CN111748726A - 一种用于穿孔辊的高耐磨材料、穿孔辊及热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于穿孔辊的高耐磨材料，其化学元素质量百分比为：C：0.5％‑0.65％，Si：0.2％‑0.6％，Mn：1.5％‑1.8％，Cr：0‑0.4％，Mo：0.3％‑0.8％，Ti：1.2％‑3.0％，Ni：0.3‑0.7％，余量为Fe及其他不可避免杂质。此外，本发明还公开了一种穿孔辊，其工作层由上述的高耐磨材料制成。另外，本发明还公开了一种用于形成上述的穿孔辊的工作层的热处理方法。该用于穿孔辊的高耐磨材料可以满足使用需求，具有优异的耐磨性能，并且在使用过程中不粘钢、塑性变形少，不会结瘤或是结瘤尺寸小，单次上机天数可以达到七天以上。

Description

一种用于穿孔辊的高耐磨材料、穿孔辊及热处理方法

技术领域

本发明涉及一种材料、具有该材料的制品及该材料的处理方法，尤其涉及一种用于穿孔辊的材料、穿孔辊及热处理方法。

背景技术

穿孔辊是无缝钢管生产中最重要的变形工具，它与导盘、顶头一起将实心管坯穿轧成空心毛管，其中，穿孔辊大多采用辊轴和辊套组合结构，两者采用直接过盈组合或加键过盈组合，轧辊报废后，辊轴可继续使用，以降低成本。

目前，现有技术中的无缝钢管的穿孔辊采用50#钢的材质，该材质的穿孔辊在轧制低合金无缝钢时，可以满足轧制要求，但近年来，无缝钢管产品需求呈现出了更多、更个性化、需求更新越来越快的趋势，除轧制油井管、锅炉管、管线管、结构管等普通无缝管外，13Cr、镍基合金油井管、9Cr系列锅炉石化管等高合金含量、高强度无缝管的数量逐年增加。与普通无缝管相比，轧制高合金含量无缝管时，轧制温度升高、轧制压力增大，因此，采用50#钢材质的穿孔辊单次上机使用5天后，便会出现由于耐磨性不足，在辊面入口锥范围内塑性变形、结瘤和粘钢的现象，并且进而影响钢管表面质量，必须停机进行修磨，且其每次换辊停机时间为5-6小时，5天需停机的周期与检修周期7天/次相差两天，因此会增加停机次数，影响生产效率，增加产线时间成本。

要提高穿孔辊的单次上机使用天数，首先要解决的就是如何改善穿孔辊的耐磨性能。但是，影响穿孔辊耐磨性能的因素有很多，如穿孔辊材质，及材质的成分、组织，及硬度、强度和韧性的综合配置等。目前，虽然有一些研究穿孔辊材质的专利，但其主要研究的是研究穿孔辊的辊形，或是穿孔辊堆焊及所使用的焊剂等，又或是轧制钢管过程中穿孔辊的使用技术，如入口锥的调整等方法。然而，由于各厂家轧制无缝钢管的规格、品种不同，化学成分和力学性能不甚相同，因此，所用穿孔辊的材质也不尽相同，但随着下游客户对无缝钢管力学性能的需求越来越高，特别是高合金无缝钢管的轧制，对穿孔辊的耐磨性能、强度、韧性等要求也不断提高，穿孔辊材质也不断升级。

因此，如何根据现有无缝轧制高合金含量、高强度无缝管时的工况条件和工艺要求，通过设计合理的材质和热处理工艺，从而获得可满足耐磨性能和单次上机使用天数要求的穿孔辊，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种用于穿孔辊的高耐磨材料，该耐磨材料可以满足使用需求，具有优异的耐磨性能，并且在使用过程中不粘钢、塑性变形少，不会结瘤或是结瘤尺寸小，单次上机天数可以达到七天以上。

