一種含鋁硼高速鋼軋輥的製作方法

2023-10-08 14:39:04 1

本發明公開了一種高速鋼軋輥，特別涉及一種含鋁硼高速鋼軋輥，屬於金屬材料技術領域。

背景技術：

高速鋼軋輥的開發和應用是軋輥製造技術發展歷史上的一次偉大變更，高速鋼軋輥相比於傳統軋輥材料，具有硬度高、淬透性好和耐磨性好等特點，為了提高高速鋼軋輥的性能，中國發明專利cn106435370公開了一種冷軋高強汽車板專用高速鋼軋輥，其化學成分及重量百分比如下：碳0.80～0.90％；矽0.20～0.45％；錳0.15～0.40％；鉻3.55～3.70％；鉬4.25～4.40％；釩1.50～1.70％；鎢5.30～5.45％；磷≤0.030％；硫≤0.030％；其餘為鐵和不可避免的雜質。該冷軋高強汽車板專用高速鋼軋輥的製造方法包括按照化學成分及重量百分比冶煉和鍛造輥坯、預備熱處理以及最終熱處理；所述最終熱處理包括採用保護氣氛爐通過亞溫淬火+油冷以及兩次回火處理。改發明的高速鋼軋輥整體硬度≥64hrc，且具有較高的耐磨性和良好的抗事故性，能夠滿足高強鋼和超高強鋼的軋制工況要求。中國發明專利cn104353798還公開了用於熱連軋精軋後段的高速鋼工作輥的製造方法，所述輥身工作層的化學成分及各成分的重量百分含量為：c2.00～3.50％，si0.40～2.00％，mn0.50～1.20％，cr1.50～4.50％，ni2.00～5.00％，mo+v+w+nb2.00～10.00％，s≤0.05％，p≤0.10％，其餘為fe和不可避免雜質。其製造方法包括熔煉、孕育及球化處理、澆注、熱處理步驟，該發明通過設計合理的合金成分和生產工藝，得到了特殊的石墨與金相組織。熱連軋精軋後段高碳高速鋼軋輥能夠有效控制了軋輥下機後表面質量，同時提高了軋輥的耐磨性以及抗熱裂性。中國發明專利cn106282821還公開了一種含石墨的高速鋼離心複合鋼芯軋輥製造方法，該發明在傳統高速鋼組分中，引入了b、n化學元素，工作層基體組織中彌散分布著面積總百分比20-35％的mc型和/或m2c型的、點狀和/或塊狀的高硬合金碳化物、氮化物、硼化物。軋輥的工作層的化學成分按質量分數計包括：c2.0-3.0％、si0.8-2.5％、mn0.2-1.0％、p≤0.05％、s≤0.02％、cr3-10％、ni0.5-3.5％、mo2.5-6.0％、v3-8％、w0-10％、b0-0.5％，n60-500ppm；且工作層含有當量球徑在20-50μm，面積百分比在0.5-1.5％的點、球狀石墨；同時，工作層基體組織中彌散分布著面積總百分比20-35％的mc型和/或m2c型的、點狀和/或塊狀的高硬合金碳化物、氮化物、硼化物；在外層與輥軸之間還包含一層中間層；所述含石墨的高速鋼離心複合鋼芯軋輥是通過動態離心鑄造製備外層筒體、中間層，並且在靜態與上下輥頸部分的箱體組合，在外層筒體、中間層處於高溫固態下，澆入高溫液態的芯部金屬液，從而實現離心複合鑄造成型；所述通過動態離心鑄造製備外層筒體的步驟包括爐料準備，冶煉，出爐碳、氮、硼化物變質處理，石墨變質孕育處理，起包澆注，筒體凝固與石墨析出；所述出爐碳、氮、硼化物變質處理，是在外層金屬液體出爐過程中，添加顆粒變質劑促使液態cr、mo、v、w等合金元素以高溫固態的形態形成微小、彌散的高熔點碳化物、氮化物、硼化物懸浮顆粒並析出；所述石墨變質孕育處理是在碳、氮、硼化物變質處理的基礎上添加顆粒變質劑，使金屬液中溶解狀態的剩餘碳，在隨後的澆注凝固階段以微小點球狀析出形成石墨。高速鋼軋輥除保留了傳統高速鋼特有的高溫抗磨的優點外，同時還解決了原傳統高速鋼軋輥摩擦係數大的問題，充分發揮高速鋼的耐磨性能，起到在軋制中軋輥與工件間的潤滑作用，阻止粘鋼現象的發生；而且石墨的導熱性能、潤滑特性，能改善了高速鋼軋輥對熱衝擊、熱裂敏感性、易粘鋼、易表面毛化的弊端，特別在成品架使用時，軋材表面光亮程度顯著改善。

