專利名稱：一種耐磨高速鋼輥環及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種輥環的制備方法，特別涉及一種耐磨高速鋼輥環及其制備方法，屬于高速鋼輥環技術領域。
背景技術：
輥環是線材生產的關鍵工具，必須能夠承受相當強烈的力與熱的作用。除了要有良好的抗斷裂性能外，表面還應具有良好的耐磨、耐熱性能。因此提高熱軋輥環表面耐磨性的研究已引起了國內外的重視，熱軋輥環的材料不斷地得到改進和發展，從早期的普通冷硬鑄鐵、無限冷硬合金鑄鐵、高鉻鑄鐵、高鉻鑄鋼，到目前國外廣泛使用的高速鋼、硬質合金，大致是熱軋輥環發展的過程。中國發明專利CN101596553公開了一種應用于高速線材軋機的高速鋼輥環及其制造方法，其化學組成成分是(質量分數，％ ) :3. O 3. 5C，5. O
7.0V，4. 2 4. 5Cr，9. O 10. 0Mo，5. 5 8. 0Co，0. 4 I. 0A1, L 5 4. ONb, O. 10 O. 25Τ ,
0.003 O. 006B，0. 08 O. 25RE，0. 06 O. 12Zr, < O. 8Si, ( I. OMn，其余為鐵和不可避免的微量雜質。該發明輥環經熔煉、變質處理后，在離心鑄造機上澆注。輥環經退火后進行粗加工，經淬火和回火后進行精加工。中國發明專利CN1424423還公開了一種用于各類線材軋機和棒材軋機的高速鋼輥環及其制造方法，其高速鋼輥環化學成分是(重量％)C :1· 2 3. O ；ff 2. O 6. O ；Mo :3. O 8. O ;V :1. O 10. O ；Cr :4. 5 12. O ；A1 :0. 4
1.5 ；Ni 0. 3 I. 5 ；Co :0. 5 10. O ；Nb :0. 5 5. O ；Ti :0. I I. O ；Ce :0. 05 O. 30 ；Na O. 05 O. 30 ；Mg 0. 005 O. 025 ；Si < I. 5 ；Mn < I. 5 ；S < O. 05 ；P < 0. 05 ;其余為 Fe。輥環采用電爐熔煉，離心鑄造方法成型，進行退火、高溫淬火和回火處理兩次。其硬度大于65HRC，600°C紅硬性大于60HRC，抗拉強度900 1050Mpa，沖擊韌性16 20J/cm2。中國發明專利CN1454723還公開了一種高速鋼復合輥環，輥環外層為高速鋼，輥環芯部為合金球墨鑄鐵，其特征在于輥環外層的化學成分(重量％)為Cl. 2-2. 5%，SiO. 3-1. 5%,MnO. 4-1. O %, Cr3. 0-6. O %, Mol. 0-4. O %, VI. 0-4. O %, WO. 5-3. O %, NbO. 5-2. O %,TiO. 01-0. 5%,RE0. 01-0. 5%,P < 0. 05%,S < 0. 05%，余為 Fe ;輥環芯部的化學成分(重fi% )為C3. 0-3. 8%,Si2. 2-3. 2%,MnO. 3-0. 8%,NiO. 2-2. 0%,Cr < 0. 3%,Mo < 0. 3%,MgO. 03-0. 1%, RE 彡 0. 03%, P < 0. 1%, S < 0. 03，余為 Fe。中國發明專利 CN101239359還公開了一種由芯軸、內環、外環組成的可循環利用的輥環軋輥及制造方法，在芯軸的軸身部分過盈配合有由內環、外環溶合而成的雙金屬輥環。把作為外環原材料的高速鋼或高鎳鑄鐵等放到中頻爐中加熱熔化成溫度為1600-1650°C的合金鋼液，把作為內環又經清理后的無縫鋼管或低碳鑄鋼管預熱到300-800°C放入砂型中，將高溫合金鋼液澆鑄到砂型內并保持1490-1540°C的澆鑄溫度，在鋼液凝固過程中由外環與內環熔化成雙金屬輥環，經熱處理加工后與芯軸過盈配合成輥環軋輥，結構穩定，使用壽命長。中國發明專利CN101240402還公開了一種用于制作復合輥環軋輥用鑄造高硼高速鋼及其熱處理方法，其化學成分設計為(重量 ％ ) :0. 20-1. 10C, I. 0-2. 5B，3. 0-5. OCr, 0. 5-0. 9Si，0. 6-1. 3Μη，2· 0-10. 0V,
