CN106216405A - 适用于棒材切分机架用的氮化高速钢辊及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于棒材切分机架用的氮化高速钢辊及其制造方法，属于轧辊制造技术领域，包括辊颈和由工作层、过渡层、芯部构成的辊身，工作层合金成分及重量百分比为：1.2～2.2碳、7.0～13.5铬、0.2～1.2镍、0.5～1.5钼、1.0～2.5钒、1.0～2.5钨、1.0～3.0铌、0.05～0.1稀土、磷≤0.04、硫≤0.04、锰≤0.5、0.6～1.5硅，其余为铁；工作层的基体强度≥600MPa，工作层抗拉强度≥800MPa，本发明提高高速钢轧辊的基体强度，细化晶粒，克服棒材轧机切分机架的轧制环境，适应切分机架的轧制要求。

Description

适用于棒材切分机架用的氮化高速钢辊及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种适用于棒材切分机架用的氮化高速钢辊及其制造方法，属于轧辊制造技术领域。
背景技术
在棒材轧机精轧段机架，通常采用切分轧制技术，切分轧制技术是用一根坯料，利用孔型和导卫轧制成两根或多根尺寸相同的成品，该项技术最初只应用在型材切分上，从70年代后切分轧制技术在一些工业发达国家得到了较快发展。
在采用切分轧制时，目前仍以传统的针状贝氏体球铁材质居多，但贝氏体球铁轧辊单槽轧制量低、换辊次数频繁成为进一步提高产能的瓶颈，主要表现在以下方面：
(1)轧槽寿命低，崩槽现象时有发生，换辊换槽次数多、时间长，严重影响作业率和产量指标，轧制量得到70t左右时，钢材表面就出现轧痕，为保证产品的尺寸及表面质量，每隔约2h就得更换依次成品槽，而更换一个新槽需要10min，切分及预切分轧制量分别在400/200t，每次更换轧槽需要8min，全天仅换槽时间对作业率影响为9％以上。
(2)钢材实物质量不稳定，轧槽使用后期调整困难，由于轧槽硬度低，切分孔及预切分孔楔尖处磨损非常迅速，导致料型不稳定，分配不均，反应在成品钢材上即是各线间、单支通常方向尺寸变化大，轧槽越到后期对成品的影响越严重，因此容易出现不合格品，且难以实现稳定的负偏差轧制。
(3)轧辊使用后重车量大，辊耗高，由于各道次孔型磨损特点不同，为保证修复后轧辊质量，每次需重车6～10mm，辊耗相对较高.
(4)工人劳动强度高，环境差，为保证成品质量，工人每隔10min就需对精轧机组调整一次，又由于轧机周围高温高湿，对工人的身体健康造成了较大的伤害。
高速钢轧辊由于含有大量的V、W、Cr、Mo、Nb等合金元素，有较高的常温硬度HS82～90，同时有着良好的高温红硬性特点，在500℃以上仍能保证HS78以上，因此具有优良的高温耐磨性，目前已广泛应用于轧钢生产中。用高速钢轧辊取代半钢轧辊、高铬铸铁轧辊、高镍铬钼无限冷硬轧辊及针状贝氏体球铁轧辊，对于提高轧制量，延长换辊周期，生产实践中都取得了良好的效果。
但是棒材轧机精轧段切分机架轧制环境尤其恶劣，普通高速钢轧辊虽耐磨性好，但其基体强度低，加工难，基体晶粒粗，导热系数小，高速钢轧辊热膨胀量大，辊温分布不佳易产生不均匀热膨胀和氧化膜异常脱落，影响轧辊的热凸度和辊缝粘度；韧性低，脆性大，抗冲击能力弱，抗事故能力差；抗冷热疲劳能力差，对轧槽冷却要求高，因此不能激冷激热，更不能用其他物体进行撞击，否则极易出现轧槽掉肉、裂纹缺陷甚至发生断轧辊事故，成为高速钢轧辊不能普及推广的重要原因。
