一種離心鑄造高速鋼複合軋輥及其製造方法

2023-05-30 11:17:11

專利名稱：一種離心鑄造高速鋼複合軋輥及其製造方法
技術領域：
本發明為一種複合軋輥製造方法，特別涉及一種離心鑄造高速鋼複合軋輥及其製造方法，屬於鑄造技術領域。
背景技術：
隨著軋鋼生產的飛躍發展，提高軋輥質量成為重要的一環。在現代化新型軋機上，要求軋輥具有硬度層深而均勻、良好的耐磨、抗剝落、抗熱裂和抗表面粗糙等性能的輥面，具有一定強度和韌性的輥芯。這是普通鑄造方法所難以達到的。採用離心鑄造方法製造的複合軋輥，可使液態金屬在遠超過重力數十倍的離心力作用下結晶凝固，因此可以獲得組織緻密、性能優良的輥面，並適用於兩種不同的材料進行複合鑄造，以滿足輥面與輥芯的不同性能。因而能夠很好地滿足現代化軋機軋鋼生產要求。近年來，離心鑄造軋輥已經成為生產優質軋輥的重要方法，得到很大的發展。為了提高複合軋輥的鑄造質量中國發明專利CN1082950公開了複合軋輥和其生產方法，具有用優良耐磨性和抗表面變粗糙性堅硬高合金鑄鋼或鑄鐵製造的外殼部分和用堅韌鑄鐵或鑄鋼製造的芯部的複合軋輥，外殼部分鑄鐵的構成以重量計I. 0-3.0% C，
2.0%或更低的Si，2. O %或更低的Mn，2. 0-15. O %的Cr，10. O %或更低的Mo，2. 0-8. O %的V,其餘是Fe和不可避免的雜質，從外殼表面至50毫米深度範圍內，由分析確定，金屬結構基體的晶粒平均直徑100 μ m或更小,而且滿足公式m2 ^ I. Zm1,式中Iii1是外殼表面晶粒平均直徑，m2是50毫米深度處晶粒平均直徑，該複合軋輥是用離心鑄造方法製造出來的。中國發明專利CN1070433還公開了軋輥外層材料和離心鑄造的複合軋輥。該軋輥外層材料包含，C :1· 5 3. 5%, Si 1. 5% 以下，Mn 1. 2% 以下，Cr 5. 5 12. 0%, Mo 2. O 8. 0%,
V:3· O 10. 0%，Nb 0. 6 7. O %，且需滿足下式要求(I) V+1. 8Nb 彡 7. 5C-6. O (% )，
(2)0. 2 ( Nb/V ( O. 8，其餘部分為Fe和不可避免的雜質，具有能採用離心鑄造方法鑄造、耐磨損性和耐斷裂性均良好的優點。中國發明專利CN1631565還公開了高釩高速鋼複合軋輥及生產工藝，軋輥分為輥芯和軋輥耐磨層，輥芯採用韌性較好的低合金鋼或中碳鋼材料製作，軋輥耐磨層採用高釩高速鋼材料，該高釩高速鋼的主要元素含量為C : 1. 8-3. 5 %、
V7-12%, Cr 4-5%, Mo :2_4%、Ni 0. 5-1. 5%，餘量為鐵。其生產工藝為輥芯與軋輥耐磨層通過感應加熱順序凝固結晶方法複合熔鑄為一體。該發明軋輥耐磨性好，性價比高，使用安全可靠。軋輥組織緻密、均勻，無偏析，兩種材料為良好的冶金結合，結合強度高，使用過程中不會發生斷裂、碎裂現象，可減少易損件失效而造成的停機次數。有效提高了軋輥的韌性和耐磨性，解決離心鑄造法易發生成分偏析，CPC法、ESR法生產工藝複雜、成本高的問題。中國發明專利CN1861829還公開了改良的複合高鉻鋼軋輥及製備方法。該發明是關於對熱軋帶鋼用工作層為高鉻鋼的複合軋輥及製備方法的改進，其特徵是高鉻鋼工作層成分為 CO. 8-2. O %，SiO. 5-1. 2%, MnO. 4-1. 5%, NiO. 4-1. 5%, Cr8-16 %，MoO. 2-3. O %，V0. 1-1. 0%,N0. 01-0. 25%, BO. 001-0. 003%, A10. 01-0. 3%, P ^ 0. 03%, S ( 0. 015%，其餘為鐵及雜質，以及採用立式離心分層澆注。所得複合高鉻鋼軋輥較原有高鉻鋼具有，工作層硬度落差小於3 HSD，軋輥的耐磨性可提高30%以上，軋輥毫米軋制量提高33%左右。