CN107760849B - 一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法，属于钢材加工领域，步骤如下：将工作辊进行连续感应热处理，使工作辊表面迅速升温至1020～1100℃，升温至预设温度的同时进行雾冷，然后持续雾冷50～70min，最后确保返温温度不高于100℃。本发明的淬火方法无污染，所需设备要求低，工作辊表面硬度大，心部韧度高，过渡层以均匀下降的硬度梯度过度，符合上机要求，实现了辊身连续感应淬火不开裂，提高了热处理成功率，降低了生产成本。

Description

一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法
技术领域
本发明涉及淬火方法，尤其是一种高合金冷作模具钢大规格冷轧工作辊的淬火方法，属于钢材加工领域。
背景技术
随着冷轧轧制技术不断发展以及产品质量要求的提高，对轧辊性能的要求也越来越高。为了得到高性能的轧辊，轧辊的合金含量越来越高，特别是用于黑皮轧制的工作辊，以十八辊机为代表的多辊轧机，其工作辊材质主要为冷作模具钢Cr12Mo1V1、Cr12MoV或M2。由于其规格较大、合金含量极高，现有锻造工艺不能很好的将碳化物粉碎，致使基体含有大量呈鱼骨状或带状分布的共晶碳化物。
轧辊制备过程中淬火是最关键的步骤，淬火的成功与否直接决定了轧辊的硬度、韧性、抗疲劳度等性能的高低。为了提高轧辊的性能，提高共晶碳化物的均匀度，轧辊制备过程需要优化淬火(热处理)方式，而最理想的淬火方式为盐浴炉或气氛炉淬火，但其高昂的设备费用及环境污染，给企业带来极大的负担，特别是当产品批量较小时更体现出了整体淬火的弊端。
现有的工作辊的制备流程为配料-制坯-粗车-连续多次加热-冷却-高温淬火-回火，按照现有的技术，利用中频设备，对材质为Cr12MoV的工作辊进行试验生产，经实践证明，当轧辊直径大于170mm时，轧辊淬火纵裂致废率在50％以上，且直径越大，淬火风险越大；对成品硬度及金相组织进行检测，结果为硬度较低，且存在大量不均匀分布的共晶碳化物，辊面质量低。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法，能够在轧辊制备过程淬火时避免轧辊开裂，降低制备过程淬火致废率，提高工作辊的硬度与应力承受力，降低企业生产成本。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法，步骤如下：将工作辊进行连续感应热处理，使工作辊表面迅速升温至1020～1100℃，升温至预设温度的同时进行雾冷，然后持续雾冷50～70min，最后确保返温温度不高于100℃。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述高合金冷作模具钢中包括的化学组分及其重量百分含量为含C 1.45～1.70％，Si 0～0.40％，Mn 0～0.40％，Cr 11.00～12.50％，Mo 0.40～0.60％，V 0.15～0.30％。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述高合金冷作模具钢中包括的化学组分及其重量百分含量为含C1.40～1.60％，Si 0～0.60％，Mn 0～0.60％，Cr 11.00～13.00％，Mo 0.70～1.20％,V 0～1.10％。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述工作辊的直径为150～260mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述连续感应热处理是用普通中频设备对工作辊进行扫描加温，扫描速度V与工作辊直径D的关系为V＝K×D,K的取值范围为0.3～0.6，其中V的单位为mm/min,D的单位为mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述普通中频设备为500KW中频淬火机床，工作频率为200～600Hz，扫描感应器高度为80～150mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述雾冷是在出水口通入风机，风机的风速为20700～20800m3/h，出水口的水速为11～13L/min。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明提供的一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法，能够在轧辊制备过程淬火过程中避免轧辊发生开裂，降低制备过程淬火致废率，提高工作辊的硬度与应力承受力，降低企业生产成本。本发明制备的工作辊表面硬度大，心部韧度高，过渡层以均匀下降的硬度梯度过渡，符合上机要求；淬火方法无污染，所需设备要求低。
