CN107574362A - 一种耐磨合金复合辊环及其制造方法、制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐磨合金复合辊环及其制造方法、制造装置，属于金属压力加工技术领域。本发明的耐磨合金，由以下质量百分比的元素组成：C：2.2‑3.5％、V：5‑15％、Cr：3‑6％、Mo：1.5‑3.5％、Ni：0.5‑0.8％、Si：0.5‑1.0％、Mn：0.5‑1.0％、B：0.005‑0.01％、稀土元素：0.1‑0.3％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明的耐磨合金，其铬、钼元素含量稍高，具有较好的耐热、耐氧化、承受热疲劳的作用。采用本发明的耐磨合金作为耐磨合金层得到的复合辊环，耐磨性好，性价比高，成本约为高铬铸铁的2倍左右，耐磨性是高铬铸铁的2‑5倍。

Description

一种耐磨合金复合辊环及其制造方法、制造装置

技术领域

本发明涉及一种耐磨合金复合辊环及其制造方法、制造装置，属于金属压力加工技术领域。

背景技术

随着结构用管、油气钻采、军工等设备所使用的高强度、高刚度的的无缝钢管的要求的提高，辊环作为轧制线材和棒材的关键部件，对辊环的性能提出了更高的要求。在轧制过程中，辊环表面需要承受较高的温度和较大压力，容易出现开裂、崩槽等问题，因此，为降低辊环在生产中的消耗，要求辊环具备良好的抗断裂性能，在高温环境中，辊环也需具备良好的红硬性、耐磨性、韧性等。由此可见，辊环性能的高低直接影响着轧机轧制线材和棒材时的轧制质量和生产效率。

目前，广泛使用的辊环主要是由硬质合金或高速钢制成。

采用粉末冶金方法制备得到的硬质合金辊环具有硬度高和耐磨性好的特点，但是该种辊环的制备成本高且脆性大，在使用过程中，容易产生裂纹，由于缺乏韧性基体，裂纹一旦形成即迅速扩展，从而导致轧辊表面出现小区域的剥落，严重降低轧制的质量及辊环的寿命、劳动生产率和产品的利润。

高速钢出现已有几十年的历史，由于成本高、制造工艺复杂，一般只用于制造刀具。近几年，国内外对其作了大量的研究，目前已开始用于辊环的生产。由于高速钢中含有大量硬度高的碳化物(如WC：HV2400-2600、Mo₂C:HV1500)，耐磨性较好，又由于高速钢基体组织为韧性较好的马氏体、奥氏体，克服了硬质合金辊环韧性差、易产生裂纹的缺点。但是，现在用于生产辊环的高速钢中大都含有大量的钨，由于钨的碳化物呈多角形分布，割裂基体严重，材料韧性很差，价格较高，并且钨、钼及碳化物的密度与铁相差很大，在应用常规的离心铸造法生产辊环时，易产生偏析，导致制备得到高速钢辊环的耐磨性较低，在使用过程中，消耗量大，影响轧制效率和成本。

申请公布号为CN105436475A的中国发明专利公开了一种改进型锻钢辊颈高铬铸铁复合轧辊制造工艺及设备，其复合轧辊工作层材料中含有的成分复杂，且制备工艺繁琐，其热处理工艺需要多次回火。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐磨合金，用于制备复合辊环。

本发明的第二个目的在于提供一种耐磨性好、韧性强、性价比高的复合辊环。

本发明第三个目的在于提供一种上述复合辊环的制造方法，以解决现有技术中复合辊环制造方法繁琐的技术问题。

本发明第四个目的在于提供一种上述复合辊环的制造装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种耐磨合金，由以下质量百分比的元素组成：C：2.2-3.5％、V：5-15％、Cr：3-6％、Mo：1.5-3.5％、Ni：0.5-0.8％、Si：0.5-1.0％、Mn：0.5-1.0％、B：0.005-0.01％、稀土元素：0.1-0.3％，余量为铁和不可避免的杂质。

