CN108130492A - 悬臂辊及其制造方法 - Google Patents

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CN108130492A CN201711255771.5A CN201711255771A CN108130492A CN 108130492 A CN108130492 A CN 108130492A CN 201711255771 A CN201711255771 A CN 201711255771A CN 108130492 A CN108130492 A CN 108130492A
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Abstract

本发明公开一种悬臂辊及其制造方法，悬臂辊的化学组分及其重量百分比为：碳0.30～0.39%，锰1～2%，硅1～1.8%，铬27～29%，镍47～49%，钨4～6%，硫0.25～0.35%，磷0.3～0.5%，余量为铁和不可避免的杂质。本发明可以解决现有技术中悬臂辊性能不佳、使用寿命比较短的问题。

Description

悬臂辊及其制造方法
技术领域
本发明涉及钢材冶炼设备技术领域，尤其涉及一种悬臂辊及其制造方法。
背景技术
悬臂辊例如可被使用于炼钢领域的步进加热炉，以轧钢加热炉为例，悬臂辊的作用是引导钢坯的出、入，把钢坯送入粗轧轧机。但是，在使用中发现这种悬臂辊存在以下缺点：1.由于炉内温度高达1100°c，在运转过程中热胀冷缩的作用下辊头经常焊口开裂，辊头断裂；2.辊头材质为45#钢，在高温作用下的快速氧化，辊身抗磨强度大大降低，经常磨漏，漏水，直到辊头脱落；3.辊头漏水故障直接影响加热炉炉内耐火材料使用寿命；4.辊头脱落后，辊道速度达不到，严重影响生产节奏。因此，如何提高加热炉悬臂辊的使用寿命、减少备件消耗、降低故障发生率及减少职工劳动强度，多年来已成为棒材车间需要解决的重要技术难题。
发明内容
因此，本发明的目的之一在于提供一种悬臂辊及其制造方法，以解决现有技术中悬臂辊性能不佳的问题。
为达上述目的，本发明提供一种，悬臂辊，该悬臂辊的化学组分及其重量百分比为：碳0.30～0.39%，锰1～2%，硅1～1.8%，铬27～29%，镍47～49%，钨4～6%，硫 0.25～0.35%，磷 0.3～0.5%，余量为铁和不可避免的杂质。
作为可选的技术方案，该悬臂辊的化学组分及其重量百分比为：碳0.33%，锰1.5%，硅1.2%，铬28%，镍48%，钨5%，硫0.3%，磷0.4%，余量为铁和不可避免的杂质。
本发明还提供一种如上所述的悬臂辊的制造方法，该悬臂辊的制造方法包括以下步骤：
（1）冶炼工艺：按照上述化学组分及其重量百分比配置钢材原料，在电弧炉中进行初步熔炼，熔炼完成后将钢水置于精炼炉中对钢水进行精炼，精炼温度为1590～1650℃；检测并调整各化学组分含量至合格后，调节温度至1500～1560℃出钢，采用模铸形式浇注成钢锭；
（2）锻造工艺：加热钢锭至1200～1250℃，保温时间7～9小时；然后锻造成辊坯，并对辊坯进行热处理和车削加工；
（3）调质淬火处理及机械加工：对步骤（2）得到的辊坯进行调质淬火处理;该调质脆火处理的淬火温度970～990℃，淬火时间8～14h，回火温度580℃～630℃，回火时间10～20小时，且调质淬火处理后精车热轧辊工作面到规定尺寸；以及
（4）最终热处理：在1010～1060℃的温度下对热轧辊进行整体淬火处理，冷却方式为喷水冷却；以及，将热轧辊进行回火处理，回火温度为500～550℃，然后空冷至室温；回火完成后，按照所需尺寸对热轧辊的各部位再次进行精加工，得到该悬臂辊。
作为可选的技术方案，步骤（4）中，淬火时间为2～6小时，回火时间为45～80小时。
作为可选的技术方案，步骤（4）中，回火处理重复三次，三次回火总时间共计45～80小时。
