CN101265547B

CN101265547B - 一种高铬锰铸铁轧辊及其制备方法

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Publication number: CN101265547B
Application number: CN2008101049908A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 雷永平; 吴中伟; 李辉; 林健
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2028-04-25
Also published as: CN101265547A

Abstract

一种高铬锰铸铁轧辊及其制备方法属于轧钢技术领域。现有高铬铸铁轧辊生产成本高。本发明中的轧辊工作层的化学成分及其重量百分比为C 2.7～3.3，Cr 15.0～22.0，Mn 4.2～5.0，Si 0.3～1.2，N 0.05～0.15，Ti 0.4～0.8，Te 0.006～0.012，Bi 0.02～0.06，Cu 0.5～1.5，W 0.6～1.2，且5.0＜Cr/C＜7.0，其余为Fe和微量杂质。本发明通过熔炼和离心浇注，以及510～550℃进行第一次热处理和475～500℃进行第二次热处理，制得高铬锰铸铁轧辊。本发明具有轧辊硬度高、耐磨性好、使用寿命长、生产成本低，制备方法简单等优点。

Description

一种高铬锰铸铁轧辊及其制备方法

技术领域

本发明属于轧钢技术领域，具体涉及一种热轧辊及其制备方法，特别涉及一种高铬锰铸铁轧辊及其制备方法。

背景技术

轧辊是轧钢生产中的主要消耗备件，轧辊质量直接影响轧机生产作业率、轧材产量和质量以及轧材的生产成本，开发新型轧辊材质，满足轧钢生产需求，是轧辊研制者不断关注的课题。高铬铸铁中由于含有高硬度的M₇C₃型碳化物，且碳化物呈块状分布于基体中，使基体连续性增强，因此高铬铸铁具有良好的强韧性和优良的耐磨性，高铬铸铁用于制造热轧辊，具有良好的使用效果。中国发明专利CN1854328公开了改良的复合高铬铸铁轧辊，其特征是轧辊工作层成份为C2.5～3.0％，Si0.5～1.2％，Mn0.6～1.2％，Ni1.0～1.5％，Cr12～20％，Mo0.5～3.5％，V0.05～0.5％，W0.2～1.5％，Al0.03～0.3％，N0.03～0.1％，P≤0.04％，S≤0.04％，其余为铁及杂质，经热处理后其组织主要为表面硬度高的回火马氏体+碳化物+少量的残余奥氏体，有效降低了工作层硬度不均匀性，轧辊工作层硬度不均匀性小于3HSD。中国发明专利CN101015836还公开了焊接钢管用铸造高铬铁或铸造高铬钢轧辊，其铸造高铬铁轧辊的成分以重量百分比计为：C：1.8～2.8％，Si：≤1.0％，Mn：≤1.0％，P：≤0.05％，S：≤0.05％，Cr：12～22％，Ni：0.5～3.0％，Mo：0.8～3.0％，Ti：0～0.3％，V：0～1.0％，Cu：0～1.0％，RE：0.01～0.5％，其余为Fe；该发明采用高铬铁或高铬钢并采用铸造工艺生产，其轧辊产品材料组织里外均匀，耐磨性以及韧性有很大提高，由于采用铸造成型，缩短了加工工序，减少加工量，材料利用率可以达到70％甚至可达80％。日本专利JP58116911-A和JP86016334-B公开了一种高铬白口铸铁复合轧辊，轧辊外层含有C 2.0～3.2％，Si 0.5～1.5％，Mn 0.5～1.5％，P＜0.08％，S＜0.06％，Ni 1.0～2.0％，Cr 10～25％，Mo 0.5～1.5％，余量为Fe，轧辊硬度为Hs 70-80。美国专利US5183518-A也公开了一种高铬白口铸铁轧辊，其化学组成为2.4～3.8％C，0.4～2％Mn，0.2～1.9％Si，0～3％Cu，1.5～4.5％Ni，12～29Cr，余量为Fe。上述高铬铸铁轧辊材料均含有价格昂贵的钼、镍等合金元素，生产成本较高。

