CN108588565B

CN108588565B - 一种含铝高硼高速钢轧辊材料及其制造方法

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Publication number: CN108588565B
Application number: CN201810615610.0A
Authority: CN
Inventors: 张亚光; 符寒光
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2038-06-14
Also published as: CN108588565A

Abstract

一种含铝高硼高速钢轧辊材料及其制造方法，属于轧辊材料技术领域。其化学成分的质量百分比为：1.3‑1.8％B，0.4‑0.7％C，3.0‑6.0％Cr，1.3‑1.8％Mo，0.8‑1.3％Al，0.8‑1.3％Si，1.4‑1.9％V，0.9‑1.4％Mn，0.006‑0.010％RE，0.030‑0.070％Mg，S<0.04％，P<0.04％，Fe余量。利用电炉熔炼，采用砂型铸造成型，经变质处理、淬火和回火热处理后，其硬度达到61.7‑63.1HRC，耐磨性好，冲击韧性提高120％以上。钢中不含昂贵的钨、钴元素，钒、钼元素的含量也较少，生产成本低廉。

Description

一种含铝高硼高速钢轧辊材料及其制造方法

技术领域

本发明公开了一种高速钢轧辊材料及其制造方法，特别涉及一种含铝高硼高速钢轧辊材料及其制造方法，属于轧辊材料技术领域。

背景技术

磨损失效是轧辊的一种主要失效形式，每年都会造成巨大的经济损失。由于高速钢具有高的硬度、优良的耐磨性和热稳定性，因而广泛的应用于轧钢生产中。

中国发明专利CN100999804公开了一种新型高碳高钨高速钢轧辊材料，其化学成分和含量为：C：2.0％-3.0％，W：6.0％-18.0％，V：2.0％-4.0％，Mo：1.0％-3.0％，Cr：3.0％-9.0％，Si、Mn<1.2％，其余为Fe。该发明中高碳高钨高速钢轧辊采用电磁离心铸造法。高碳高钨高速钢在一定强度的离心力和电磁力综合作用下，使大量的钨取代钒形成MC型复合碳化物，提高了MC型碳化物的密度和硬度，使MC型碳化物的偏析得到控制，其性能远高于普通高速钢轧辊。此外，减少了钒元素的添加量，也无需添加大量的钼来改善一次碳化物的分布。但是，高碳高钨高速钢轧辊中存在较多价格昂贵的钨元素，生产成本较高。中国发明专利CN101037760还公开了一种高碳高钒高速钢复合轧辊材料及其热处理方法，该高碳高钒高速钢轧辊外层的化学成分为：C：1.8％-3.0％，V：3.0％-6.0％，Cr：4.0％-6.0％，Mo：3.0％-6.0％，W：1.0％-3.0％，Nb：1.0％-5.0％，Co：1.0％-5.0％，Si<1.0％，Mn<1.5％，P、S<0.04％，Y：0.05％-0.20％，Ti：0.08％-0.25％，Mg：0.03％-0.12％，Zr：0.04％-0.18％，Te：0.02％-0.12％，余量为Fe。该发明采用离心铸造方法，再经淬火和回火热处理后，得到的高碳高钒高速钢轧辊的硬度到达63-67HRC，耐磨性好，抗拉强度达到950MPa-1100MPa，冲击韧性达到15J/cm²-18J/cm²。应用该发明制备的轧辊，可降低轧辊消耗，提高轧钢机作业率，延长换辊周期，改善轧材表面质量。但是，高碳高钒高速钢轧辊中仍存在较多的钒、钼、钨等昂贵合金元素，导致成本较高。中国发明专利CN10575029还公开了一种高钨高耐磨高速钢复合轧辊及其制备方法，该轧辊由辊芯(球铁)、复合轧辊外层(高钨高速钢)和复合轧辊过渡层(球铁)3部分组成。其外层成分为：C：2.2％-2.5％，W：6.5％-6.8％，Cr：8.6％-9.0％，V：4.2％-4.5％，Mo：2.5％-2.8％，Mn<0.45％，Si<0.76％，P、S<0.04％，余量为Fe。该发明采用离心铸造，在离心机上浇注轧辊外层，然后浇入过渡层，最后填芯，得到复合轧辊，再经过淬火和回火热处理后，轧辊外层硬度大于84HSD，耐磨性好，辊芯强度大于650MPa，且外层高钨高速钢与过渡层以及过渡层与辊芯球铁是良好的冶金结合。高钨高耐磨高速钢复合轧辊使用安全、可靠，使用中无断辊、剥落和开裂形象，用于棒材轧机和板带轧机上，使用寿命比高镍铬无限冷硬铸铁轧辊提高6倍以上。但是，高钨高耐磨高速钢复合轧辊中也存在许多昂贵的钒、钨等合金元素，生成成本仍较高。