0.5-1. 5Ni, I. 0-4. ΟΜο,Ο. 2-4. 0ff,0. 1-2. ONb, S < 0· 04，P < 0. 04，其余為 Fe ;它的熱處理方法包括退火，淬火和2-3次回火，退火加熱溫度為800-860°C，爐冷至小于500°C后爐冷或空冷；淬火加熱溫度為1020-1150°C，隨后風冷或空冷；回火2-3次，加熱溫度500-550°C，隨后爐冷或空冷。中國專利CN2600186還公開了一種新型高速線材軋機輥環，其特征是輥環由高速鋼外層(I)和合金鋼內層(2)緊密結合而構成。該實用新型由于具有硬度較高的新型高速鋼外層和沖擊韌性較高的合金鋼材料內層而不僅滿足了高速線材預精軋的工藝要求，而且成本相當低廉，僅有硬質合金輥環成本的1/4，大大降低了高速線材軋機的運行成本。中國發明專利CN101050510還公開了一種適用于棒線材連軋機的新型硬質材料軋輥，其化學成分按重量百分比 是C 1. 5 2. 5，W :5. O 8. O, Mo :5. 5 8. 0，V :3. O
5.O, Cr 4. O 6. 0，Ni 0. 5 I. 0，Re 0. 04 O. 10 ；Ti :0. 08 O. 20，Al 0. 10 O. 30，SiO. 7 1.5，Mn :I. 5-3. 0，其余為Fe。中國發明專利CN1865479還公開了一種原位合成顆粒增強鋼基復合材料軋輥及其制造方法，其化學成分是(重量％ ) C :1. 5 3. O, W :3. O
8.O, Mo 3. O 8. 0，V :3· O 8. O, Cr 4. O 6. 0，Ni 1. O 3. 0，Ce 0. 10 O. 25，La
0.10 O. 25，Ti 0. 08 O. 20，Mg 0. 06 O. 18，Al 0. 10 O. 30，Si < I. 5，Mn < I. 5，P < O. 05，S < O. 05 ;其余為Fe和不可避免的微量雜質。該發明軋輥強度和硬度高，韌性好，耐磨性和抗氧化性優良，抗激冷激熱性能好。中國發明專利CN1339342還公開了一種高速鋼軋輥輥套的制造方法，其要點是先制造高速鋼電極毛管，然后放在具有激冷結晶器的輥套電渣重熔設備中進行電渣重熔，制成毛坯，再進行熱處理及機加工。該發明的優點是軋輥輥套晶粒細小，組織均勻，夾雜物少，沒有縮孔、疏松、元素偏析等缺陷，可使耐磨性、強韌性等綜合性能大大提高，延長使用壽命，而且工藝合理，簡單易行，投資少，制造方便，成本低。可克服目前離心鑄造法和CPC法等制造軋輥或輥套的不足之處，進一步提高耐磨性和強韌性。可用于制造鋼管軋機、高速線材預精軋機、窄帶精軋機及小型軋機等輥套及軋輥。中國發明專利CN102274856A還公開了一種離心復合高速鋼軋輥及其澆注方法，軋輥包括高速鋼外層、中間過渡層、球墨鑄鐵芯部，所述的高速鋼外層的化學成分重量百分比為Cl. 8 2. 6%、Cr3 10%、NbO. 2 I. 0%, Mo4 10%、V5 10%、W4 10%、Co2 10%，其余為Fe及不可避免的雜質，其工作步驟如下1)中頻爐熔煉；2)進行變質處理；3)離心鑄造；4)芯部澆鑄；5)采用臺車式差溫爐進行熱處理。與現有技術相比，該發明的有益效果是1)能顯著提高高速鋼外層的抗熱疲勞和耐磨性能。2)高速鋼外層和中間過渡層的結合強度達到400Mpa以上，防止高速鋼外層的剝落。中國發明專利CN1807671還公開了一種連續鑄造復合高速鋼軋輥外層輥身的工藝配方。外層輥身的工藝配方(重量％)是
