CN1803325A - 一种高速钢复合轧辊及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明技术是属于轧钢制造领域。主要适用于轧钢行业中采用高速钢复合轧辊的制造方法。该复合轧辊的外层高速钢与芯部石墨钢为冶金结合，其制造方法是采用离心铸造工艺将两种金属材料浇铸成型后，再对复合轧辊进行粗加工和进行淬火热处理，采用本发明轧辊及其制造方法与现有技术相比较，具有该轧辊芯部强度高，抗事故能力强和提高轧辊在线使用寿命以及生产成品率显著提高等特点。

Description

一种高速钢复合轧辊及其制备方法

所属领域

本发明技术是属于轧钢制造领域，主要适用于轧钢行业中采用高速钢复合轧辊的制造方法。

背景技术

随着冶金工业的迅速发展，我国目前轧材年产量已接近3.5亿吨，占世界轧材总量的30％左右，而现代化的轧制技术普遍采用的是低温轧制和无头连续轧制等先进轧制技术。轧辊是轧钢生产中大量消耗的关键部件，因此对轧辊的各项性能和使用寿命提出了更高的要求，高速钢复合轧辊以其硬度高、耐磨性好及优良的使用效果被广大轧钢界普遍采用和推崇。但是，在现有生产技术中，轧辊外层采用的是高速钢，而轧辊芯部采用的是合金球墨铸铁，该种高速钢复合轧辊尽管目前在轧钢生产中被很好地应用，但是由于轧辊芯部球墨铸铁强度较低，使轧辊在生产和使用过程中都存在一定的不足，如ZL 97100083.2。

在现有技术的轧辊生产过程中，由于离心复合高速钢轧辊的制造技术是将高速钢液体浇入到旋转的离心机铸型内，当外层的高速钢液刚刚凝固时，再浇入用做轧辊芯部的合金球墨铸铁液，为了确保这两种材料达到完全的冶金结合，对于用做轧辊芯部的球墨铸铁液，必须将已凝固的外层高速钢层溶化一定的深度，而被溶化的高速钢中含有大量的Cr V W Mo等碳化物形成元素，这些元素进入轧辊芯部的球墨铸铁铁水中后，铁水中较高的C含量使轧辊芯部球墨铸铁组织中的碳化物数量急剧增加，有的甚至可升高20％以上，这样将会造成轧辊结合层与轧辊芯部的强度显著降低。尤其是含有这种结合层的轧辊在热处理过程中，往往是由于在轧辊的结合层处或芯部处因强度的不足而发生轧辊的断裂，使轧辊的生产成品率和生产周期无法保证；另外还有是轧辊在使用过程中，当该复合轧辊被用于中轧机架时或采用低温轧制技术时，由于该辊的芯部因强度不足而往往出现断辊，致使轧辊提前报废，缩短了轧辊使用寿命。

另外还有在日本特开平11-279705公开的文献中，介绍了一种采用三层复合的轧辊技术，即轧辊外层材料为高速钢，轧辊芯部材料为铸钢，在外层和芯部之间加了一层球墨铸铁或石墨钢做为中间层，其作用是增加外层高速钢与芯部铸钢的复合能力。但是由于该复合轧辊因结构的限制，其浇铸厚度仅有20-30mm的中间层球墨铸铁在外层合金元素的扩散下，轧辊组织内会形成大量的碳化物，即使是石墨钢材料，在大量合金元素的存在下所形成的也是半钢，其强度和韧性均达不到设计的要求。另一方面，在500℃时球墨铸铁的膨胀系数为12.44×10^-6mm/mm.℃，而高速钢在500℃时的膨胀系数为14.56×10^-6mm/mm.℃。也就是说，这种复合轧辊在热处理加热过程中，由于轧辊外层和中间层存在温差以及这两种材料膨胀系数的差别，因此轧辊外层与中间层的膨胀量相差很大，使轧辊的中间层产生很强的拉应力，而这些内在的应力往往就是造成中间层拉裂以及降低轧辊制造成品合格率的根源，另外当采用三层复合轧辊工艺时，轧辊的制造难度相应提高，同样也会使轧辊的制造成本有明显的增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合成分设计合理，制轧工艺操作简单和生产成本低，产品使用寿命长、硬度强度高、耐磨性好和抗事故能力强的高速钢复合轧辊及其制造方法。