随着小规格带肋钢筋多切分轧制、无头轧制技术的推广应用，棒材轧机生产能力成倍增加，为进一步满足钢筋生产过程中负偏差轧制及钢材表面质量的稳定性，延长轧制周期，非常有必要进行高速钢轧辊与棒材轧机的适应性研究，以促进高速钢轧辊在棒材轧机上的推广应用。
由于普通高速钢轧辊材质的特殊性，对轧制环境要求也相对较高，无法适应目前的生产需求，不能满足棒材轧机精轧段切分机架的轧制要求，高速钢轧辊未能得到好的使用效果。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种适用于棒材切分机架用的氮化高速钢辊及其制造方法，可以提高高速钢轧辊的基体强度，细化晶粒，克服棒材轧机切分机架的轧制环境，适应切分机架的轧制要求。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种适用于棒材切分机架用的氮化高速钢辊，包括辊颈和由工作层、过渡层、芯部构成的辊身，工作层的合金成分及各合金成分的重量百分比为：1.2～2.2C、7.0～13.5Cr、0.2～1.2Ni、0.5～1.5Mo、1.0～2.5V、1.0～2.5W、1.0～3.0Nb、0.05～0.1Re、P≤0.04、S≤0.04、Mn≤0.5、0.6～1.5Si，其余为Fe；过渡层和芯部均为球墨铸铁。
本发明技术方案的进一步改进在于：工作层的基体强度≥600MPa，工作层抗拉强度≥800MPa，工作层厚度为20～40mm，工作层厚度均匀性≤8mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：过渡层的合金成分及各合金成分的重量百分比为：2.5～3.0C、0.1～0.5Cr、0.1Re、P≤0.03、S≤0.02、Mn0.3～0.8、1.3～2.0Si，其余为Fe；
芯部的合金成分及各合金成分的重量百分比为：2.9～3.6C、0.1～0.5Cr、0.2～0.8Ni、0.1Re、P≤0.03、S≤0.02、Mn0.3～1.0、1.3～2.0Si，其余为Fe。
一种适用于棒材切分机架用的氮化高速钢辊的制造方法，包括如下步骤：
步骤A、造型
铸型箱包括辊身型箱、辊颈型箱和底箱，辊身型箱采用金属型喷涂料，辊颈型箱采用硅石砂粘土造型，底箱连接溢流管；
步骤B、熔炼
分别在中频炉内熔炼工作层、过渡层和芯部，工作层、过渡层和芯部的熔炼温度分别为1500～1650℃、1550～1650℃、1500～1650℃；工作层出炉时向钢水包内添加0.2～0.6wt％稀土和0.3～1.5wt％的氮化合金剂进行变质处理，变质处理温度为1550～1650℃；过渡层和芯部的铁水出炉后均进行球化孕育处理，球化剂为稀土镁硅铁合金，加入量1.0～1.6wt％，孕育剂为75硅铁，添加量为0.4～1.0wt％，球化孕育处理反应温度均为1500～1600℃；
步骤C、离心铸造
首先浇注辊身工作层，工作层钢水的浇注温度为1420～1480℃，当工作层型腔温度达到1220～1280℃时，离心机停转；
步骤D、合箱浇注过渡层及辊颈操作
将放置浇注好的辊身工作层的型箱与用于浇注辊颈的型箱进行合箱，合完箱静态下将经过球化孕育处理后的过渡层铁水浇注到合并后的型箱内，浇满为止，要求离心机停转至合完箱浇注过渡层铁水控制在7分钟以内，浇注温度为1400～1550℃；
步骤E、浇注芯部
浇注经球化孕育处理后的芯部铁水，浇注温度为1280～1400℃，确保将步骤D所浇入的过渡层铁水全部冲洗并置换掉；
步骤F、机械加工和热处理
常温冷却至200～320℃开箱，粗加工后进行热处理，热处理具体过程为一次淬火+三次回火，淬火是以20～30℃/h的升温速度升温至1000～1120℃保温2～4h，出炉后以130～140℃/h的速度进行冷却至400～450℃；