在高速钢中加入适量的硼元素，得到的高硼高速钢轧辊材料具有高的硬度和耐磨性，同时，廉价的硼元素可以部分取代钨、钼、钒等昂贵合金元素，降低轧辊的制造成本。此外，在高速钢中加入适量的铝元素可以细化显微组织，还可以提高高速钢的红硬性。同时，铝元素还可以形成致密坚固的Al₂O₃氧化膜，提高高速钢在高温下的抗氧化性和耐磨性。然而，含铝高硼高速钢的铸态组织中，硼碳化物以连续网状的形式沿晶界分布，严重破坏了基体的连续性，使得含铝高硼高速钢的韧性较低，在冲击环境下使用时容易出现脆断。

发明内容

本发明的目的是在含铝高硼高速钢中加入适量的稀土硅镁合金，用于细化凝固组织，并在浇注过程中，加入多元合金颗粒，改善硼碳化物的形态和分布。在此基础上进行改善组织和提高材料性能的淬火和回火热处理，最终得到马氏体和断网分布的硼碳化物，在保持含铝高硼高速钢较高硬度的前提下，提高其韧性。最终得到具有较低成本的含铝高硼高速钢轧辊材料。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明铸钢可电炉生产，其制造工艺步骤是：

①将废钢和增碳剂加热熔化，当温度达到1490-1510℃时加入铬铁和钼铁，当温度达到1540-1560℃时加入锰铁、硅铁和钒铁，当温度达到1580-1600℃时加入硼铁；

②为保证硼的收得率，当硼铁熔化后立即出炉，出炉温度为1610-1630℃；

③浇包中预先放入纯铝；同时，将含有RE和Mg的稀土硅镁合金(其中RE的质量百分含量为2％和Mg的质量百分含量为11％)破碎成Φ3-Φ4mm的颗粒，经220℃以下烘干2－3小时后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；得到含铝高硼高速钢轧辊材料的化学组成及质量分数如下：1.3-1.8％B，0.4-0.7％C，3.0-6.0％Cr，1.3-1.8％Mo，0.8-1.3％Al，0.8-1.3％Si，1.4-1.9％V，0.9-1.4％Mn，0.006-0.010％RE，0.030-0.070％Mg，S<0.04％，P<0.04％，Fe余量；

④铸件用砂型铸造，钢水浇铸温度为1470-1490℃，钢水浇注过程中，随钢水流加入尺寸1.5-2.5mm的多元合金颗粒，多元合金颗粒加入量占进入铸型内钢水质量分数的3.3-3.6％，多元合金颗粒的化学组成及质量分数如下：12.07-13.52％K,6.86-7.33％Zn,5.92-6.45％Ca,10.44-11.08％Zr,4.23-4.59％N,余量Al，钢水浇注完毕后空冷至室温；

⑤对铸件进行热处理；铸件随炉加热至1140-1160℃，保温1-2小时后，水冷至室温；淬火后的铸件在500-530℃下进行一次回火处理，保温4-6小时后，空冷至室温。

轧辊材料的性能是由其化学成分和热处理工艺确定的，本发明轧辊材料的化学成分是这样确定的：

碳：碳是间隙固溶强化的元素，一般固溶于马氏体八面体间隙而导致较大的畸变，因而少量的碳就可以对钢产生显著的强化效应。此外，碳元素有利于高速钢淬透性的提高，且还可以与绝大多数的过渡族金属元素反应生成各种具有高硬度、良好高温稳定性的碳化物，从而可以显著提高高速钢的耐磨性和热稳定性。当碳含量过低时，只有少量的碳固溶于奥氏体中，且生成的碳化物数量较少，这将导致材料的硬度、热硬性及耐磨性等性能急剧下降。当碳含量过高时，虽然会提高奥氏体中的碳含量，并且可以获得大量的碳化物，在一定程度上能提高高速钢的硬度，但是也会使碳化物的偏析程度急剧增加，导致高速钢的抗弯强度、韧性、热塑性及挠度等性能显著降低。因此，碳含量控制在0.4-0.7％。

硼：硼加入高速钢轧辊中，少量进入基体，提高基体的淬透性，大部分易与铁、铬等元素结合，形成硬度高、热稳定性好的合金硼化物，有利于提高高速钢轧辊的硬度、耐磨性和高温稳定性。另外，少量硼可以代替钒、钼、钨等昂贵的合金元素，降低高速钢轧辊的生产成本。当硼的加入量过少时，形成的合金硼化物数量较少，高速钢的硬度和耐磨性提高的不明显。当硼的加入量过多时，会导致材料的韧性显著降低。因此，硼含量控制在1.3-1.8％。