所述不可避免的杂质包括S和P。所述S的质量百分比<0.05％。所述P的质量百分比P<0.05％。

所述稀土元素为Ce。

所述稀土元素Ce来自于稀土硅铁合金或铁铈合金或镍铈合金。

所述稀土硅铁合金的主要化学成分为：Ce 39％～42％，Si≤37％，Mn≤2.0％，余量为铁和不可避免的杂质。

上述耐磨合金中的铬、钼元素含量稍高，具有较好的耐热、耐氧化、承受热疲劳的作用。

一种复合辊环，包括辊环芯和耐磨合金层，所述耐磨合金层为上述耐磨合金。

所述辊环芯为低合金钢或中碳钢；所述低合金钢为ZG35CrMo、ZG40Cr或ZG40Mn；所述中碳钢为ZG35、ZG45或ZG50。

所述复合辊环由辊环芯与耐磨合金层通过感应加热凝固结晶的方法复合熔铸为一体。

上述复合辊环的制造方法，包括以下步骤：

将辊环芯放入铸型，将辊环芯加热至1100～1150℃时，向铸型内壁与辊环芯外壁之间的腔体中浇入耐磨合金液；然后于1200～1300℃保温1～3分钟后，冷却成型，即得。

所述耐磨合金液由包括以下步骤的制备方法制得：

按照上述耐磨合金的配方计算得到的各原料重量称取原料生铁、回炉料、高碳铬铁、废钢、钼铁、钒铁、锰铁、镍铁、硅铁，置于中频感应控制炉中熔炼，当铁水温度为1500～1550℃时，取样化验，调整元素符合成分要求，然后将稀土合金和硼铁放入浇包，将铁水出炉倒入浇包，镇定1-2分钟后，得耐磨合金液。

所述回炉料为铸造车间的废铸件、浇口、冒口等废金属送回熔炉重熔的炉料。

所述稀土合金为含Ce的稀土硅铁合金或铁铈合金或镍铈合金。

所述稀土硅铁合金的主要化学成分为Ce 39.0％～42.0％，Si≤37％，Mn≤2.0％，余量为铁和不可避免的杂质。

上述向铸型内壁与辊环芯外壁之间的腔体中浇入耐磨合金液时耐磨合金液的浇注温度为1420-1480℃。

上述熔炼时进行多次造渣扒渣，以保证铁水的纯净。

所述冷却为先自然冷却2～4min，再通冷却水冷却30～120min。所述通冷却水冷却直至凝固完毕。

上述复合辊环的制造方法，还包括以下步骤：冷却成型后进行热处理，所述热处理为先950～1050℃淬火，再450～550℃回火。

上述热处理后的耐磨合金层的典型组织为VC、M₇C₃、M₂C、马氏体和奥氏体。

上述复合辊环的制造装置，包括铸型，所述铸型上设置有砂箱，所述铸型下方设有铸型底座，所述铸型内部设有腔体，所述砂箱上设置有用来向所述腔体中注入耐磨合金液的浇冒口。

所述铸型由水玻璃砂制成。可以通过改变铸型的形状，获得不同外在形状的辊环，以应用于不同领域。

所述铸型底座内设置有水冷通道，所述铸型底座外周面上设置有与水冷通道相连的进水口和出水口。

本发明的耐磨合金，其铬、钼元素含量稍高，具有较好的耐热、耐氧化、承受热疲劳的作用。

本发明的复合辊环所用耐磨合金层的耐磨合金与传统钨系高速钢相比，主要硬质耐磨相为初析VC，该碳化物硬度高(HV2600-3000)，形态好，密度与铁相近，不容易发生偏析。与现有的耐磨钢相比，该耐磨合金含钒量高，达到了过共晶成分。本发明耐磨合金中的碳化钒主要是直接从钢液析出的初析VC，该碳化钒呈团球状，均匀分布于基体中，可提高材料的冲击韧性，并可大大提高材料的耐磨性。

本发明的复合辊环，辊环芯与耐磨合金层为良好的冶金结合，结合强度高，成分简单，性价比高，具有很高的耐磨性，同时又有良好的韧性，其成本约为高铬铸铁的2倍左右，耐磨性是高铬铸铁的2-5倍，韧性远高于高铬铸铁和铸钼系高速钢。

本发明的复合辊环的制造方法简单，通过感应加热辊环芯及浇注后的耐磨合金液，减少了辊环芯与耐磨合金液之间的温差，使辊环芯与耐磨合金层之间为良好的冶金结合，保证复合辊环使用的可靠性。本发明制造方法所得复合辊环组织致密，无缩孔，组织均匀，无偏析，克服了离心铸造法易产生组织偏析的缺陷。

