CN117248162A - 具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊及其制造方法，该工作辊的成分如下：碳0.75～0.85%，硅0.30～0.80%，锰0.20～0.50%，磷≤0.020%，硫≤0.015%，铬4.50～5.50%，镍0.90～1.50%，钼1.10～1.50%，钒0.10～0.50%，其余为铁和不可避免的杂质；该工作辊的最终热处理的预热温度为370～430℃，表面淬火处理的感应圈行走速度为0.25～0.35mm/s。本发明一方面通过优化合金含量，另一方面通过优化热处理工艺，最终能够制得辊身表面硬度≥95HSD、硬度均匀性≤1HSD、淬硬层深度≥50mm、组织晶粒度在10级以上的工作辊。

Description

具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊及其制造方法
技术领域
本发明属于锻钢冷轧工作辊技术领域，具体涉及一种具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊及其制造方法。
背景技术
轧辊淬硬层深度是指沿垂直于硬化表面的方向进行测量，当硬度值下降到规定的数值时（较表面硬度低5HSD）的这一点距离表面的深度。淬硬层深度首先是衡量钢材淬透性好坏的重要依据；其次，淬硬层为轧辊轧制的使用层，其深度越深、淬硬层内硬度降低梯度越小无疑使得轧辊的使用寿命越长，对于客户来说对其降低成本、提高效率越来越有利。
常规 Cr5材质锻钢冷轧工作辊的淬硬层深度在25～40mm，少数可达45～50mm，而随着轧辊行业的发展，目前市场上对于淬硬层深度≥50mm的超深淬硬层锻钢冷轧工作辊的需求越来越大，而现有能够达到50mm以上超深淬硬层的轧辊大多都是高速钢材质（合金含量超过15%），导致材质成本较高，不合适工业化大生产。
中国专利文献CN105256245A公开了一种具有超深淬硬层的Cr5材质的冷轧辊，其淬硬层深度为45mm以上，但是，该冷轧辊的硬度均匀性较差，超过3HSD。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种辊身表面硬度≥95HSD、硬度均匀性≤1HSD、淬硬层深度≥50mm、组织晶粒度在10级以上的具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊及其制造方法。
实现本发明目的的技术方案是：一种具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊，其化学成分及重量百分比如下：碳0.75～0.85%，硅0.30～0.80%，锰0.20～0.50%，磷≤0.020%，硫≤0.015%，铬4.50～5.50%，镍0.90～1.50%，钼1.10～1.50%，钒0.10～0.50%，其余为铁和不可避免的杂质。
常规Cr5材质锻钢冷轧工作辊的镍含量在0.60%以下，钼含量在0.90%以下，申请人经过大量实验发现，同时提高镍含量和钼含量，能够有效提高Cr5材质锻钢冷轧工作辊的淬硬层深度。
进一步地，上述镍含量优选为1.10～1.30%，钼含量优选为1.20～1.40%。
更进一步地，上述镍含量更优选为1.15～1.25%，钼含量更优选为1.25～1.35%。
上述具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的制造方法，包括按照化学成分及重量百分比冶炼和锻造辊坯，预备热处理以及最终热处理。
所述预备热处理为锻钢冷轧工作辊常规预备热处理工艺，包括920～970℃的调质淬火处理以及550～650℃的高温回火处理。
所述最终热处理包括预热处理、表面淬火处理、深冷处理以及回火处理。
常规Cr5材质锻钢冷轧工作辊的预热温度为250～350℃，申请人经过大量实验发现，对于本申请的Cr5材质的锻钢冷轧工作辊进行350℃以上的预热，能够有效提高其淬硬层深度。因此，本申请的预热处理温度为370～430℃。
上述表面淬火处理采用双频感应淬火，淬火加热温度为980～1000℃。
常规Cr5材质锻钢冷轧工作辊的感应圈行走速度为0.5～1.5mm/s，申请人经过大量实验发现，将感应圈行走速度降至0.25～0.35mm/s，能够有效提高本申请的Cr5材质的锻钢冷轧工作辊的淬硬层深度。
上述冷处理温度为-100～-150℃，时间为3～5h。
上述回火处理温度为80～150℃，时间为60～120h。
本发明具有的积极效果：本发明一方面通过优化合金含量（同时提高镍含量和钼含量），另一方面通过优化热处理工艺，尤其是预热处理温度以及感应圈行走速度，最终能够制得辊身表面硬度≥95HSD、硬度均匀性≤1HSD、淬硬层深度≥50mm、组织晶粒度在10级以上的具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊。
具体实施方式
（实施例1）
本实施例的具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的化学成分及重量百分比如下：碳0.80%，硅0.55%，锰0.35%，磷0.012%，硫0.007%，铬5.00%，镍1.20%，钼1.30%，钒0.30%，其余为铁和不可避免的杂质。
本实施例的具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的制造方法具有以下步骤：
S1：按照上述化学成分及重量百分比冶炼和锻造辊坯。
S2：预备热处理，包括先进行950±5℃的调质淬火处理4h，再进行600±10℃的高温回火处理18h。
