CN111318661A - 大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴及其制造方法 - Google Patents

大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴及其制造方法。所述辊轴的外径800‑1000mm，壁厚100‑140mm，包括如下质量百分比的化学成分：碳1.9‑2.4％，硅<1.0％，锰0.5‑1.2％，硫<0.05％，磷<0.05％，铬13.0‑17.0％，镍1.0‑2.0％，钼0.3‑1.0％，铜0.1‑1.0％，钛<0.1％，钒<0.1％，铌<0.1％，0.01％<钛+钒+铌<0.1％，其余为铁和不可避免的杂质。本发明克服了大尺寸辊轴在制造过程中容易开裂、成品率低的问题，制备的大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴硬度高、韧性好，使用寿命长；其制造方法科学合理，简单易行。

Description

大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴及其制造方法
技术领域
本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴及其制造方法，该大尺寸双辊破碎机主要用于冶金、水泥、建材、耐火材料、磨料等领域。
背景技术
双辊破碎机是利用两组单独传动的辊轴，相对旋转产生的挤轧力和磨剪力来破碎物料的机械设备。当物料进入机器的破碎腔以后，物料受到转动辊轴的啮力作用，使物料被逼通过两辊之间，同时受到辊轴的挤轧和剪磨，物料即开始碎裂，碎裂后的小颗粒沿着辊子旋转的切线，通过两辊轴的间隙，向机器下方抛出，超过间隙的大颗粒物料，继续被破碎成小颗粒排出。
为提高生产效率，双辊破碎机的辊轴设计尺寸越来越大，直径达到800mm以上，为延长辊轴的使用寿命，辊轴整体采用同种耐磨材料，且厚度达到100mm以上。这种大尺寸的辊轴既要求有高的硬度和耐磨性以保证有长久的应用时间，又要求有较高的韧性，在破碎含水物料时还要求具有良好的耐蚀性。
目前，用于制造辊轴的材料主要有高锰钢、低合金耐磨钢和抗磨白口铸铁。高锰钢和低合金耐磨钢韧性好，但耐磨性和耐蚀性不足。抗磨白口铸铁硬度高、耐磨性好，但韧性不足，在制造大尺寸辊轴时容易开裂，成品率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴，克服大尺寸辊轴在制造过程中容易开裂、成品率低的问题，制备的大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴硬度高、韧性好，使用寿命长；本发明同时提供其制造方法，科学合理，简单易行。
本发明所述的大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴，辊轴的外径800-1000mm，壁厚100-140mm，包括如下质量百分比的化学成分：
碳1.9-2.4％，硅<1.0％，锰0.5-1.2％，硫<0.05％，磷<0.05％，铬13.0-17.0％，镍1.0-2.0％，钼0.3-1.0％，铜0.1-1.0％，钛<0.1％，钒<0.1％，铌<0.1％，0.01％<钛+钒+铌<0.1％，其余为铁和不可避免的杂质。
优选地，包括如下质量百分比的化学成分：
碳1.9-2.2％，硅<0.8％，锰0.5-1.0％，硫<0.04％，磷<0.04％，铬13.0-16.0％，镍1.0-2.0％，钼0.5-0.8％，铜0.2-0.8％，钛<0.08％，钒<0.08％，铌<0.08％，0.01％<钛+钒+铌<0.08％，其余为铁和不可避免的杂质。
进一步优选地，包括如下质量百分比的化学成分：
碳1.9-2.1％，硅<0.8％，锰0.5-1.0％，硫<0.04％，磷<0.04％，铬13.0-15.0％，镍1.4-1.6％，钼0.5-0.6％，铜0.3-0.4％，钛<0.05％，钒<0.05％，铌<0.05％，0.01％<钛+钒+铌<0.05％，其余为铁和不可避免的杂质。
本发明所述的大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴的制造方法，由以下步骤组成：
(1)电炉熔炼：将碳、废钢、钒铁、钛铁、铌铁、铬铁、钼铁、铜、纯镍或镍铁按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.10-0.20％的铝脱氧后出炉；
(2)离心浇注：将出炉钢水采用卧式离心机浇注成辊轴，钢水浇注温度为1380-1420℃；
