CN103334060A - 金属压延用石墨工具钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属压延用石墨工具钢，按重量百分比计，包含如下元素：1.3-2.2%的碳、1.1-2.5%的硅、0.4-3.0%的铬、0.4-1.5%的镍。所述石墨工具钢内含30%以上的碳化物、2.5-3.5%的石墨。与现有技术相比，本发明金属压延用石墨工具钢可以较好的解决水平辊环侧壁的粘钢现象，耐磨性明显优于高碳半钢，而且不易产生崩边掉块裂纹等缺陷，易于加工，利于装配，使用寿命长，性价比高，是一种适合于作为万能轧机辊环良好替代材料。

Description

金属压延用石墨工具钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢铁轧辊技术领域，尤其涉及一种应用于金属压延用的石墨工具钢及其制造工艺。

背景技术

目前，我国钢铁行业钢材的轧制技术不断提高，对轧辊（辊环）材料的要求也越来越高，原有的一些轧辊专用材料，已经不能满足轧钢企业对钢材产品“精尺寸、光表面、高产量、低成本”的综合要求。

轧辊材料的特殊性，在于其既要保证有足够的综合机械性能，又要有高的耐磨性，用于热轧的轧辊还要有足够的抗热裂性，同时还有防止粘钢、打滑等由于材料特性引起的轧制过程中的不良现象。

传统的轧辊材料，急需要进行更新。以万能轧机为例，这种轧机所用辊环的传统材质为高碳半钢，其组织特点是：碳化物：断续网状共晶碳化物+块、棒状共晶碳化物+粒状共析碳化物；碳化物类型大部分为Fe₃C型（有的组织中还含有少量MC型碳化物）；碳化物含量10~20%。基体组织：以片层结构组织为主（细珠光体、索氏体、屈氏体等），晶粒细小均匀，组织的各项异性不明显。这种组织构成，决定了其使用过程中出现的磨损严重、粘钢等现象不可避免，较为严重的影响了轧钢产品质量和轧钢效率，尤其是翼缘尺寸较大的产品更为严重，在动辄以百万吨产量计的现代钢铁制造业，这种材质的辊环已严重制约了企业向高工效、低能耗、高端产品制造转型的步伐，技术改进已迫在眉睫。

因此，确有必要提供一种应用于金属压延用的新型材质来解决上述技术问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种金属压延用石墨工具钢及其制造方法，其能大大提高轧制量、节约工时、降低生产成本和单位能耗。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种金属压延用石墨工具钢，按重量百分比计，包含如下元素：1.3-2.2%的碳、1.1-2.5%的硅、0.4-3.0%的铬、0.4-1.5%的镍。

作为本技术方案的进一步改进，还包含0.4-0.8%的锰、0.01-0.5%的钒、0.2-0.8%的钼。 

作为本技术方案的进一步改进，所述石墨工具钢内含30%以上的碳化物，所述碳化物包括共晶碳化物、及共析碳化物。

作为本技术方案的进一步改进，所述石墨工具钢内含包含2.5-3.5%的石墨。

作为本技术方案的进一步改进，所述石墨呈点状均匀分布于工作层，且分布面积为2-3%，石墨的直径不超过5μm。

作为本技术方案的进一步改进，所述碳的含量为1.6-2.2%、硅的含量为1.5-2.5%、铬的含量为1.0-3.5%。

一种金属压延用石墨工具钢的制造方法，依次包括如下工艺：

铸造处理：将工件置于中频感应炉中熔炼，然后进行立式离心铸造；

第一次热处理：对工件依次进行扩散退火和球化退火；

第二次热处理：对工件依次进行正火和回火处理；

后期加工：检验硬度和尺寸。

作为本技术方案的进一步改进，在所述第一次热处理之后及第二次热处理之前，对工件进行粗加工、硬度和探伤检验。

与现有技术相比，本发明金属压延用石墨工具钢可以较好的解决水平辊环侧壁的粘钢现象，耐磨性明显优于高碳半钢，而且不易产生崩边掉块裂纹等缺陷，易于加工，利于装配，使用寿命长，性价比高，是一种适合于作为万能轧机辊环良好替代材料。