S3：最终热处理，具体如下：
S31：在400±10℃的温度下进行整体预热20h。
S32：采用双频感应淬火，淬火加热温度为990±5℃，感应圈行走速度为0.3mm/s。
S33：在-125±5℃的温度下进行冷处理4h。
S34：在100±5℃的温度下进行低温回火处理96h。
测试实施例1制得的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的辊身表面硬度、淬硬层深度以及组织晶粒度，结果见表1。
表1中，C点为辊身中部，A点、E点为辊身端部，B点、D点分别为A点与C点以及C点与E点的中部，A点～E点均在同一条母线上。
表1
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
碳 0.80% 0.80% 0.80% 0.77% 0.83%
硅 0.55% 0.55% 0.55% 0.40% 0.70%
锰 0.35% 0.35% 0.35% 0.25% 0.45%
磷 0.012% 0.012% 0.012% 0.010% 0.015%
硫 0.007% 0.007% 0.007% 0.005% 0.010%
铬 5.00% 5.00% 5.00% 4.70% 5.30%
镍 1.20% 1.20% 1.20% 1.10% 1.30%
钼 1.30% 1.30% 1.30% 1.20% 1.40%
钒 0.30% 0.30% 0.30% 0.20% 0.40%
预热处理温度 400±10℃ 380±10℃ 420±10℃ 400±10℃ 400±10℃
感应圈行走速度 0.30mm/s 0.25mm/s 0.35mm/s 0.30mm/s 0.30mm/s
辊身表面A点硬度 97.1HSD 97.5HSD 96.4HSD 96.8HSD 97.7HSD
辊身表面B点硬度 97.2HSD 97.4HSD 96.3HSD 96.6HSD 97.9HSD
辊身表面C点硬度 97.5HSD 97.7HSD 96.4HSD 97.0HSD 98.1HSD
辊身表面D点硬度 97.4HSD 97.5HSD 96.2HSD 96.8HSD 98.2HSD
辊身表面E点硬度 97.2HSD 97.3HSD 96.5HSD 97.1HSD 98.0HSD
硬度均匀性 0.4HSD 0.4HSD 0.3HSD 0.5HSD 0.5HSD
淬硬层深度 52-53mm 53-54mm 51-52mm 51-52mm 53-54mm
组织晶粒度 10.5-11级 10.5-11级 10-10.5级 10.5-11级 11-11.5级
（实施例2～实施例3）
实施例2～实施例3的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的化学成分及重量百分比与实施例1相同，制造方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤S1中的预热处理温度以及步骤S32中的感应圈行走速度，具体见表1。
（实施例4～实施例5）
实施例4～实施例5的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的制造方法与实施例1相同，不同之处在于：化学成分及重量百分比，具体见表1。
测试实施例2～实施例5制得的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的辊身表面硬度、淬硬层深度以及组织晶粒度，结果仍见表1。
（对比例1～对比例3）
对比例1～对比例3的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的制造方法与实施例1相同，不同之处在于：镍含量和钼含量，结果见表2。
测试对比例1～对比例3制得的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的辊身表面硬度、淬硬层深度以及组织晶粒度，结果仍见表2。
表2
实施例1 对比例1 对比例2 对比例3
镍 1.20% 0.50% 0.50% 1.20%
钼 1.30% 0.60% 1.30% 0.60%
辊身表面A点硬度 97.1HSD 94.6HSD 95.5HSD 95.3HSD
辊身表面B点硬度 97.2HSD 95.0HSD 95.7HSD 95.8HSD
辊身表面C点硬度 97.5HSD 95.2HSD 96.2HSD 95.6HSD
辊身表面D点硬度 97.4HSD 94.7HSD 95.8HSD 95.5HSD
辊身表面E点硬度 97.2HSD 94.7HSD 95.5HSD 95.6HSD
硬度均匀性 0.4HSD 0.6HSD 0.7HSD 0.5HSD
淬硬层深度 52-53mm 42-43mm 47-48mm 46-47mm
组织晶粒度 10.5-11级 9-9.5级 9.5-10级 9.5-10级
（对比例4～对比例6）
对比例4～对比例6的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的化学成分及重量百分比与实施例1相同，制造方法与实施例1基本相同，不同之处在于步骤S32中的感应圈行走速度，具体见表3。
测试对比例4～对比例6制得的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的辊身表面硬度、淬硬层深度以及组织晶粒度，结果仍见表3。
表3
实施例1 对比例4 对比例5 对比例6
感应圈行走速度 0.30mm/s 0.40mm/s 0.70mm/s 1.0mm/s