三次回火的前两次是以20～30℃/h的升温速度升温升至500～550℃保温10～32h，出炉后以20～30℃/h的降温速度降温至室温，最后以20～30℃/h的升温速度升温至500～550℃保温10～32h，出炉后空冷至室温。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤B中加入的氮化合金剂为氮化锰。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤C中，离心浇注时离心重力倍数为50～70G。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤E中浇注芯部时，芯部铁水采用多孔浇注管注入型腔，控制芯部铁水流动状态。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤E中芯部铁水的浇注量为过渡层铁水浇注量的2.5～3.5倍。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、氮化合金剂的加入，净化了外层钢水，细化了晶粒，基体组织得到了细化，提高了高速钢轧辊基体强度，工作层的基体强度≥600MPa，工作层抗拉强度≥800MPa；对熔炼好的过渡层铁水和芯部铁水进行球化孕育处理，可以提高轧辊强度，使轧辊获得良好的力学性能，避免断辊，能够很好的适用于棒材轧机切分机架使用。
2、V在高速钢中主要以碳化物形式存在，MC型碳化物以VC为主，它呈粒状、块状、杆状在基体内弥散分布，使共晶碳化物显著细化，有利于提高耐磨性；W、Mo是典型的红硬性元素，它们部分与碳形成M2C、M6C型碳化物，其余溶入基体组织，产生二次硬化效应，但W过多，会形成大块鱼骨状碳化物，同时在离心过程中产生过量偏析，因此将W、Mo控制在1.0～2.5、0.5～1.5的合理范围内；Cr元素主要形成Cr7C3碳化物，其易在晶界析出，减弱材料韧性；Nb不但减轻W、V两种元素的偏析程度，而且还可以析处对耐磨有利的NbC。
3、高速钢轧辊具有较好的性价比，可以大幅缩短换辊换槽时间，有效提高作业率，同时高速钢轧辊具有较高的耐磨性，车削量小、单槽轧制量高，有利于生产的稳产、高产，对于提高单槽轧制量、稳定产品负差率、稳定工艺顺行、减少换辊次数具有重要作用，使产品质量得到较好的保证，为企业创造较大的经济效益。
4、本发明在离心浇注高速钢水的基础上，首先浇注入过渡层铁水，过渡层铁水溶蚀部分外层高速钢，在此过程中大量的碳化物形成元素进入到过渡层铁水中；然后再通过浇注芯部铁水来实现过渡层铁水的完全置换，从而带走了会降低轧辊轴颈强度和内外结合层强度的碳化物形成元素，使得最终制得的高速钢轧辊，其结合层及芯部铁水中碳化物形成元素大大减少，使得轧辊结合层及芯部组织中仅存在小于3％量的碳化物；同时基体以铁素体组织为主，轧辊结合层强度和辊颈的抗拉强度都大大提高。而现有的采用依次浇注外层高速钢、中间层球墨铸铁、芯部球墨铸铁三层的方法制造出的高速钢轧辊，其结合层和芯部中碳化物的含量为7％左右，且基体组织中仅存在少量铁素体组织，强度明显较低。
在离心浇注高速钢铁水的基础上，首先浇注过渡层铁水，然后再通过浇注芯部铁水来实现过渡层铁水的完全置换，可明显提高外层高速钢与芯部铁水的结合强度，结合强度提升至500Mpa以上，使得高速钢轧辊辊身结合层抗剥落性大大提高，同时能够有效去除芯部铁水溶蚀外层的碳化物形成元素量，从而改善辊颈组织，提高辊颈抗拉强度，有效杜绝使用中的断辊现象。
