CN102268588A - 钢管减径机或定径机球墨铸铁轧辊及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢管减径机或定径机球墨铸铁轧辊及其制备方法，本发明采用合理的组分配比，采用无镍方案，并减少其它合金含量在球墨铸铁轧辊的成分组成，热处理采用二步法进行等温淬火，获得了比常规热处理球墨铸铁轧辊更好的力学性能，从而使强度和韧性大幅增加，经实验室实验和装机使用，达到传统高镍定、减径合金球墨铸铁轧辊水平，满足生产实际需求。本发明降低了贵重金属的使用和消耗，最大限度地降低了制造和使用成本。
Description
技术领域
本发明涉及轧辊铸造技术领域，尤其涉及无缝钢管减径机或定径机球墨铸铁轧辊及其制备方法。
背景技术
无缝钢管的减径或定径过程是钢管不带芯棒的多机架连轧过程。定径是为了完成钢管尺寸的精度以及真圆度的轧制，减径除了定径任务外要求减径率较大，以实现大管料生产小口径钢管。减、定径机一般为3～24机架二辊式或三辊式，减、定径后的钢管尺寸不再改变。目前国内先进机组均为三辊式。
无缝钢管减、定径轧辊在800～980℃的高温及冷却水激冷作用下受到切向拉伸和径向压缩的复合应力，并同时承受交变热应力作用。轧辊工作表面与钢管之间产生滚动与滑动摩擦，经常会因表面粗糙，易粘钢，划伤钢管表面，影响轧制出钢管表面质量。特别是张力减径轧辊磨损更加严重，一旦磨损超过要求就必须更换修复以满足负公差轧制的需要，使得轧辊在工作期间更换频繁，影响生产率。一般1-2个班次就需更换一套轧辊，轧制高钢级钢材或厚壁钢管时更换更加频繁。使用中经过多次修复加工，一般需要加工掉50％。在更换时，还需要准备大量的定、减径机架。而重复加工浪费大量金属材料，频繁更换使生产成本成倍增加。因此，要求无缝钢管减、定径轧辊具有较厚的工作层，尤其具有高强度、高韧性和良好的耐磨性、抗冷热疲劳性，并在实际生产中严格控制轧辊的磨损程度。
目前，较先进的无缝钢管机组中应用最多的是高镍合金球墨铸铁轧辊，依靠高合金含量来提高其性能，镍含量范围在1％-5％，常用在3％-4％。高镍合金球墨铸铁轧辊在形成铸坯后，通常采用正火热处理工艺改善其内部组织。但正火热处理后的性能难以满足使用要求，而高合金价格昂贵，使得生产成本居高不下。三辊式无缝钢管定、减径轧辊的成品孔型以及使用后的修复，都是在三只轧辊安装在机架上完成的，受机架储备量的限制，每次使用后均需修复孔型。虽然报废轧辊可以回收重熔，但报废轧辊重量一般损失40-50％，真正在生产中磨损的很少，其中绝大部分都在修复中变为废屑。尤其是在轧制批量小的钢管时，有时使用寿命仅为正常的20％左右，用过后仍需修复。这种更换规格的修复量较大，一般半径方向可加工掉3-10mm。
上述使用方式表明金属材料尤其是贵重金属镍和能源的浪费很大。
发明内容
本发明的目的是为了解决无缝钢管张力减径机或定径机用铸造轧辊出现的上述问题。目前在材料设计中，应在满足服役条件尽可能的减少合金含量，尤其是减少贵重金属含量是低碳要求的重要原则。本发明采用合金减量化设计用于热轧无缝钢管张力减径机或定径机的球墨铸铁轧辊，提供了一种无镍低合金化成分设计，以及采用特殊热处理的球墨铸铁轧辊制备方法，即合金减量化设计的球墨铸铁轧辊的制备方法。本发明的技术方案如下：
本发明的钢管减径机或定径机球墨铸铁轧辊组分以重量百分比计为：C：3.5-4.0％、Si：2.3-2.7％、Mn：≤0.35％、Cu：0.4-0.6％、Cr：0.1-0.5％、Mo：0.2-0.4％、Nb：0.05-0.15％、Ti：0.03-0.1％、Al：0.02-0.05％、Mg：0.04-0.06％、P≤0.06、S≤0.02，余量为铁。
本发明的钢管减径机或定径机球墨铸铁轧辊制备方法，其特点在于采用连续在两种不同温度浴盐中分别进行等温淬火，包括以下步骤：