本发明的淬火方法致废率低，得到的工作辊性能高。本发明针对的工作辊的材质为Cr12MoV或Cr12MoV1冷作模具钢，合金含量极高，直径为150～240mm，规格较大，利用本发明的淬火方法将淬火致废率从50％以上降为0，大大降低了企业的生产成本；淬火之前在680～750℃保温一段时间，在该温度范围内使得工作辊内外温度一致，为后续工序做好温度准备，高于或者低于该温度范围在后续高温加热时会导致工作辊表面有明显的裂纹出现。
本发明的淬火是连续感应加热+雾冷，加热与雾冷是同时进行的，保证了冷却速度又缩短了生产时间，提高了生产效率；连续感应加热时温度为1020～1100℃，雾冷时水速为11～13L/min，风速为20700～20800m3/h，在该温度、水速、风速及合适的工作辊运行速度范围内，与传统淬火方法相比，避免了碳化物粉碎不彻底、大量成鱼骨状或带状分布的共晶碳化物的现象出现，使得共晶碳化物形状细小且呈均匀分布的状态；而且，保证了工作辊的表面高硬度及心部高韧度。
本发明的淬火过程的持续冷却及返温温度确定，进一步保证了淬火过程工作辊的冷却程度。持续冷却时保证雾冷条件不变，持续50～70min，保证工作辊被冷透，内外冷却程度相同；确保返温温度不高于100℃，保证了工作辊内外温度恢复一致，进一步消除了内部应力，提高了工作辊的硬度。
本发明淬火方法无污染，对设备要求低。采用普通中频设备进行淬火即可实现辊身连续感应淬火不开裂，也实现了小批量的辊身淬火；淬火过程没有污染物产出，符合环保要求。
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：
一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法，冷作模具钢的型号为Cr12MoV或Cr12Mo1V1，其中Cr12MoV化学组分包括C、Si、Mn、Cr、Mo和V，各组分重量百分含量为C1.45～1.70％，Si0～0.40％，Mn0～0.40％，Cr11.00～12.50％，Mo 0.40～0.60％，V 0.15～0.30％，其余为Fe和不可避免的杂质；Cr12Mo1V1化学组分包括C、Si、Mn、Cr、Mo和V，各组分重量百分含量为C 1.40～1.60％，Si0～0.60％，Mn0～0.60％，Cr 11.00～13.00％，Mo0.70～1.20％,V 0～1.1％，其余为Fe和不可避免的杂质。按照上述配方制备辊坯，然后对辊坯进行粗车制备工作辊，工作辊的直径为150～260mm。接着对工作辊进行预备热处理，加热温度为950～1000℃，之后再油冷，冷却至油温。油冷后将工作辊加热到680～750℃，进行回火并保温一段时间。
保温完成后，将工作辊迅速进行连续感应加热，使工作辊表面迅速升温至1020～1100℃，连续感应热处理是利用普通中频设备进行的，普通中频设备为500KW中频淬火机床，工作频率为200～600Hz，扫描感应器高度为80～150mm。扫描速度V与工作辊直径D的关系为V＝Kb×D,Kb的取值范围为0.3～0.6，其中V的单位为mm/min,D的单位为mm。当工作辊的表面温度升到预设温度后，迅速进行雾冷，雾冷是在出水口通入风机，通过风机加速形成均匀的雾冷效果，风机的风速为20700～20800m3/h，出水口的水速为11～13L/min，对工作辊加热与雾冷是同时进行的，加热结束后持续雾冷50～70min，之后检测工作辊的温度，确保返温温度不高于100℃，淬火即完成。
淬火完成后对工作辊进行一次回火，回火温度为120～140℃，时间为25～35h；之后进行深冷处理，温度为-150～-50℃，时间为1～5h；最后进行二次回火，回火温度为190～210℃，时间为25～35h。
实施例1
一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法，冷作模具钢的化学组分及各组分重量百分含量见表1，按照上述配方制备辊坯，然后对辊坯进行粗车制备工作辊，工作辊的直径为150mm。接着对工作辊进行预备热处理，加热温度为950℃，之后再油冷，冷却至油温。油冷后将工作辊加热到680℃，进行回火并保温一段时间。
保温完成后，将工作辊迅速进行连续感应加热，使工作辊表面迅速升温至1020℃，连续感应热处理是利用普通中频设备进行的，普通中频设备为500KW中频淬火机床，工作频率为200Hz，扫描感应器高度为80mm。扫描速度V与工作辊直径D的关系为V＝0.3D,其中V的单位为mm/min,D的单位为mm。当工作辊的表面温度升到预设温度后，迅速进行雾冷，雾冷是在出水口通入风机，通过风机加速形成均匀的雾冷效果，风机的风速为20700m3/h，出水口的水速为11L/min，对工作辊加热与雾冷是同时进行的，加热结束后持续雾冷50min，之后检测工作辊的温度，确保返温温度为100℃，淬火即完成。