为了实现上述目的，本发明提出了一种用于穿孔辊的高耐磨材料，其化学元素质量百分比为：

余量为Fe及其他不可避免杂质。

本案发明人通过大量试验研究发现，采用现有技术的钢材质的穿孔辊不耐磨，究其原因在于其属于亚共析钢范围，其耐磨性主要依靠调质层回火索氏体，其次为珠光体，而铁素体的耐磨性差且亲和力很强，容易粘钢。而在使用过程中，珠光体含量逐渐减少，铁素体含量逐渐增加，基体的耐磨性在逐渐降低，穿孔辊辊面就会逐渐出现褶皱，同时由于铁素体粘钢的特点，使钢管上部分金属粘接在辊面，更加剧了褶皱的形成，并因此易形成结瘤。

基于上述发现，本案发明人针对现有技术中的钢材质的穿孔辊耐磨性不足以及粘钢的问题，综合设计本案的高耐磨材料，调整其中的各化学元素成分配比，采用基体强化和碳化物强化的双重效果，一方面增加Mn，从而增强对钢材的基体的强化作用，另一方面，增加易形成稳定型的碳化物M₆C、MC、M₇C₃的合金元素，或是减少易粘钢的合金元素，从而使得本案的高耐磨材料具有高耐磨性，且不会粘钢，避免了在使用时免因入口锥部分不耐磨而产生塑性流变的问题，提高了钢管表面质量，同时，采用本发明所述的高耐磨材料还可以延长穿孔辊单次上机时间和使用寿命。

而本发明所述的用于穿孔辊的高耐磨材料中的各化学元素的设计原理如下所述：

C：在本发明所述的用于穿孔辊的高耐磨材料中，C为高温淬透性和高温强度保持元素，由于增加了合金元素，C含量也随之增加，但C的含量超过本案所限定上限时，则会使韧性降低，因此，在本发明所述的技术方案中控制C的质量百分比在0.5％-0.65％。

Si：Si是熔炼过程中不可缺少的还原剂和脱氧元素，Si可溶入奥氏体中提高基体的屈服强度和弹性极限，提高基体的抗氧化性，提高穿孔辊在高温高湿使用过程中的抗氧化性，有利于提高耐磨性，但Si含量超过本案限定的上限则会降低基体的淬透性，因此，在本发明所述的用于穿孔辊的高耐磨材料中，将Si的质量百分比控制在0.2％-0.6％。

Mn：为了控制成本，因此，在本发明所述的高耐磨材料中采用价格低廉的Mn，在本案，Mn的作用为进一步强化基体，通过固溶强化作用，强化基体，提高基体抵抗裂纹扩展的能力；同时配合C提高基体的淬透性。当Mn的质量百分比>1.5％时，Mn元素与Fe无限固溶，既可以溶于基体，又可以碳化物的形式存在，提高基体的强度，降低穿孔辊在使用过程中耐钢管冲击的能力，减少辊面褶皱。但当Mn>1.8％时，会明显降低Ms点，增加穿孔顾辊正火后残余奥氏体的含量，进而增加断辊风险。因此，在本发明所述的用于穿孔辊的高耐磨材料中，将Mn的质量百分比控制在1.5-1.8％。

Cr：在本发明所述的技术方案中，在穿孔辊材质中加入少量Cr，可以增加材质的抗氧化性能，同时Cr元素可形成M₇C₃碳化物，从而起到强化基体的作用。同时，由于无缝产线的特殊性，一些轧制的13Cr、T91等高合金钢管中，常含有大量的Cr，若穿孔辊中Cr含量过高(例如Cr质量百分比超过0.4％)常发生粘钢现象，因此，本发明所述的用于穿孔辊的高耐磨材料中控制Cr的质量百分比在0-0.4％。

Mo：本发明所述的技术方案中，Mo作为强碳化物形成元素，起到提高奥氏体的稳定性和基体的淬透性，防止第二类回火脆性。当Mo的质量百分比控制在0.3-0.8％时，则可以获得较好的效果，其中，48％的Mo形成M₆C碳化物，提高MC型碳化物的稳定性和基体的抗回火稳定性，可抑制穿孔辊在使用过程中热裂纹的产生；另外的25％的Mo进入M₇C₃碳化物中，它可有效的提高硬度、提高耐磨性和使用寿命。剩余的27％的Mo溶入基体，可以明显地提高材料的淬透性。