(3)退火：将辊轴加热到850-900℃保温4-8h，炉冷至室温；退火后的肖氏硬度为：50-58HS；
(4)机械加工：将退火后的辊轴表面氧化皮车削去除；
(5)最终热处理，最终热处理后的肖氏硬度为：77-82HS；
(6)精加工：将最终热处理后的辊轴加工成最终尺寸；
步骤(5)的最终热处理工艺为：淬火：将辊轴以1-5℃/min的速度加热到500-700℃预热2-4h，然后再以1-5℃/min的速度加热到980-1020℃保温4-6h，空冷至200-300℃，立即进行回火；
回火：将淬火后的辊轴以1-5℃/min的速度加热到500-600℃保温4-8h，空冷。
其中，优选的工艺条件如下：
步骤(3)的退火工艺为：将辊轴以1-5℃/min的速度加热到500-700℃保温3-5h，再以1-5℃/min的速度加热到850-900℃保温4-8h，炉冷到650-750℃保温3-5h，然后炉冷至室温。
下面对本发明大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴化学成分的选择理由解释如下：
碳：碳是影响高铬合金辊轴硬度和韧性的主要元素，其含量高时，组织中碳化物数量多，基体硬度高，耐磨性好，但含量过高，碳化物数量过多，使韧性下降，使用中易断裂，因此，碳的质量分数以1.9-2.4％为宜，优选的化学成分为1.9-2.2％，进一步优选的化学成分为1.9-2.1％。
铬：铬是高铬合金辊轴的主要合金元素，形成碳化物，提高硬度和耐磨性以及耐蚀性。但加入量过多，会增加碳化物的数量，增加辊轴的脆性，制造和使用中易出现裂纹。因此，合适的铬的质量分数是13.0-17.0％，优选的化学成分为13.0-16.0％，进一步优选的化学成分为13.0-15.0％。
镍：在高铬合金辊轴中加入镍，稳定奥氏体，抑制珠光体形成，提高淬透性。但加入量过多，会降低高铬合金辊轴的硬度和耐磨性，且增加辊轴的成本。因此，合适的Ni的质量分数是1.0-2.0％，进一步优选的化学成分为1.4-1.6％。
钼：在高铬合金辊轴中加入少量钼，可以提高淬透性，抑制珠光体形成，抑制第二类回火脆性。但钼属于强碳化物形成元素，加入量过多，增加退火难度，合适的钼的质量分数是0.3-1.0％，优选的化学成分为0.5-0.8％，进一步优选的化学成分为0.5-0.6％。
锰：在高铬合金辊轴中加入锰，可以代替镍稳定奥氏体，提高淬透性，降低成本，但Mn改善韧性方面不如镍。合适的Mn的质量分数是0.5-1.2％，优选的化学成分为0.5-1.0％。
硅：高铬合金辊轴中含有硅，会降低辊轴的韧性，其含量尽量降低。当硅的质量分数在0.8％以下时，对辊轴的韧性影响不大。硅是有害元素，降低塑性、易开裂，越低越好。
钒、钛和铌：钒、钛和铌是强碳化物形成元素，形成的碳化物熔点高、稳定性好，在辊轴中含有少量钒、钛和铌，可使凝固组织细化，有利于碳化物断网，提高轧辊的强度和韧性，改善轧辊耐磨性。但含量过多，碳化物量增加，损害辊轴的韧性，增加辊轴生产过程中的开裂倾向，含量过低，不起作用。因此，合适的质量分数为钛<0.1％，钒<0.1％，铌<0.1％，0.01％<钛+钒+铌<0.1％，优选的化学成分为0.01％<钛+钒+铌<0.08％，进一步优选的化学成分为0.01％<钛+钒+铌<0.05％。
磷：可防止辊轴离心铸造成型过程中的产生开裂，但容易造成热处理过程中的开裂，属于有害元素，其含量尽量降低，磷的质量分数低于0.05％时，影响很小。因此，合适的磷的质量分数控制在0.05％以下。
硫：促进辊轴离心铸造成型过程中的产生开裂，属有害元素，其含量尽量降低。合适的S含量是控制在0.04％以下。
铜：在高铬合金辊轴中加入少量铜，稳定奥氏体，可以提高淬透性，但过量的铜会降低韧性，合适的铜的质量分数是0.1-1.0％，优选的化学成分为0.2-0.8％，进一步优选的化学成分为0.3-0.4％。
本发明大尺寸高铬合金辊轴在生产过程中，由于内应力大，不仅在成型过程中容易开裂，在热处理过程也很容易开裂。为防止热处理过程中发生开裂，本发明对热处理工艺过程进行了严格的控制。退火处理时，通过控制加热速度和冷却方式等措施防止退火过程中出现的开裂。淬火处理时，同样在加热过程采用控制加热速度配合预热，冷却时，不等冷却到室温就及时加热回火，来降低淬火内应力，防止开裂。经热处理后的组织为骨架状M7C3型碳化物+回火屈氏体+少量残余奥氏体。骨架状M7C3型碳化物硬度高，起抗磨作用，基体为回火屈氏体和少量残余奥氏体，具有足够的韧性，保证在使用过程中不断裂。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的双辊破碎机用高铬合金辊轴，通过优选化学成分和制造工艺，克服了大尺寸辊轴在制造过程中，容易开裂，成品率低的缺点，成品率达100％，制造的大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴硬度高、韧性好，使用寿命长。