本发明的复合辊环的制造方法工艺简单、稳定，使用过程中可减少易损件失效而造成的停机次数，提高生产效率，降低劳动强度，适合批量生产。

本发明的复合辊环的制造装置，通过端部水冷及铸型结构的改进，形成一个自下而上的温度梯度，使得耐磨合金液能够自下而上顺序凝固，有利于耐磨合金液自上而下进行补缩，利于形成致密无缩孔的复合辊环。

附图说明

图1为实施例1复合辊环的制造装置的剖面结构示意图；

图2为实施例1复合辊环的制造装置的立体结构示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的耐磨合金，由以下质量百分比的元素组成：C：2.5％、V：5％、Cr：3％、Mo：1.5％、Ni：0.5％、Si：0.5％、Mn：0.6％、B：0.005％、Ce：0.1％，S：0.048％、P：0.046％，余量为铁和其它不可避免的杂质。

本实施例复合辊环，包括辊环芯和耐磨合金层，辊环芯采用韧性较好的低合金钢ZG35CrMo预制而成；耐磨合金层为上述耐磨合金。

本实施例复合辊环的制造装置，如图1所示，包括铸型3，铸型3上设置有砂箱2，所述铸型下方设有铸型底座7，铸型3内部设有用来放置对应的辊环芯10并容纳耐磨合金液的空间，辊环芯10放入该空间后，铸型3内壁与辊环芯10外壁之间的空隙构成了腔体11，辊环芯10内部为砂芯9；砂箱2上设置有用来向腔体11中注入耐磨合金液的浇冒口1；铸型3外层设置有感应加热结晶装置4，感应加热结晶装置4外层设有外壳5；耐磨合金液由设于铸型3上方的浇冒口1由上而下注入到腔体11中；铸型底座7内设置有水冷通道，本实施例中，水冷通道为在水平方向延伸的圆形孔，该圆形孔整体外形为圆弧形状，铸型底座7外周面上设置有与水冷通道相连的进水口8和出水口6。其中铸型3、铸型底座7、浇冒口1和砂箱2均采用水玻璃砂制成。

本实施例复合辊环的制造方法，包括以下步骤：将铸型放入感应加热结晶装置中，再将预制的低合金钢ZG35CrMo辊环芯放入铸型，插入砂芯，将砂箱安置于铸型之上，利用感应加热结晶装置加热辊环芯，加热至1100℃时，由浇冒口向腔体中浇入耐磨合金液；然后于1200℃保温2分钟后，自然冷却2分钟后再通过铸型底座上设有的进水口和出水口在下部通冷却水冷却40分钟，以有助于形成一个自下而上的温度梯度，直至凝固完毕，凝固完毕后将铸型和铸件一起从感应加热结晶装置中取出，先950℃淬火，再450℃回火处理，即得到复合辊环。热处理后复合辊环耐磨合金层的典型组织为：VC+马氏体+奥氏体+M₇C₃+M₂C。

上述耐磨合金液由包括以下步骤的制备方法制得：

按照上述耐磨合金的配方计算得到的各原料重量称取原料生铁、回炉料、高碳铬铁、废钢、钼铁、钒铁、锰铁、镍铁、硅铁，置于中频感应控制炉中熔炼，熔炼时进行多次造渣扒渣，保证铁水的纯净，当铁水温度为1500℃时，取样化验，调整元素符合成分要求，然后将稀土硅铁合金和硼铁放入浇包，然后将铁水出炉倒入浇包中，镇定2分钟后，得耐磨合金液；其中稀土硅铁合金中Ce的含量为39.0％～42.0％。上述耐磨合金液的浇注温度为1420℃。

实施例2

本实施例耐磨合金，由以下质量百分比的元素组成：C：3％、V：10％、Cr：5％、Mo：2.5％、Ni：0.6％、Si：0.6％、Mn：0.7％、B:0.01％、Ce：0.28％、S:0.043％、P：0.045％，余量为铁和其它不可避免的杂质。

