不均匀，导致材料韧性提高，但强度、硬度和抗冲击性能下降。显然，上述发明专利采用的单步等温热处理工艺，并不能到具备良好的韧性和耐磨性，并同时具备足够的强度、硬度和抗冲击性能的磨辊。
进一步分析，上述发明专利给出的淬火温度为400-300℃，为常规的形成贝氏体奥氏体的淬火温度，范围较大，并不能形成如对比文件所指出的规定比例的基体组织，因而制成的轧辊的韧性和耐磨性并不稳定。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的缺陷，提供一种新的低合金磨辊的制造方法，在常规合金元素基础上添加钒、钛以提高强度和韧性，采用两步等温淬火热处理方法，以及通过淬火温度和淬火时间的控制，得到同时具有高强度、硬度和抗冲击性能，以及良好的韧性和耐磨性的磨辊，特别适用于粮食磨粉机的磨辊使用。
本发明为实现技术目的采用的技术方案是：一种低合金磨辊的制造方法，所述低合金磨辊包括耐磨合金外层和铸铁内层组成，其特征在于：所述耐磨合金外层的化学成分按重量百分比计为：碳3.65-3.75％，硅0.30-0.55％，锰0.3-0.5％，磷0.30-0.55％，硫≤0.12％镍0.5-0.6％，铬0.8-1.0％，钼0.1-0.2％，钒0.1-0.2％，钛0.1-0.3％，余量为铁，所述制造方法包括以下步骤：
1)按化学成分配料投放原料，先加入白铁屑，再加入生铁、废辊、废钢、磷铁、铬铁、镍板、钼铁、钒铁和钛铁，将上述原料在电炉中熔化，出炉前再加入锰铁；
2)用卧式离心机浇注磨辊外层，浇注温度为1500-1520℃，浇注机转速至少1000转/分钟；
3)磨辊外层浇注完成后，待外层温度降至1150-1170℃时，开始浇注内层，内层浇注温度为1400-1410℃；
4)冷却；
5)将成型的合金磨辊经机械加工制得成品磨辊。
一种低合金磨辊的制造方法，所述步骤4)中的冷却两步等温淬火热处理方法，包括以下步骤：4-1)将浇注成型的磨辊在旋转的离心机中冷却到900-850℃，然后将磨辊取出空冷至300-240℃，保温1.5-3小时；4-2)将磨辊再升温至360-320℃，保温4-10小时，取出空冷。
一种低合金磨辊的制造方法，所述步骤1)还包括：原料熔化后，用光谱仪检测化学成分配比，如成分未达要求则再进行调配料处理，达到成分要求后方可出炉浇注。
一种低合金磨辊的制造方法，所述步骤2)还包括在浇注磨辊外层前，先将白铁炉进行烫包。
本发明的低合金磨辊的外层合金化学成分的选择及配比理由如下：
碳：碳是钢铁中的基本元素，适量提高碳的含量可提高材质硬度和耐磨性，但过高导致韧性下降、脆性增加，机加工性能变差，综合考虑选择碳含量3.65-3.75％。
硅：增加含硅量将降低共晶含碳量，并促使形成石墨，降低强度和韧性，因此控制硅含量为0.3-0.55％。
锰：锰是弱碳化物形成元素，进入渗碳体部分代替铁原子，形成合金渗碳体，锰能获得细化的珠光体，抑制石墨析出和碳化物析出，对奥氏体起稳定作用，综合考虑选择锰含量为0.3-0.5％。
磷和硫：磷和硫都是非碳化物形成元素，几乎完全溶于固溶体，它们会使材料的脆性增大、韧性降低，为有害元素，综合考虑选择磷0.3-0.55％，硫<0.12％。
镍：镍属于非碳化合物形成元素，有固溶强化作用，能有效提高淬透性，稳定奥氏体，促使马氏体或贝氏体组织，因而能提高塑性和韧性，综合考虑选择镍含量为0.5-0.6％。
铬：铬易形成合金碳化物，强化基体、细化组织，缩小奥氏体区，适量添加铬有助于提高硬度和耐磨性，但含量过高时硬度也过高，表面机加工和修复困难，综合考虑本发明磨辊的硬度和耐磨性要求，选择铬含量为较低值0.8-1.0％。
钼：钼的作用是提高淬透性，减小铸件表面与中心部分的硬度差，但钼价格昂贵，本发明通过提高浇注和凝固速度以降低表面与中心硬度差，因此选择钼含量为较低值0.1-0.2％。
钒：钒是强烈碳化物形成元素，能细化晶粒、提高韧性，以及提高淬透性，降低过热敏感性，并且其细化晶料效果远大于镍和钼，考虑到钒价格较高，因此选择钒含量为0.1-0.2％。
钛：钛能脱氧、固氮，直到净化铁液作用，并且钛能细化晶粒、改善组织，细化奥氏体树枝晶并降低其方向性，因此可提高强度和韧性。考虑到本发明采用废铁、废辊等回收原料，因此加入适量的钛以净化铁液，并考虑到钛的价格较为便宜，可取代部分钒，综合考虑选择钛的含量为0.1-0.3％。
本发明的低合金磨辊的制造方法的金属热处理采用两步等温淬火处理法，步骤及原理描述如下：