淬火完成后对工作辊进行一次回火，回火温度为120℃，时间为25h；之后进行深冷处理，温度为-50℃，时间为5h；最后进行二次回火，回火温度为190℃，时间为25h。
实施例2
一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法，冷作模具钢的化学组分及各组分重量百分含量见表1，按照上述配方制备辊坯，然后对辊坯进行粗车制备工作辊，工作辊的直径为260mm。接着对工作辊进行预备热处理，加热温度为1000℃，之后再油冷，冷却至油温。油冷后将工作辊加热到750℃，进行回火并保温一段时间。
保温完成后，将工作辊迅速进行连续感应加热，使工作辊表面迅速升温至1100℃，连续感应热处理是利用普通中频设备进行的，普通中频设备为500KW中频淬火机床，工作频率为600Hz，扫描感应器高度为150mm。扫描速度V与工作辊直径D的关系为V＝0.6D,其中V的单位为mm/min,D的单位为mm。当工作辊的表面温度升到预设温度后，迅速进行雾冷，雾冷是在出水口通入风机，通过风机加速形成均匀的雾冷效果，风机的风速为20800m3/h，出水口的水速为13L/min，对工作辊加热与雾冷是同时进行的，加热结束后持续雾冷70min，之后检测工作辊的温度，确保返温温度为90℃，淬火即完成。
淬火完成后对工作辊进行一次回火，回火温度为140℃，时间为25h；之后进行深冷处理，温度为-150℃，时间为1h；最后进行二次回火，回火温度为210℃，时间为25h。
实施例3
一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法，冷作模具钢的化学组分及各组分重量百分含量见表1，按照上述配方制备辊坯，然后对辊坯进行粗车制备工作辊，工作辊的直径为200mm。接着对工作辊进行预备热处理，加热温度为980℃，之后再油冷，冷却至油温。油冷后将工作辊加热到700℃，进行回火并保温一段时间。
保温完成后，将工作辊迅速进行连续感应加热，使工作辊表面迅速升温至1060℃，连续感应热处理是利用普通中频设备进行的，普通中频设备为500KW中频淬火机床，工作频率为400Hz，扫描感应器高度为110mm。扫描速度V与工作辊直径D的关系为V＝0.4D,其中V的单位为mm/min,D的单位为mm。当工作辊的表面温度升到预设温度后，迅速进行雾冷，雾冷是在出水口通入风机，通过风机加速形成均匀的雾冷效果，风机的风速为20800m3/h，出水口的水速为12L/min，对工作辊加热与雾冷是同时进行的，加热结束后持续雾冷60min，之后检测工作辊的温度，确保返温温度为80℃，淬火即完成。
淬火完成后对工作辊进行一次回火，回火温度为130℃，时间为30h；之后进行深冷处理，温度为-100℃，时间为3h；最后进行二次回火，回火温度为200℃，时间为30h。
实施例4
一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法，冷作模具钢的化学组分及各组分重量百分含量见表1，按照上述配方制备辊坯，然后对辊坯进行粗车制备工作辊，工作辊的直径为180mm。接着对工作辊进行预备热处理，加热温度为960℃，之后再油冷，冷却至油温。油冷后将工作辊加热到720℃，进行回火并保温一段时间。
保温完成后，将工作辊迅速进行连续感应加热，使工作辊表面迅速升温至1080℃，连续感应热处理是利用普通中频设备进行的，普通中频设备为500KW中频淬火机床，工作频率为300Hz，扫描感应器高度为90mm。扫描速度V与工作辊直径D的关系为V＝0.5D，其中V的单位为mm/min,D的单位为mm。当工作辊的表面温度升到预设温度后，迅速进行雾冷，雾冷是在出水口通入风机，通过风机加速形成均匀的雾冷效果，风机的风速为20700m3/h，出水口的水速为13L/min，对工作辊加热与雾冷是同时进行的，加热结束后持续雾冷65min，之后检测工作辊的温度，确保返温温度为70℃，淬火即完成。
淬火完成后对工作辊进行一次回火，回火温度为120℃，时间为35h；之后进行深冷处理，温度为-50℃，时间为5h；最后进行二次回火，回火温度为210℃，时间为30h。
实施例5
一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法，冷作模具钢的化学组分及各组分重量百分含量见表1，按照上述配方制备辊坯，然后对辊坯进行粗车制备工作辊，工作辊的直径为160mm。接着对工作辊进行预备热处理，加热温度为990℃，之后再油冷，冷却至油温。油冷后将工作辊加热到700℃，进行回火并保温一段时间。