Ti：在本发明所述的高耐磨材料的基体中加入钛元素，可起到脱氧、去气、净化钢液的作用，同时，Ti是强碳化物形成元素，并不和其他元素联合形成复合化合物。另外，本发明所述的技术方案还利用了碳化钛稳定和不易分解的特性，使其在基体中弥散分布，从而起到阻止晶粒长大，形成弥散强化的作用。另外，本案发明人发现添加钛元素并经正火后的穿孔辊基体中，晶粒得到了细化，析出的细小碳化钛颗粒可以使得材料基体的耐磨性、强度和冲击韧性得到提高。除此之外，Ti作为硬质元素，可提高穿孔辊的耐磨性；因此，在本发明的技术方案中，控制Ti元素的质量百分比为：1.2-3.0％。

Ni：镍元素可以细化铁素体，增强钢的硬化性能，试验表明，穿孔辊基体中加入镍元素，对提高钢的塑韧性和热强性有明显效果。当Ni<0.3％时，穿孔辊常温塑韧性和热强性增加不明显；当Ni含量在0.3-0.7％之间时，其常温塑韧性和热强性随着Ni含量的增加而增加；当Ni>0.7％时，常温塑韧性和热强性的增加与成本的增加不相符，即性价比不高。

进一步地，在本发明所述的用于穿孔辊的高耐磨材料中，其基体组织为索氏体+贝氏体，或者球化珠光体+贝氏体，其中贝氏体的相比例为10-20％。

进一步地，在本发明所述的用于穿孔辊的高耐磨材料中，其微观组织还具有碳化物M₆C、MC、M₇C₃的至少其中之一。

进一步地，在本发明所述的用于穿孔辊的高耐磨材料中，各化学元素的质量百分配比还满足：C＝0.13Mn+0.012Cr+0.18Mo+0.2Ti。

需要说明的是，上式中C、Mn、Cr、Mo以及Ti分别表示相应元素的质量百分比，代入的数值是其百分号前的数值，例如实施例中C质量百分比为0.56％，则C的代入的数值为0.56。

进一步地，在本发明项所述的用于穿孔辊的高耐磨材料中，其屈服强度为730-770MPa，其抗拉强度为920-970MPa，延伸率为15-20％，硬度为26-30HRC。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种穿孔辊，该穿孔辊力学性能较好，其中，常温抗拉强度、屈服强度、冲击韧性、高温硬度得到明显提高，满足了对于穿孔辊在高温下使用的力学性能要求，且该穿孔辊大幅提高了耐磨性，延长了使用寿命。

为了实现上述目的，本发明还提出了一种穿孔辊，其工作层由上述的高耐磨材料制成。

需要说明的是，现有技术中的辊通常只有距表层10-15mm厚的部分较为耐磨，且该部分通常由珠光体+铁素体组织组成，然而本发明所述的穿孔辊具有更厚的工作层，该工作层可以距离表层15-20mm厚，且该层由通常更为耐磨的回火索氏体+珠光体组织组成，因此使得本发明所述的穿孔辊相较于现有技术更耐磨。

此外，本发明的另一目的在于提供一种用于形成上述的穿孔辊的工作层的热处理方法，

为了实现上述目的，本发明又提出了一种用于形成上述的穿孔辊的工作层的热处理方法，热处理方法包括步骤：

(1)以200-230℃/h的升温速度对穿孔辊进行加热，在590-610℃时，进行8-10min的均温保温；

(2)继续以200-230℃/h的升温速度升温，在790-810℃时，进行8-10min的均温保温；

(3)在890-950℃时，进行正火处理；

(4)当随炉冷却至850-870℃时，保温15-20min，之后进行冷却，控制冷却速度为0.8-1.6℃/s，冷却到300℃以下，出炉空冷；

(5)以200-230℃/h的升温速度加热，在560-640℃温度下回火；

(6)随炉冷却至260-280℃，保温60-70min，之后随炉冷却，再空冷。

与现有技术不同的是，本发明所述的热处理方法采用在正火过程中加入了一次短时保温过程，并且在回火工艺中，在高温回火的同时，加入了下贝氏体转变工艺，通过上述的工艺过程设计使得本案可以形成高热循环稳定性和耐磨性极好的穿孔辊的工作层。