发明内容

本发明目的是提供一种高铬锰铸铁轧辊的化学成分及其制备方法。本发明是采用一种高铬锰铸铁制作轧辊辊身工作层，用铸铁或铸钢制作辊芯，采用离心复合铸造方法，将辊芯与轧辊辊身工作层复合在一起。其主要特点是轧辊辊身不含镍、钼等价格昂贵的合金元素，除了含有较高的铬外，还含有较多的锰，轧辊铸态组织以奥氏体为主，含有少量马氏体，轧辊不需要高温淬火处理，只需在510～550℃进行亚温热处理，使铸态奥氏体中析出二次碳化物，降低铸态奥氏体稳定性，在随后空冷时，失稳奥氏体转变成马氏体，具有较高的硬度和较好的耐磨性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。

本发明轧辊的工作层的化学成分及其重量百分比为：C：2.7～3.3％，Cr：15.0～22.0％，Mn：4.2～5.0％，Si：0.3～1.2％，N：0.05～0.15％，Ti：0.4～0.8％，Te：0.006～0.012％，Bi：0.02～0.06％，Cu：0.5～1.5％，W：0.6～1.2％，并且5.0＜Cr/C＜7.0，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

本发明轧辊用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、碳素铬铁、铜板、钨铁、生铁或石墨、硅铁、锰铁、碲、铋、钛铁和氮化铬铁按目标产物中化学组成的重量百分比进行备料，C：2.7～3.3％，Cr：15.0～22.0％，Mn：4.2～5.0％，Si：0.3～1.2％，N：0.05～0.15％，Ti：0.4～0.8％，Te：0.006～0.012％，Bi：0.02～0.06％，Cu：0.5～1.5％，W：0.6～1.2％，并且5.0＜Cr/C＜7.0，其余为Fe和不可避免的微量杂质；

②将普通废钢、碳素铬铁、铜板、钨铁混合加热熔化，用生铁或石墨增碳，铁水熔清后加入硅铁和锰铁；

③炉前调整成分合格后将铁水温度升至1540～1580℃，加入占铁水重量0.08～0.20％的铝脱氧，脱氧后加入钛铁、氮化铬铁、碲和铋，得到高铬锰铸铁铁水，而后出炉；

④高铬锰铸铁铁水经扒渣处理后，当温度为1390～1420℃，浇入离心机上旋转的铸型内；

⑤浇注完毕10～20分钟后，用非接触式测温仪测量辊身内层温度，当温度为1220℃～1280℃时，浇入辊芯铸铁铁水或铸钢钢水，辊芯铸铁铁水浇注温度为1330℃～1350℃，辊芯铸钢钢水的浇注温度为1480～1520℃；

⑥轧辊浇注8～20小时后开箱，将轧辊置于保温炉或缓冷坑，随后切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑦将轧辊在510～550℃进行第一次热处理，保温时间6～10小时，然后空气冷却至室温，随后在475～500℃进行第二次热处理，保温时间12～15小时，然后炉冷至150℃后出炉空冷，最后加工至规定尺寸。

合金材质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：

C：C是高铬铸铁中重要的元素，高铬铸铁优异的抗磨性来源于组织中存在的高硬度碳化物，而C对碳化物数量影响最大，C、Cr和碳化物(K％)含量之间可按下式计算：

K％＝12.33(C％)+0.55(Cr％)-15.2 (1)

但C加入量过多，因为碳化物数量过多，增大了材质的脆性，轧辊使用中易开裂和剥落，考虑其利弊，将C含量控制在2.7～3.3％。

Cr：Cr除部分形成碳化物，增加耐磨性外，部分Cr溶于基体，增大基体的淬透性和抗氧化性，促使高铬铸铁轧辊使用中易产生致密的氧化物膜，有利于改善轧辊耐磨性和防止轧辊使用中出现粘钢现象，也有利于改善轧材表面质量。基体中平均含Cr量可按下式计算：

％Cr(m)＝1.95Cr/C-2.47，m表示基体(matrix) (2)

从公式(2)可知，基体的平均含Cr量也与材质的含C量有关(C消耗了部分Cr)。因此，为了保证基体中具有合适的含Cr量，将Cr含量控制在15.0～22.0％，并且使5.0＜Cr/C＜7.0