作为可选的技术方案，步骤（1）中初步熔炼时，原料的投放批次顺序为：铬和锰、镍、钨、其余剩余成分，其中各批次投入组分的时间间隔为15～25分钟，投料后搅拌均匀。
与现有技术相比，本发明通过合理的选择及调配化学成分及其含量，再来配合合理的热处理方法及工艺，使得获得的悬臂辊具有最佳的机械性能和使用性能，具体如下具有以下有点：
（1）本发明打破了大家公认的硫、磷含量不能超过 0.03% 的规定，反而发现，在本发明化学组成及其重量百分比下，生产出来的悬臂辊具有耐高温、自润滑、耐磨损等优点，在应用中悬臂辊不需要润滑或少许润滑，从而减轻工作人员的工作强度。
（2）本发明不含稀有金属 Co，这样降低了生产成本。
（3）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，但是钼价格昂贵，所以本发明在悬臂辊材料的化学成分配比中，选用了价格较低的 Si、Mn 来提高材料的淬透性，并改变了材料组织中的贝氏体，这种形态分布组织具有较高的稳定性、强韧性、抗裂纹萌生能力，且还具有非常高的抗裂纹扩展能力。
（4）本发明改进的铸造、热处理工艺能够有效细化晶粒，提高基体显微硬度，进一步提高耐磨性。而且本发明通过对各化学成分重量百分比的调整，发现，在本发明化学组成及其重量百分比下，铬、钨、镍含量的提高，使得悬臂辊的强度和韧性明显提高。最终悬臂辊辊面的硬度高度81～82，无论其抗拉强度还是其冲击韧性都相比现有技术有很大的提高和改善。
（5）本发明的悬臂辊的高的抗热裂性的实现，一方面通过铸造及热处理工艺细化晶粒， 另一方面在成分中添加了Ni等具有强化基体作用的合金元素， 可显著提高基体组织的强度， 增强轧制时抵抗较高的变形抗力的能力。
关于本发明的优点与精神可以藉由以下的发明详述得到进一步的了解。
具体实施方式
本发明提供一种悬臂辊，该悬臂辊的化学组分及其重量百分比为：碳0.30～0.39%，锰1～2%，硅1～1.8%，铬27～29%，镍47～49%，钨4～6%，硫 0.25～0.35%，磷 0.3～0.5%，余量为铁和不可避免的杂质。其中，较佳地，悬臂辊的化学组分及其重量百分比为：碳0.33%，锰1.5%，硅1.2%，铬28%，镍48%，钨5%，硫0.3%，磷0.4%，余量为铁和不可避免的杂质。本发明的悬臂采用钢ZG40Cr28Ni48W5Si2。
本发明还提供一种如上所述的悬臂辊的制造方法，该悬臂辊的制造方法包括以下步骤：
（1）冶炼工艺：按照上述化学组分及其重量百分比配置钢材原料，在电弧炉中进行初步熔炼，熔炼完成后将钢水置于精炼炉中对钢水进行精炼，精炼温度为1590～1650℃；检测并调整各化学组分含量至合格后，调节温度至1500～1560℃出钢，采用模铸形式浇注成钢锭；
（2）锻造工艺：加热钢锭至1200～1250℃，保温时间7～9小时；然后锻造成辊坯，并对辊坯进行热处理和车削加工；
（3）调质淬火处理及机械加工：对步骤（2）得到的辊坯进行调质淬火处理;该调质脆火处理的淬火温度970～990℃，淬火时间8～14h，回火温度580℃～630℃，回火时间10～20小时，且调质淬火处理后精车热轧辊工作面到规定尺寸；以及
（4）最终热处理：在1010～1060℃的温度下对热轧辊进行整体淬火处理，淬火时间为2～6小时，冷却方式为喷水冷却；以及，将热轧辊进行回火处理，回火温度为500～550℃，回火时间为45～80小时，然后空冷至室温；回火完成后，按照所需尺寸对热轧辊的各部位再次进行精加工，得到该悬臂辊。
其中，步骤（4）中，回火处理重复三次，三次回火总时间共计45～80小时。例如，第一次回火温度500℃，回火时间15小时；第二次回火温度550℃，回火时间25小时；第三次回火温度500℃，回火时间15小时，三次回火时间共计55小时。
而且，步骤（1）中初步熔炼时，原料的投放批次顺序为：铬和锰、镍、钨、其余剩余成分，其中各批次投入组分的时间间隔为15～25分钟，投料后搅拌均匀。