5、对高速钢坯进行一次淬火+三次回火的热处理方式，高速钢铸态组织中存在有大量的不稳定相马氏体残奥，通过上述热处理能够获得稳定的基体组织，而三次回火处理能够使得残余奥氏体能够得到充分转变，通过热处理，能够大幅降低轧辊热裂纹的产生机率，显著提高抗事故能力，延长高速钢轧辊的使用周期。
6、浇注芯部时采用多孔浇注管，多孔浇注管具备过滤、挡渣功能，能够阻挡铁水中的夹杂物，有效防止轧辊结合层夹渣事故的发生，同时铁水在通过多孔注头时分股流出，与整体一股流出相比表面张力增大，使得铁水流向中间聚合，起到了很好的整流作用，铁水流在轧辊型腔内状态稳定，对外层的冲刷均匀，轧辊外层厚度均匀性小于8mm。
本发明的高速钢轧辊基体强度≥620MPa，基体强度显著提高，工作层抗拉强度≥800MPa，有效作业率平均提高3.8％，成材率平均提高0.31％。克服了普通高速钢轧辊在棒材切分机架的使用问题，适应了棒材切分机架轧制环境。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1
一种适用于棒材切分机架用的离心复合氮化高速钢轧辊及其制造方法，包括造型、熔炼、氮化剂处理、离心铸造、合箱浇注过渡层及辊颈操作、浇注芯部、开箱、机械加工和热处理步骤。
步骤A、造型
铸型箱包括辊身型箱、辊颈型箱和底箱，辊身型箱采用金属型喷涂料，辊颈型箱采用硅石砂粘土造型，底箱连接溢流管；
2、中工频炉熔炼，进行轧辊工作层钢水熔炼，熔炼温度1500～1650℃，工作层的合金成分及各合金成分的重量百分比为1.2～2.2C、7.0～13.5Cr、0.2～1.2Ni、0.5～1.5Mo、1.0～2.5V、1.0～2.5W、1.0～3.0Nb、0.05～0.1Re、P≤0.04、S≤0.04、Mn≤0.5、0.6～1.5Si，其余为Fe。
过渡层球墨铸铁熔炼，熔炼温度1550～1650℃，过渡层的合金成分及各合金成分的重量百分比为：2.5～3.0C、0.1～0.5Cr、0.1Re、P≤0.03、S≤0.02、Mn0.3～0.8、1.3～2.0Si，其余为Fe。
芯部球墨铸铁熔炼，熔炼温度1500～1650℃，芯部的合金成分及各合金成分的重量百分比为2.9～3.6C、0.1～0.5Cr、0.2～0.8Ni、0.1Re、P≤0.03、S≤0.02、Mn0.3～1.0、1.3～2.0Si，其余为Fe。
3、分别对高速钢工作层、过渡层及芯部铁水进行处理，向高速钢工作层包内添加0.2～0.6％稀土、0.3％～1.5％的氮化合金剂进行处理，氮化合金剂为氮化锰，反应温度1550～1650℃，过渡层及芯部球墨铸铁均进行球化孕育处理，球化剂为稀土镁硅铁合金，加入量1.0～1.6wt％，孕育剂为75硅铁，添加量为0.4～1.0wt％，反应温度为1500～1600℃。
4、离心铸造，以1420～1480℃浇注温度浇入高速钢轧辊工作层，工作层厚度为20～40mm，工作层厚度均匀性≤8mm，离心铸造的离心重力倍数为50～70G。当铸层型腔温度达到1220～1280℃时，离心机停转。
5、过渡层浇注，将放置浇注好的辊身工作层的型箱与用于浇注辊颈的型箱进行合箱，合完箱静态下将经过球化孕育处理后的过渡层铁水浇注到合并后的型箱内，浇满为止，合完箱静态下浇注步骤经球化处理的过渡层球墨铸铁铁水，要求离心机停转至合完箱浇注过渡层铁水控制在7分钟以内，本实施例为6分钟，浇注温度为1400～1550℃，浇至过渡层铁水从溢流槽流出停止。