同時軋輥的抗疲勞強度也較原來提高25%以上，抗蝕能力也得到顯著的提高，軋輥單次修磨量也較原來可降低20%以下，並且工作層與芯部材料冶金結合好，使用壽命較原來可提高一倍以上。中國發明專利CN1803325還公開了高速鋼複合軋輥的製造方法。該複合軋輥的外層高速鋼與芯部石墨鋼為冶金結合，其製造方法是採用離心鑄造工藝將兩種金屬材料澆鑄成型後，再對複合軋輥進行粗加工和進行淬火熱處理。中國發明專利CN1846887還公開 了一種高速鋼複合軋輥及其製造方法，該發明的高速鋼複合軋輥由輥身和輥芯通過離心鑄造方法複合而成，輥身材料是高碳高速鋼，主要含有的化學成分的重量百分比是C，I. 8
2.8 ;Μο，4· O 8. O ;V，3. O 7. O ；Nb, I. 5 4. O ；Cr,6. O 12. O ；RE,0. I O. 25 ；Ti,
O.15 O. 40 ；N, O. 08 O. 20 ；K, O. 06 O. 18 ；Si < 2. O ；Mn < 2. O ；S < O. 05 ；P < 0. 05 ；餘量為Fe和不可檢測的微量雜質；輥芯材料是高強度球墨鑄鐵，主要含有的化學成分的重量百分比是C，3. 2 3. 6 ;Si，I. 8 2. 4 ;Μη，0· 4 O. 8 ;Ni，O. 3 I. 2 ；Cr,0. 3 O. 8 ;Mo, O. 2 O. 5 ；Mg,0. 03 O. 08 ；RE,0. 05 O. 14 ；P < O. 08 ；S < O. 03 ;餘量為 Fe 和不可檢測的微量雜質。其耐磨性明顯優於高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥和高鉻鑄鐵軋輥，工藝簡單，生產效率高。中國發明專利CN102069174A還公開了一種離心電渣熔鑄雙基複合軋輥的生產方法，其特徵是它包括以下步驟(I)、製備渣液，取(55-65) %的氟化鈣和(25-35) %的三氧化二鋁及(5-15) %的氧化鎂置於爐內熔化成渣液，取金屬鐵用熔化後鑄造製得自耗電極；(2)、將渣液倒入爐內，採用熔化自耗電極進行電渣熔煉，使自耗電極逐漸熔化成鐵液進入爐內，得渣鐵混合液；(3)、將渣鐵混合液注入定量澆注包進行冶金處理；將渣鐵混合液注入離心鑄造機充型和在離心力下的凝固，得輥身殼體毛胚；(4)清理輥身殼體毛胚內表面渣物後，用鐵液對軋輥輥身殼體進行填芯處理，得離心電渣熔鑄雙基複合軋輥。該發明生產出的軋輥質量好，品質高。中國發明專利CN101386029還公開了一種混雜增強鑄鐵基複合軋輥及其製造方法，製得的該混雜增強鑄鐵基複合軋輥的複合層(工作層)為鎢絲和碳化物顆粒混雜增強的鑄鐵基複合材料，軋輥的輥芯為高強度灰口鑄鐵。其製備方法是用鎢絲編製成的鎢絲網預先布置在離心機的鑄型內，其層數布置I 4層，在1300°C 1350°C時將高強度灰口鑄鐵澆注到具有一定旋轉速度的離心機鑄型內，鑄態的軋輥經過熱處理熱擴散和相轉變後爐冷至室溫，得到混雜增強鑄鐵基複合軋輥。該混雜增強鑄鐵基複合軋輥的複合層(工作層)與輥芯的結合良好，實驗證明，本發明製備的混雜增強鑄鐵基複合軋輥具有較高的紅硬性和較好的耐磨性，內應力小、可大大延長軋輥的使用壽命。中國發明專利CN101351569還公開了一種離心鑄造複合軋輥，具有外層，其組成為由以質量％計含有C 2. 5 9%、Si :0· I 3. 5%,Mn 0. I 3. 5%、V : 11 40%，餘量為Fe及不可避免的雜質構成；中間層，由形成於上述外層內面的高速鋼類合金構成；內層，由形成於上述中間層內面的鑄鐵或鑄鋼構成。中國發明專利CN1068764還公開了一種離心鑄造熔渣，其特徵是它的化學成分(重量％)為Si02、Al203、Fe203中任一種或兩種以上之和為15. O 30. 