具体实施方式

本发明通过对磨损和粘钢机理的研究，开发出一种金属压延用石墨工具钢及其制造工艺，将该石墨工具钢作为一种新型轧辊材质，这种新材质在保证正常轧制量大幅提高的同时，还能够节约工时、降低生产成本和单位能耗。

本发明所述的石墨工具钢包含碳(C)、硅(Si)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)，以及少量的其他合金元素(如：锰(Mn)、钒(V))，具体成分如下：

以下简要描述所述元素的特性。

碳(C)：超过共析的碳含量，保证了生成足够碳化物和一定量石墨的需求。

硅(Si)：高的硅含量，大的孕育量，可使液体金属凝固过程中，部分碳趋于以稳定相析出，进而得到适量的点状石墨；另有一部分碳，则生成莱氏体型共晶碳化物，以保证足够量的耐磨相；还有一部分碳溶入基体，在后续的热处理过程中，形成大量的二次碳化物，进一步保证提高耐磨性的需要。

铬(Cr)：可提高组织的淬透性，使得一定深度内硬度降落趋于减缓，以保证一定深度内硬度仍能满足使用需要。

镍(Ni)：通过固溶强化，可改善基体组织的综合机械性能和抗热裂性能，同时平衡铬带来的组织脆性。

钼(Mo)、钒(V)：适量的钼、钒，可以通过固溶强化和形成合金碳化物，起到细晶强化、保持硬度均匀性、提高耐磨性、阻止微观裂纹延伸等作用，改善了材料的热处理性能和抗断裂性能。

在本发明最佳实施方式中，所述石墨工具钢的成分为如下所列：

从组织构造来看，本发明所述石墨工具钢的特点在于，在贝氏体基体上，均匀分布着2.5-3.5%的石墨、30%以上的碳化物（含共晶碳化物、液析合金碳化物、共析碳化物）。所述石墨呈细小、弥散的点状石墨，并均匀分布于工作层（即轧辊用于实施轧制处理的作用层），且石墨的分布面积所占百分比约为2-3%，石墨的直径不超过5μm，因此，其对组织的“割裂作用”和裂纹敏感性的影响，可以忽略不计。由于石墨具有优良的导热性能和良好的润滑作用，首先，其对组织内部热传导的贡献，使得工作层内部的温度梯度降低，有效地防止了因温差引起的应力，从而改善了材料的抗热裂性能；其次，良好的“自润滑”作用，使石墨轧材与辊环之间建立起一道“屏障”，从微观上使辊环和轧材“分隔”开来，可以有效地防止粘钢现象的发生。

所述工作层的组织为：断续骨骼状/棒状的共晶碳化物、共析碳化物、以及贝氏体基体。所述共晶碳化物呈条、块状、或者棒状，而共析碳化物呈点状，两种碳化物的总含量大于30%，保持了材料良好的耐磨型。通过适当的热处理，在基体组织中析出的共析碳化物，降低了沿深度方向的硬度降落，使得工作层得到了有效的利用。所述贝氏体组织保证了材料的综合机械性能，和对碳化物的“包覆”能力，有效地防止了碳化物的“显微崩落”，提高了材料的抗热裂性和耐冲击性。

以下简要描述本发明所述的石墨工具钢的制造工艺。

所述石墨工具钢的制造工艺包括铸造处理、热处理及后期加工处理。

所述铸造处理采用立式离心复合铸造工艺，外层材质选择“石墨工具钢”，芯部采用石墨钢。该铸造处理包括如下步骤：将石墨工具钢置于中频感应炉内进行熔炼，然后，在将熔炼后进行立式离心复合铸造，再开箱，然后进入热处理工艺。本铸造处理的工艺特点为：单片铸造，以保证柱状晶方向与磨损面呈垂直分布，提高其耐磨性；芯部材质厚度不小于径向总厚度的1/3，以避免热装崩裂；结合层不允许有任何结合不良的现象、外层添加钒(V)合金孕育。

