專利名稱：提高高速鋼軋輥熱處理效率和組織質(zhì)量的電脈沖處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高速鋼軋輥的熱處理技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)計(jì)一種高性能高速鋼軋輥的特殊熱處理方法，即在固溶處理和時(shí)效處理中間施加電脈沖處理。
背景技術(shù)：
軋輥是軋鋼生產(chǎn)中大量消耗的關(guān)鍵耐磨件，其質(zhì)量直接影響到軋鋼產(chǎn)品質(zhì)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)成本等；由于軋輥使用條件極其苛刻，要求軋輥必須承受相當(dāng)強(qiáng)烈的力與熱的作用，除了要有較高的強(qiáng)韌性，防止軋輥使用中發(fā)生斷裂事故，軋輥表面還應(yīng)具有良好的耐磨、耐熱性能，單一軋輥材質(zhì)難以滿足熱軋輥的要求；用強(qiáng)韌性好的輥芯材料與耐磨、耐熱性好的輥身材料組成的復(fù)合軋輥，是軋輥發(fā)展的主要方向。 將電脈沖處理應(yīng)用到材料制備中來是近年來材料制備中的一個(gè)新方向，脈沖電流在材料中的機(jī)制主要有(1)熔體凝固過程中起到細(xì)化金屬凝固組織的作用；(2)電致塑性效應(yīng)；(3)導(dǎo)致非晶材料的晶化；(4)快速再結(jié)晶，脈沖電流可促進(jìn)位錯(cuò)滑移和原子擴(kuò)散，加快位錯(cuò)攀移進(jìn)入晶界，增加亞晶角度，通過加快位錯(cuò)回復(fù)而加速再結(jié)晶形核和提高再結(jié)晶形核率；同時(shí)通過加速位錯(cuò)在晶界上的攀移及消失，減小形核界面兩邊的能量差而降低形核界面的遷移速率及再結(jié)晶核心的長大速率，進(jìn)而減小完全再結(jié)晶的晶粒直徑；(5)鋼中的裂紋愈合等；經(jīng)過電脈沖處理后材料組織和性能的轉(zhuǎn)變都與電脈沖的作用機(jī)制有關(guān)，研究表明電脈沖是一個(gè)快速非平衡過程，處理過程中存在大量有一定漂移速度的電子流與原子實(shí)之間的沖擊力，在這個(gè)過程中，焦耳熱引入到材料中；在金屬系統(tǒng)中，這種由電轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬乃俣仁欠浅？斓模@樣的高速加熱將產(chǎn)生溫升與熱膨脹的非同步改變，即熱膨脹滯后于溫升，可以形成一個(gè)瞬時(shí)的熱壓應(yīng)力，將有助于改變微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出的將電脈沖運(yùn)用于高速鋼材料的熱處理，原因在于其降低了碳化物在鋼中的析出溫度，改變了碳化物析出熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)，降低了碳化物起始析出溫度和峰值析出溫度，打破了常規(guī)相平衡狀態(tài)；即通過脈沖電流處理，提高了碳化物析出均勻性和析出速度，對改善高速鋼材料的組織和性能有益；但并非施加任意一種電脈沖都會(huì)起到促進(jìn)析出的有益效果，其作用效果與電脈沖主要參數(shù)有關(guān)，即電流強(qiáng)度、脈沖頻率和脈寬，所以控制適宜的電脈沖參數(shù)是實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的的關(guān)鍵技術(shù)。