CN1865479A - 一种原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊及其制造方法，其化学成分是(重量％)：C：1.5～3.0，W：3.0～8.0，Mo：3.0～8.0，V：3.0～8.0，Cr：4.0～6.0，Ni：1.0～3.0，Ce：0.10～0.25，La：0.10～0.25，Ti：0.08～0.20，Mg：0.06～0.18，Al：0.10～0.30，Si＜1.5，Mn＜1.5，P＜0.05，S＜0.05；其余为Fe和不可避免的微量杂质。本发明轧辊强度和硬度高，韧性好，耐磨性和抗氧化性优良，抗激冷激热性能好。复合轧辊显著提高了轧钢机作业率，降低轧材生产成本。

Description

一种原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于轧钢机的轧辊及其制造方法，特别涉及一种钢基复合材料轧辊及其制造方法。

背景技术

轧辊是轧钢生产中的主要消耗备件之一，轧辊消耗约为轧钢生产成本的5％～15％。如果考虑因轧辊消耗而带来的生产停机、降产和设备维护增加等因素，则其所占生产成本的比重会更高。轧辊质量不仅关系到轧钢生产成本和轧机生产作业率，还在很大程度上影响轧材质量。随着轧钢技术的发展，轧机速度和自动化程度不断提高，对轧辊质量特别是轧辊的耐磨性、强度及韧性等提出了更高的要求。开发新型轧辊材料及其制造方法，对于改善轧辊质量、延长轧辊寿命、提高轧机作业率和降低轧钢成本具有非常重要的意义。

改变轧辊材质是提高轧辊性能的重要措施。轧辊材质发展的明显趋势是广泛使用合金元素且逐渐提高合金化程度。如热轧带钢精轧前段由20世纪30年代的高镍铬无限冷硬铸铁轧辊发展到60年代的半钢工作轧辊，70年代开始使用高铬铸铁轧辊和高铬铸钢轧辊，80年代末开始使用高速钢轧辊。冷轧带钢工作辊材质由2％Cr钢发展到3％Cr、5％Cr钢，到了90年代开始使用半高速钢。棒线材和型材轧机轧辊材质也由普通冷硬铸铁、合金球墨铸铁、高镍铬无限冷硬铸铁、高铬铸铁、锻造合金工具钢发展到硬质合金和高速钢。

复合材料具有基体材料的高韧性和增强材料的高强度、高硬度，其综合性能是单一材料无法比拟的。中国发明专利CN1236822公开了一种铁或钢基复合材料的生产工艺方法，在以铁或钢为基体的金属材料中加入增强相，先将颗粒增强相如SiC、Al₂O₃、TiB₂等与熔化了的铁合金在1000℃～1500℃的范围内进行熔合，制成中间复合体；再将中间复合体粉碎，然后采用悬浮铸造的方法加入到已熔化了的以铁或钢为基体的金属材料中，使中间复合体与基体金属材料紧密结合，制成铁或钢基复合材料。中国发明专利CN1404943公开了属于复合材料制备技术范围的一种颗粒增强梯度复合材料及其制备方法。它是在熔融的液态金属中掺入一定比例的高硬度的非金属颗粒，使液态金属在恒定的外加电磁场的电磁浮力的作用下形成定向移动，使增强相颗粒向与液态金属流动方向相反的方向迁移；冷却凝固后，便可得到增强相颗粒在材料中呈现梯度分布，其组织与性能亦呈梯度变化的材料。使复合材料的韧性和塑性得到很大改善。中国发明专利CN1352314公开了硬质相增强金属基复合材料生产工艺，该方法中是将基体金属熔化后或者金属固体颗粒在结晶器内熔化后，与增强硬质相材料在水冷结晶器内经电磁场搅拌混合及超声波振动处理后，快速结晶而形成的产品，故其产品中的二相材料混合更加均匀，并使材料的等轴晶区域扩大，使结晶组织细化，从而可以得到均匀微细的结晶组织和内部十分纯净的组织，产品性能一致性好，二相结合力强，可以达到冶金结合而完全致密化，从而改善和提高了金属基复合材料的性能。中国文献(冯培忠，强颖怀，轧钢，2004年第4期，第14～16页)还公开了离心铸造WC颗粒增强钢基复合材料辊环的研制情况，发现以WC/钢基复合材料作为轧辊的工作层，以冷作模具钢作为轧辊的芯部材料，将两种不同的材料通过离心铸造工艺制备成一种WC/钢基表面复合材料轧辊，其轧辊工作面具有很高的硬度、强度和良好的耐磨性，芯部材料韧性较好，有利于吸收冲击功，提高轧辊的工况适应性，使轧辊的综合性能得到合理配置。日本专利JP2002282909和JP2002282910公开了外层在镍-钴基合金中分别含有50％-80％、5％-70％WC颗粒的离心铸造复合轧辊，在热轧机上具有优异的耐磨性和抗裂纹形成与扩展性能。上述外加增强颗粒制备颗粒增强金属基复合材料方法，工艺简单，适合于制备一定尺寸、形状的构件，但是，由于外加的增强颗粒与基体相容性不良，或存在严重的界面反应等原因，其增强效果不够理想。