0%，K2O, Na2O, Li2O中任一種或兩種以上之和為15. O 39. 9%, CaO, MgO, FeO中任一種或兩種以上之和為O. I 10%，氟化物或氯化物中任一種或兩者之和5. O 20. O %, B2O3 30. O 55.0%。該熔渣具有良好的速熔性、鋪展性、脫溶性，能完全滿足離心鑄造複合軋輥。中國發明專利CN1264749還公開了一種高耐磨性鑄造高速鋼，適用於大型耐磨件、複合軋輥工作層。其特點是它的具體化學成分(重量％ )如下1.8-4. 2% C，2-12 % W，3-12 % Mo，4-15% Cr, 0-10 % Co, 2. 5-10 % V, O. 3-2. 5 % Nb, O. 5-1. 5% Si, O. 3-0. 8 % Mn, O. 2-0. 6 %Al, O. 02-0. 10% N, ^ O. 03% S,^ O. 03% P，其餘為Fe，該發明特點是一種高碳、高釩、高鉻型鑄造高速鋼，鑄造性能良好，耐磨及紅硬性好。中國發明專利CN1076393還公開了一種鋼芯鑄鐵複合軋輥的製造方法，採用傳統的砂型底注旋流式和電弧加熱無冒口鑄造工藝，將鋼芯加工成曲面形，並在鋼芯表面包覆一層易熔金屬層，鋼芯與鑄鐵外殼曲面結合，由鐵水凝固收縮應力緊固複合。由於在鋼芯表層包覆一層易熔金屬，使凝固溫度降低，凝固時間延長，平衡了鐵水凝固產生的收縮應力，有效地解決了採用傳統澆鑄工藝在鋼芯表面澆鑄複合鑄鐵，外殼易裂的技術難題，鋼芯與鑄鐵外殼曲面結合，摩擦力大，不易剝落。但是，採用離心鑄造方法生產 高速鋼複合軋輥遇到了三個主要問題。(I)由於高速鋼含有V、Nb、W、Mo等合金元素，它們形成的碳化物密度相差很大容易形成偏析。在離心鑄造時，凝固初期析出的VC初晶碳化物由於密度較鋼液小，在離心力作用下向內表面集中形成偏析，使組織和成分不均勻。(2)傳統的離心鑄造複合軋輥，心部材料是有石墨析出的灰鑄鐵或球鐵。當外層材料為高速鋼時，由於含有大量白口傾向的元素，因而使外層與心部結合部位石墨化惡化，加上碳化物的偏析，使結合部變脆，造成複合輥外層剝落。(3)當軋輥心部材料採用具有高強度和高伸長率的鑄鋼時，由於其熔點比高速鋼高，澆注時將與已經凝固的外層高速鋼的內表面熔融混合。這一熔融層的熔點比心部鋼液低，成為最後凝固的部位，極易產生鑄造缺陷、降低結合部位的強度。當要求心部材料選用鍛鋼時，離心鑄造法更無法做到。

發明內容
本發明目的是針對離心鑄造高速鋼複合軋輥生產中存在的上述問題，開發一種元素偏析輕，輥面和輥芯結合好，輥面硬度高、硬度均勻性和耐磨性好以及輥頸強度高的高速鋼複合軋輥製造方法。本發明是在現有高碳高釩高速鋼軋輥基礎上，適當降低釩含量，同時加入鈮元素，使Nb與V形成複合碳化物(V，Nb) C。其作為初晶析出時，密度與鋼液大致相同，從而避免了在離心力作用下形成偏析。因而在成分設計中Nb與V需有一定量的配比，本發明將Nb/V控制在O. 3-0. 5。離心鑄造高速鋼複合軋輥的輥芯仍採用高強度球墨鑄鐵，為防止澆注球鐵時與外層高速鋼熔合混入Cr，B等引起脆化的元素，在外層和輥芯之間澆注中間層，調整中間層的成分，使各層間均達到冶金結合，本發明離心鑄造高速鋼複合軋輥為三層結構。此外，為了防止軋輥離心鑄造過程中出現裂紋，對輥面高速鋼材料進行細化組織的微合金化處理，達到提高軋輥材料抗熱裂能力的目的。本發明的目的可以通過以下措施來實現本發明高速鋼複合軋輥由外層高速鋼、中間層石墨鋼和芯部高強度球鐵通過離心複合而成。其外層高速鋼的化學成分(質量分數，％)是1.45 1.55C，0.4 0.6B，10. 5 11. 5Cr,3. 5 4· 5Μο，0· 6 O. 8Co，3. O 3. 6V, I. 08 I. 50Nb,且 O. 3 彡 Nb/