對于常規(guī)的高速鋼熱處理工藝，一般是高溫固溶處理后，進(jìn)行三道次時(shí)效熱處理，工序長，能耗高，因輥身較大，有時(shí)候時(shí)效效果并不理想，即出現(xiàn)碳化物析出不徹底、強(qiáng)化效果不顯著的問題；所以對高速鋼軋輥進(jìn)行熱處理工藝改革和優(yōu)化是非常必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種提高高速鋼軋輥熱處理效率和組織質(zhì)量的新方法；在時(shí)效處理前施加脈沖電場處理，可以縮短時(shí)效處理時(shí)間，提高時(shí)效處理效率，并提高高速鋼軋輥中碳化物析出均勻性、析出速度和析出數(shù)量，進(jìn)而達(dá)到提高高速鋼軋輥制造質(zhì)量和制造效率。本發(fā)明的目的是通過下列技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供一種高性能高速鋼軋輥，該軋輥包括輥芯和軋輥耐磨工作層，輥芯采用球墨鑄鐵制作，耐磨工作層為高速鋼材質(zhì)，耐磨工作層的成分按質(zhì)量百分含量為C:1.59Γ2. 5%, V 4. (Γ6. 0%, W 4. 09Γ6. 0%, Mo :1. 59Γ4. 5%, Cr :2. 09Γ4. 0%, Zr :0. 04%"0. 18%,B :0. 001 O. 003%，Si≤O. 5%，Mn≤O. 5%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)元素，雜質(zhì)中要求
S〈0. 01%, Ρ〈0· 01%, 0〈0·0010%ο具體制備過程為
第一階段金屬熔體熔煉將低碳低合金純凈廢鋼、生鐵或增碳劑、鉻鐵、鑰鐵、鎢鐵按化學(xué)成分要求混合，裝入熔煉爐內(nèi)加熱熔化，鋼水熔清后，加入鋁鐵預(yù)脫氧，調(diào)整合金元素C、W、Mo、Cr成分后，加入鋯鐵合金、硼鐵合金進(jìn)行Zr、B合金化，到出鋼溫度時(shí)，加入釩鐵，在1550°C 1600°C溫度范圍內(nèi)出鋼；用沖天爐熔煉輥芯鐵水，輥芯選用低合金球墨鑄鐵，輥芯鐵水的出爐溫度為1470°C。第二階段離心復(fù)合澆鑄準(zhǔn)備好鑄型后，啟動(dòng)鑄型離心旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使鑄型在600^1400 r/min的轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)鋼液溫度高于液相線溫度8(Tl00°C時(shí)，澆鑄工作層，工作層澆鑄完畢，測量工作層內(nèi)層表面(即復(fù)合界面)溫度，當(dāng)界面溫度低于軋輥輥芯材料液相線溫度6(T80°C時(shí)，澆鑄輥芯。第三階段機(jī)加工和熱處理機(jī)加工以磨削去除冒口和軋輥外表面粘連的砂型，得到軋輥的粗坯原型；熱處理包括淬火和回火處理；淬火的加熱溫度為i00(Ti05(rc，保溫時(shí)間為2 4小時(shí)；淬火冷卻時(shí)，先噴霧冷卻1(Γ20分鐘，然后強(qiáng)制風(fēng)冷2(Γ40分鐘；空冷至輥面溫度低于200°C時(shí)，對軋輥進(jìn)行電脈沖處理，電流強(qiáng)度范圍O. Ι-lOOkA，脈沖頻率(每秒內(nèi)施加的脈沖個(gè)數(shù))為2-50Hz，脈寬15-30 μ s ;處理過程中電能會(huì)轉(zhuǎn)變成焦耳熱，使得軋輥升溫，并隨著處理時(shí)間延長輥身溫度升高，通過多點(diǎn)溫度監(jiān)測關(guān)注輥身溫度變化，回火溫度控制在53(T560°C范圍內(nèi)，并維持廣2小時(shí)；然后再進(jìn)行一次回火處理，主要目的是消除殘余應(yīng)力，此時(shí)不需要施加電脈沖處理，回火處理工藝為回火溫度為53(T560°C，保溫6 12小時(shí)；
第四階段精加工出爐后冷卻至室溫，精加工至規(guī)定尺寸。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，采用本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下