辊身表面A点硬度 97.1HSD 97.1HSD 96.2HSD 95.7HSD
辊身表面B点硬度 97.2HSD 97.0HSD 96.5HSD 97.1HSD
辊身表面C点硬度 97.5HSD 97.3HSD 97.1HSD 96.8HSD
辊身表面D点硬度 97.4HSD 97.1HSD 96.3HSD 95.6HSD
辊身表面E点硬度 97.2HSD 96.8HSD 96.0HSD 96.3HSD
硬度均匀性 0.4HSD 0.5HSD 1.1HSD 1.5HSD
淬硬层深度 52-53mm 50-51mm 47-48mm 43-44mm
组织晶粒度 10.5-11级 10-10.5级 9.5-10级 9-9.5级
（对比例7～对比例9）
对比例7～对比例9的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的化学成分及重量百分比与实施例1相同，制造方法与实施例1基本相同，不同之处在于步骤S1中的预热处理温度，具体见表4。
测试对比例7～对比例9制得的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的辊身表面硬度、淬硬层深度以及组织晶粒度，结果仍见表4。
表4
实施例1 对比例7 对比例8 对比例9
预热处理温度 400±10℃ 330±10℃ 300±10℃ 270±10℃
辊身表面A点硬度 97.1HSD 96.5HSD 97.1HSD 96.1HSD
辊身表面B点硬度 97.2HSD 97.2HSD 96.3HSD 96.5HSD
辊身表面C点硬度 97.5HSD 97.1HSD 97.0HSD 97.0HSD
辊身表面D点硬度 97.4HSD 96.4HSD 97.3HSD 95.5HSD
辊身表面E点硬度 97.2HSD 96.6HSD 96.6HSD 96.2HSD
硬度均匀性 0.4HSD 0.8HSD 1.0HSD 1.5HSD
淬硬层深度 52-53mm 46-47mm 45-46mm 43-44mm
组织晶粒度 10.5-11级 9.5-10级 9.5-10级 9-9.5级
（对比例10～对比例11）
对比例10～对比例11的Cr5材质锻钢冷轧工作辊及其制造方法与实施例1基本相同，不同之处见表5。
测试对比例10～对比例11制得的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的辊身表面硬度、淬硬层深度以及组织晶粒度，结果仍见表5。
表5
实施例1 对比例10 对比例11
镍 1.20% 1.20% 0.50%
钼 1.30% 1.30% 0.60%
预热处理温度 400±10℃ 300±10℃ 300±10℃
感应圈行走速度 0.30mm/s 0.70mm/s 0.70mm/s
辊身表面A点硬度 97.1HSD 95.5HSD 92.8HSD
辊身表面B点硬度 97.2HSD 96.2HSD 94.4HSD
辊身表面C点硬度 97.5HSD 97.1HSD 95.3HSD
辊身表面D点硬度 97.4HSD 95.3HSD 93.2HSD
辊身表面E点硬度 97.2HSD 96.0HSD 93.5HSD
硬度均匀性 0.4HSD 1.8HSD 2.5HSD
淬硬层深度 52-53mm 42-43mm 37-38mm
组织晶粒度 10.5-11级 9-9.5级 8.5-9级

Claims (7)

1.一种具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊，其化学成分及重量百分比如下：碳0.75～0.85%，硅0.30～0.80%，锰0.20～0.50%，磷≤0.020%，硫≤0.015%，铬4.50～5.50%，镍0.90～1.50%，钼1.10～1.50%，钒0.10～0.50%，其余为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊，其特征在于：所述镍含量为1.10～1.30%，所述钼含量为1.20～1.40%。
3.根据权利要求1所述的具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊，其特征在于：所述镍含量为1.15～1.25%，所述钼含量为1.25～1.35%。
4.一种权利要求1至3之一所述的具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的制造方法，包括按照化学成分及重量百分比冶炼和锻造辊坯，预备热处理以及最终热处理，最终热处理包括预热处理、表面淬火处理、深冷处理以及回火处理；其特征在于：所述预热处理温度为370～430℃；所述表面淬火处理采用双频感应淬火，淬火加热温度为980～1000℃，感应圈行走速度为0.5～1.5mm/s。
5.根据权利要求4所述的具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的制造方法，其特征在于：所述冷处理温度为-100～-150℃，时间为3～5h。
6.根据权利要求4所述的具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的制造方法，其特征在于：所述回火处理温度为80～150℃，时间为60～120h。
7.根据权利要求4所述的具有超深淬硬层的Cr5材质锻钢冷轧工作辊的制造方法，其特征在于：所述预备热处理包括920～970℃的调质淬火处理以及550～650℃的高温回火处理。
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