选定球墨铸铁轧辊的组分配比进行熔炼，采用铸造方法加入球化剂铸出所需轧辊铸坯，对轧辊铸坯进行粗加工，将加工后的轧辊加热至850-900℃，保温时间1-4h；将上述轧辊进入温度为260±10℃-290±10℃的浴盐中进行等温淬火，等温时间10-25min；然后将轧辊迅速移至330±10℃-380±10℃浴盐中继续等温淬火，等温时间50-70min，然后取出空冷，对轧辊进行精加工。其中，制备球墨铸铁轧辊优选用钇基重稀土球化剂；淬火介质采用50％NaNO3+50％KaNO3混合熔盐；采用离心铸造或砂型铸造铸出所需轧辊铸坯。
本发明制备的轧辊，减少镍合金成分含量，并采用两步法等温淬火热处理方法，获得了高强度和高韧性的球墨铸铁轧辊，保证了生产的正常运行。同时，降低了贵重金属的使用和消耗，从而最大限度地降低制造和使用成本。
附图说明
图1是本发明轧辊的实物石墨形态金相组织图；
图2是高镍合金球墨铸铁轧辊实物石墨形态金相组织图；
图3是本发明轧辊的实物基体金相组织图；
图4是高镍合金球墨铸铁轧辊实物基体金相组织图。
具体实施方式
以下参照本发明的设计思想，示例性实施例并结合附图对本发明作以下详细说明。
本发明的球墨铸铁轧辊应用于无缝钢管的减径机或定径机机组上，根据轧辊的工况条件，要求其具有高强度、高韧性、良好的耐磨性以及抗冷热疲劳性。为了节约贵重合金和制造成本，该轧辊采用合金减量化设计，即在不改变轧辊使用性能的条件下，减去某些成本高的镍合金成分或用成本低的成分替代，并通过合理的热处理工艺，使球墨铸铁轧辊的使用性能高于或不低于现有轧辊，以满足无缝钢管减径机和定径机轧辊的使用要求。因此，本发明经过多次实验，选择采用轧辊组分以重量百分比计，C：3.5-4.0％、Si：2.3-2.7％、Mn：≤0.35％、Cu：0.4-0.6％、Cr：0.1-0.5％、Mo：0.2-0.4％、Nb：0.05-0.15％、Ti：0.03-0.1％、Al：0.02-0.05％、Mg：0.04-0.06％、P≤0.06、S≤0.02，余量为铁。
本发明选定上述球墨铸铁轧辊组分配比进行熔炼，采用离心铸造或常规铸造方法铸出所需轧辊铸坯，对轧辊铸坯进行粗加工，将粗加工后的轧辊加热至850-900℃，优选加热温度880-900℃，保温1-4h后，将轧辊放入温度为260±10℃-290±10℃的浴盐中进行10-25min等温淬火，优选等温淬火温度275±10℃；然后将轧辊铸坯迅速移至330±10℃-380±10℃浴盐中继续等温淬火，优选340±10℃等温淬火，等温50-70min取出空冷，然后对轧辊进行精加工即成。本发明的球墨铸铁选用钇基重稀土球化剂或其它球化剂，选用50％NaNO3+50％KaNO3混合熔盐淬火介质。
本发明还优选一组轧辊组分以重量百分比计为：C：3.6-3.8％、Si：2.3-2.5％、Mn：≤0.35％、Cu：0.4-0.6％、Cr：0.3-0.4％、Mo：0.2-0.4％、Nb：0.08-0.12％、Ti：0.05-0.08％、Al：0.02-0.05％、Mg：0.04-0.06％、P≤0.06、S≤0.02，余量为铁。
在本发明轧辊的组分中，C可促进石墨化，是提高硬度和耐磨性的重要因素。在防止石墨漂浮的条件下，应尽量提高C含量，因此取3.5-4.0％；Si可细化石墨球和增加石墨球数，但当≥3.4％时会降低冲击韧性，经实验优先取2.3-2.7％；Mn元素强烈阻碍石墨化，含量高时会产生严重偏析，因此在满足性能要求下，尽可能低为宜，因此取≤0.35％；P熔点低且最后凝固，会沿晶界析出磷共晶，使基体组织变脆，应严格控制含量，因此取≤0.06％；而S是反球化元素，含量高时易产生低熔点Fe分布在晶界上，降低强度和韧性，应严格控制含量，因此取≤0.02％；所选用的Cu可提高淬透性，改善铸件断面组织与性能的均匀性，但过高易于晶界析出，降低伸长率、冲击韧性和强度，合理含量取0.4-0.6％；Cr可形成稳定的Fe-Cr-C化合物，提高轧辊的耐磨性、强度、抗氧化性和淬透性，但过高将影响球化，降低塑性和韧性，经实验取0.1-0.5％为佳；少量的Mo溶于铁素体和渗碳体，可强化基体、细化晶粒、均匀组织、提高淬透性，但钼量高则易偏析降低塑性和韧性，因此取0.2-0.4％；Nb是强碳化物元素，可与碳、氮生成形状规则弥散分布的富铌相小质点，提高耐磨性、强度和抗裂性，因此取0.05-0.15％；组分中的Ti能细化组织和碳化物，提高耐磨性、强度，取0.03-0.10％，Al的选取是强化石墨，净化钢水，提高球化性能，因此，取0.02-0.05％。