Mn：Mn是一种扩大奥氏体相区的元素，加入高铬铸铁中，除少部分进入碳化物外，大部分溶于基体，可以改善轧辊淬透性，Mn加入量过多，增大轧辊热裂倾向，因此Mn含量控制在4.2～5.0％。

W：W部分进入碳化物，部分进入基体，进入基体中的W具有提高淬透性和改善回火稳定性的作用，合适的W加入量为0.6～1.2％。

Cu：Cu是非碳化物形成元素，溶于基体，可以明显改善轧辊淬透性，另外，加入Cu还具有细化晶粒的效果，加入过多的Cu，将在晶界析出，对改善轧辊性能不利，合适的Cu加入量为0.5～1.5％。

Ti：Ti是强碳化物形成元素，加入高铬铸铁中易形成细小且均匀分布的TiC，TiC可作为初生M₇C₃型碳化物的形核核心，可阻碍碳化物的长大，细化初生M₇C₃型碳化物，有利于改善高铬铸铁的抗铸造开裂性能和提高高铬铸铁的强度和韧性，加入量0.8％以后，碳化物进一步细化的趋势不明显，合适的Ti加入量为0.4～0.8％。

N：N加入钢，除了与Ti反应，生成细小的高熔点TiN，有利于促进凝固组织的细化，部分N溶于基体，可以提高基体淬透性，加入量过多，轧辊中易出现气孔，合适的N加入量为0.05～0.15％。

Te：Te具有很强的促进铸铁白口化作用，在高铬锰铸铁轧辊中，加入少量Te，易于得到纯白口组织，改善轧辊耐磨性。另外，Te加入高铬锰铸铁轧辊中，使碳化物由方向性很强的长片状，变成板块状，有利于改善高铬锰铸铁轧辊的强度和韧性，但加入量过多，反而增大高铬锰铸铁轧辊的脆性，损害轧辊强度和韧性，合适的Te加入量为0.006～0.012％

Bi：在高铬锰铸铁轧辊中加入微量的Bi，可以同时提高轧辊白口层的硬度和深度，且断面的硬度梯度平缓。另外，加Bi还能提高碳化物的显微硬度，有利于轧辊宏观硬度的增加和耐磨性的改善。合适的Bi加入量为0.02～0.06％

Si：Si是熔炼脱氧元素，加适量的Si，可防止其它合金元素氧化，但Si又是非碳化物形成元素，主要溶于基体，降低淬透性，考虑其利弊，将Si含量控制在0.3～1.2％。

不可避免的微量杂质是原料中带入的，其中有P和S，均是有害元素，为了保证轧辊的强度、韧性和耐磨性，将P含量控制在0.05％以下，S含量控制在0.04％以下。

高铬锰铸铁轧辊的性能还与热处理工艺有直接关系，其制订依据是：轧辊先在510～550℃进行第一次热处理，其主要目的是通过析出二次碳化物，从而降低铸态奥氏体基体组织中合金元素含量，提高Ms点，使铸态奥氏体基体在随后空冷时转变成高硬度马氏体，有利于提高轧辊硬度，并改善轧辊耐磨性。轧辊在475～500℃进行第二次热处理，主要是为了消除奥氏体转变成马氏体时，残存在轧辊中的内应力，确保轧辊使用中不变形和开裂。

本发明具有以下有益效果：

①用本发明制备的高铬锰铸铁轧辊，生产工艺简便，显微组织中含有20％以上的高硬度M₇C₃型碳化物，轧辊宏观硬度高，达到82-85HS，具有优良的耐磨性。

②高铬锰铸铁轧辊经Ti和N处理后，凝固组织细小，碳化物明显细化，导致轧辊力学性能明显提高，抗弯强度超过850MPa，冲击韧性大于10J/cm²。

③高铬锰铸铁轧辊不需要高温热处理，热处理工艺简便且降低能耗。

④高铬锰铸铁轧辊不含镍、钼等贵重合金元素，生产成本比含镍、钼高铬铸铁轧辊降低30％以上，比高镍铬无限冷硬铸铁轧辊降低15％以上。

⑤本发明高铬锰铸铁轧辊的使用寿命与含镍、钼高铬铸铁轧辊相当，比高镍铬无限冷硬铸铁轧辊提高50％以上。

以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

具体实施方式

实施例1

本实施例制备的高铬锰铸铁轧辊，用500公斤容量的中频感应电炉生产，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、碳素铬铁、铜板、钨铁混合加热熔化，用生铁增碳，铁水熔清后加入硅铁和锰铁；