根据本发明的目的，我们所提出的技术解决方案为：该复合轧辊的组成特征在于轧辊外层材料为高速钢，轧辊芯部材料为石墨钢，轧辊外层高速钢材料的化学成分重量％为：C1.2-2.5％；Si 0.3-1.5％；Mn 0.4-1.0％；Cr 3.0-8.0％；Mo 2.0-7.0％；V 2.0-7.0％；W 1.0-5.0％；RE 0.01-0.5％；P＜0.05％；S＜0.05％；余为Fe，轧辊芯部石墨钢材料的化学成分重量％为：C 1.2-2.0％；Si 1.5-2.5％；Mn 0.3-1.0％；Ni 0.5-1.5％；Cr＜0.2％；Mo＜0.2％；P＜0.05％；S＜0.05％；RE0.01-0.2％；Ca 0.05-0.5％；其余为Fe，复合轧辊外层高速钢材料与芯部石墨钢材料为冶金结合。

下面根据本发明所设计的复合轧辊成分中的特征进行详细叙述：

1、本发明复合轧辊的外层材料成分为高速钢轧辊面；

本发明复合轧辊的外层材料采用的是高速钢材料成分，与现有技术材料的成分中合金加入量基本相似，只是取消了Ni元素的加入。Ni在钢的成分中尽管有细化基体和提高钢的韧性作用，但同时又会导致轧辊辊面的组织中残余奥氏体量的增加，而残余奥氏体会在本发明复合轧辊的热处理和使用过程中发生有害相变，使本发明复合轧辊的相变应力增加，特别是在使用过程中的相变，是引起高速钢辊面生成裂纹的主要途径之一，致使轧辊辊面剥落或者断裂而报废。

2、本发明复合轧辊的内层材料成分为石墨钢轧辊芯；

本发明复合轧辊的轧辊芯部材料采用的是石墨钢，在该材质中，C是钢中重要的组成元素，它以固溶和游离的方式存在，当C含量过高于外层高速钢中的C含量时(如外层为钢，芯部为铁)，则轧辊外层与芯部材料膨胀系数差别较大，热处理时轧辊外层和芯部材料的膨胀量相差也很大，易出现结合层或芯部的拉裂；当C含量过低时，钢液的流动性会较差，容易造成两种金属不能很好地达到冶金结合的效果，因此在本发明成分中将C含量控制在1.2-2.0％的范围内，与外层高速钢C含量相接近较合适。

Si是典型的石墨化形成元素，石墨钢中C的石墨化行为与Si有着依赖关系，Si的存在是一个重要的条件，没有Si或Si很低时，即使C含量较高，石墨化也较困难。当Si含量较高时，共析转变温度提高，钢液在冷却过程中能够在较高的温度开始奥氏体和石墨的结晶，有利于铁素体的获得，降低了轧辊芯部组织的白口化，这就是Si选择较高的原因，通常Si控制在1.5-2.5％较为合适。

Mn能溶于铁素体和渗碳体，增强铁和C原子的结合力，因而Mn是阻碍石墨化促进碳化物形成的元素，同时Mn能细化珠光体，提高钢的强度，并且与钢水中的S具有较强的亲合力，而形成的MnS在石墨钢内又成为石墨的核心，间接地起到促进石墨化的作用，所以Mn是调节和控制石墨钢组织的重要元素之一，一般控制在0.3-1.0％较合适。

Ni在轧辊芯部的石墨钢中有轻微的石墨化作用，同时也能够细化材料的基体，有利于提高钢的韧性和强度，为了抵消轧辊外层高速钢中大量合金元素扩散到芯部石墨钢中所造成的不良后果，因此在石墨钢成分中加入0.5-1.5％的Ni有保证石墨钢的强度和韧性的作用。

Cr和Mo都是碳化物的形成元素，如果在本发明钢成分中Cr和Mo含量过高时，当轧辊芯部在钢液浇注以后，由于外层高速钢金属的溶解和高温扩散，可使复合轧辊的结合层和轧辊芯部的碳化物数量会大量的增加，其复合轧辊的强度和韧性会急剧下降，使复合轧辊在后期的热处理和使用过程中将出现断裂，所以对复合轧辊芯部的石墨钢成分要求中Cr＜0.2％、Mo＜0.2％。另外铬、钼元素的限量加入还有Cr 0.05-0.18％、Mo 0.1-0.18％。