2、本发明的制造方法，科学合理，简单易行。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例中用到的所有原料除特殊说明外，均为市购。
实施例中辊轴的超声波探伤执行标准GB/T1503-2008。
实施例1
采用中频感应电炉熔炼合金，化学成分见表1。合金辊轴的外径800mm，厚度100mm，其制造工艺具体由以下步骤组成：
(1)电炉熔炼：将碳、废钢、钒铁、钛铁、铌铁、铬铁、钼铁、铜、纯镍按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.15％的铝脱氧后出炉；
(2)离心浇注：将出炉钢水采用卧式离心机浇注成辊轴，钢水浇注温度为1400±10℃；
(3)退火：将辊轴以3℃/min的速度加热到880±10℃保温6h，炉冷至室温；退火后的肖氏硬度为：55HS；
(4)机械加工：将退火后的辊轴表面氧化皮车削去除；
(5)最终热处理：
淬火：将辊轴以5℃/min的速度加热到500±10℃预热2h，然后再以5℃/min的速度加热到1000±20℃保温6h，空冷至200±10℃，立即进行回火；回火：将淬火后的辊轴以5℃/min的速度加热到600±10℃保温4h，空冷。
(6)精加工：将最终热处理后的辊轴加工成最终尺寸。
表1大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴的化学成分(质量百分数)
元素 C Si Mn S P Cr Ni Mo Cu Ti V Nb Fe
含量 2.1 0.7 0.8 0.03 0.02 13.8 1.5 0.5 0.3 0.02 0.01 0.01 余量
辊轴在生产过程中无开裂，辊轴肖氏硬度82HS，超声波探伤结果合格。由于本发明高铬合金中含有较高的铬含量且具有较高的硬度，因此，耐磨性和耐蚀性比传统高锰钢、低合金耐磨钢辊轴大大提高，使用寿命延长2倍以上。
实施例2
采用中频感应电炉熔炼合金，化学成分见表2。合金辊轴的外径1000mm，厚度140mm，其制造工艺具体由以下步骤组成：
(1)电炉熔炼：将碳、废钢、钒铁、钛铁、铌铁、铬铁、钼铁、铜、镍铁按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.1％的铝脱氧后出炉；
(2)离心浇注：将出炉钢水采用卧式离心机浇注成辊轴，钢水浇注温度为1420±10℃；
(3)退火：将辊轴以3℃/min的速度加热到600±10℃保温5h，再以4℃/min的速度加热到880±10℃保温8h，炉冷到700±10℃保温5h，然后炉冷至室温；退火后的肖氏硬度为：53HS；
(4)机械加工：将退火后的辊轴表面氧化皮车削去除；
(5)最终热处理：淬火：将辊轴以4℃/min的速度加热到600±10℃预热4h，然后再以3℃/min的速度加热到1000±20℃保温6h，空冷至250±10℃，立即进行回火；回火：将淬火后的辊轴以3℃/min的速度加热到600±10℃保温5h，空冷。
(6)精加工：将最终热处理后的辊轴加工成最终尺寸。
表2大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴的化学成分(质量百分数)
元素 C Si Mn S P Cr Ni Mo Cu Ti V Nb Fe
含量 2.2 0.8 1.1 0.04 0.01 15.0 1.9 0.5 0.8 0.03 0.02 0.03 余量
辊轴在生产过程中无开裂，辊轴肖氏硬度79HS，超声波探伤结果合格。由于本发明高铬合金中含有较高的铬含量且具有较高的硬度，因此，耐磨性和耐蚀性比传统高锰钢、低合金耐磨钢辊轴大大提高，使用寿命延长2倍以上。
实施例3
采用中频感应电炉熔炼合金，化学成分见表3。合金辊轴的外径900mm，厚度120mm，其制造工艺具体由以下步骤组成：
(1)电炉熔炼：将碳、废钢、钒铁、钛铁、铌铁、铬铁、钼铁、铜、纯镍按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.2％的铝脱氧后出炉；
(2)离心浇注：将出炉钢水采用卧式离心机浇注成辊轴，钢水浇注温度为1380±10℃；
(3)退火：将辊轴以3℃/min的速度加热700±10℃保温3h，再以4℃/min的速度加热到900±10℃保温4h，炉冷到650±10℃保温3h，然后炉冷至室温；退火后的肖氏硬度为：55HS；