铬：加入铬可以提高高速钢的淬透性，还可以防止或降低碳化物析出的速度，使铬离散分布在基体，导致强硬度增大。同时，铬还可以增加高速钢的抗氧化性及抗腐蚀能力。但是，如果加入过量的铬，多余的铬参与回火时沉淀析出的碳化物的形成，这种含铬碳化物在较低温度时容易析出，降低高速钢的稳定性。因此，铬元素的加入量为3.0-6.0％。

钼：钼可以明显提高高速钢的红硬性和高温硬度，改善高速钢的高温抗磨性能。但是钼的价格昂贵，加入量不易太高，因此，钼的加入量控制在1.3-1.8％。

钒：加入适量钒元素，可形成高硬度的碳化物，有利于改善耐磨性。提高钒含量还可显著提高高速钢的高温硬度，对改善高速钢轧辊的高温耐磨性也非常有利。但钒含量过高时，会导致晶界处出现龟裂，基体易首先受到磨损，轧材易粘附在轧辊表面，使其表面粗糙，从而降低轧材表面质量。此外，钒是昂贵的合金元素，过多加入会增加轧辊的生产成本。因此，钒的加入量为1.4-1.9％。

锰：锰是强奥氏体形成元素。锰溶入基体时可以提高钢的淬透性，促进马氏体的形成。锰含量过高时，锰会溶于碳化物中使碳化物变得更脆，易产生裂纹，在磨损过程中，易折断。因此，锰的加入量控制在0.9-1.4％。

硅：硅是非碳化物形成元素，主要固溶于基体，具有阻碍碳化物析出的趋向，能细化回火时析出的二次碳化物，使回火硬度提高。硅还能细化奥氏体晶粒。但是，加入过多的硅后，容易产生夹杂物，损害合金的强度和韧性。因此，硅的加入量为0.8-1.3％。

铝：铝是非碳化物形成元素，主要固溶于基体，可以提高高速钢的红硬性和高温抗氧化性。过量的铝加入后，促进铁素体和珠光体的形成，降低轧辊硬度。同时，铝含量过高时，将会使熔炼的困难度增加，浇注时的流动性降低，易出现铸造缺陷。因此，铝的加入量为0.8-1.3％。

稀土和镁：稀土和镁主要起脱氧、脱硫、细化凝固组织、改善碳化物和硼化物形态和分布的作用，从而提高高速钢轧辊的综合力学性能。但是，当稀土和镁的加入量过多时，形成的夹杂物增多，降低高速钢轧辊的性能。因此，稀土和镁的加入量分布为0.006-0.010％和0.030-0.070％。

此外，为了进一步改善轧辊材料的性能，本发明在钢水浇注过程中，随钢水流加入尺寸1.5-2.5mm的多元合金颗粒，多元合金颗粒加入量占进入铸型内钢水质量分数的3.3-3.6％，多元合金颗粒的化学组成及质量分数如下：12.07-13.52％K,6.86-7.33％Zn,5.92-6.45％Ca,10.44-11.08％Zr,4.23-4.59％N。加入上述多元合金颗粒，可以进一步细化轧辊材料组织，并改善碳硼化合物的形态和分布，进一步提高轧辊材料的强度和韧性。

含铝高硼高速钢轧辊的性能还与热处理工艺有关，其制定依据如下：

高速钢在较低温度淬火时，合金元素不能充分固溶于奥氏体中，导致钢的淬透性降低，基体中易出现铁素体和珠光体组织。而且低温淬火后钢中的碳化物的形态和分布变化不明显，钢的性能较差。当淬火温度过高时，钢易过烧，出现严重的脱碳、脱硼，导致性能降低。淬火温度为1140-1160℃，保温1-2小时，水冷后，含铝高硼高速钢的基体为马氏体组织，硼碳化物呈断网分布，且分布较为均匀，性能最佳。

含铝高硼高速钢经淬火处理后，存在较大的内应力，需要进行回火处理以消除内应力，稳定组织。当回火温度较低或回火时间较短时，内应力去除不彻底。当回火温度较高或回火时间较长时，马氏体组织发生分解，钢的硬度下降明显。因此，含铝高硼高速钢在500-530℃下进行一次回火处理，保温4-6小时，空冷至室温后，回火效果最佳。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

(1)本发明中含铝高硼高速钢不含昂贵的钨、钴元素，并且钒、钼元素的含量也较少，因此生产成本低廉；

(2)本发明中含铝高硼高速钢淬火后的硼碳化物发生团球化，呈断网分布。再经过500-530℃回火一次，回火保温4-6小时后，就可以满足使用要求，减少了回火次数；

(3)本发明中含铝高硼高速钢热处理后的硬度达到61.7-63.1HRC，具有优越的耐磨性；

(4)本发明中含铝高硼高速钢的冲击韧性达到100KJ/m²以上，比普通含铝高硼高速钢的韧性提高了120％以上。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