1、縮短了時(shí)效次數(shù)和時(shí)間，縮短了工序時(shí)間，提高了軋輥制造效率；
2、提高了熱處理后材料的組織質(zhì)量和性能，碳化物和合金相析出均勻性大幅提高，其形狀也有棒條狀向圓粒狀轉(zhuǎn)變，提高了析出相的強(qiáng)化作用；
3、碳化物組織特征的改善，使得合金元素利用率提高，可在確保達(dá)到使用性能的前提下，可以減少合金元素的添加量，起到節(jié)省生產(chǎn)成本的目的；
4、從材料性能上看，軋輥的表層硬度和耐磨性同步提高。本發(fā)明的高性能高速鋼復(fù)合軋輥的耐磨工作層的化學(xué)成分確定根據(jù)如下
碳碳是高速鋼軋輥中形成耐磨相碳化物的基本元素，要保證碳化物形成量，碳要有一定余量，但碳含量過高，軋輥在外界應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用下，容易龜裂，因此碳控制在1.5% 2. 5%。釩釩在鋼中以VC析出，改善鋼的耐磨性，V量高，貝IJ以V3C形式析出，降低鋼的耐磨性，所以V量控制在4. 0 6· 0%。鎢碳化鎢有效提高鋼的硬度，鎢還可提高鋼的紅硬性，改善鋼的高溫耐磨損性能，所以W量控制在4. 0 6· 0%。鑰鑰可以提高鋼的抗氧化性和耐磨性，所以Mo量控制在1. 5^4. 5%。鉻鉻的主要作用是提高鋼的抗高溫氧化性能，由于鉻和碳可形成多種穩(wěn)定性較低的氧化物，因此鉻含量適當(dāng)降低，可提高材料的熱穩(wěn)定性，所以Cr量控制在2. (Γ4. 0%。鋯鋯是最強(qiáng)的碳化物形成元素，消除析出相中不穩(wěn)定的碳化物，提高材料的熱穩(wěn)定性，但鋯含量高會(huì)顯著降低鋼的淬透性，所以鋯含量控制在O. 04、. 18%。硼硼可以提高鋼的淬透性，含量在O. 00Γ0. 003%就有明顯效果。硅和錳高速鋼中由于合金元素含量較高，硅和錳容易引起晶界強(qiáng)度降低和晶粒粗大，使得軋輥在機(jī)加工和熱處理過程中出現(xiàn)裂紋，因此要求Si ( O. 5%和Mn ( O. 5%。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述，實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而不是以任何方式來限制本發(fā)明。實(shí)施實(shí)例I
該實(shí)施例高性能高速鋼復(fù)合軋輥輥身尺寸為Φ 500 X 1700mm，復(fù)合軋輥耐磨工作層材料和輥芯球墨鑄鐵分別采用4t的中頻感應(yīng)電爐和5t/h的沖天爐熔煉，其制造工藝步驟如下
第一階段金屬熔體熔煉將低碳低合金純凈廢鋼、生鐵或增碳劑、鉻鐵、鑰鐵、鎢鐵按化學(xué)成分要求混合，裝入熔煉爐內(nèi)加熱熔化，鋼水熔清后，加入鋁鐵預(yù)脫氧，調(diào)整合金元素C、W、Mo、Cr成分后，加入鋯鐵合金、硼鐵合金進(jìn)行Zr、B合金化，到出鋼溫度時(shí)，加入釩鐵，在1550°C溫度出鋼；用沖天爐熔煉輥芯鐵水，輥芯選用低合金球墨鑄鐵，輥芯鐵水的出爐溫度為 1470。。。第二階段離心復(fù)合澆鑄準(zhǔn)備好鑄型后，啟動(dòng)鑄型離心旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使鑄型在600r/min的轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)鋼液溫度高于液相線溫度80°C時(shí)，澆鑄工作層，工作層澆鑄完畢，測量工作層內(nèi)層表面(即復(fù)合界面)溫度，當(dāng)界面溫度低于軋輥輥芯材料液相線溫度60°C時(shí)，澆鑄輥芯。