本发明采用合理的组分配比，在球墨铸铁轧辊中不加镍，减少其它合金成分含量，并采用两步法等温淬火热处理方法，获得了比含高镍成分以及常规热处理更细小、分布更均匀的奥-铁组织，从而使韧性大幅增加，综合性能增强，硬度可达45-53HRC，其耐磨性能经过实验室实验和装机使用，达到传统高镍定径、减径合金球墨铸铁的轧辊水平，使本发明降低了贵重金属的使用和消耗，从而最大限度地降低制造和使用成本。
实施例1
实施例1为制造Φ250无缝钢管连轧机组用热轧无缝钢管定径机球墨铸铁轧辊，轧辊组分按重量百分比(％Wt)见表1。
表1
| C | Si | Mn | Cu | Cr | Mo | Nb | Ti | Al | Mg | P | S |
| 3.6 | 2.3 | 0.2 | 0.4 | 0.3 | 0.2 | 0.08 | 0.05 | 0.02 | 0.04 | 0.03 | 0.02 |
其余为Fe。
根据表1所列组分选定原料配比，进行熔炼获得所需成分的钢水，加入钇基重稀土球化剂进行离心铸造，获得需要规格的轧辊铸坯，然后对轧辊铸坯进行粗加工，将轧辊加热至880℃并保温2小时；接着将轧辊放入温度为275±10℃的浴盐炉中进行15min的等温淬火，然后将轧辊迅速移至340±10℃浴盐中继续等温淬火，等温55min取出空冷，最后对轧辊进行精加工。本发明选用50％NaNO3+50％KaNO3的混合溶盐作为淬火介质。经检验，轧辊的工作面硬度可达45HRC，耐磨性大大提高，抗冲击性能和韧性都有所提高。该轧辊应用于国内引进德国产三辊式定径机精轧机架，轧制外径为Φ139.7mm石油套管，使用寿命达到国产含Ni3～4％的合金球墨铸铁轧辊的水平，经多次修复，直到报废时其工作面硬度仍保持在44HRC，满足了生产实际需求。
实施例2
实施例2为制造Φ508无缝钢管周轧机组用热轧无缝钢管定径机球墨铸铁轧辊，轧辊组分按重量百分比(％Wt)见表2。
表2
| C | Si | Mn | Cu | Cr | Mo | Nb | Ti | Al | Mg | P | S |
| 3.8 | 2.5 | 0.3 | 0.6 | 0.4 | 0.4 | 0.12 | 0.08 | 0.05 | 0.06 | 0.04 | 0.015 |
其余为Fe。
根据表2所列组分选定原料配比，进行熔炼获得所需成分的钢水，加入钇基重稀土球化剂进行离心铸造，获得需要规格的轧辊铸坯，然后对轧辊铸坯进行粗加工，将轧辊加热至890℃并保温3小时；接着将轧辊放入温度为285±10℃的浴盐炉中进行20min的等温淬火，然后将轧辊迅速移至350±10℃浴盐中继续等温淬火，等温60min取出空冷，最后对轧辊进行精加工即成。本发明选用50％NaNO3+50％KaNO3的混合溶盐作为淬火介质。经检验，轧辊的工作面硬度可达48HRC，耐磨性能、抗冲击性能和韧性都有所提高。该轧辊应用于国内Φ508无缝钢管周轧机组，轧制外径为Φ339.7mm、材质为P110和N80钢管，使用寿命达到国产含Ni3～4％的合金球墨铸铁轧辊的水平。直到报废时其工作面硬度仍保持在46HRC。
实施例3
实施例3为制造Φ720无缝钢管连轧机组用热轧无缝钢管定径机球墨铸铁轧辊，轧辊组分按重量百分比(％Wt)见表3。
表3
| C | Si | Mn | Cu | Cr | Mo | Nb | Ti | Al | Mg | P | S |
| 4.0 | 2.7 | 0.35 | 0.5 | 0.5 | 0.3 | 0.05 | 0.03 | 0.03 | 0.05 | 0.036 | 0.01 |