中国发明专利CN1396291公开了局部原位内生颗粒增强钢基复合材料的制备方法，其工艺过程包括：制备反应预制块：预制块由粉末状的1％～50％Al、C和Ti组成，C与Ti的原子比0.6～1.4，粒度范围为0.1μm～200μm；将上述配制好的原材料装入搅拌机中搅拌4～48小时，混合均匀；然后放入模具中，在室温下以200～800MPa的压力范围压制成型；将压制好的预制块放入真空加热装置内进行真空处理。然后在铸型内发生自蔓延原位合成反应并在铸型内自蔓延原位合成颗粒增强相。采用这种自蔓延高温合成法通过原位反应制备颗粒增强金属基复合材料，是利用化学反应放出的热量，使压坯的燃烧反应自动持续进行，从而在金属基体中获得原位增强颗粒的方法。由于增强颗粒在基体中原位合成，因此其尺寸细小、分布均匀，并能较好地解决外加颗粒复合法中存在的界面问题。自蔓延高温合成法的不足之处在于所得到材料致密性不高，较难直接加工成产品，因而其广泛应用受到了一定的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊及其制造方法。本发明是采用一种反应铸造法原位合成颗粒增强钢基复合材料，反应铸造包括增强颗粒的原位反应合成和铸造成形两个过程，即在一定成分的液态合金中，利用合金液的高温，使合金液中的合金元素之间发生充分的化学反应，生成一种或几种高硬度、高强度的增强颗粒，然后通过铸造成形即获得了由原位颗粒增强的金属基复合材料。其主要特点是：(1)增强颗粒在基体内部原位合成，基体界面结合较好且界面干净。(2)原位增强颗粒尺寸细小，表面无尖角，且在基体中分布均匀。(3)通过选择反应类型及控制反应参数，可获得不同种类、不同数量的原位增强颗粒。(4)增强颗粒的原位合成同铸造技术结合起来，工艺简便、成本低，可用来制备一定形状和尺寸的复合材料。原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊具有基体材料的高韧性和增强体颗粒的高硬度，具有优异的强韧性、耐磨性和抗断裂能力。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊的化学组成成分是(重量％)：

C：1.5～3.0，W：3.0～8.0，Mo：3.0～8.0，V：3.0～8.0，Cr：4.0～6.0，Ni：1.0～3.0，Ce：0.10～0.25，La：0.10～0.25，Ti：0.08～0.20，Mg：0.06～0.18，Al：0.10～0.30，Si＜1.5，Mn＜1.5，P＜0.05，S＜0.05，其余为Fe和不可避免的微量杂质。另外，C、Cr、Mo、W和V元素间满足：