本实施例复合辊环，包括辊环芯和耐磨合金层，辊环芯采用韧性较好的低合金钢ZG40Cr预制而成；耐磨合金层为上述耐磨合金。

本实施例复合辊环的制造方法，包括以下步骤：将铸型放入感应加热结晶装置中，再将预制的低合金钢ZG40Cr辊环芯放入铸型，插入砂芯，将浇冒口安置于铸型之上，利用感应加热结晶装置加热辊环芯，加热至1150℃时，由浇冒口浇入耐磨合金液；然后于1250℃保温2分钟后，自然冷却3分钟后，再通过铸型底座上设有的进水口和出水口在下部通冷却水冷却60分钟，以有助于形成一个自下而上的温度梯度，直至凝固完毕，凝固完毕后将铸型和铸件一起从感应加热结晶装置中取出，先1000℃淬火，再450℃回火，即得到复合辊环。所得复合辊环耐磨合金层的典型组织为：VC+马氏体+奥氏体+M₇C₃+M₂C。

上述耐磨合金液由包括以下步骤的制备方法制得：

按照上述耐磨合金的配方计算得到的各原料重量称取原料生铁、回炉料、高碳铬铁、废钢、钼铁、钒铁、锰铁、镍铁、硅铁，置于中频感应控制炉中熔炼，熔炼时进行多次造渣扒渣，保证铁水的纯净，当铁水温度为1550℃时，取样化验，调整元素符合成分要求，然后将稀土硅铁合金和硼铁放入浇包中，将铁水出炉倒入浇包，镇定2分钟后，得耐磨合金液；其中稀土硅铁合金中Ce的含量为39.0％～42.0％。耐磨合金液的浇注温度为1480℃。

本实施例复合辊环的制造装置，同实施例1，此处不再赘述。

实施例3

本实施例耐磨合金，由以下质量百分比的元素组成：C：3.5％、V：15％、Cr：6％、Mo：3.5％、Ni：0.7％、Si：0.7％、Mn：0.8％、B：0.007％、Ce：0.18％、S：0.045％、P：0.047％，余量为铁和其它不可避免的杂质。

本实施例复合辊环，包括辊环芯和耐磨合金层，辊环芯采用韧性较好的低合金钢ZG40Mn预制而成；耐磨合金层为上述耐磨合金。

本实施例复合辊环的制备方法，包括以下步骤：将铸型放入感应加热结晶装置中，再将预制的低合金钢ZG40Mn辊环芯放入铸型，插入砂芯，将浇冒口安置于铸型之上，利用感应加热结晶装置加热辊环芯，加热至1120℃时，由浇冒口浇入耐磨合金液；然后于1300℃保温3分钟后，自然冷却4分钟后，再通过铸型底座上设有的进水口和出水口在下部通冷却水冷却120分钟，以有助于形成一个自下而上的温度梯度，直至凝固完毕，凝固完毕后将铸型和铸件一起从感应加热结晶装置中取出，进行热处理，先1050℃淬火，再450℃—次回火，即得到复合辊环。热处理后复合辊环耐磨合金层的典型组织为：VC+马氏体+奥氏体+M₇C₃+M₂C。

上述耐磨合金液由包括以下步骤的制备方法制得：

按照上述耐磨合金的配方计算得到的各原料重量称取原料生铁、回炉料、高碳铬铁、废钢、钼铁、钒铁、锰铁、镍铁、硅铁，置于中频感应控制炉中熔炼，熔炼时进行多次造渣扒渣，保证铁水的纯净，当铁水温度为1525℃时，取样化验，调整元素符合成分要求，然后将镍铈合金和硼铁放入浇包中，然后将铁水出炉倒入浇包，镇定2分钟后，得耐磨合金液。耐磨合金液的浇注温度为1450℃。

本实施例复合辊环的制造装置，同实施例1，此处不再赘述。

实施例4

本实施例耐磨合金，由以下质量百分比的元素组成：C：2.2％、V：15％、Cr：6％、Mo：3.5％、Ni：0.8％、Si：0.7％、Mn：1.0％、B：0.007％、Ce：0.3％、S：0.045％、P：0.047％，余量为铁和其它不可避免的杂质。