其余为Fe。
根据表3所列组分选定原料配比，进行熔炼获得所需成分的钢水，加入钇基重稀土球化剂进行离心铸造，获得需要规格的轧辊铸坯，然后对轧辊铸坯进行粗加工，将轧辊加热至860℃并保温1小时；接着将轧辊放入温度为270±10℃的浴盐炉中进行15min的等温淬火，然后将轧辊迅速移至370±10℃浴盐中继续等温淬火，等温70min取出空冷，最后对轧辊进行精加工即成。本发明选用50％NaNO3+50％KaNO3的混合溶盐作为淬火介质。经检验，轧辊的工作面硬度可达50HRC，耐磨性大大提高，抗冲击性能和韧性都有所提高。该轧辊应用于国内外第一台最大的Φ720热扩管机组4辊式定径机，也是国内外最大的无缝钢管定径机轧辊，轧辊最大直径φ1177mm、单件重量达4207kg；使用后磨损小且均匀，轧制后钢管表面光亮无划痕，达到设计要求。该轧辊经多次修复，报废时工作面硬度仍能保持在48HRC。
实施例4
实施例4为制造Φ720无缝钢管连轧机组用热轧无缝钢管张力减径机球墨铸铁轧辊，轧辊组分按重量百分比(％Wt)见表4。
表4
| C | Si | Mn | Cu | Cr | Mo | Nb | Ti | Al | Mg | P | S |
| 3.5 | 2.6 | 0.2 | 0.5 | 0.1 | 0.3 | 0.15 | 0.1 | 0.04 | 0.05 | 0.03 | 0.01 |
其余为Fe。
根据表4所列组分选定原料配比，进行熔炼获得所需成分的钢水，加入钇基重稀土球化剂进行离心铸造，获得需要规格的轧辊铸坯，然后对轧辊铸坯进行粗加工，将轧辊加热至900℃并保温4小时；接着将轧辊放入温度为275±10℃的浴盐炉中进行25min的等温淬火，然后将轧辊迅速移至340±10℃浴盐中继续等温淬火，等温55min取出空冷，最后对轧辊进行精加工即成。本发明选用50％NaNO3+50％KaNO3的混合溶盐作为淬火介质。经检验，轧辊的工作面硬度可达53HRC，耐磨性大大提高，抗冲击性能和韧性都有所提高。该轧辊应用于国内外第一台最大的Φ720热扩管机组4辊式张力减径机，也是国内外最大的无缝钢管张力减径机轧辊，轧辊最大直径φ1177mm、单件重量达4207kg；使用后磨损小且均匀，轧制后钢管表面光亮无划痕，达到设计要求。该轧辊经多次修复，报废时工作面硬度仍能保持在50HRC。
实施例5
实施例5为制造Φ250无缝钢管连轧机组用热轧无缝钢管减径机球墨铸铁轧辊，轧辊组分按重量百分比(％Wt)见表5。
表5
| C | Si | Mn | Cu | Cr | Mo | Nb | Ti | Al | Mg | P | S |
| 3.7 | 2.4 | 0.15 | 0.45 | 0.2 | 0.2 | 0.10 | 0.06 | 0.03 | 0.04 | 0.02 | 0.01 |
其余为Fe。
根据表5所列组分选定原料配比，进行熔炼获得所需成分的钢水，加入钇基重稀土球化剂进行离心铸造，获得需要规格的轧辊铸坯，然后对轧辊铸坯进行粗加工，将轧辊加热至870℃并保温1.5小时；接着将轧辊放入温度为280±10℃的浴盐炉中进行23min的等温淬火，然后将轧辊迅速移至360±10℃浴盐中继续等温淬火，等温65min取出空冷，最后对轧辊进行精加工即成。本发明选用50％NaNO3+50％KaNO3的混合溶盐作为淬火介质。经检验，轧辊的工作面硬度可达51HRC，耐磨性大大提高，抗冲击性能和韧性都有所提高。该轧辊应用于国内引进德国产三辊式减径机上，轧制外径为Φ139.7mm石油套管，使用寿命达到国产含Ni3～4％的合金球墨铸铁轧辊的水平，经多次修复，直到报废时其工作面硬度仍保持在49HRC。
本发明与现有轧辊效果对比