C％＝0.05Cr％+0.06Mo％+0.03W％+0.25V％

本发明原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊用电炉熔化，用离心铸造、压铸、重力铸造等方法成型，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、钨铁、钼铁、钒铁、铬铁和镍板混合加热熔化，用石墨增碳；

②炉前调整成分合格后将温度升至1600～1650℃，加入脱氧剂铝，而后出炉；

③将镧铈混合稀土、钛铁和镁镍合金破碎至粒度小于20mm的小块，经300℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对金属熔体进行复合变质处理；

④轧辊采用离心铸造、压铸、重力铸造等方法成型，金属熔体浇铸温度为1460～1500℃；

⑤轧辊经950～1150℃高温奥氏体化后，风冷或油冷至室温；

⑥轧辊随后在500～600℃进行消除应力的回火处理。

最后可以获得高韧性马氏体基体上镶嵌有高硬度碳化物颗粒的原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊。

材料的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明化学成分是这样确定的：

碳：碳是获得高硬度耐磨碳化物颗粒增强相所必须的元素，同时部分碳固溶于基体，改善基体的淬透性和淬硬性。加入量过少，高硬度耐磨碳化物颗粒增强相少，材料耐磨性差，加入量过多，高硬度耐磨碳化物颗粒增强相多，材料韧性降低，碳的加入量还与碳化物形成元素铬、钼、钨和钒等元素有关，须满足式(1)要求，因此碳含量以1.5％～3.0％为宜。

铬、钼、钨、钒：加入铬、钼、钨和钒的主要目的是为了获得高硬度的耐磨碳化物，加入量太少，高硬度耐磨碳化物颗粒增强相少，材料耐磨性差，加入量过多，高硬度耐磨碳化物颗粒增强相多，材料韧性降低。铬、钼、钨和钒除了形成碳化物外，还有部分溶入基体，改善基体淬透性和红硬性，溶入基体的铬还可以改善材料的抗氧化性。因此铬含量以4.0％～6.0％为宜，钨含量以3.0％～8.0％为宜，钼含量以3.0％～8.0％为宜，钒含量以3.0％～8.0％为宜。

镍：镍是非碳化物形成元素，主要溶于基体，能提高材料的韧性和抗疲劳性能。镍还与铁以互溶的形式存在于钢中，使之强化。镍由于降低临界转变温度和降低钢中各元素的扩散速度，因而提高钢的淬透性。镍加入量过多，材料淬火组织中低硬度的残留奥氏体太多，不利于改善材料耐磨性，因此将其含量控制在1.0％～3.0％。

铈、镧、钛、镁、铝：铈和镧加入金属熔体中具有脱硫、除气的作用，同时铈和镧与液态金属反应生成的细小粒子，加速凝固的形核作用，表面活性铈和镧元素在流动的晶体表面形成吸附原子薄膜，降低流动离子的速度，铈和镧元素的这些特性能细化原位合成颗粒增强钢基复合材料的晶粒，限制树枝晶偏析，提高机械性能和耐磨性。铈和镧加入量过多，使稀土夹杂物增多，反而降低材料的性能，因此铈和镧含量分别控制在0.10％～0.25％。加入钛的目的是为了细化组织，提高材料的强度和韧性，钛还可提高材料的抗氧化性，加入量过少，对材料的性能影响不大，加入量过多，增大材料的热裂倾向，因此钛含量控制在0.08％～0.20％。镁是熔点低且原子半径大的元素，是强成分过冷元素，凝固时镁易富集在奥氏体周围的熔体中。而镁元素在凝固界面前沿的富集会引起晶体分枝，形成缩颈，而后在熔体中熔断、脱落、生长，产生自我增殖，使整个熔体内部的晶核数量增加，阻止粗大枝晶组织和柱状晶的生长，导致共晶团、初生奥氏体和碳化物均得以细化。另外，镁还具有较强的活性，脱硫和脱氧能力强，有利于减少夹杂物的数量，并减小夹杂物尺寸。铝使M₂C碳化物分解温度降低，有利于片状M₂C碳化物大量分解并粒化，促进颗粒状增强碳化物的形成，改善复合材料的强韧性。