6、芯部浇注，在过渡层浇注完成后，紧接着浇入芯部球墨铸铁铁水，浇注温度为1280～1400℃，浇入量为过渡层铁水质量的3倍，确保将上一步骤所浇入的过渡层铁水全部冲洗并置换掉。
7、常温冷却至200～320℃开箱，粗加后热处理，以加热温度为20～30℃/h的升温速度升温至1000～1120℃保温2～4h，出炉以130～140℃/h的速度进行冷却至400～450℃，再以20～30℃/h的升温速度升温升至500～550℃保温10～32h，再以20～30℃/h的降温速度降温至室温，再以20～30℃/h的升温速度升温升至500～550℃保温10～32h，再以20～30℃/h的降温速度降温至室温，再以20～30℃/h的升温速度升温升至500～550℃保温10～32h，出炉空冷至室温。
实施例2
本实施例与实施例1的区别为：工作层的合金成分及各合金成分的重量百分比为：1.7C、10.5Cr、0.6Ni、1.0Mo、1.8V、1.6W、2.0Nb、0.08Re、P≤0.04、S≤0.04、Mn≤0.5、1.1Si，其余为Fe；
过渡层的合金成分及各合金成分的重量百分比为：2.8C、0.3Cr、0.1Re、P≤0.03、S≤0.02、Mn0.5、1.8Si，其余为Fe；
芯部的合金成分及各合金成分的重量百分比为：3.2C、0.4Cr、0.5Ni、0.1Re、P≤0.03、S≤0.02、Mn0.7、1.8Si，其余为Fe。
实施例3
本实施例与实施例1的区别为：工作层的合金成分及各合金成分的重量百分比为：2.2C、13.5Cr、1.2Ni、1.4Mo、2.4V、2.5W、3.0Nb、0.1Re、P≤0.04、S≤0.04、Mn≤0.5、1.5Si，其余为Fe；
过渡层的合金成分及各合金成分的重量百分比为：3.0C、0.1～0.5Cr、0.1Re、P≤0.03、S≤0.02、Mn0.8、2.0Si，其余为Fe；
芯部的合金成分及各合金成分的重量百分比为：3.6C、0.5Cr、0.8Ni、0.1Re、P≤0.03、S≤0.02、Mn1.0、2.0Si，其余为Fe。
实施例4
本实施例与实施例1的区别为：添加的稀土和氮化合金剂分别为0.4wt％、1.0wt％，球化剂稀土镁硅铁合金加入量为1.3wt％，孕育剂75硅铁添加量为0.7wt％。
实施例5
本实施例与实施例1的区别为：常温冷却至260℃开箱，粗加工后进行热处理，热处理具体过程为一次淬火+三次回火，淬火是以25℃/h的升温速度升温至1100℃保温3h，出炉后以135℃/h的速度进行冷却至400～450℃；
三次回火的前两次是以28℃/h的升温速度升温升至530℃保温26h，出炉后以23℃/h的降温速度降温至室温，最后以27℃/h的升温速度升温至510℃保温18h，出炉后空冷至室温。
实施例6
本实施例与实施例1的区别为：本实施例为对比例，采用针状贝氏体球铁轧辊。
实施例7
本实施例与实施例1的区别为：本实施例为对比例，采用传统高速钢轧辊。
取实施例1～实施例7进行质量测试与分析，超声波探伤执行标准GB/T1503-2008，力学性能检测结果及使用性能见表1
表1

Claims (8)

1.一种适用于棒材切分机架用的氮化高速钢辊，包括辊颈和由工作层、过渡层、芯部构成的辊身，其特征在于：工作层的合金成分及各合金成分的重量百分比为：1.2～2.2C、7.0～13.5Cr、0.2～1.2Ni、0.5～1.5Mo、1.0～2.5V、1.0～2.5W、1.0～3.0Nb、0.05～0.1Re、P≤0.04、S≤0.04、Mn≤0.5、0.6～1.5Si，其余为Fe；过渡层和芯部均为球墨铸铁。