1.5-3. 5C，2. 0-7. 0Cr,2. 0-7. 0Μο，4· 0-10. 0V,4. 0-10. Off,0-10. OCo, Ni < 2. O，其余為 Fe。采用該配方可以開發W、V含量高、偏析輕、耐磨性好的復合高速鋼軋輥，來滿足熱連軋技術的需求，降低軋制中換輥頻率，大幅度提高軋機的作業率，降低生產成本，提高經濟效益。中國發明專利CN101705430A還公開了一種高速鋼軋輥及其在電磁場下離心復合制備方法。高速鋼軋輥的工作層材質成分為(重量％) :C :1.5% 2.5%，V :4.0 6.0%，W :4.0%
6.0%, Mo :1. 5% 4. 5%, Cr :2. 0% 4. 0%, Zr :0. 04% O. 18%, B :0. OOl O. 003%,Si ^ O. 5%, Mn彡0.5%，余量為Fe及雜質元素，雜質中要求S < O. Ol%，P < 0.01%, O
<O. 0010%。采用脈沖電磁場下離心復合方法澆鑄軋輥，脈沖磁場的頻率為O. I 10Hz，鑄型中心磁場的峰值強度為I 10T。該軋輥具有多種析出強化相，施加的脈沖磁場使強化相及基體晶粒有效細化，并使強化相彌散分布，克服了合金元素的偏析，能大幅度提高軋輥的性能。中國發明專利CN102366822A還公開了一種高速鋼軋輥材料的鋼水處理方法，將變質元素稀土鎂硅鐵合金、釩鐵、鈦鐵、鈮鐵、鋯鐵、氧化鉀、硅鈣鋇合金、含氮鉻鐵、硼鐵和鋅破碎成60 100目的粉末，按質量分數混合均勻；采用厚度O. 15 O. 22mm低碳鋼鋼帶包裝，滾軋成直徑<p5-8mm金屬包芯線；采用喂絲法將金屬包芯線添加到鋼包內澆注高速鋼軋輥的鋼水中，金屬包芯線的加入量為8 10kg/T鋼水。但是，上述高速鋼輥環或高速鋼軋輥仍存在硬度和紅硬性低以及高溫耐磨性差的不足，與硬質合金輥環相比，耐磨性仍需進一步提聞。因此，本發明選用具有優良耐磨性聞碳聞鶴聞速鋼制作棍環，為了提聞棍環的力學性能，特別是輥環的強度和韌性，確保輥環使用不發生剝落和開裂，還用釔、鈦、氮、鈣、鋯、鋅和鎂對高碳高鎢高速鋼進行復合變質處理
發明內容

本發明目的是提供種耐磨高速鋼輥環及其制備方法。其主要特點是在高碳高鎢高速鋼中加入適量的釔、鈦、氮、鈣、鋯、鋅和鎂以及NbC粉末，使其組織細化，特別是使共晶碳化物團球化，有利于高碳高鎢高速鋼力學性能尤其是強度和韌性大幅度提高，最終將導致聞碳聞鶴聞速鋼棍環使用性能的提聞。本發明是米用一種多兀聞碳聞鶴聞速鋼制作棍環，并采用離心鑄造方法成形，為了防止離心鑄造高碳高鎢高速鋼輥環的偏析，在鋼水進入鑄型時，立即用自來水冷卻鑄型，確保鋼水實現快速凝固，在減輕元素偏析的同時，還可以明顯細化凝固組織，提高輥環的綜合性能。本發明的目的可以通過以下措施來實現本發明的一種耐磨高速鋼輥環，輥環的化學組成的質量分數％是
2.6 3. 2C, 14. 5 15. Off, 2. 5 3. OMo, I. 5 2. OV, 4. 0 4· 5Cr, 4. 5 5. OCo, 6. 2 6. 8Nb, O. 5 O. 8Ni, O. 15 O. 20B, O. 25 O. 40A1, O. 07 O. 10Y, O. 04 O. 06Τ , O. 08 O. 12N, O. 04 O. 07Ca, O. 020 0· 035Zr, O. 08 O. IlMg, O. 12 O. 15Zn, O. 5 I. 2Si, O. 20 0· 45Mn, S〈0. 02，Ρ〈0· 03，其余為Fe。本發明上述耐磨高速鋼輥環的制備方法，其特征在于，電爐熔煉和離心鑄造的方法成形，具體包括以下步驟①將普通廢鋼、增碳劑、碳素鉻鐵、鎢鐵、金屬鈷、鎳板、鈮鐵和鑰鐵混合加熱熔化，鋼水溶清后加入娃鐵和猛鐵；②將鋼水溫度升至1520 1550°C,加招脫氧和合金化,然后依次加入fL鐵和硼鐵，爐前調整成分合格后繼續將鋼水溫度升至1560 1580°C ；③將鎂鎳合金、硅鈣合金、釩氮合金、鈦鐵、釔基重稀土合金、金屬鋅和鋯鐵破碎至粒度為4 IOmm的小塊，經180 220°C以下烘干2 4h后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理，將步驟②鋼水出爐，出爐過程中將占鋼水質量分數5. O 5. 