所述热处理工艺采用二次四段热处理工艺，即：第一次热处理时，采用扩散和球化退火工艺，第二次热处理时采用正火和回火工艺，由扩散-球化-正火-回火构成四段热处理工艺。其中，所述第一次热处理的扩散和球化退火工艺，可以改善铸态液析碳化物的形态，改善基体组织，为接下来的正火做组织准备，同时也改善铸态组织的加工性能。而所述第二次热处理时，所述正火处理可获得贝氏体组织，细化晶粒、在基体组织内部析出细小弥散的二次碳化物；而所述回火处理可消除急冷引起的内应力，促使组织转变更为充分。

所述热处理工艺特点是：装炉保持好各片辊环的间隙不小于100mm；必须上淬火机床淬火，以保证硬度均匀性；允许铸态热装炉，但应严格控制升温速度。

所述后期加工处理包括硬度检验、精加工、尺寸硬度检验、及包装入库。

大量试验表明，经过上述制造工艺得到的石墨工具钢具有优良的性能，例如，在机械性能、硬度、物理性能方面都得到改善，相较于常见的高碳半钢，本发明石墨工具钢有着显著的优势，各项性能数据均优于高碳半钢，具体的数据对比见下表：

由上表数据可见，石墨工具钢的机械性能、硬度均高于高碳半钢。除此之外，由于本发明石墨工具钢内有石墨的作用，加之碳化物量较多，石墨工具钢的表面，始终保持比较光滑。而且，两种辊环同时上机，石墨钢的磨损量约为高碳半钢的70%。

另外，石墨工具钢经过使用后，表面形成的显微裂纹，深度约有0.1mm左右，极易消除（经试验，可采用100目金相砂纸打磨，基本可消除裂纹），说明其抗热裂性很强。

综上所述，本发明所述的石墨工具钢可以较好的解决水平辊环侧壁的粘钢现象，耐磨性明显优于高碳半钢，而且不易产生崩边掉块裂纹等缺陷，易于加工，利于装配，使用寿命长，性价比高，是一种适合于作为万能轧机辊环良好替代材料。

以上所述，仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的方法内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。

Claims (8)

1.一种金属压延用石墨工具钢，其特征在于：按重量百分比计，包含如下元素：1.3-2.2%的碳、1.1-2.5%的硅、0.4-3.0%的铬、0.4-1.5%的镍。

2. 根据权利要求1所述的金属压延用石墨工具钢，其特征在于：还包含0.4-0.8%的锰、0.01-0.5%的钒、0.2-0.8%的钼。

3.根据权利要求1所述的金属压延用石墨工具钢，其特征在于：所述石墨工具钢内含30%以上的碳化物，所述碳化物包括共晶碳化物、及共析碳化物。

4.根据权利要求2所述的金属压延用石墨工具钢，其特征在于：所述石墨工具钢内含包含2.5-3.5%的石墨。

5.根据权利要求3所述的金属压延用石墨工具钢，其特征在于：所述石墨呈点状均匀分布于工作层，且分布面积为2-3%，石墨的直径不超过5μm。

6.根据权利要求4项中任意一项所述的金属压延用石墨工具钢，其特征在于：所述碳的含量为1.6-2.2%、硅的含量为1.5-2.5%、铬的含量为1.0-3.5%。

7.一种如权利要求1-6所述的金属压延用石墨工具钢的制造方法，其特征在于：依次包括如下工艺：

铸造处理：将工件置于中频感应炉中熔炼，然后进行立式离心铸造；

第一次热处理：对工件依次进行扩散退火和球化退火；

第二次热处理：对工件依次进行正火和回火处理；

后期加工：检验硬度和尺寸。

8.根据权利要求7项中任意一项所述的金属压延用石墨工具钢，其特征在于：在所述第一次热处理之后及第二次热处理之前，对工件进行粗加工、硬度和探伤检验。