2.根据权利要求1所述的适用于棒材切分机架用的氮化高速钢辊，其特征在于：工作层的基体强度≥600MPa，工作层抗拉强度≥800MPa，工作层厚度为20～40mm，工作层厚度均匀性≤8mm。
3.根据权利要求1所述的适用于棒材切分机架用的氮化高速钢辊，其特征在于：过渡层的合金成分及各合金成分的重量百分比为：2.5～3.0C、0.1～0.5Cr、0.1Re、P≤0.03、S≤0.02、Mn0.3～0.8、1.3～2.0Si，其余为Fe；
芯部的合金成分及各合金成分的重量百分比为：2.9～3.6C、0.1～0.5Cr、0.2～0.8Ni、0.1Re、P≤0.03、S≤0.02、Mn0.3～1.0、1.3～2.0Si，其余为Fe。
4.一种适用于棒材切分机架用的氮化高速钢辊的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤A、造型
铸型箱包括辊身型箱、辊颈型箱和底箱，辊身型箱采用金属型喷涂料，辊颈型箱采用硅石砂粘土造型，底箱连接溢流管；
步骤B、熔炼
分别在中频炉内熔炼工作层、过渡层和芯部，工作层、过渡层和芯部的熔炼温度分别为1500～1650℃、1550～1650℃、1500～1650℃；工作层出炉时向钢水包内添加0.2～0.6wt％稀土和0.3～1.5wt％的氮化合金剂进行变质处理，变质处理温度为1550～1650℃；过渡层和芯部的铁水出炉后均进行球化孕育处理，球化剂为稀土镁硅铁合金，加入量1.0～1.6wt％，孕育剂为75硅铁，添加量为0.4～1.0wt％，球化孕育处理反应温度均为1500～1600℃；
步骤C、离心铸造
首先浇注辊身工作层，工作层钢水的浇注温度为1420～1480℃，当工作层型腔温度达到1220～1280℃时，离心机停转；
步骤D、合箱浇注过渡层及辊颈操作
将放置浇注好的辊身工作层的型箱与用于浇注辊颈的型箱进行合箱，合完箱静态下将经过球化孕育处理后的过渡层铁水浇注到合并后的型箱内，浇满为止，要求离心机停转至合完箱浇注过渡层铁水控制在7分钟以内，浇注温度为1400～1550℃；
步骤E、浇注芯部
浇注经球化孕育处理后的芯部铁水，浇注温度为1280～1400℃，确保将步骤D所浇入的过渡层铁水全部冲洗并置换掉；
步骤F、机械加工和热处理
常温冷却至200～320℃开箱，粗加工后进行热处理，热处理具体过程为一次淬火+三次回火，淬火是以20～30℃/h的升温速度升温至1000～1120℃保温2～4h，出炉后以130～140℃/h的速度进行冷却至400～450℃；
三次回火的前两次是以20～30℃/h的升温速度升温升至500～550℃保温10～32h，出炉后以20～30℃/h的降温速度降温至室温，最后以20～30℃/h的升温速度升温至500～550℃保温10～32h，出炉后空冷至室温。
5.根据权利要求4所述的适用于棒材切分机架用的氮化高速钢辊的制造方法，其特征在于：步骤B中加入的氮化合金剂为氮化锰。
6.根据权利要求4所述的适用于棒材切分机架用的氮化高速钢辊的制造方法，其特征在于：步骤C中，离心浇注时离心重力倍数为50～70G。
7.根据权利要求4所述的适用于棒材切分机架用的氮化高速钢辊的制造方法，其特征在于：步骤E中浇注芯部时，芯部铁水采用多孔浇注管注入型腔，控制芯部铁水流动状态。
8.根据权利要求4所述的适用于棒材切分机架用的氮化高速钢辊及其制造方法，其特征在于：步骤E中芯部铁水的浇注量为过渡层铁水浇注量的2.5～3.5倍。
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