Ca和Re元素均为还原或消除杂质的元素，在本发明复合轧辊芯部的石墨钢成分中，Re还有净化晶界和消除裂纹的作用，但一定要限制Ca和Re元素的加入量，所以对本发明复合轧辊芯部的石墨钢成分中，Ca、Re加入量为Ca 0.05-0.5％、Re 0.01-0.2％的要求。Ca的限制加入量为0.1-0.5％。

本发明复合轧辊制造方法与现有技术相似，首先是选择上述本发明复合轧辊的内、外层的具体成分进行分别冶炼，当钢液的成分和温度达到设定要求后，先将外层高速钢的钢液浇入到具有一定旋转速度的离心机铸型内，外层高速钢的钢液浇铸温度为1400-1550℃，浇铸时铸型的温度为100-250℃，铸型内的涂料厚度为1-5mm(涂料为覆膜砂等市售商品)，离心机转速的线速度在10-15米/秒。外层高速钢的钢液在离心力作用下结晶凝固，当外层高速钢的钢液初期凝固后，再浇入用于复合轧辊芯部的石墨钢的钢液，复合轧辊芯部石墨钢液的浇注温度为1400-1500℃，离心机转速的线速度降到5-10米/秒，待两种不同金属的结合层达到完全冶金熔合和复合轧辊冷却成型后，再对外层为高速钢芯部为石墨钢的复合轧辊进行粗加工，然后将该复合轧辊(半成品)装入热处理炉中进行淬火热处理，其特征是在该复合轧辊的热处理方法中，淬火是以10-20℃/小时的升温速度升至650℃后将升温速度提升为50-60℃/每小时，将复合轧辊加热到1100-1200℃，保温时间为8-18小时后出炉，淬火是采用均匀等速的降温方式，降温速度为10-20℃/分钟，当复合轧辊的温度冷却至150-400℃后，再对该复合轧辊进行回火处理，回火温度为500-550℃，回火保温时间为5-10小时后炉冷至室温。本发明复合轧辊的制造方法是采用离心铸造的工艺，将两种不同性能的金属材料采用冶金熔合方式，将轧辊外层的高速钢和轧辊芯部的石墨钢复合成高硬高韧的复合型轧辊。该复合轧辊的特点是外层具有硬度高、耐磨性好、使用寿命长，而复合轧辊的芯部也具有强度高、韧性好，抗事故(裂纹或断裂)能力强等特征效果。因此本发明是属于一种强度高的高速钢复合型轧辊及其该复合轧辊的制备方去。

采用本发明高速钢复合轧辊及其该轧辊的制造方法与现有技术相比较还具备以下优点：

1、采用本发明的高速钢复合轧辊是由外层的高速钢与芯部的石墨钢离心复合而成，轧辊芯部强度由原来球墨铸铁400-550Mpa提高到石墨钢600-750Mpa，因此轧辊芯部强度高，抗事故能力强，大大提高轧辊在线使用寿命。

2、采用本发明的高速钢复合轧辊，由于轧辊芯部强度和结合层强度的提高，轧辊在制备的热处理过程中，轧辊芯部和结合层的承受能力明显加强，因此轧辊生产成品率显著提高，成品率由原来78％提高到96％以上，从而降低了轧辊制造成本，增加了产品的利润空间和市场竞争力。

具体实施方案

按本发明所述的外层为高速钢和辊芯为石墨钢的成分及制造方法，我们共制备了27支本发明实施例的高强度高速钢复合轧辊，仅有一支复合轧辊在进行冶金熔合过程中，因设备故障造成了轧辊的质量问题而报废，其余均为合格产品并发往用户使用。本发明实施例所制备的27支高强度高速钢复合轧辊是分三批生产，这三批复合轧辊外层与芯部钢液的化学成分均列入表1中。为了对比方便，我们同时还列举了一组现有技术的复合轧辊成分也列入表1中。本发明实施例复合轧辊与现有技术轧辊的制备方法(热处理工艺)对比结果列入表2。表3为本发明实施例复合轧辊与现有技术轧辊的力学性能和使用结果的对比。由上述复合轧辊的生产与使用结果可以看出，采用本发明复合轧辊的成分及制备方法所生产的产品合格率明显高于现有技术产品。而采现有技术生产27支复合轧辊，仅有21支合格，其余6支均是由于在热处理过程中轧辊产生裂纹或断裂而报废。由表3中可看到，在本发明27支高速钢复合轧辊上轧机使用时，由于轧辊芯部强度高没有发生断辊现象，而在现有技术生产的21支轧辊在上机使用时，有3支轧辊由于断裂而报废。