中國發明專利cn106216405還公開了一種適用於棒材切分機架用的氮化高速鋼輥及其製造方法，屬於軋輥製造技術領域，包括輥頸和由工作層、過渡層、芯部構成的輥身，工作層合金成分及重量百分比為：1.2～2.2碳、7.0～13.5鉻、0.2～1.2鎳、0.5～1.5鉬、1.0～2.5釩、1.0～2.5鎢、1.0～3.0鈮、0.05～0.1稀土、磷≤0.04、硫≤0.04、錳≤0.5、0.6～1.5矽，其餘為鐵；工作層的基體強度≥600mpa，工作層抗拉強度≥800mpa，該發明提高高速鋼軋輥的基體強度，細化晶粒，克服棒材軋機切分機架的軋制環境，適應切分機架的軋制要求。中國發明專利cn104525889還公開了一種適用於小型鋼軋機、線棒材軋機的高速鋼軋輥的製造方法。所述製造方法包括熔煉原料、澆注成型、機械加工和熱處理三個工藝步驟；在離心澆注高速鋼鐵水的基礎上，首先澆注入過渡層鐵水，然後再通過澆注芯部鐵水來實現過渡層鐵水的完全置換。該發明明顯提高了外層高速鋼與芯部鐵水的結合強度，結合強度由以前的350mpa左右提升至500mpa以上，使得高速鋼軋輥輥身結合層抗剝落性大大提高；同時能夠有效去除芯部鐵水溶蝕外層的碳化物形成元素量，從而改善了輥頸組織，提高了輥頸的抗拉強度，有效杜絕了使用中的斷輥現象。

中國發明專利cn105779861還公開了一種耐磨高釩氮高速鋼型鋼軋輥及其製造方法，由高釩氮高速鋼輥套和中碳鋼輥軸熱裝複合而成，高釩氮高速鋼輥套採用質量分數20～24％的m2高速鋼(亦稱w6mo5cr4v2高速鋼)廢料、4.5～4.8％的釩氮合金、1.8～2.2％的鈮鐵、55～59％的q235廢鋼、10～12％的碳素鉻鐵、1.2～1.4％的電解鎳、0.30～0.45％的鈦鐵和1.2～1.4％的金屬鋁配料，並經電爐熔煉，在離心機上澆注成輥套，經退火、粗加工、淬火、回火和精加工處理後，與中碳鋼輥軸熱裝複合在一起，在型鋼軋機上使用，具有優異的耐磨性。中國發明專利cn105618715還公開了一種耐磨高速鋼複合軋輥及其製備方法，複合軋輥由輥身高速鋼和輥芯球墨鑄鐵通過離心複合鑄造成一體，輥身鋼水的化學組成及其質量分數控制在1.5-2.4％c、3.5-6.0％cr、3.5-6.0％mo、3.5-6.0％v、1.5-3.5％w、0.6-1.2％nb、0.5-1.2％ni、0.3-0.8％si、0.3-0.8％mn、s&amp；lt；0.04％、p&amp；lt；0.04％，餘量fe，對輥身鋼水進行脫氧並採用多元微合金線對鋼水進行爐外變質處理，然後在離心機上澆注成軋輥，輥芯採用球墨鑄鐵，軋輥經淬火後回火處理，具有硬度高、強韌性和耐磨性好等特點，具有優異的使用效果。

但是，上述高速鋼軋輥普遍存在貴重合金加入量多，軋輥生產成本高的不足。

技術實現要素：

本發明的目的是利用鋁進入高速鋼中，大幅度提高高速鋼基體高溫硬度和紅硬性，以及硼與高速鋼中的fe、cr、mo等元素生成高硬度的m2b相，大幅度提高高速鋼硬度，開發成功一種含鋁硼高速鋼軋輥。

一種含鋁硼高速鋼軋輥採用電爐熔煉，具體製備工藝步驟是：

1)先在感應電爐內熔煉含鋁硼高速鋼，含鋁硼高速鋼鋼水的化學組成及其質量分數％是1.67～1.92c,1.13～1.36b,1.05～1.28al,5.04～5.37cr,2.17～2.55mo,0.78～0.99si,0.67～0.94mn,1.14～1.36v,<0.030s,<0.032p,餘量fe；當鋼水溫度達到1623～1648℃時，將鋼水出爐到鋼包，鋼包底部預先加入了厚度0.15～0.80mm的非晶納米晶變質劑，非晶納米晶變質劑的化學組成及其質量分數為20.34～21.60％b,1.23～1.44％rb,21.47～21.69％al,3.66～4.01％ti,0.91～1.08％c,5.21～5.56％ca,餘量為fe以及不可避免的雜質元素；非晶納米晶變質劑加入量佔進入鋼包內鋼水質量分數的0.63～0.87％，當鋼水溫度降至1483～1526℃時，將鋼水澆入鑄型，得到含鋁硼高速鋼軋輥毛坯；