硅和锰：硅是非碳化物形成元素，主要溶于基体，降低复合材料的热疲劳性能。锰尽管有提高淬透性和强化基体作用，但促使材料的晶粒粗化，并增加材料的回火脆性，因此将硅、锰含量限制在1.5％以下。

另外，不可避免的微量杂质是原料中带入的，主要有磷和硫，均是有害元素，为了保证原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊的强度、韧性和耐磨性，将磷、硫含量分别控制在0.05％以下。

附图说明

图1是原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊金相组织。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

实施例1：

本发明原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊用300公斤中频感应电炉熔化，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、钨铁、钼铁、钒铁、铬铁和镍板混合加热熔化，用石墨增碳；

②炉前调整成分合格后将温度升至1645℃，加入脱氧剂铝，而后出炉；

③将镧铈混合稀土、钛铁和镁镍合金破碎至粒度小于20mm的小块，经280℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对金属熔体进行复合变质处理；

④轧辊采用离心铸造方法成型，轧辊尺寸φ300mm×600mm，金属熔体浇铸温度为1490℃；

⑤轧辊经1130℃高温奥氏体化后，风冷至室温；

⑥轧辊然后在590℃进行消除应力的回火处理。

最后可以获得高韧性马氏体基体上镶嵌有高硬度碳化物颗粒的原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊，金相组织见图1。轧辊化学成分见表1。在轧辊本体上测试其硬度为67～68HRC。在与轧辊同炉浇铸、同炉热处理的Y型试块上切取20mm×20mm×110mm试样和φ10mm×130mm试样，测试材料的冲击韧性为16～20J/cm²，测试材料的抗拉强度为900～1200MPa。原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊在高速线材轧机预精轧机架使用，轧制φ6.5mm普碳钢线材，单槽过钢量超过6000吨，修磨量小于1.2mm。

                            表1轧辊化学成分

元素	C	W	Mo	V	Cr	Ni	Ce	La
									成分	1.73	5.04	5.33	3.88	5.77	1.26	0.24	0.21
元素	Ti	Mg	Al	Si	Mn	S	P	Fe
									成分	0.19	0.08	0.12	1.17	1.33	0.009	0.028	余量

实施例2：

本发明原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊用500公斤中频感应电炉熔化，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、钨铁、钼铁、钒铁、铬铁和镍板混合加热熔化，用石墨增碳；

②炉前调整成分合格后将温度升至1610℃，加入脱氧剂铝，而后出炉；

③将镧铈混合稀土、钛铁和镁镍合金破碎至粒度小于20mm的小块，经290℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对金属熔体进行复合变质处理；

④轧辊采用压铸方法成型，轧辊尺寸φ220mm×300mm，金属熔体浇铸温度为1465℃；

⑤轧辊经980℃高温奥氏体化后，油冷至室温；

⑥轧辊然后在510℃进行消除应力的回火处理。

最后可以获得高韧性马氏体基体上镶嵌有高硬度碳化物颗粒的原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊，轧辊化学成分见表2。在轧辊本体上测试其硬度为65～66HRC。在与轧辊同炉浇铸、同炉热处理的Y型试块上切取20mm×20mm×110mm试样和φ10mm×130mm试样，测试材料的冲击韧性为18～21J/cm²，测试材料的抗拉强度为880～1150MPa。原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊在高速线材轧机减径机架上使用，轧制φ5.5mm普碳钢线材，单槽过钢量超过8000吨，修磨量小于1.0mm。

                                 表2轧辊化学成分

元素	C	W	Mo	V	Cr	Ni	Ce	La
									成分	2.30	3.87	7.70	6.04	4.31	2.05	0.12	0.11
元素	Ti	Mg	Al	Si	Mn	S	P	Fe
									成分	0.14	0.17	0.18	1.29	1.13	0.012	0.036	余量