保温完成后，将工作辊迅速进行连续感应加热，使工作辊表面迅速升温至1040℃，连续感应热处理是利用普通中频设备进行的，普通中频设备为500KW中频淬火机床，工作频率为500Hz，扫描感应器高度为120mm。扫描速度V与工作辊直径D的关系为V＝0.3D，其中V的单位为mm/min,D的单位为mm。当工作辊的表面温度升到预设温度后，迅速进行雾冷，雾冷是在出水口通入风机，通过风机加速形成均匀的雾冷效果，风机的风速为20750m3/h，出水口的水速为11L/min，对工作辊加热与雾冷是同时进行的，加热结束后持续雾冷55min，之后检测工作辊的温度，确保返温温度为60℃，淬火即完成。
淬火完成后对工作辊进行一次回火，回火温度为130℃，时间为30h；之后进行深冷处理，温度为-150℃，时间为1h；最后进行二次回火，回火温度为200℃，时间为30h。
对照试验
一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法，冷作模具钢的化学组分及各组分重量百分含量见表1，与实施例1相同，按照上述配方制备辊坯，然后对辊坯进行粗车制备工作辊，工作辊的直径为150mm。接着对工作辊进行预备热处理，加热温度为950℃，之后再油冷，冷却至油温。
冷却之后将工作辊迅速进行连续感应加热，使工作辊表面迅速升温至1020，连续感应热处理是利用普通中频设备进行的，工作频率为200Hz，扫描速度为45mm/min；当工作辊的表面温度升到预设温度后，空冷，即完成淬火。
淬火完成后对工作辊进行一次回火，回火温度为120℃，时间为25h；之后进行深冷处理，温度为-50℃，时间为5h；最后进行二次回火，回火温度为190℃，时间为25h。
表1冷作模具钢化学组分及各组分重量百分含量
Figure BDA0001495193670000081
Figure BDA0001495193670000091
对实施例1～5及对照试验制备完成的工作辊(每个实施例制备的工作辊数量为5个)进行检测，检测结果见表2。
表2
检测指标 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对照试验
平均硬度(HSD) 85 90 87 84 88 75
表面是否开裂 否 否 否 否 否 是
淬火致残率(％) 0 0 0 0 0 56
通过表2可以看出，利用本发明的淬火方法对高合金冷作模具钢大规格工作辊进行淬火的致残率为0，与对照试验的56％的致残率相比有绝对的优势；工作辊硬度为84～90HSD，比对照试验75HSD明显大很多；工作辊表面无裂纹，优于对照试验。

Claims (4)

1.一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法，其特征在于步骤如下：将工作辊进行连续感应热处理，使工作辊表面迅速升温至1020～1100℃，升温至预设温度的同时进行雾冷，然后持续雾冷50～70min，最后确保返温温度不高于100℃；
所述连续感应热处理是用普通中频设备对工作辊进行扫描加温，扫描速度V与工作辊直径D的关系为V=K×D,K的取值范围为0.3～0.6，其中V的单位为mm/min,D的单位为mm；
所述普通中频设备为500KW中频淬火机床，工作频率为200～600Hz，扫描感应器高度为80～150mm；
所述雾冷是在出水口通入风机，风机的风速为20700～20800m3/h，出水口的水速为11～13L/min。
2.根据权利要求1所述的一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法，其特征在于：所述高合金冷作模具钢中包括的化学组分及其重量百分含量为含C 1.45～1.70％，Si0～0.40％，Mn 0～0.40％，Cr 11.00～12.50％，Mo 0.40～0.60％，V 0.15～0.30％。
3.根据权利要求1所述的一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法，其特征在于：所述高合金冷作模具钢中包括的化学组分及其重量百分含量为含C1.40～1.60％，Si 0～0.60％，Mn 0～0.60％，Cr 11.00～13.00％，Mo 0.70～1.20％,V 0～1.10％。
4.根据权利要求1所述的一种高合金冷作模具钢大规格工作辊的淬火方法，其特征在于：所述工作辊的直径为150～260mm。
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