通过本案的热处理方法可以使得穿孔辊的工作层获得索氏体+贝氏体，或者球化珠光体+贝氏体的基体组织，增加珠光体的分散度，细化组织，提高穿孔辊的强度、硬度和耐磨性。

在步骤(1)中，将加热速度设定在200-230℃/h之间，同时进行两次均温保温，可以保证升温过程中工作层部分受热均匀，晶粒不长大，同时可保证辊面和辊芯的温度差异，保证辊芯的韧性不受影响。

而在步骤(3)中，将穿孔辊加热到890-950℃可以使其基体奥氏体化。考虑到本案所形成的穿孔辊的工作层的材料中，增加了Mn、Ni、Cr、Mo和Ti，其中，Mn为基体强化元素；Mo形成M₆C碳化物，在920℃开始固溶于奥氏体，M₆C碳化物相当稳定，不易聚集长大，可增加穿孔辊的硬度与耐磨性。Cr形成M₇C₃碳化物，其是奥氏体中析出的细小碳化物，增加耐磨性，降低摩擦系数。M₇C₃在900℃开始溶入奥氏体中。而M₂₃C₆是另一种Cr的碳化物，在温度为1000-1020℃时开始固溶，因此，在该热处理范围内保持稳定，在基体中起到弥散强化作用，增加基体的高温稳定性和耐磨性。Ti形成MC碳化物，在共析转变时从奥氏体中析出，其开始固溶温度为930-950℃，TiC颗粒细小且分布均匀，起到弥散强化的作用，阻止基体晶粒长大，同时增强基体的耐磨性能。因此，本发明所述的热处理方法，相较于现有技术，适当升高正火温度和适时延长保温时间，其既可以保证工作层基体完全奥氏体化，同时，使较多的碳化物充分溶入基体中，基体合金元素和碳固溶度增加。另外较高的正火温度配合较高的回火温度，可使穿孔辊的强度和抗回火性提高，同时热循环稳定性和耐磨性亦提高。

由于穿孔辊材质中，增加了基体强化元素Mn和合金元素的含量，其强韧性等均需通过控制基体组织和力学性能来实现，因此，在步骤(4)中增加了高温保温工艺，即随炉冷却至850-870℃时，保温15-20min；通过此步骤可为碳化物充分的溶入基体提供充足的时间，同时可使部分珠光体球化，基体的强韧韧性和耐磨性得到提高。同时，控制冷却速度在0.8-1.6℃/s，可以更为有利地获得所需要的基体组织，从而增加基体的耐磨性能。

此外，步骤(5)和步骤(6)为高温回火，并加入下贝氏体转变工艺的回火工艺，其中，步骤(5)采用高温回火，将回火温度控制在560-640℃之间，是因为，钢的微观组织和性能在轧制的冷热疲劳和磨损过程中有较大变化，因此，要获得优异的耐磨性和热循环稳定性，需通过热处理工艺设计，使穿孔辊的硬度、强度、组织能够在高温和冷热循环过程中保持稳定，这主要是提高穿孔辊在循环温度条件下的抗回火性能。因此，较高的抗回火性能要求和高的淬火温度均决定需要较高的回火温度。本案发明人通过大量试验研究发现，MC、M₇C₃碳化物在500-600℃以上高温回火冷却过程中析出，M₂₃C₆在400-500℃以上回火温度，可由被Cr饱和的Fe3C转变而来，或直接从基体析出，它不易聚集长大，析出可使回火硬度略有增加，同时耐磨性和回火稳定性得到较大提高。因此，当回火温度低于560℃时，不足以使较多的碳化物析出，对穿孔辊的的热稳定性影响不明显，同时会造成穿孔辊强度不足，而当回火温度高于640℃时，会造成穿孔辊最终硬度较低。因此，需保证该回火温度在560-640℃之间，以保证穿孔辊硬度满足要求的同时，具有较高的强度和耐磨性。