(4)机械加工：将退火后的辊轴表面氧化皮车削去除；
(5)最终热处理：将辊轴以3℃/min的速度加热到1000±20℃保温4h，空冷至250±10℃立即回火；回火：将淬火后的辊轴以5℃/min的速度加热到500±10℃保温8h，空冷；
(6)精加工：将最终热处理后的辊轴加工成最终尺寸。
表3大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴的化学成分(质量百分数)
元素 C Si Mn S P Cr Ni Mo Cu Ti V Nb Fe
含量 2.0 0.3 0.7 0.03 0.02 13.5 1.5 0.6 0.3 0.01 0.01 0.02 余量
辊轴在生产过程中无开裂，辊轴肖氏硬度80HS，超声波探伤结果合格。由于本发明高铬合金中含有较高的铬含量且具有较高的硬度，因此，耐磨性和耐蚀性比传统高锰钢、低合金耐磨钢辊轴大大提高，使用寿命延长2倍以上。
对比例1
采用中频感应电炉熔炼合金，化学成分见表4。合金辊轴的外径800mm，厚度100mm，其制造工艺具体由以下步骤组成：
(1)电炉熔炼：将碳、废钢、钒铁、钛铁、铌铁、铬铁、钼铁、纯镍按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.15％的铝脱氧后出炉；
(2)离心浇注：将出炉钢水采用卧式离心机浇注成辊轴，钢水浇注温度为1400±10℃；
(3)退火：将辊轴以3℃/min的速度加热到880±10℃保温6h，炉冷至室温。
退火后的辊轴开裂，肖氏硬度为：68HS；
表4大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴的化学成分(质量百分数)
元素 C Si Mn S P Cr Ni Mo Ti V Nb Fe
含量 3.5 0.9 1.8 0.05 0.06 1.8 1.7 1.1 0.02 0.01 0.01 余量
对比例2
采用中频感应电炉熔炼合金，化学成分见表5。合金辊轴的外径800mm，厚度100mm，其制造工艺具体由以下步骤组成：
(1)电炉熔炼：将碳、废钢、钒铁、钛铁、铌铁、铬铁、钼铁、铜、纯镍按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.15％的铝脱氧后出炉；
(2)离心浇注：将出炉钢水采用卧式离心机浇注成辊轴，钢水浇注温度为1400±10℃；
(3)退火：将辊轴以3℃/min的速度加热到880±10℃保温6h，炉冷至室温；退火后的肖氏硬度为：55HS；
(4)机械加工：将退火后的辊轴表面氧化皮车削去除；
(5)最终热处理：
将辊轴以5℃/min的速度加热到1000±20℃保温4h，空冷至室温，热处理过程中，辊轴开裂。
表5大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴的化学成分(质量百分数)
元素 C Si Mn S P Cr Ni Mo Cu Ti V Nb Fe
含量 2.1 0.5 0.6 0.02 0.04 14.2 1.4 0.6 0.4 0.02 0.01 0.02 余量
对比例3
采用中频感应电炉熔炼合金，化学成分见表6。合金辊轴的外径800mm，厚度100mm，其制造工艺具体由以下步骤组成：
(1)电炉熔炼：将碳、废钢、钒铁、钛铁、铌铁、铬铁、钼铁、铜、纯镍按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.15％的铝脱氧后出炉；
(2)离心浇注：将出炉钢水采用卧式离心机浇注成辊轴，钢水浇注温度为1400±10℃，辊轴在成型过程中发生断裂。
表6大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴的化学成分(质量百分数)
元素 C Si Mn S P Cr Ni Mo Cu Ti V Nb Fe
含量 1.2 0.7 0.7 0.04 0.03 16.2 1.7 0.5 0.3 0.01 0.01 0.02 余量
对比例4
采用中频感应电炉熔炼合金，化学成分见表7。合金辊轴的外径800mm，厚度100mm，其制造工艺具体由以下步骤组成：
(1)电炉熔炼：将碳、废钢、钒铁、钛铁、铌铁、铬铁、钼铁、铜、纯镍按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.15％的铝脱氧后出炉；
(2)离心浇注：将出炉钢水采用卧式离心机浇注成辊轴，钢水浇注温度为1400±10℃；
(3)退火：将辊轴以3℃/min的速度加热到880±10℃保温6h，炉冷至室温；退火后的肖氏硬度为：50HS；
(4)机械加工：将退火后的辊轴表面氧化皮车削去除；