本实施例复合辊环，包括辊环芯和耐磨合金层，辊环芯采用韧性较好的中碳钢ZG45预制而成；耐磨合金层为上述耐磨合金。

本实施例复合辊环的制备方法，包括以下步骤：将铸型放入感应加热结晶装置中，再将预制的中碳钢ZG45辊环芯放入铸型，插入砂芯，将浇冒口安置于铸型之上，利用感应加热结晶装置加热辊环芯，加热至1150℃时，由浇冒口浇入耐磨合金液；然后于1250℃保温3分钟后，自然冷却4分钟后，再通过铸型底座上设有的进水口和出水口在下部通冷却水冷却60分钟，以有助于形成一个自下而上的温度梯度，直至凝固完毕，凝固完毕后将铸型和铸件一起从感应加热结晶装置中取出，进行热处理，先1000℃淬火，再550℃—次回火，即得到复合辊环。热处理后复合辊环耐磨合金层的典型组织为：VC+马氏体+奥氏体+M₇C₃+M₂C。

上述耐磨合金液由包括以下步骤的制备方法制得：

按照上述耐磨合金的配方计算得到的各原料重量称取原料生铁、回炉料、高碳铬铁、废钢、钼铁、钒铁、锰铁、镍铁、硅铁，置于中频感应控制炉中熔炼，熔炼时进行多次造渣扒渣，保证铁水的纯净，当铁水温度为1525℃时，取样化验，调整元素符合成分要求，然后将铁铈合金和硼铁放入浇包，然后将铁水出炉倒入浇包，镇定2分钟后，得耐磨合金液。耐磨合金液的浇注温度为1450℃。

本实施例复合辊环的制造装置，同实施例1，此处不再赘述。

实验例

以高铬铸铁辊环为对比例，对实施例1-4及对比例所得辊环进行耐磨性、硬度、韧性测试，其中，利用自制模拟辊环实际工况的滚动磨损试验机，测量试样磨损性能、硬度；利用冲击试验机测量冲击韧性，实验结果如表1所示。

表1实施例1-4及对比例辊环的性能测试结果

试样	硬度/HRC	冲击韧性/Jcm-2	耐磨性*
				高铬铸铁	61.2	5.2	1
实施例1	60.2	9.6	2.3
				实施例2	63.5	7.9	4.2
实施例3	64.6	6.3	4.5
				实施例4	65.5	5.8	5.1

*耐磨性以高铬铸铁为标准，高铬铸铁的耐磨性为1。

由表1内容可知，采用本发明耐磨合金作为耐磨合金层得到的复合辊环，耐磨性好，性价比高，耐磨性是高铬铸铁的2-5倍。

Claims (10)

1.一种耐磨合金，其特征在于，由以下质量百分比的元素组成：C：2.2-3.5％、V：5-15％、Cr：3-6％、Mo：1.5-3.5％、Ni：0.5-0.8％、Si：0.5-1.0％、Mn：0.5-1.0％、B：0.005-0.01％、稀土元素：0.1-0.3％，余量为铁和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的耐磨合金，其特征在于，所述稀土元素为Ce。

3.一种复合辊环，包括辊环芯和耐磨合金层，其特征在于，所述耐磨合金层为如权利要求1所述的耐磨合金。

4.根据权利要求3所述的复合辊环，其特征在于，所述辊环芯为低合金钢或中碳钢；所述低合金钢为ZG35CrMo、ZG40Cr或ZG40Mn；所述中碳钢为ZG35、ZG45或ZG50。

5.根据权利要求3所述的复合辊环，其特征在于，所述复合辊环由辊环芯与耐磨合金层通过感应加热凝固结晶的方法复合熔铸为一体。

6.一种如权利要求3所述的复合辊环的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：将辊环芯放入铸型，将辊环芯加热至1100～1150℃时，向铸型内壁与辊环芯外壁之间的腔体中浇入耐磨合金液；然后于1200～1300℃保温1～3分钟后，冷却成型，即得。

7.根据权利要求6所述的复合辊环的制造方法，其特征在于，所述冷却为先自然冷却2～4min，再通冷却水冷却30～120min。

8.根据权利要求6所述的复合辊环的制造方法，其特征在于，还包括以下步骤：冷却成型后进行热处理，所述热处理为先950～1050℃淬火，再450～550℃回火。

9.一种如权利要求3所述的复合辊环的制造装置，包括铸型，其特征在于，所述铸型上设置有砂箱，所述铸型下方设有铸型底座，所述铸型内部设有腔体，所述砂箱上设置有用来向所述腔体中注入耐磨合金液的浇冒口。

10.根据权利要求9所述的复合辊环的制造装置，其特征在于，所述铸型底座内设置有水冷通道，所述铸型底座外周面上设置有与水冷通道相连的进水口和出水口。