而步骤(6)是回火随炉冷却至260-280℃时保温60-70min，以获得一定数量的下贝氏体组织，考虑到在600-650℃回火后，穿孔辊基体中生成了足够量的索氏体组织，选择在低于珠光体转变温度和高于马氏体转变温度之间进行保温，晶体发生切变相变与短程扩散相配合的转变，生成一定量的下贝氏体组织，而将下贝氏体转变温度控制在260-280℃范围内，保温控制在60-70min内，所得基体中索氏体和贝氏体的比例最佳，当保温时间高于280℃，保温时间太长时，贝氏体的含量太多，当保温时间低于260℃，保温时间太短时，贝氏体的含量不足，穿孔辊的使用寿命均不理想。需要说明的是，保温60-70min时，下贝氏体的面积分数可达10-20％。由于贝氏体的耐磨性优于珠光体，因此，优选地可以在260-280℃时保温60-70min增加索氏体+贝氏体层的厚度，该厚度可以至少为15-16mm，比常规热处理工艺所获得的索氏体层厚度提高至少5-6mm，使得穿孔辊的耐磨性和使用寿命得到大大的提升。

进一步地，在本发明所述的热处理方法中，在步骤(3)中，正火处理的时间为45-70min。

上述方案中，若正火处理的时间小于45min，则基体奥氏体化不充分，达不到最终组织要求，而正火处理的时间大于70min，则会使得基体晶粒开始长大，穿孔辊的韧性降低。

进一步地，在本发明所述的热处理方法中，在步骤(5)中，回火保温时间为110-130min。

进一步地，在本发明所述的热处理方法中，在步骤(6)中，随炉冷却至190-210℃后，再进行空冷。

相较于现有技术，本发明所述的用于穿孔辊的高耐磨材料、穿孔辊及热处理方法具有如下所述的优点以及有益效果：

本发明所述的用于穿孔辊的高耐磨材料通过改进成分综合配比，调整热处理工艺，实现了用于穿孔辊的高耐磨材料的常温及高温力学性能的全面提升，尤其是高温强韧性和耐磨性能得到大幅提升，有效改善了穿孔辊在使用过程中出现辊面褶皱的问题，消除了粘钢现象，有效延长了穿孔辊单次上机使用天数和使用寿命，提高了生产效率，降低了生产成本。

此外，本发明所述的穿孔辊由于采用了所述的高耐磨材料因而也具有上述的优点以及有益效果。

另外，本发明所述的热处理方法同样具有上述的优点以及有益效果。

附图说明

图1示意了本发明所述的热处理方法在一些实施方式中的工艺流程。

具体实施方式

下面将结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的用于穿孔辊的高耐磨材料、穿孔辊及热处理方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-5

图1示意了本发明所述的热处理方法在一些实施方式中的工艺流程。结合图1对本案的实施例1-5的穿孔辊的制造方法进行详细说明。

需要说明的是，实施例1-5的穿孔辊的工作层所采用的高耐磨材料的化学元素的质量百分配比如表1所示，而工作层采用如图1所示的热处理工艺进行热处理，热处理方法包括步骤：

(1)以200-230℃/h的升温速度对穿孔辊进行加热，在590-610℃时，进行8-10min的均温保温；

(2)继续以200-230℃/h的升温速度升温，在790-810℃时，进行8-10min的均温保温；

(3)在890-950℃时，进行正火处理，正火处理的时间为45-70min；

(4)当随炉冷却至850-870℃时，保温15-20min，之后进行冷却，控制冷却速度为0.8-1.6℃/s，冷却到300℃以下，出炉空冷，回火保温时间为110-130min；

(5)以200-230℃/h的升温速度加热，在560-640℃温度下回火；

(6)随炉冷却至260-280℃，保温60-70min，之后随炉冷却至190-210℃后，再空冷。

表1列出了实施例1-5的穿孔辊所采用的高耐磨材料的化学元素的质量百分配比。

表1.(wt％，余量为Fe及其他不可避免杂质)

表2列出了实施例1-5的穿孔辊在进行热处理工艺过程中的具体工艺参数。

表2.