在本发明实施例对比表中，I、II、III为本发明实施例，IV为对比材料。

表1本发明实施例与现有技术的复合轧辊各层成分重量％的对比

注：1、本发明复合轧辊外层高速钢及芯部石墨钢的成分重量％；

    2、现有技术复合轧辊的外层高速钢、芯部球墨铸铁。

表2本发明实施例与现有技术的热处理工艺对比

工艺序号		淬火温度℃	保温时间h	淬火方式	冷却速度℃/h	回火温度℃	保温时间h	辊面硬度HSD
									实施例	I	1150	14	1	900	530	10	87
II	1130	16	1	850	540	8	85
								1180		10	3	920	520	8	88
	III	1150	12	2	910	530	10									87
对比例								IV		1000	16	1	620	510	8		82
	980	18	2	640	510	10	81

注：1、喷淋淬火；2、风冷；3、旋转喷雾。淬火冷却到的温度I、III为350℃，II为230℃，IV为室温。

表3本发明实施例与现有技术的力学性能和使用结果的对比

实施例	外层材料	芯部材料	轧辊规格	芯部抗拉强度		生产数量	成品率	成本降幅	使用轧辊情况及断辊率(％)
										高速钢	石墨钢	φ345×600mm	批次	Mpa	27支	96.3％	-15％	断辊率：0％
	I	660
			II	708
	III	725
			对比例	高速钢	球墨铸铁	φ345×600mm	批次	Mpa	27支				77.78％	0					断辊率：14.28％
A	402
		B					431
C	446

Claims (3)

1、一种高速钢复合轧辊，其特征在于该复合轧辊的外层材料为高速钢，轧辊芯部材料为石墨钢，轧辊外层高速钢材料的化学成分重量％为：C 1.2-2.5％；Si0.3-1.5％；Mn 0.4-1.0％；Cr 3.0-8.0％；Mo 2.0-7.0％；V 2.0-7.0％；W 1.0-5.0％；RE 0.01-0.5％；P＜0.05％；S＜0.05％；余为Fe，轧辊芯部石墨钢材料的化学成分重量％为：C 1.2-2.0％；Si 1.5-2.5％；Mn 0.3-1.0％；Ni 0.5-1.5％；Cr＜0.2％；Mo＜0.2％；P＜0.05％；S＜0.05％；RE 0.01-0.2％；Ca 0.05-0.5％；其余为Fe，复合轧辊外层高速钢材料与芯部石墨钢材料为冶金结合。

2、根据权利要求1所述的高速钢复合轧辊，其特征在于该复合轧辊成分中的，轧辊芯部石墨钢材料的化学成分重量％还有为：C 1.2-2.0％；Si 1.5-2.5％；Mn 0.3-1.0％；Ni 0.5-1.5％；Cr 0.05-0.18％；Mo 0.1-0.18％；P＜0.05％；S＜0.05％；RE 0.01-0.2％；Ca 0.1-0.5％；其余为Fe。

3、根据权利要求1或2所述的高速钢复合轧辊，该复合轧辊的制造方法是采用离心铸造工艺将两种金属材料浇铸成型，首先按轧辊内、外层的具体成分进行分别冶炼，当钢液温度达到1400-1550℃后，先将外层高速钢的钢液浇铸到转速线速度为10-15米/秒的离心机铸型内，浇铸时离心机铸型的温度为100-250℃，铸型内的涂料厚度为1-5mm，当外层高速钢的钢液初期凝固后，再浇入用于复合轧辊芯部的石墨钢的钢液，复合轧辊芯部石墨钢液的浇注温度为1400-1500℃，离心机转速的线速度在5-10米/秒，待复合轧辊冷却成型后，再对复合轧辊进行粗加工和进行淬火热处理，其特征是在该复合轧辊的热处理方法中，淬火温度是以10-20℃/小时的升温速度升至650℃后，再将升温速度提升为50-60℃/小时，将复合轧辊加热到1100-1200℃，保温时间为8-18小时后出炉，淬火是采用均匀等速的降温方式，降温速度为10-20℃/分钟，当冷却到100-400℃后再进行回火处理，回火温度为500-550℃，回火保温时间为5-10小时后出炉空冷。