另外，在最终热处理之前，常规采用的方式是于880～930℃的温度下进行调质淬火处理或者在1070℃的温度下进行正火处理，前者的目的主要是改善晶粒大小并达到合适的机械加工硬度，但是由于加热温度不够高，大块碳化物无法充分溶解，后期的最终热处理将无法发挥材料最好的综合性能；后者加热温度过高，能够充分溶解组织间的合金碳化物，但是加热时间需要精确控制，否则在如此高温下极其容易出现粗晶现象，且正火后组织硬度较高，不利于机械加工。而本发明采用970～990℃的温度进行调质淬火处理，能够保证得到细小的晶粒；同时，适当延长淬火保温时间，能够促使合金碳化物充分溶解，奥化转变更为充分。
本发明的悬臂辊的化学成份的选择及配比设计依据如下：
碳（C）：碳（C）是钢中重要的组成元素，它以固溶和形成碳化物的方式提高钢的强度，当C含量过高时，组织中碳化物量增多，有利于悬臂辊硬度的提高，韧性降低；当 C含量过低时初生奥氏体生长区间变宽，晶粒粗大，悬臂辊耐磨性降低。因此本发明将C含量控制在0.30～0.39%较合适。
铬（Cr）：铬（Cr）是强烈的碳化物形成元素，是提高悬臂辊耐磨性最有效的元素之一，随着Cr含量的增加悬臂辊组织中将形成一定数量的Cr7C3 型碳化物，Cr7C3 型碳化物的显微硬度可达到2000～2500HV，耐磨性好，而且Cr7C3型碳化物热稳定性高于 Fe3C 型碳化物。Cr能提高钢的淬透性，提高悬臂辊的抗接触疲劳性能，而且铬和硅能生成致密的Cr2O3、SiO2等保护膜，阻碍氧化的继续进行，能够提高钢的抗氧化性，因此本发明能够将Cr含量控制在27～29% 较合适。
硅：Si通常固溶于基体之中，较高的Si有利于推迟低温回火脆性的产生， 并起到固溶强化作用，当 Si 含量过高时，会使奥氏体区域缩小，共晶和共析转变温度提高，易于形成铁素体，降低了悬臂辊的使用性能，通常将 Si 含量控制在1～1.8%较合适。
钨：W 是强烈的碳化物形成元素，是提高高速钢耐磨性最有效的合金元素。历史上，是高速钢的首选元素，其它元素的贡献都要折算成W当量。W主要生成W2C和WC型碳化物硬度高、耐磨性好，同时 W 又能提高高速钢的淬硬性和抗氧化性，而且加入一定量的W时，因增大了原子间的结合力，也减慢了固溶体中的扩散过程，使热强度提高。所以，本发明的产品将 W 含量控制在4～6% 较合适。
锰和镍：锰（Mn）和镍（Ni）一样都是细化钢的基体组织、提高钢的强度和韧性的有效元素， Ni有利于改善钢的力学性能，增加钢的淬透性。Mn又是阻碍石墨化促进碳化物形成的元素，当含量过高时，又会导致组织中残余奥氏体量的增加，残余奥氏体在悬臂辊的热处理和使用过程中是不利的。因此在成分设计中 Mn含量控制在1～2%， Ni 含量控制在47～49%较合适。
下面给出本发明中的几个具有代表性的实施例，以便于对本发明进行详细的说明。实施例中的数据、工艺流程等属于个例，对本发明并无任何限制和约束。
实施例1
一种悬臂辊，其化学组分及其重量百分比为：碳0.33%，锰1.5%，硅1.2%，铬28%，镍48%，钨5%，硫0.3%，P磷0.4%，余量为铁和不可避免的杂质。上述悬臂辊采用以下制造方法值得：
（1）冶炼工艺：按照上述化学组分及其重量百分比配置钢材原料，在电弧炉中进行初步熔炼，熔炼完成后将钢水置于精炼炉中对钢水进行精炼，精炼温度为1590℃；检测并调整各化学组分含量至合格后，调节温度至1500℃出钢，采用模铸形式浇注成钢锭；
（2）锻造工艺：加热钢锭至1200℃，保温时间9小时；然后锻造成辊坯，并对辊坯进行热处理和车削加工；
（3）调质淬火处理及机械加工：对步骤（2）得到的辊坯进行调质淬火处理;该调质脆火处理的淬火温度970℃，淬火时间14h，回火温度580℃，回火时间20小时，且调质淬火处理后精车热轧辊工作面到规定尺寸；以及