(5)最终热处理：
淬火：将辊轴以5℃/min的速度加热到500±10℃预热2h，然后再以5℃/min的速度加热到1000±20℃保温6h，空冷至200±10℃，立即进行回火；回火：将淬火后的辊轴以5℃/min的速度加热到600±10℃保温4h，空冷。
(6)精加工：将最终热处理后的辊轴加工成最终尺寸。
表7大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴的化学成分(质量百分数)
元素 C Si Mn S P Cr Ni Mo Cu Ti V Nb Fe
含量 2.1 0.8 1.1 0.04 0.02 14.9 1.5 0.2 0.3 0.02 0.01 0.01 余量
辊轴在生产过程中无开裂，辊轴肖氏硬度75HS，超声波探伤结果合格。但是，由于其钼含量比较低，退火后硬度低，淬火后硬度低，韧性低，使用寿命短。
从辊轴本体上取样，进行硬度和韧性检测。硬度检测采用肖氏硬度计检测，韧性检测采用无缺口标准冲击试样，采用夏氏冲击试验法测定冲击吸收功。表8列出了本发明实施例1-3和对比例1-4的性能对比。本发明辊轴经最终处理后具有高的硬度和良好的韧性，生产过程中不开裂。
表8性能对比结果
退火后硬度/HS 最终热处理后硬度/HS 最终热处理后冲击吸收功/J
实施例1 55 82 8.5
实施例2 53 79 10.1
实施例3 55 80 9.5
对比例1 68(退火时开裂) - -
对比例2 55 淬火后未立即回火，开裂 -
对比例3 - - -
对比例4 50 75 4

Claims (5)

1.一种大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴，其特征在于：辊轴的外径800-1000mm，壁厚100-140mm，包括如下质量百分比的化学成分：
碳1.9-2.4％，硅<1.0％，锰0.5-1.2％，硫<0.05％，磷<0.05％，铬13.0-17.0％，镍1.0-2.0％，钼0.3-1.0％，铜0.1-1.0％，钛<0.1％，钒<0.1％，铌<0.1％，0.01％<钛+钒+铌<0.1％，其余为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴，其特征在于：包括如下质量百分比的化学成分：
碳1.9-2.2％，硅<0.8％，锰0.5-1.0％，硫<0.04％，磷<0.04％，铬13.0-16.0％，镍1.0-2.0％，钼0.5-0.8％，铜0.2-0.8％，钛<0.08％，钒<0.08％，铌<0.08％，0.01％<钛+钒+铌<0.08％，其余为铁和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴，其特征在于：包括如下质量百分比的化学成分：
碳1.9-2.1％，硅<0.8％，锰0.5-1.0％，硫<0.04％，磷<0.04％，铬13.0-15.0％，镍1.4-1.6％，钼0.5-0.6％，铜0.3-0.4％，钛<0.05％，钒<0.05％，铌<0.05％，0.01％<钛+钒+铌<0.05％，其余为铁和不可避免的杂质。
4.一种权利要求1-3任一所述的大尺寸双辊破碎机用高铬合金辊轴的制造方法，其特征在于：由以下步骤组成：
(1)电炉熔炼：将碳、废钢、钒铁、钛铁、铌铁、铬铁、钼铁、铜、纯镍或镍铁按化学成分配料放入电炉中熔化，熔清后加入锰铁，调整成分合格后，加入占钢水质量的0.10-0.20％的铝脱氧后出炉；
(2)离心浇注：将出炉钢水采用卧式离心机浇注成辊轴，钢水浇注温度为1380-1420℃；
(3)退火：将辊轴加热到850-900℃保温4-8h，炉冷至室温；
(4)机械加工：将退火后的辊轴表面氧化皮车削去除；
(5)最终热处理；
(6)精加工：将最终热处理后的辊轴加工成最终尺寸；
步骤(5)的最终热处理工艺为：淬火：将辊轴以1-5℃/min的速度加热到500-700℃预热2-4h，然后再以1-5℃/min的速度加热到980-1020℃保温4-6h，空冷至200-300℃，立即进行回火；
回火：将淬火后的辊轴以1-5℃/min的速度加热到500-600℃保温4-8h，空冷。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：步骤(3)的退火工艺为：将辊轴以1-5℃/min的速度加热至500-700℃保温3-5h，再以1-5℃/min的速度加热到850-900℃保温4-8h，炉冷到650-750℃保温3-5h，然后炉冷至室温。
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