对制备完成的球墨铸铁轧辊进行金相组织和性能检验，结果参见附图1本发明轧辊的实物石墨形态金相组织图和附图2现有高镍合金球墨铸铁轧辊实物石墨形态金相组织图，以及附图3本发明轧辊的实物基体金相组织图和附图4高镍合金球墨铸铁轧辊实物基体金相组织图，两图相比可明显看出，本发明轧辊的金相组织在放大100倍下的石墨球化形态细小，分布弥散且均匀，基体金相组织均匀，晶粒细化，淬透性好，明显可提高轧辊的耐磨性、耐冲击性等综合性能；而现有高镍轧辊的石墨球化形态不规则且分布不均匀，基体金相组织晶粒粗大，可见淬透性不好，对轧辊的性能造成很大影响，使耐磨性及其综合强度降低。
本发明轧辊实物和现有高镍合金球墨铸铁轧辊实物耐磨性能对比如表6。
表6
| 材料名称 | 本发明轧辊实物 | 高镍合金球墨铸铁轧辊实物 |
| 磨损量mg | 17.2，18.1 | 17.3，17.9 |
本发明轧辊实物和国内高镍合金球墨铸铁轧辊实物力学性能对比如表7。
表7
从表6和表7的数据可看出，本发明不加镍的球墨铸铁与现有高镍合金球墨铸铁轧辊相比，两者的磨损量基本相同，耐磨性处于同等水平。但其抗拉强度、冲击韧性、以及轧辊硬度都大大高于现有高镍合金球墨铸铁轧辊。本发明节约了贵重金属，大大降低了生产成本，具有显著的技术进步效果，体现了其创造性所在。
由于本发明轧辊的高强度和高韧性，有效的避免了在定径辊或减径辊在使用中易裂、易碎的现象，保证了生产的正常进行。
本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明设计思想的范围内，可以进行各种变形和修改，这些变化均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种钢管减径机或定径机球墨铸铁轧辊，其特征在于，轧辊组分以重量百分比计为：C：3.5-4.0％、Si：2.3-2.7％、Mn：≤0.35％、Cu：0.4-0.6％、Cr：0.1-0.5％、Mo：0.2-0.4％、Nb：0.05-0.15％、Ti：0.03-0.1％、Al：0.02-0.05％、Mg：0.04-0.06％、P≤0.06、S≤0.02，余量为铁。
2.根据权利要求1所述球墨铸铁轧辊，其特征在于，轧辊组分以重量百分比计为：C：3.6-3.8％、Si：2.3-2.5％、Mn：≤0.35％、Cu：0.4-0.6％、Cr：0.3-0.4％、Mo：0.2-0.4％、Nb：0.08-0.12％、Ti：0.05-0.08％、Al：0.02-0.05％、Mg：0.04-0.06％、P≤0.06、S≤0.02，余量为铁。
3.一种钢管减径机或定径机球墨铸铁轧辊制备方法，其特征在于，采用连续在两种不同温度的浴盐中分别进行等温淬火，包括以下步骤：
选定球墨铸铁轧辊的组分配比进行熔炼，采用铸造方法加入球化剂铸出所需轧辊铸坯，对轧辊铸坯进行粗加工，将加工后的轧辊加热至850-900℃，保温时间1-4h；
将上述轧辊进入温度为260±10℃-290±10℃的浴盐中进行等温淬火，等温时间10-25min；然后将轧辊迅速移至330±10℃-380±10℃浴盐中继续等温淬火，等温时间50-70min，然后取出空冷，对轧辊进行精加工。
4.根据权利要求3所述球墨铸铁轧辊的制备方法，其特征在于，所述球化剂选用钇基重稀土球化剂。
5.根据权利要求3所述球墨铸铁轧辊的制备方法，其特征在于，淬火介质采用50％NaNO3+50％KaNO3混合熔盐。
6.根据权利要求3所述球墨铸铁轧辊的制备方法，其特征在于，对轧辊铸坯进行粗加工后，将轧辊加热至880-900℃，保温时间1-4h。
7.根据权利要求3所述球墨铸铁轧辊的制备方法，其特征在于，将轧辊进入温度为275±10℃浴盐中进行等温淬火，等温时间10-25min；然后将轧辊迅速移至340±10℃浴盐中继续等温淬火，等温时间50-70min。
8.根据权利要求1述球墨铸铁轧辊制备方法，其特征在于，所述铸造方法采用离心铸造或砂型铸造铸出所需轧辊铸坯。
9.根据权利要求1述球墨铸铁轧辊制备方法，其特征在于，轧辊硬度达到45-53HRC。
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