对上述实施例1-5的穿孔辊进行各项性能测试，并采用现有技术的50#钢制得的穿孔辊作为对比例1，与本案的各实施例进行对比，各项性能测试结果如表3至表5所示。

表3列出了对比例1所采用的的50#钢与本案实施例1-5所采用的高耐磨材料的常温力学性能测试所得的数据。

表3.

由表3可以看出，本案各个实施例的高耐磨材料的常温力学性能优良，其屈服强度为730-770MPa，其抗拉强度为920-970MPa，延伸率为15-20％，硬度为26-30HRC。

表4列出了对比例1所采用的的50#钢与本案实施例1-5所采用的高耐磨材料的高温力学性能测试所得的数据，高温力学性能测试采用500℃的高温硬度表征。

表4.

表5列出了对比例1与本案各实施例的穿孔辊使用时的性能表现。

表5.

结合表1至表5可以看出，本案各实施例的穿孔辊的力学性能全面优于对比例1的力学性能，其常温抗拉强度、屈服强度、冲击韧性、高温硬度均得到明显提高，其中常温屈服强度提高2倍，高温硬度提高了接近3倍，500℃时硬度达35.57HRC，使得本案实施例1-5的穿孔辊可以很好地满足穿孔辊在高温下使用的力学性能要求，由此可以看出，本案的技术方案大幅提高了穿孔辊的耐磨性，延长了其使用寿命。

综上所述，本发明所述的用于穿孔辊的高耐磨材料通过改进成分综合配比，调整热处理工艺，实现了用于穿孔辊的高耐磨材料的常温及高温力学性能的全面提升，尤其是高温强韧性和耐磨性能得到大幅提升，有效改善了穿孔辊在使用过程中出现辊面褶皱的问题，消除了粘钢现象，有效延长了穿孔辊单次上机使用天数和使用寿命，提高了生产效率，降低了生产成本。

需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。

此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于穿孔辊的高耐磨材料，其特征在于，其化学元素质量百分比为：

余量为Fe及其他不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的用于穿孔辊的高耐磨材料，其特征在于，其基体组织为索氏体+贝氏体，或者球化珠光体+贝氏体，其中贝氏体的相比例为10-20％。

3.如权利要求2所述的用于穿孔辊的高耐磨材料，其特征在于，其微观组织还具有碳化物M₆C、MC、M₇C₃的至少其中之一。

4.如权利要求1所述的用于穿孔辊的高耐磨材料，其特征在于，各化学元素的质量百分配比还满足：C＝0.13Mn+0.012Cr+0.18Mo+0.2Ti。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的用于穿孔辊的高耐磨材料，其特征在于，其屈服强度为730-770MPa，其抗拉强度为920-970MPa，延伸率为15-20％，硬度为26-30HRC。

6.一种穿孔辊，其工作层由如权利要求1-5中任意一项所述的高耐磨材料制成。

7.一种用于形成如权利要求6所述的穿孔辊的工作层的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括步骤：

(1)以200-230℃/h的升温速度对穿孔辊进行加热，在590-610℃时，进行8-10min的均温保温；

(2)继续以200-230℃/h的升温速度升温，在790-810℃时，进行8-10min的均温保温；

(3)在890-950℃时，进行正火处理；

(4)当随炉冷却至850-870℃时，保温15-20min，之后进行冷却，控制冷却速度为0.8-1.6℃/s，冷却到300℃以下，出炉空冷；

(5)以200-230℃/h的升温速度加热，在560-640℃温度下回火；

(6)随炉冷却至260-280℃，保温60-70min，之后随炉冷却，再空冷。

8.如权利要求7所述的热处理方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，正火处理的时间为45-70min。

9.如权利要求7所述的热处理方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，回火保温时间为110-130min。

10.如权利要求7所述的热处理方法，其特征在于，在所述步骤(6)中，随炉冷却至190-210℃后，再进行所述空冷。

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