第三階段機(jī)加工和熱處理機(jī)加工以磨削去除冒口和軋輥外表面粘連的砂型，得到軋輥的粗坯原型；熱處理過程參數(shù)為淬火的加熱溫度為1000°c，保溫時(shí)間為4小時(shí)；淬火冷卻時(shí)，先噴霧冷卻10分鐘，然后強(qiáng)制風(fēng)冷40分鐘；空冷至輥面溫度低于200°C時(shí)，對軋輥進(jìn)行電脈沖處理，電流強(qiáng)度15kA，脈沖頻率45Hz，脈寬30 μ s，此時(shí)輥身溫度控制在530°C，維持2h ;再進(jìn)行一次回火處理，此時(shí)不需要施加電脈沖處理，回火溫度為530°C，保溫12小時(shí)。第四階段出爐后冷卻至室溫，精加工至規(guī)定尺寸。制得的高性能高速鋼離心復(fù)合軋輥成分見表1，其力學(xué)性能見表2。表I高速鋼離心復(fù)合軋輥耐磨工作層成分(重量％)
權(quán)利要求
1.提高高速鋼軋輥熱處理效率和組織質(zhì)量的電脈沖處理方法，包括金屬熔體熔煉的步驟、離心復(fù)合澆鑄的步驟、機(jī)加工和熱處理的步驟和精加工的步驟，其特征在于熱處理包括淬火和回火處理；淬火的加熱溫度為100(Tl05(TC，保溫時(shí)間為2 4小時(shí)；淬火冷卻時(shí)，先噴霧冷卻1(Γ20分鐘，然后強(qiáng)制風(fēng)冷2(Γ40分鐘；空冷至輥面溫度低于200°C時(shí)，進(jìn)行回火處理，處理的同時(shí)對軋輥進(jìn)行電脈沖處理，電流強(qiáng)度范圍O. Ι-lOOkA，脈沖頻率為2-50Hz，脈寬15-30 μ s ;回火溫度控制在53(T560°C范圍內(nèi)，并維持廣2小時(shí)；然后再進(jìn)行一次回火處理，回火處理工藝為回火溫度為53(T560°C，保溫6 12小時(shí)。
2.如權(quán)利要求1所述的提高高速鋼軋輥熱處理效率和組織質(zhì)量的電脈沖處理方法，其特征在于所述金屬熔體熔煉的步驟為將低碳低合金純凈廢鋼、生鐵或增碳劑、鉻鐵、鑰鐵、鎢鐵按化學(xué)成分要求混合，裝入熔煉爐內(nèi)加熱熔化，鋼水熔清后，加入鋁鐵預(yù)脫氧，調(diào)整合金兀素C、W、Mo、Cr成分后,加入錯(cuò)鐵合金、硼鐵合金進(jìn)行Zr、B合金化,到出鋼溫度時(shí)，力口入釩鐵，在1550°C 1600°C溫度范圍內(nèi)出鋼；用沖天爐熔煉輥芯鐵水，輥芯選用低合金球墨鑄鐵，輥芯鐵水的出爐溫度為1470°C。
3.如權(quán)利要求1所述的提高高速鋼軋輥熱處理效率和組織質(zhì)量的電脈沖處理方法，其特征在于所述離心復(fù)合澆鑄的步驟為準(zhǔn)備好鑄型后，啟動(dòng)鑄型離心旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使鑄型在60(Tl400 r/min的轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)鋼液溫度高于液相線溫度8(Tl00°C時(shí)，澆鑄工作層，工作層澆鑄完畢，測量工作層內(nèi)層表面溫度，當(dāng)界面溫度低于軋輥輥芯材料液相線溫度6(T80°C時(shí)，澆鑄輥芯。
全文摘要
本發(fā)明屬于高速鋼軋輥的熱處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及提高高速鋼軋輥熱處理效率和組織質(zhì)量的電脈沖處理方法。為提高高速鋼軋輥的熱處理效率及處理后組織質(zhì)量，提出一種新的高速鋼熱處理方法，即固溶處理后時(shí)效處理前對軋輥進(jìn)行脈沖電流沖擊處理，控制電流強(qiáng)度、脈寬和頻率可起到促進(jìn)碳化物快速均勻析出的目的，并達(dá)到縮短時(shí)效處理次數(shù)、時(shí)間，并可同時(shí)提高熱處理后組織質(zhì)量，可以在使用較少合金添加量時(shí)達(dá)到合格的使用性能。
文檔編號C21D1/09GK103014299SQ20121055981
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者李桂榮, 王宏明, 郭亞, 符德, 朱祥 申請人:江蘇大學(xué)