5%、顆粒尺寸5 10 μ m的NbC粉末，隨鋼水沖入澆包；用離心鑄造方法澆注高速鋼輥環，鋼水澆注溫度1450 1480°C，在鋼水進入鑄型時，立即用自來水冷卻鑄型，澆注2 4h后開箱空冷輥環；④輥環經退火后進行粗加工，經淬火和回火后進行精加工，其中退火處理工藝是輥環隨爐加熱至930 950°C，保溫3 6h后爐冷至650 680°C，然后空冷至室溫；淬火處理工藝是輥環隨爐加熱至1070 1090°C，保溫2 4h后油冷；回火處理工藝是輥環隨爐加熱至520 545°C,保溫4 IOh后爐冷,相同工藝下回火兩次。合金材質的性能是由金相組織決定的，而一定的組織取決于化學成分及熱處理工藝，本發明高速鋼輥環化學成分是這樣確定的碳棒線材軋機輥環的使用工況是典型的高溫磨損，在高溫磨損工況下，希望材料既具有優異的抗磨性，又具有優良的抗熱疲勞性能，而優異的抗磨性來源于組織中存在的高硬度共晶碳化物，而碳對碳化物數量影響最大，但是，高速鋼輥環中若碳化物數量過多，則材料脆性大，使用中易開裂和剝落，合適的碳含量宜控制在2. 6^3. 2%。鎢和鑰鎢在鋼中既能形成碳化物，又部分溶于固溶 體中，提高鋼的回火穩定性。鑰與鎢結構及物理性能相近，可以互相代替，1%Μο可以代替I. 6% 2. 0%ff,含鑰高速鋼碳化物的不均勻性明顯優于鎢系高速鋼，鑰系高速鋼的紅硬性低于鎢系，但其抗彎強度和沖擊韌性明顯好于鎢系高速鋼。綜合考慮將W含量控在14. 5^15. 0%，Mo含量控制在2. 5^3. 0%。鉻高速鋼中加入鉻主要是為了提高淬透性和抗氧化性，鉻含量過多增加高速鋼中碳化物的不均勻度，合適的鉻含量宜控制在4. (Γ4. 5%。釩高速鋼輥環中加入一定數量的釩，主要是為了獲得高硬度的MC型碳化物，從而提高輥環硬度，并改善輥環耐磨性，釩含量過高，MC型碳化物粗大，鋼的強度和韌性下降，輥環使用中易開裂甚至剝落，合適的釩含量宜控制在I. 5^2. 0%。鈷鈷主要固溶于基體，有利于提高高速鋼的紅硬性和高溫耐磨性，但鈷降低高速鋼的韌性，合適的鈷含量宜控制在4. 5^5. 0%。鈮鈮是強碳化物形成元素，加入高速鋼中易形成高硬度的NbC顆粒，有利于提高高速鋼輥環的耐磨性，但是，將鈮直接以鈮鐵方式加入高速鋼中，易出現粗大的NbC顆粒，導致高速鋼強度和韌性急劇下降。本發明將高速鋼的鈮含量控制在6. 2^6. 8%，確保高速鋼輥環具有優異的耐磨性。但是，只有少部分鈮以鈮鐵形式加入電爐中，大部分鈮是在出爐過程中將占鋼水質量分數5. O 5. 5%、顆粒尺寸5 10 μ m的NbC粉末隨鋼水沖入澆包。NbC粉末可以成為奧氏體的結晶核心，促進高速鋼輥環凝固組織的細化，有利于提高輥環的強韌性和耐磨性。鎳鎳是非碳化物形成元素，主要固溶于基體，提高基體強韌性，使基體對碳化物提供良好的支撐，防止高溫磨損時碳化物的剝落，有利于改善高速鋼輥環的耐磨性，但是鎳含量過高，淬火組織中殘留奧氏體增多，導致輥環回火次數增加，合適的鎳含量宜控制在O. 5 O. 8%。硼硼加入高速鋼輥環中有兩方面的作用，其一是固溶于基體，提高基體淬透性和淬硬性，其二是固溶于碳化物，提高碳化物的硬度和高溫穩定性，有利于高速鋼輥環使用壽命的增加，但是，硼含量過高，棍環脆性加大，合適的硼含量宜控制在O. 15" . 20%ο鋁鋁主要固溶于基體，明顯提高高速鋼輥環的紅硬性和高溫耐磨性，加入量過多，易出現氧化夾雜，合適的鋁含量宜控制在O. 25、. 40%。釔鑄造高速鋼中粗大的鑄態組織和晶界網狀共晶碳化物嚴重削弱材料的強韌性，且難以用熱處理方法消除。稀土加入鋼中具有脫硫、除氣的作用，同時稀土與液態金屬反應生成的細小粒子，加速凝固的形核作用，表面活性稀土元素在流動的晶體表面形成吸附原子薄膜，降低流動離子的速度，稀土元素的這些特性能細化高速鋼的晶粒，限制樹枝晶偏析，提高機械性能、抗氧化性和耐磨性。