V彡 O. 5，I. O I. 2Ni,0. 04 O. 08Mg,0. 04 O. 08RE,0. 03 O. 05A1,0. 03 O. 05Ca,
O.03 O. 05Ba, Si < I. 2，Mn < O. 5，S < O. 03，P < O. 04，其餘為 Fe 和不可避免的微量雜質。其中間層石墨鋼的化學成分(質量分數，％)是2.6 2. 8C，1.6 1.8Si，Mn<0.4，S
<O. 02，P < O. 07，O. 03 O. 06RE, O. 03 O. 06Mg, O. 03 O. 05Ca, O. 03 O. 05Ba, O. 015
O.035Zr，0. 015 O. 035Bi,0. 015 O. 035Sb，0. 3 O. 6Cu，其餘為Fe和不可避免的微量雜質。其芯部球鐵的化學成分(質量分數，％ )是3· I 3. 4C，I. 8 2. 2Si,0. 4 O. 6Mn，S < O. 02,P < O. 07,0. 15 O. 35Μο，0· 35 O. 50Ni，0. 015 O. 035Zr,0. 015 O. 035Β ,
0.015 O. 035Sb，O. 03 O. 05Ca, O. 03 O. 05Ba, O. 040 O. 068Mg, O. 020 O. 045RE,其
餘為Fe和不可避免的微量雜質。本發明高速鋼複合軋輥用電爐熔煉，其製造工藝步驟是(I)先在3個電爐內分別熔煉外層高速鋼、中間層石墨鋼和芯部球鐵，其中外層高速鋼的冶煉工藝是①將廢鋼、增碳劑、鉻鐵、鑰鐵、鈮鐵、金屬鈷和鎳板混合加熱熔化，鋼水溫度升至1580 160(TC時，依次加入矽鈣鋇合金、鋁、釩鐵和硼鐵，然後升溫至1600 1630°C，爐前調整成分合格後出爐，②將稀土鎂合金破碎至12 15_的小塊，置於澆包底部，採用包內衝入法對鋼水進行變質處理。中間層石墨鋼的冶煉工藝是①將廢鋼、增碳劑和銅板混合加熱熔化，鋼水溫度升至1500 1520°C時，依次加入矽鐵和矽鈣鋇合金，然後升溫至1520 1550°C，爐前調整成分合格後出爐，②將稀土鎂合金、金屬銻、鉍鐵和鋯鐵破碎至8 12mm的小塊,置於燒包底部,採用包內衝入法對鋼水進行變質處理,鋼水出爐時，加入是出爐鋼水總質量O. 50 O. 65%的含娃量(質量，以下同)75 80%的娃鐵進行孕育處理。芯部球鐵的冶煉工藝是①將廢鋼、增碳劑、鑰鐵和鎳板混合加熱熔化，鐵水溫度升至1480 1500°C時，依次加入錳鐵、矽鐵和矽鈣鋇合金，然後升溫至1520 1550°C，爐前調整成分合格後出爐，②將稀土鎂合金、金屬銻、鉍鐵和鋯鐵破碎至8 12_的小塊，置於澆包底部，採用包內衝入法對鐵水進行球化和變質處理，鐵水出爐時，加入是出爐鐵水總質量O. 75 O. 80 %的含矽量75 80 %的矽鐵進行孕育處理。(2)先在離心機上澆注軋輥外層高速鋼，澆注軋輥外層時的鑄型轉速II1按以下公式確定
權利要求
1.一種離心鑄造高速鋼複合軋輥，其特徵在於 所述離心鑄造高速鋼複合軋輥由外層高速鋼、中間層石墨鋼和芯部球鐵通過離心複合而成；其外層高速鋼的化學成分質量百分數如下1. 45 I. 55C，0. 4 O. 6B, 10. 5 11.5Cr,3. 5 4· 5Μο，0· 6 O. 8Co，3. O 3. 6V, I. 08 I. 50Nb,且 O. 3 彡 Nb/V ( O. 5，I.O I. 2Ni,0. 04 O. 08Mg,0. 04 O. 08RE,0. 03 O. 05A1,0. 03 O. 05Ca,0. 03 O.05Ba, Si < I. 2，Mn < O. 5，S < O. 03，P < O. 04，其餘為Fe和不可避免的微量雜質； 其中間層石墨鋼的化學成分質量百分數如下2. 