2)含鋁硼高速鋼軋輥毛坯經過粗加工後，入爐加熱至1055～1080℃，保溫2～4小時後，以18～22℃/分鐘的速度快冷至溫度低於250℃，然後入爐加熱至500～540℃，保溫12～15小時後，隨爐冷至溫度低於160℃，出爐空冷至室溫，最後精加工至規定尺寸和精度，即可獲得含鋁硼高速鋼軋輥。

本發明以廉價的鋁、硼為主要合金元素，用於替代高速鋼軋輥中昂貴的鈷、鎢、鈮等元素，達到降低軋輥製造成本的目的。此外，本發明先在感應電爐內熔煉含鋁硼高速鋼，工藝簡便，含鋁硼高速鋼鋼水的化學組成及其質量分數％是1.67～1.92c,1.13～1.36b,1.05～1.28al,5.04～5.37cr,2.17～2.55mo,0.78～0.99si,0.67～0.94mn,1.14～1.36v,<0.030s,<0.032p,餘量fe。其中加入1.67～1.92％c,1.13～1.36％b,，是兼顧獲得適量耐磨碳化物和耐磨硼化物，加入1.05～1.28％al可以大幅度提高軋輥材料的抗回火軟化能力，並提高軋輥抗氧化性能。此外，加入5.04～5.37％cr,2.17～2.55％mo和1.14～1.36％v，是為了獲得高硬度的合金碳化物，提高軋輥耐磨性。在此基礎上加入0.78～0.99％si,0.67～0.94％mn，主要是為了脫氧和強化軋輥基體。

本發明當鋼水溫度達到1623～1648℃時，將鋼水出爐到鋼包，鋼包底部預先加入了厚度0.15～0.80mm的非晶納米晶變質劑，非晶納米晶變質劑的化學組成及其質量分數為20.34～21.60％b,1.23～1.44％rb,21.47～21.69％al,3.66～4.01％ti,0.91～1.08％c,5.21～5.56％ca,餘量為fe以及不可避免的雜質元素，非晶納米晶變質劑加入量佔進入鋼包內鋼水質量分數的0.63～0.87％。納米級晶粒，比表面積非常大，晶粒的表面能和表面結合能大，當納米晶變質劑加入到鋼液中時，很容易成為鋼液形核的有效核心，進而促進鋼液非均勻形核，提高形核率，細化含鋁硼高速鋼顯微組織，提高含鋁硼高速鋼力學性能。另外，納米晶變質劑在鋼液中具有良好的潤溼性和擴散速率，由納米材料的界面相關效應所致，使得納米晶變質劑在鋼液中擴散的速度非常快，能迅速的彌散分布在鋼液中，從而保證鋼液中的有效異質形核核心大量且彌散存在。非晶體沒有固定熔、沸點，因此當非晶變質劑加入到鋼液中後不會立即熔化。納米晶彌散包裹於非晶體中，使其在熔化前有一定的時間來發揮促進非均勻形核的效率。當鋼水溫度降至1483～1526℃時，將鋼水澆入鑄型，得到含鋁硼高速鋼軋輥毛坯。含鋁硼高速鋼軋輥毛坯經過粗加工後，入爐加熱至1055～1080℃，保溫2～4小時，主要目的是確保高溫下基體實現奧氏體化，並增加奧氏體中合金元素數量。然後以18～22℃/分鐘的速度快冷至溫度低於250℃，主要使為了獲得高硬度的馬氏體和貝氏體。最後入爐加熱至500～540℃，保溫12～15小時後，爐冷至溫度低於160℃，出爐空冷至室溫，主要是為了穩定軋輥組織，消除軋輥內應力。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

1)本發明軋輥不含價格昂貴的鈷、鎳、鈮、鎢等元素，使軋輥成本大幅度下降；

2)本發明軋輥具有優異的抗氧化性能和抗高溫回火軟化能力，600℃的紅硬性超過60hrc；

3)本發明軋輥硬度大於62hrc，抗拉強度大於800mpa，衝擊韌性大於12j/cm2，在熱軋機上，使用壽命比普通高鎳鉻鑄鐵軋輥提高450％以上。

具體實施方式

以下結合實施例對本發明做進一步詳述，但本發明並不限於以下實施例。

實施例1：

一種含鋁硼高速鋼軋輥，其特徵在採用電爐熔煉，具體製備工藝步驟是：

1)先在500公斤中頻感應電爐內熔煉含鋁硼高速鋼，含鋁硼高速鋼鋼水的化學組成及其質量分數％是1.67c,1.36b,1.05al,5.37cr,2.17mo,0.99si,0.67mn,1.36v,0.019s,0.028p,餘量fe，當鋼水溫度達到1623℃時，將鋼水出爐到鋼包，鋼包底部預先加入了厚度0.18mm的非晶納米晶變質劑，非晶納米晶變質劑的化學組成及其質量分數為21.60％b,1.23％rb,21.69％al,3.66％ti,1.08％c,5.21％ca,餘量為fe以及不可避免的雜質元素，非晶納米晶變質劑加入量佔進入鋼包內鋼水質量分數的0.63％，當鋼水溫度降至1483℃時，將鋼水澆入鑄型，得到含鋁硼高速鋼軋輥毛坯；