但加稀土的副作用是帶來夾雜，為了既能充分發揮稀土的有益作用，又能克服上述副作用，采用釔基重稀土取代常用的鈰基輕稀土。采用釔基重稀土可獲得密度較小的脫氧、脫硫產物，以利于其上浮，鈰稀土的脫氧、脫硫產物以Ce2O2S計，其密度為6. 00g/cm3,釔稀土的脫氧、脫硫產物以Y2O2S計，密度為4. 25g/cm，按 Stokes 公式(Ladenburg R. W，Physical Measurements in Gas Dynamics and inCombustion，New York:Prince-ton University Press, 1964，137 144.)計算夾雜物的上浮速度V為
權利要求
1.一種耐磨高速鋼輥環，其特征在于，輥環的化學組成質量分數％ 2.6 3. 2C, 14. 5 15. Off, 2. 5 3. OMo, I. 5 2. OV, 4. 0 4· 5Cr, 4. 5 5. OCo, 6. 2 6. 8Nb, O. 5 O. 8Ni, O. 15 O. 20B, O. 25 O. 40A1, O. 07 O. 10Y, O. 04 O. 06Τ , O. 08 O. 12N, O. 04 O. 07Ca, O. 020 0· 035Zr, O. 08 O. IlMg, O. 12 O. 15Zn, O. 5 I. 2Si, O. 20 0· 45Mn, S〈0. 02，Ρ〈0· 03，其余為Fe。
2.權利要求I所述的一種耐磨高速鋼輥環的制備方法，其特征在于，采用電爐熔煉和離心鑄造的方法成形，具體包括以下步驟 ①將普通廢鋼、增碳劑、碳素鉻鐵、鎢鐵、金屬鈷、鎳板、鈮鐵和鑰鐵混合加熱熔化，鋼水溶清后加入娃鐵和猛鐵； ②將鋼水溫度升至1520 1550°C，加鋁脫氧和合金化，然后依次加入釩鐵和硼鐵，爐前調整成分合格后繼續將鋼水溫度升至1560 1580°C ； ③將鎂鎳合金、娃韓合金、鑰;氮合金、鈦鐵、乾基重稀土合金、金屬鋅和錯鐵破碎至粒度為4 IOmm的小塊，經180 220°C以下烘干2 4h后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理，將步驟②鋼水出爐，出爐過程中將占鋼水質量分數5. O 5. 5%、顆粒尺寸5 10 μ m的NbC粉末，隨鋼水沖入澆包；用離心鑄造方法澆注高速鋼輥環，鋼水澆注溫度1450 1480°C，在鋼水進入鑄型時，立即用自來水冷卻鑄型，澆注2 4h后開箱空冷輥環； ④輥環經退火后進行粗加工，經淬火和回火后進行精加工，其中退火處理工藝是輥環隨爐加熱至930 950°C，保溫3 6h后爐冷至650 680°C，然后空冷至室溫；淬火處理工藝是輥環隨爐加熱至1070 1090°C，保溫2 4h后油冷；回火處理工藝是輥環隨爐加熱至520 545°C,保溫4 IOh后爐冷,相同工藝下回火兩次。
全文摘要
一種耐磨高速鋼輥環及其制備方法，屬于高速鋼輥環技術領域。其化學組成為質量分數%2.6~3.2C,14.5~15.0W，2.5~3.0Mo,1.5~2.0V，4.0~4.5Cr,4.5~5.0Co,6.2~6.8Nb，0.5~0.8Ni，0.15~0.20B，0.25~0.40Al，0.07~0.10Y，0.04~0.06Ti，0.08~0.12N，0.04~0.07Ca，0.020~0.035Zr，0.08~0.11Mg，0.12~0.15Zn，0.5~1.2Si，0.20~0.45Mn,，S<0.02，P<0.03，其余為Fe。采用離心鑄造。輥環硬度高、耐磨性好。
文檔編號C22C38/56GK102766824SQ201210230010
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月4日 優先權日2012年7月4日
發明者姜良初, 張政龍 申請人:北京環渤灣高速鋼軋輥有限公司