6 2. 8C，1.6 1.8Si，Mn < O. 4，S<O. 02，P < O. 07，O. 03 O. 06RE, O. 03 O. 06Mg, O. 03 O. 05Ca, O. 03 O. 05Ba, O. 015 O. 035Zr，0. 015 O. 035Bi,0. 015 O. 035Sb，0. 3 O. 6Cu，其餘為 Fe 和不可避免的微量雜質； 其芯部球鐵的化學成分質量百分數如下3. I 3. 4C，1.8 2. 2Si，0. 4 O. 6Mn，S<O. 02，P < O. 07，O. 15 O. 35Μο，0· 35 O. 50Ni，0. 015 O. 035Zr,0. 015 O. 035Β ,O.015 O. 035Sb，O. 03 O. 05Ca, O. 03 O. 05Ba, O. 040 O. 068Mg, O. 020 O. 045RE,其餘為Fe和不可避免的微量雜質。
2.製備如權利要求I所述的一種離心鑄造高速鋼複合軋輥方法，其特徵在於，其步驟如下 (1)先在3個電爐內分別熔煉外層高速鋼、中間層石墨鋼和芯部球鐵，其中外層高速鋼的冶煉工藝是①將廢鋼、增碳劑、鉻鐵、鑰鐵、鈮鐵、金屬鈷和鎳板混合加熱熔化，鋼水溫度升至1580 1600°C時，依次加入矽鈣鋇合金、鋁、釩鐵和硼鐵，然後升溫至1600 1630°C，爐前調整成分合格後出爐，②將稀土鎂合金破碎至12 15mm的小塊，置於澆包底部，採用包內衝入法對鋼水進行變質處理；中間層石墨鋼的冶煉工藝是①將廢鋼、增碳劑和銅板混合加熱熔化，鋼水溫度升至1500 1520°C時，依次加入矽鐵和矽鈣鋇合金，然後升溫至1520 1550°C，爐前調整成分合格後出爐，②將稀土鎂合金、金屬銻、鉍鐵和鋯鐵破碎至8 12mm的小塊，置於澆包底部，採用包內衝入法對鋼水進行變質處理，鋼水出爐時，加入質量是出爐鋼水總質量O. 50 O. 65 %的含矽質量為75 80 %的矽鐵進行孕育處理；芯部球鐵的冶煉工藝是①將廢鋼、增碳劑、鑰鐵和鎳板混合加熱熔化，鐵水溫度升至1480 1500°C時，依次加入錳鐵、矽鐵和矽鈣鋇合金，然後升溫至1520 1550°C，爐前調整成分合格後出爐，②將稀土鎂合金、金屬銻、鉍鐵和鋯鐵破碎至8 12mm的小塊，置於澆包底部，採用包內衝入法對鐵水進行球化和變質處理，鐵水出爐時，加入質量是出爐鐵水總質量O.75 O. 80 %的含矽質量為75 80 %的矽鐵進行孕育處理； (2)先在離心機上澆注軋輥外層高速鋼，澆注軋輥外層時的鑄型轉速Ii1按以下公式確定
全文摘要
一種離心鑄造高速鋼複合軋輥及其製造方法屬於鑄造領域。複合軋輥由外層高速鋼、中間層石墨鋼和芯部高強度球鐵通過離心複合而成。本發明是在現有高碳高釩高速鋼軋輥基礎上，適當降低釩含量，同時加入鈮元素，且Nb/V控制在0.3-0.5，使Nb與V形成複合碳化物(V，Nb)C，從而避免了在離心力作用下形成偏析。高速鋼複合軋輥的輥芯採用高強度球墨鑄鐵，為防止澆注球鐵時與外層高速鋼熔合混入Cr，B等引起脆化的元素，在外層和輥芯之間澆注多元石墨鋼中間層。為防止軋輥離心鑄造過程中出現裂紋，對輥面高速鋼材料和中間層石墨鋼進行細化組織的微合金化處理，達到提高軋輥材料抗熱裂能力的目的。本發明軋輥綜合性能高，使用壽命長，有很好的經濟效益。
文檔編號C22C38/32GK102615108SQ201210101928
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月9日 優先權日2012年4月9日
發明者周榮, 岑啟宏, 符寒光, 蔣業華, 邢建東, 郭紅星, 雷永平 申請人:北京工業大學