2)含鋁硼高速鋼軋輥毛坯經過粗加工後，入爐加熱至1060℃，保溫3小時後，以20℃/分鐘的速度快冷至溫度低於250℃，然後入爐加熱至520℃，保溫14小時後，隨爐冷至溫度低於160℃，出爐空冷至室溫，最後精加工至規定尺寸和精度，即可獲得含鋁硼高速鋼軋輥，具體力學性能見表1。

實施例2：

一種含鋁硼高速鋼軋輥，其特徵在採用電爐熔煉，具體製備工藝步驟是：

1)先在1000公斤中頻感應電爐內熔煉含鋁硼高速鋼，含鋁硼高速鋼鋼水的化學組成及其質量分數％是1.92c,1.13b,1.28al,5.04cr,2.55mo,0.78si,0.94mn,1.14v,0.025s,0.026p,餘量fe，當鋼水溫度達到1648℃時，將鋼水出爐到鋼包，鋼包底部預先加入了厚度0.69mm的非晶納米晶變質劑，非晶納米晶變質劑的化學組成及其質量分數為20.34％b,1.44％rb,21.47％al,4.01％ti,0.91％c,5.56％ca,餘量為fe以及不可避免的雜質元素，非晶納米晶變質劑加入量佔進入鋼包內鋼水質量分數的0.87％，當鋼水溫度降至1526℃時，將鋼水澆入鑄型，得到含鋁硼高速鋼軋輥毛坯；

2)含鋁硼高速鋼軋輥毛坯經過粗加工後，入爐加熱至1055℃，保溫4小時後，以18℃/分鐘的速度快冷至溫度低於250℃，然後入爐加熱至540℃，保溫12小時後，隨爐冷至溫度低於160℃，出爐空冷至室溫，最後精加工至規定尺寸和精度，即可獲得含鋁硼高速鋼軋輥，具體力學性能見表1。

實施例3：

一種含鋁硼高速鋼軋輥，其特徵在採用電爐熔煉，具體製備工藝步驟是：

1)先在750公斤中頻感應電爐內熔煉含鋁硼高速鋼，含鋁硼高速鋼鋼水的化學組成及其質量分數％是1.82c,1.19b,1.20al,5.25cr,2.46mo,0.90si,0.85mn,1.27v,0.022s,0.031p,餘量fe，當鋼水溫度達到1641℃時，將鋼水出爐到鋼包，鋼包底部預先加入了厚度0.54mm的非晶納米晶變質劑，非晶納米晶變質劑的化學組成及其質量分數為20.99％b,1.28％rb,21.53％al,3.84％ti,0.97％c,5.41％ca,餘量為fe以及不可避免的雜質元素，非晶納米晶變質劑加入量佔進入鋼包內鋼水質量分數的0.75％，當鋼水溫度降至1498℃時，將鋼水澆入鑄型，得到含鋁硼高速鋼軋輥毛坯；

2)含鋁硼高速鋼軋輥毛坯經過粗加工後，入爐加熱至1080℃，保溫2小時後，以22℃/分鐘的速度快冷至溫度低於250℃，然後入爐加熱至500℃，保溫15小時後，隨爐冷至溫度低於160℃，出爐空冷至室溫，最後精加工至規定尺寸和精度，即可獲得含鋁硼高速鋼軋輥，具體力學性能見表1。

表1含鋁硼高速鋼軋輥力學性能

本發明含鋁硼高速鋼軋輥不含價格昂貴的鈷、鎳、鈮、鎢等元素，使軋輥成本大幅度下降。本發明軋輥具有優異的抗氧化性能和抗高溫回火軟化能力，特別是具有優異的紅硬性，600℃的紅硬性超過60hrc。本發明軋輥硬度大於62hrc，抗拉強度大於800mpa，衝擊韌性大於12j/cm2，在帶鋼和棒、線材熱軋機上使用，本發明含鋁硼高速鋼軋輥使用壽命比普通高鎳鉻鑄鐵軋輥提高450％以上。推廣應用本發明成果，可以降低軋輥消耗，提高軋機作業率，減輕工人勞動強度，推廣應用具有良好的經濟和社會效益。