②炉前调整成分合格后将铁水温度升至1563℃，加入占铁水重量0.15％的铝脱氧，脱氧后加入钛铁、氮化铬铁、碲和铋，而后出炉；

③高铬锰铸铁铁水经扒渣处理后，当温度为1402℃，浇入离心机上旋转的铸型内；

④浇注完毕15分钟后，用非接触式测温仪测量辊身内层温度，当温度为1258℃时，浇入辊芯铸铁铁水，辊芯铸铁铁水浇注温度为1339℃；

⑤轧辊浇注15小时后开箱，将轧辊置于缓冷坑，随后切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑥轧辊在538℃进行第一次热处理，保温时间7小时，然后空气冷却至室温，随后在490℃进行第二次热处理，保温时间14小时，然后炉冷至150℃后出炉空冷，最后加工至规定尺寸。轧辊成分见表1，轧辊力学性能见表2。

元素	C	Cr	Mn	Te	Si	Cu	W
元素	C	Cr	Mn	Te	Si	Cu	W	含量	3.05	18.37	4.94	0.008	0.68	0.71	0.96
元素	N	Ti	S	Bi	P	Fe	Cr/C	含量	3.05	18.37	4.94	0.008	0.68	0.71	0.96
元素	N	Ti	S	Bi	P	Fe	Cr/C	含量	0.08	0.60	0.032	0.04	0.040	余量	6.02

表1轧辊化学成分及其含量(重量％)

硬度/HS	抗弯强度/MPa	冲击韧性/J.cm<sup>-2</sup>
硬度/HS	抗弯强度/MPa	冲击韧性/J.cm<sup>-2</sup>	84.2	881.5	11.6

表2轧辊力学性能

实施例2

本实施例制备的高铬锰铸铁轧辊，用1500公斤容量的中频感应电炉生产，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、碳素铬铁、铜板、钨铁混合加热熔化，用石墨增碳，铁水熔清后加入硅铁和锰铁；

②炉前调整成分合格后将铁水温度升至1542℃，加入占铁水重量0.08％的铝脱氧，脱氧后加入钛铁、氮化铬铁、碲和铋，而后出炉；

③高铬锰铸铁铁水经扒渣处理后，当温度为1393℃，浇入离心机上旋转的铸型内；

④浇注完毕18分钟后，用非接触式测温仪测量辊身内层温度，当温度为1267℃时，浇入辊芯铸钢钢水，辊芯铸钢钢水的浇注温度为1498℃；

⑤轧辊浇注18小时后开箱，将轧辊置于保温炉，随后切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑥轧辊在515℃进行第一次热处理，保温时间10小时，然后空气冷却至室温，随后在480℃进行第二次热处理，保温时间15小时，然后炉冷至150℃后出炉空冷，最后加工至规定尺寸。轧辊成分见表3，轧辊力学性能见表4。

元素	C	Cr	Mn	Te	Si	Cu	W
元素	C	Cr	Mn	Te	Si	Cu	W	含量	3.28	21.80	4.58	0.006	0.44	1.37	0.71
元素	N	Ti	S	Bi	P	Fe	Cr/C	含量	3.28	21.80	4.58	0.006	0.44	1.37	0.71
元素	N	Ti	S	Bi	P	Fe	Cr/C	含量	0.14	0.76	0.029	0.05	0.041	余量	6.65

表3轧辊化学成分及其含量(重量％)

硬度/HS	抗弯强度/MPa	冲击韧性/J.cm<sup>-2</sup>
硬度/HS	抗弯强度/MPa	冲击韧性/J.cm<sup>-2</sup>	84.9	859.6	10.7