1、奥氏体化。首先浇注成型的磨辊在旋转的离心机中冷却至奥氏体化温度900-850℃，在此温度下形成奥氏化组织，奥低化温度不能超过900℃，否则会使奥氏体组织晶粒粗化，影响到后续等温处理时组合的粗化。
2、低温淬火处理。将经奥氏体化的磨辊取出空冷至贝氏体化温度300-240℃，保温1.5-3小时，完成第一步低温淬火。此过程中马氏体一部分转变为贝氏体，另一部分转变为奥氏体，直至马氏体全部消失。保持300-240℃的淬火温度，有利于形成更多的为细小的铁素体组织和下贝氏体组织，因而强度、硬度和抗冲击性能较好；但此时奥氏体含量较少，韧性和塑性较差。
3、高温淬火处理。当细小铁素体组织形成完成后，再升温至较高的淬火温度360-320℃，保温4-10小时，完成第二步高温淬火处理。随着淬火温度的升高，下贝氏体变为上贝氏体，残余奥氏体含量也逐渐增加，从而使韧性和塑性提高。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：
1、本发明的低合金磨辊，在常规合金元素的基础上添加钒、钛，钒和钛能够细化晶粒、提高强度和韧性，并且钛能够净化铁液，对于本发明采用较多的回收废旧金属为原料的冶炼方法具有重要意义，因而添加用量不大的钒、钛，在并未明显提高成本的基础上，显著提高了磨辊力学性能。
2、本发明的低合金磨辊采用两步等温淬火热处理方法，以及选择特定的温度、时间工艺参数，首先在低温下淬火以增加激冷速度，获得细小的铁素体组织，再在高温下淬火以增加残余奥氏体，使磨辊既具有较高的强度、硬度和抗冲击性，同时还具有良好的韧性和耐磨性，因而具有优异的综合力学性能，特别适用于粮食加工的磨粉机的使用。
3、采用本发明的方法制造的低合金磨辊，采用废铁、废辊等低价回收原料，并避免使用价格昂贵的合金元素，生产成本低廉，具有良好的经济效益。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
1)按下表中的配料投放原料，先加入白铁屑，再加入生铁、废辊、废钢、磷铁、铬铁、镍板、钼铁、钒铁、钛铁，原料在电炉中熔化，出炉前再加入锰铁；出炉前用光谱仪检测化学成分配比，如成分未达要求则再进行调配料处理，达到成分要求后方可出炉浇注；
2)用卧式离心机浇注磨辊外层，浇注温度为1500℃，浇注机转速至少1000转/分钟；
3)磨辊外层浇注完成后，待外层温度降至1150℃时，开始浇注内层，内层浇注温度为1400℃；
4)将浇注成型的磨辊在旋转的离心机中冷却到900℃，然后将磨辊取出空冷至240℃，保温2.5小时；再将磨辊再升温至320℃，保温8小时，取出空冷。
5)将成型的合金磨辊经机械加工制得成品。
表1实施例1的原料配比(单位：重量百分比)
碳 硅 锰 磷 硫 镍 铬 钼 钒 钛 铁
3.65 0.50 0.40 0.35 0.10 0.50 1.00 0.10 0.20 0.20 余量
制得的磨辊表面肖氏硬度HS61.5，耐磨性相比改进前提高一倍。
实施例2
1)按下表中的配料投放原料，先加入白铁屑，再加入生铁、废辊、废钢、磷铁、铬铁、镍板、钼铁、钒铁、钛铁，原料在电炉中熔化，出炉前再加入锰铁；出炉前用光谱仪检测化学成分配比，如成分未达要求则再进行调配料处理，达到成分要求后方可出炉浇注；
2)用卧式离心机浇注磨辊外层，浇注温度为1510℃，浇注机转速至少1000转/分钟；
3)磨辊外层浇注完成后，待外层温度降至1160℃时，开始浇注内层，内层浇注温度为1410℃；
4)将浇注成型的磨辊在旋转的离心机中冷却到870℃，然后将磨辊取出空冷至260℃，保温3小时；再将磨辊再升温至350℃，保温5小时，取出空冷。
5)将成型的合金磨辊经机械加工制得成品。
表2实施例2的原料配比(单位：重量百分比)
碳 硅 锰 磷 硫 镍 铬 钼 钒 钛 铁
3.68 0.45 0.45 0.40 0.12 0.53 0.85 0.15 0.18 0.25 余量
制得的磨辊表面肖氏硬度HS62.4，耐磨性相比改进前提高一倍。
实施例3
1)按下表中的配料投放原料，先加入白铁屑，再加入生铁、废辊、废钢、磷铁、铬铁、镍板、钼铁、钒铁、钛铁，原料在电炉中熔化，出炉前再加入锰铁；出炉前用光谱仪检测化学成分配比，如成分未达要求则再进行调配料处理，达到成分要求后方可出炉浇注；
2)用卧式离心机浇注磨辊外层，浇注温度为1520℃，浇注机转速至少1000转/分钟；