用500公斤中频感应电炉熔炼本发明材料，其制造工艺步骤是：

①将废钢和增碳剂加热熔化，当温度达到1500℃时加入铬铁和钼铁，当温度达到1550℃时加入锰铁、硅铁和钒铁，当温度达到1600℃时加入硼铁；

②为保证硼的收得率，当硼铁熔化后立即出炉，出炉温度为1620℃；

③浇包中预先放入纯铝；同时，将稀土硅镁合金(含有2％RE和11％Mg)破碎成Φ3-Φ4mmmm的颗粒，经220℃以下烘干后2小时，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；得到含铝高硼高速钢轧辊材料的化学组成及质量分数如下：1.35％B，0.44％C，3.51％Cr，1.77％Mo，0.80％Al，0.86％Si，1.9％V，1.4％Mn，0.007％RE，0.070％Mg，0.021％S，0.028％P<，Fe余量；

④铸件用砂型铸造，钢水浇铸温度为1480℃，钢水浇注过程中，随钢水流加入尺寸1.5-2.5mm的多元合金颗粒，多元合金颗粒加入量占进入铸型内钢水质量分数的3.6％，多元合金颗粒的化学组成及质量分数如下：13.52％K,6.86％Zn,6.45％Ca,10.44％Zr,4.59％N,余量Al，钢水浇注完毕后空冷至室温；

⑤对铸件进行热处理；铸件随炉加热至1150℃，保温1小时后，水冷至室温；淬火后的铸件在530℃下进行一次回火处理，保温4小时后，空冷至室温。含铝高硼高速钢的力学性能见表1。

实施例2：

用750公斤中频感应电炉熔炼本发明材料，其制造工艺步骤是：

①将废钢和增碳剂加热熔化，当温度达到1490℃时加入铬铁和钼铁，当温度达到1540℃时加入锰铁、硅铁和钒铁，当温度达到1580℃时加入硼铁；

②为保证硼的收得率，当硼铁熔化后立即出炉，出炉温度为1630℃；

③浇包中预先放入纯铝；同时，将稀土硅镁合金(含有2％RE和11％Mg)破碎成Φ3-Φ4mmmm的颗粒，经220℃以下烘干后3小时，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；得到含铝高硼高速钢轧辊材料的化学组成及质量分数如下：1.51％B，0.59％C，5.07％Cr，1.55％Mo，1.03％Al，0.84％Si，1.48％V，1.06％Mn，0.008％RE，0.044％Mg，0.027％S，0.038％P，Fe余量；

④铸件用砂型铸造，钢水浇铸温度为1490℃，钢水浇注过程中，随钢水流加入尺寸1.5-2.5mm的多元合金颗粒，多元合金颗粒加入量占进入铸型内钢水质量分数的3.3％，多元合金颗粒的化学组成及质量分数如下：12.07％K,7.33％Zn,5.92％Ca,10.44％Zr,4.59％N,余量Al，钢水浇注完毕后空冷至室温；

⑤对铸件进行热处理；铸件随炉加热至1140℃，保温2小时后，水冷至室温；淬火后的铸件在500℃下进行一次回火处理，保温6小时后，空冷至室温。含铝高硼高速钢的力学性能见表1。

表1含铝高硼高速钢的力学性能

力学性能	硬度/HRC	硬度差/HRC	冲击韧性/KJ.m<sup>-2</sup>
				实施例1	61.7	0.4	114
实施例2	62.2	0.5	109

Claims

1.一种含铝高硼高速钢轧辊材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

③浇包中预先放入纯铝；同时，将含有RE和Mg的稀土硅镁合金，其中RE的质量百分含量为2％和Mg的质量百分含量为11％，破碎成Φ3-Φ4mm的颗粒，经220℃以下烘干2-3小时后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；得到含铝高硼高速钢轧辊材料的化学组成及质量分数如下：1.3-1.8％B，0.4-0.7％C，3.0-6.0％Cr，1.3-1.8％Mo，0.8-1.3％Al，0.8-1.3％Si，1.4-1.9％V，0.9-1.4％Mn，0.006-0.010％RE，0.030-0.070％Mg，S<0.04％，P<0.04％，Fe余量；

⑤对铸件进行热处理；铸件随炉加热至1140-1160℃，保温1-2小时后，水冷至室温；淬火后的铸件在500-530℃下进行一次回火处理，保温4-6小时后，空冷至室温；热处理后的硬度达到61.7-63.1HRC，冲击韧性达到100KJ/m²以上。