（4）最终热处理：在1010℃的温度下对热轧辊进行整体淬火处理，淬火时间为6小时，冷却方式为喷水冷却；以及，将热轧辊进行回火处理，第一次回火温度500℃，回火时间15小时；第二次回火温度550℃，回火时间25小时；第三次回火温度500℃，回火时间15小时，三次回火时间共计55小时，然后空冷至室温；回火完成后，按照所需尺寸对热轧辊的各部位再次进行精加工，得到该悬臂辊。
实施例2
一种悬臂辊，其化学组分及其重量百分比为：碳0.3%，锰1%，硅1.8%，铬29%，镍47%，钨4%，硫0.25%，P磷0.5%，余量为铁和不可避免的杂质。上述悬臂辊采用以下制造方法值得：
（1）冶炼工艺：按照上述化学组分及其重量百分比配置钢材原料，在电弧炉中进行初步熔炼，熔炼完成后将钢水置于精炼炉中对钢水进行精炼，精炼温度为1650℃；检测并调整各化学组分含量至合格后，调节温度至1560℃出钢，采用模铸形式浇注成钢锭；
（2）锻造工艺：加热钢锭至1250℃，保温时间7小时；然后锻造成辊坯，并对辊坯进行热处理和车削加工；
（3）调质淬火处理及机械加工：对步骤（2）得到的辊坯进行调质淬火处理;该调质脆火处理的淬火温度990℃，淬火时间8h，回火温度580℃，回火时间10小时，且调质淬火处理后精车热轧辊工作面到规定尺寸；以及
（4）最终热处理：在1060℃的温度下对热轧辊进行整体淬火处理，淬火时间为2小时，冷却方式为喷水冷却；以及，将热轧辊进行回火处理，第一次回火温度500℃，回火时间25小时；第二次回火温度550℃，回火时间40小时；第三次回火温度500℃，回火时间25小时，三次回火时间共计80小时，然后空冷至室温；回火完成后，按照所需尺寸对热轧辊的各部位再次进行精加工，得到该悬臂辊。
实施例3
一种悬臂辊，其化学组分及其重量百分比为：碳0.39%，锰2%，硅1%，铬27%，镍49%，钨6%，硫0.35%，P磷0.3%，余量为铁和不可避免的杂质。上述悬臂辊采用以下制造方法值得：
（1）冶炼工艺：按照上述化学组分及其重量百分比配置钢材原料，在电弧炉中进行初步熔炼，熔炼完成后将钢水置于精炼炉中对钢水进行精炼，精炼温度为1600℃；检测并调整各化学组分含量至合格后，调节温度至1540℃出钢，采用模铸形式浇注成钢锭；
（2）锻造工艺：加热钢锭至1230℃，保温时间8小时；然后锻造成辊坯，并对辊坯进行热处理和车削加工；
（3）调质淬火处理及机械加工：对步骤（2）得到的辊坯进行调质淬火处理;该调质脆火处理的淬火温度980℃，淬火时间11h，回火温度600℃，回火时间15小时，且调质淬火处理后精车热轧辊工作面到规定尺寸；以及
（4）最终热处理：在1050℃的温度下对热轧辊进行整体淬火处理，淬火时间为4小时，冷却方式为喷水冷却；以及，将热轧辊进行回火处理，第一次回火温度500℃，回火时间10小时；第二次回火温度550℃，回火时间25小时；第三次回火温度500℃，回火时间10小时，三次回火时间共计45小时，然后空冷至室温；回火完成后，按照所需尺寸对热轧辊的各部位再次进行精加工，得到该悬臂辊。
将实施例1-3中制备的悬臂辊进行性能测试，包括最高工作温度、抗拉强度、冲击韧性以及硬度检测。测试数据见表1。
表1 悬臂辊的性能测试结果
最高工作温度（℃） 抗拉强度（Mpa） 冲击韧性J/cm2 硬度（HSD）
实施例1 ≥1200 440 60 78～80
实施例2 ≥1250 460 58 77～81
实施例3 ≥1250 465 62 75～79
其中，表面硬度是使用专用的轧辊肖氏硬度计检测。从上可知，本发明的悬臂辊的硬度能达到75-81HSD，且其他性能（包括最高工作温度、抗拉强度以及冲击韧性）亦均表现优异。
综上所述，本发明通过合理的选择及调配化学成分及其含量，再来配合合理的热处理方法及工艺，使得获得的悬臂辊具有最佳的机械性能和使用性能，具体如下具有以下有点：
（1）本发明打破了大家公认的硫、磷含量不能超过 0.03% 的规定，反而发现，在本发明化学组成及其重量百分比下，生产出来的悬臂辊具有耐高温、自润滑、耐磨损等优点，在应用中悬臂辊不需要润滑或少许润滑，从而减轻工作人员的工作强度。