表4轧辊力学性能

实施例3

本实施例制备的高铬锰铸铁轧辊，用1000公斤容量的中频感应电炉生产，其制造工艺步骤是：

②炉前调整成分合格后将铁水温度升至1577℃，加入占铁水重量0.19％的铝脱氧，脱氧后加入钛铁、氮化铬铁、碲和铋，而后出炉；

③高铬锰铸铁铁水经扒渣处理后，当温度为1416℃，浇入离心机上旋转的铸型内；

④浇注完毕15分钟后，用非接触式测温仪测量辊身内层温度，当温度为1235℃时，浇入辊芯铸铁铁水，辊芯铸铁铁水浇注温度为1332℃；

⑤轧辊浇注18小时后开箱，将轧辊置于缓冷坑，随后切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑥轧辊在545℃进行第一次热处理，保温时间7小时，然后空气冷却至室温，随后在495℃进行第二次热处理，保温时间13小时，然后炉冷至150℃后出炉空冷，最后加工至规定尺寸。轧辊成分见表5，轧辊力学性能见表6。

元素	C	Cr	Mn	Te	Si	Cu	W
元素	C	Cr	Mn	Te	Si	Cu	W	含量	2.74	15.61	4.23	0.011	1.16	0.58	1.19
元素	N	Ti	S	Bi	P	Fe	Cr/C	含量	2.74	15.61	4.23	0.011	1.16	0.58	1.19
元素	N	Ti	S	Bi	P	Fe	Cr/C	含量	0.05	0.45	0.033	0.02	0.039	余量	5.70

表5轧辊化学成分及其含量(重量％)

硬度/HS	抗弯强度/MPa	冲击韧性/J.cm<sup>-2</sup>
硬度/HS	抗弯强度/MPa	冲击韧性/J.cm<sup>-2</sup>	82.3	897.2	12.0

表6轧辊力学性能

本发明高铬锰铸铁轧辊在速度11m/s棒材轧机精轧机架前架和速度25m/s线材轧机精轧机架上进行了装机运行考核，结果显示，本发明高铬锰铸铁轧辊使用安全、可靠，使用中不起皮、不开裂，轧槽磨损均匀，本发明高铬锰铸铁轧辊的使用寿命与含镍、钼高铬铸铁轧辊相当，比高镍铬无限冷硬铸铁轧辊提高50％以上。本发明高铬锰铸铁轧辊不含价格昂贵的钼、镍等合金元素，生产成本低廉，生产工艺简便，不需要高温热处理，能耗低，推广使用本发明高铬锰铸铁轧辊具有良好的经济和社会效益。

Claims

1.一种高铬锰铸铁轧辊，其特征在于，所述的高铬锰铸铁轧辊的工作层的化学成分及其重量百分比为：C：2.7～3.3％，Cr：15.0～22.0％，Mn：4.2～5.0％，Si：0.3～1.2％，N：0.05～0.15％，Ti：0.4～0.8％，Te：0.006～0.012％，Bi：0.02～0.06％，Cu：0.5～1.5％，W：0.6～1.2％，并且5.0＜Cr/C＜7.0，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

2.一种含有如权利要求1所述的工作层的高铬锰铸铁轧辊的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①将普通废钢、碳素铬铁、铜板、钨铁、生铁或石墨、硅铁、锰铁、碲、铋、钛铁和氮化铬铁按目标产物中化学成分的重量百分比进行备料，C：2.7～3.3％，Cr：15.0～22.0％，Mn：4.2～5.0％，Si：0.3～1.2％，N：0.05～0.15％，Ti：0.4～0.8％，Te：0.006～0.012％，Bi：0.02～0.06％，Cu：0.5～1.5％，W：0.6～1.2％，并且5.0＜Cr/C＜7.0，其余为Fe和不可避免的微量杂质；

④高铬锰铸铁铁水经扒渣处理后，当温度为1390～1420℃时，浇入离心机上旋转的铸型内；

⑦将轧辊在510～550℃进行第一次热处理，保温时间6～10小时，然后空气冷却至室温，随后在475～500℃进行第二次热处理，保温时间12～15小时，然后炉冷至150℃后出炉空冷，最后加工至规定尺寸，制得高铬锰铸铁轧辊。