实施例3：

本发明原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊用1000公斤工频感应电炉熔化，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、钨铁、钼铁、钒铁、铬铁和镍板混合加热熔化，用石墨增碳；

②炉前调整成分合格后将温度升至1630℃，加入脱氧剂铝，而后出炉；

③将镧铈混合稀土、钛铁和镁镍合金破碎至粒度小于20mm的小块，经270℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对金属熔体进行复合变质处理；

④轧辊采用重力铸造方法成型，轧辊尺寸φ380mm×800mm，金属熔体浇铸温度为1480℃；

⑤轧辊经1050℃高温奥氏体化后，风冷至室温；

⑥轧辊然后在550℃进行消除应力的回火处理。

最后可以获得高韧性马氏体基体上镶嵌有高硬度碳化物颗粒的原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊，轧辊化学成分见表3。在轧辊本体上测试其硬度为66～68HRC。在与轧辊同炉浇铸、同炉热处理的Y型试块上切取20mm×20mm×110mm试样和φ10mm×130mm试样，测试材料的冲击韧性为18～20J/cm²，测试材料的抗拉强度为890～1180MPa。原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊在棒材轧机精轧机架轧制φ18mm螺纹钢，单槽过钢量超过1200吨，修磨量小于4.0mm。

                              表3轧辊化学成分

元素	C	W	Mo	V	Cr	Ni	Ce	La
									成分	2.57	7.41	3.57	7.39	5.72	2.83	0.17	0.14
元素	Ti	Mg	Al	Si	Mn	S	P	Fe
									成分	0.09	0.13	0.26	1.35	1.28	0.017	0.033	余量

本发明原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明轧辊强度和硬度高，韧性好，耐磨性和抗氧化性优良，抗激冷激热性能也很好；

(2)本发明原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊的高硬度耐磨颗粒与高韧性基体结合良好，轧辊使用过程中，高硬度耐磨颗粒不易开裂和脱落；

(3)本发明原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊制造工艺简单，制造成本低；

(4)本发明原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊使用过程中不断裂、不起皮、不发生龟裂、不粘钢，使用性能明显优于高铬铸铁和高镍铬无限冷硬铸铁以及高速钢轧辊，接近硬质合金轧辊水平。

(5)使用本发明原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊，可以显著提高轧钢机作业率，降低轧材生产成本，具有很好的经济效益。

Claims (4)

1、一种原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊，其特征在于复合材料轧辊组织是高韧性马氏体基体上镶嵌有高硬度原位合成碳化物颗粒。

2、根据权利要求1的原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊，其特征在于所述的轧辊的化学组成是(重量％)：C：1.5～3.0，W：3.0～8.0，Mo：3.0～8.0，V：3.0～8.0，Cr：4.0～6.0，Ni：1.0～3.0，Ce：0.10～0.25，La：0.10～0.25，Ti：0.08～0.20，Mg：0.06～0.18，Al：0.10～0.30，Si＜1.5，Mn＜1.5，P＜0.05，S＜0.05，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

3、根据权利要求2的原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊，其特征在于，所述的轧辊的化学组成中C、Cr、Mo、W和V元素间满足(重量％)：C％＝0.05Cr％+0.06Mo％+0.03W％+0.25V％。

4、根据权利要求1、2或3所述原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊的制造方法，其特征在于轧辊用电炉生产，其工艺步骤是：

①将普通废钢、钨铁、钼铁、钒铁、铬铁和镍板混合加热熔化，用石墨增碳；

②炉前调整成分合格后将温度升至1600～1650℃，加入脱氧剂铝，而后出炉；

③将镧铈混合稀土、钛铁和镁镍合金破碎至粒度小于20mm的小块，经300℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对金属熔体进行复合变质处理；

④轧辊采用离心铸造、压铸、重力铸造等方法成型，金属熔体浇铸温度为1460～1500℃；

⑤轧辊经950～1150℃高温奥氏体化后，风冷或油冷至室温；

⑥轧辊然后在500～600℃进行消除应力的回火处理。