3)磨辊外层浇注完成后，待外层温度降至1170℃时，开始浇注内层，内层浇注温度为1400℃；
4)将浇注成型的磨辊在旋转的离心机中冷却到850℃，然后将磨辊取出空冷至280℃，保温1.5小时；再将磨辊再升温至340℃，保温4小时，取出空冷。
5)将成型的合金磨辊经机械加工制得成品。
表3实施例3的原料配比(单位：重量百分比)
碳 硅 锰 磷 硫 镍 铬 钼 钒 钛 铁
3.70 0.30 0.35 0.55 0.08 0.60 0.95 0.20 0.10 0.30 余量
制得的磨辊表面肖氏硬度HS61.5，耐磨性相比改进前提高一倍。
实施例4
1)按下表中的配料投放原料，先加入白铁屑，再加入生铁、废辊、废钢、磷铁、铬铁、镍板、钼铁、钒铁、钛铁，原料在电炉中熔化，出炉前再加入锰铁；出炉前用光谱仪检测化学成分配比，如成分未达要求则再进行调配料处理，达到成分要求后方可出炉浇注；
2)用卧式离心机浇注磨辊外层，浇注温度为1520℃，浇注机转速至少1000转/分钟；
3)磨辊外层浇注完成后，待外层温度降至1160℃时，开始浇注内层，内层浇注温度为1410℃；
4)将浇注成型的磨辊在旋转的离心机中冷却到860℃，然后将磨辊取出空冷至300℃，保温2小时；再将磨辊再升温至360℃，保温10小时，取出空冷。
5)将成型的合金磨辊经机械加工制得成品。
表4实施例4的原料配比(单位：重量百分比)
碳 硅 锰 磷 硫 镍 铬 钼 钒 钛 铁
3.72 0.35 0.30 0.45 0.10 0.58 0.80 0.18 0.17 0.15 余量
制得的磨辊表面肖氏硬度HS71.6，耐磨性相比改进前提高一倍。
实施例5
1)按下表中的配料投放原料，先加入白铁屑，再加入生铁、废辊、废钢、磷铁、铬铁、镍板、钼铁、钒铁、钛铁，原料在电炉中熔化，出炉前再加入锰铁；用光谱仪检测化学成分配比，如成分配比不符则再进行调配料处理，达到成分要求后方可出炉浇注；
2)用卧式离心机浇注磨辊外层，浇注温度为1510℃，浇注机转速至少1000转/分钟；
3)磨辊外层浇注完成后，待外层温度降至1160℃时，开始浇注内层，内层浇注温度为1410℃；
4)将浇注成型的磨辊在旋转的离心机中冷却到870℃，然后将磨辊取出空冷至280℃，保温3小时；再将磨辊再升温至360℃，保温6小时，取出空冷。
5)将成型的合金磨辊经机械加工制得成品。
表5实施例5的原料配比(单位：重量百分比)
碳 硅 锰 磷 硫 镍 铬 钼 钒 钛 铁
3.75 0.55 0.50 0.30 0.09 0.55 0.90 0.12 0.13 0.10 余量
制得的磨辊表面肖氏硬度HS67.6，耐磨性相比改进前提高一倍。

Claims (4)

1.一种低合金磨辊的制造方法，所述低合金磨辊包括耐磨合金外层和铸铁内层组成，其特征在于：所述耐磨合金外层的化学成分按重量百分比计为：碳3.65-3.75％，硅0.30-0.55％，锰0.3-0.5％，磷0.30-0.55％，硫≤0.12％，镍0.5-0.6％，铬0.8-1.0％，钼0.1-0.2％，钒0.1-0.2％，钛0.1-0.3％，余量为铁，所述制造方法包括以下步骤：
1)按化学成分配料投放原料，先加入白铁屑，再加入生铁、废辊、废钢、磷铁、铬铁、镍板、钼铁、钒铁和钛铁，将上述原料在电炉中熔化，出炉前再加入锰铁；
2)用卧式离心机浇注磨辊外层，浇注温度为1500-1520℃，浇注机转速至少1000转/分钟；
3)磨辊外层浇注完成后，待外层温度降至1150-1170℃时，开始浇注内层，内层浇注温度为1400-1410℃；
4)冷却；
5)将成型的合金磨辊经机械加工制得成品磨辊。
2.根据权利要求1所述的一种低合金磨辊的制造方法，其特征在于：步骤4)中的冷却两步等温淬火热处理方法，包括以下步骤：
4-1)将浇注成型的磨辊在旋转的离心机中冷却到900-850℃，然后将磨辊取出空冷至300-240℃，保温1.5-3小时；
4-2)将磨辊再升温至360-320℃，保温4-10小时，取出空冷。
3.根据权利要求1所述的一种低合金磨辊的制造方法，其特征在于：步骤1)还包括：原料熔化后，用光谱仪检测化学成分配比，如成分未达要求则再进行调配料处理，达到成分要求后方可出炉浇注。
4.根据权利要求1所述的一种低合金磨辊的制造方法，其特征在于：步骤2)还包括在浇注磨辊外层前，先将白铁炉进行烫包。
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