（2）本发明不含稀有金属 Co，这样降低了生产成本。
（3）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，但是钼价格昂贵，所以本发明在悬臂辊材料的化学成分配比中，选用了价格较低的 Si、Mn 来提高材料的淬透性，并改变了材料组织中的贝氏体，这种形态分布组织具有较高的稳定性、强韧性、抗裂纹萌生能力，且还具有非常高的抗裂纹扩展能力。
（4）本发明改进的铸造、热处理工艺能够有效细化晶粒，提高基体显微硬度，进一步提高耐磨性。而且本发明通过对各化学成分重量百分比的调整，发现，在本发明化学组成及其重量百分比下，铬、钨、镍含量的提高，使得悬臂辊的强度和韧性明显提高。最终悬臂辊辊面的硬度高度81～82，无论其抗拉强度还是其冲击韧性都相比现有技术有很大的提高和改善。
（5）本发明的悬臂辊的高的抗热裂性的实现，一方面通过铸造及热处理工艺细化晶粒， 另一方面在成分中添加了Ni等具有强化基体作用的合金元素， 可显著提高基体组织的强度， 增强轧制时抵抗较高的变形抗力的能力。
藉由以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的保护范围加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的权利要求的保护范围内。因此，本发明所申请的权利要求的保护范围应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

Claims (6)

1.一种悬臂辊，其特征在于，该悬臂辊的化学组分及其重量百分比为：
碳0.30～0.39%，锰1～2%，硅1～1.8%，铬27～29%，镍47～49%，钨4～6%，硫 0.25～0.35%，磷 0.3～0.5%，余量为铁和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的悬臂辊，其特征在于，该悬臂辊的化学组分及其重量百分比为：
碳0.33%，锰1.5%，硅1.2%，铬28%，镍48%，钨5%，硫0.3%，磷0.4%，余量为铁和不可避免的杂质。
3.一种如权利要求1～2中任意一项所述的悬臂辊的制造方法，该悬臂辊的制造方法包括以下步骤：
（1）冶炼工艺：按照上述化学组分及其重量百分比配置钢材原料，在电弧炉中进行初步熔炼，熔炼完成后将钢水置于精炼炉中对钢水进行精炼，精炼温度为1590～1650℃；检测并调整各化学组分含量至合格后，调节温度至1500～1560℃出钢，采用模铸形式浇注成钢锭；
（2）锻造工艺：加热钢锭至1200～1250℃，保温时间7～9小时；然后锻造成辊坯，并对辊坯进行热处理和车削加工；
（3）调质淬火处理及机械加工：对步骤（2）得到的辊坯进行调质淬火处理;该调质脆火处理的淬火温度970～990℃，淬火时间8～14h，回火温度580℃～630℃，回火时间10～20小时，且调质淬火处理后精车热轧辊工作面到规定尺寸；以及
（4）最终热处理：在1010～1060℃的温度下对热轧辊进行整体淬火处理，冷却方式为喷水冷却；以及，将热轧辊进行回火处理，回火温度为500～550℃，然后空冷至室温；回火完成后，按照所需尺寸对热轧辊的各部位再次进行精加工，得到该悬臂辊。
4.如权利要求3所述的悬臂辊的制造方法，其特征在于，步骤（4）中，淬火时间为2～6小时，回火时间为45～80小时。
5.如权利要求3所述的悬臂辊的制造方法，其特征在于，步骤（4）中，回火处理重复三次，三次回火总时间共计45～80小时。
6.如权利要求3所述的悬臂辊的制造方法，其特征在于，步骤（1）中初步熔炼时，原料的投放批次顺序为：铬和锰、镍、钨、其余剩余成分，其中各批次投入组分的时间间隔为15～25分钟，投料后搅拌均匀。
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