CN104878296A - 轧机导辊用高钒耐磨合金材料及轧机导辊热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轧机导辊用高钒耐磨合金材料及轧机导辊热处理方法，该高钒耐磨合金材料的各组分按质量百分比的构成为：C为2.0-2.8％，Cr为12-14％，V为6.0-8.0％，余量为Fe。轧机导辊热处理方法包括如下步骤：首先，对轧机导辊进行930℃-950℃的软化退火；然后，经过700℃的预热，并进行980℃-1020℃的淬火处理；最后，进行400℃-550℃的回火处理。本发明的轧机导辊用高温耐磨合金材料及轧机导辊热处理方法，具有可提高导辊材料的红硬性、热稳定性、和冲击韧度，使得轧机导辊的使用寿命提高了6倍。

Description

轧机导辊用高钒耐磨合金材料及轧机导辊热处理方法

技术领域

本发明涉及新材料的制备及应用领域，具体涉及一种轧轧机导辊用高钒耐磨合金材料及轧机导辊热处理方法。

背景技术

导辊是棒、线材轧制设备上的主要消耗备件，在轧制过程中，用来输送型材和线材使其顺利的进入轧机。导辊在工作时承受轧件不断撞击，且在高温(轧件温度约1000℃左右)、高速下与轧件长时间磨擦，此外还要承受交变热负荷(为了降低导辊温度须对导辊施加冷却水)的冲击，因此其使用寿命短、消耗量大、更换频繁，是目前制约钢材生产的瓶颈之一。

研究发现，导辊最常见的失效原因是表面磨损导致的失效，其次是导辊因开裂或粘钢而报废。在制造导辊时，为了增加导辊的耐磨性通常选择好的合金材料，提高导辊的硬度，但导辊硬度过高又会导致导辊韧性降低，使用时易发生脆性断裂。国内外通常采用的导辊材料有三种，第一种是具有奥氏体组织的耐热钢——此类材料具有良好的高温稳定性及韧性，但耐磨性差、磨损快，而且奥氏体与线材(组织为铁素体或奥氏体)本身的相互粘附倾向性较大，易发生粘钢；第二种是具有马氏体组织的耐磨钢或耐磨铸铁——这一类材料在室温下具有良好的耐磨性，但随着使用温度的提高，马氏体发生回火，耐磨性会降低；第三种是硬质合金——硬质合金导辊通常具有良好的耐磨性和高温稳定性，但该导辊的冲击韧性较差，易发生脆性断裂。

针对现有材料的种种问题，近年来，国内外研究学界着力于开发新材料或对现有材料进行改性。清华大学发明研制了一种导辊用的镍基高温合金材料及其热处理工艺(CN100482840C)，采用镍基高温合金材料制备的导辊，虽然具有良好的抗高温氧化性能、抗热冲击性能和高温强度，其使用寿命相对于传统导辊材料有所提高，但是成本较高。我国专利CN101597715B中提出了一种导辊用铁基高温合金材料，通过添加Mn、Si、Mo、V和稀土元素等，以较低成本获得了具有较优良性能的导辊用合金材料，但其成分较为复杂，且所制导辊硬度提高有限(HRC 55-60)。国内外也有采用表面涂敷合金或复合材料的方法，但涂敷的复合材料通常是WC-Co复合材料、WC-Ni复合材料、TiC-Ti复合材料等价格昂贵的复合材料，且不可通过热处理明显改善熔覆层组织和性能，涂覆工艺采用单一喷涂工艺或激光熔覆工艺、或真空熔结工艺——采用单一喷涂工艺只能与钢基体形成机械结合；采用激光熔覆，成本高，熔覆层浅；真空熔结熔覆工艺虽可形成冶金结合，但熔覆的多是价格昂贵的低熔点Ni基合金，成本高，工艺复杂，性能提高有限。

综上所述，研发性能优良、成本低且制备工艺简单的轧机导辊用高温耐磨合金材料迫在眉睫。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种硬度高、耐磨性好、耐冲击性能优良，成本低，性价比高的轧机导辊用高钒耐磨合金材料及轧机导辊热处理方法，以解决传统导辊材料在服役时磨损严重、寿命短替换频繁、脆性大等问题。

本发明为解决技术问题采用以下技术方案：

轧机导辊用高钒耐磨合金材料，其特点是，该高钒耐磨合金材料的各组分按质量百分比的构成为：C为2.0-2.8％，Cr为12-14％，V为6.0-8.0％，余量为Fe。

进一步地，该高钒耐磨合金材料还包含了Si和Mn，Si和Mn所占的质量百分比分别为：Si为0.6-0.8％，Mn为0.8-1.0％。

进一步地，该高钒耐磨合金材料还包含了Mo，Mo所占的质量百分比为0.8-1.2％。

再进一步地，该高温耐磨合金材料的各组分按质量百分比的构成为：C为2.6％，Si为0.7％，Mn为0.8％，Cr为12.5％，Mo为1.0％，V为8％，P为≤0.03％，S为≤0.03％。

再进一步地，该高温耐磨合金材料的各组分按质量百分比的构成为：C为2.5％，Si为0.6％，Mn为1.0％，Cr为13.5％，Mo为1.0％，V为6.9％，P为≤0.03％，S为≤0.03％。

再进一步地，该高温耐磨合金材料的各组分按质量百分比的构成为：C为2.5％，Si为0.6％，Mn为1.0％，Cr为14％，Mo为0.93％，V为8％，P为≤0.03％，S为≤0.03％。

本发明还提供了一种轧机导辊热处理方法：

一种轧机导辊热处理方法，其特点是，轧机导辊是由上述高温耐磨合金材料制成的，其热处理方法包括如下步骤：

步骤1，软化退火——对轧机导辊在930℃-950℃进行软化退火，退火后保温2-4小时，然后随炉冷却至室温；

步骤2，淬火处理——对经过步骤1处理的轧机导辊经过700℃的预热，保温1小时，再加热至980℃-1020℃，保温4-5小时，然后空冷至室温；

步骤3，回火处理——将经过步骤2处理的轧机导辊加热至400℃-550℃，保温2-3小时，然后随炉冷却至室温。

进一步地，步骤1软化退火中由室温加热至930℃-950℃的升温速度为120-160℃/小时。

进一步地，步骤2淬火处理过程中由室温加热至980℃-1020℃的升温速度为180-210℃/小时。

进一步地，步骤3回火处理过程中由室温加热至400℃-550℃的升温速度为50℃-80℃/小时。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明的高温耐磨合金材料相比传统导辊材料大大提高了V元素的比例，V元素与C元素可以形成大量的短杆状和团球状的VC，VC作为硬质相平均分布在合金集体中，大大提高了本发明合金材料的耐磨性能；同时，V还有强烈的细化晶粒的作用，既提高了合金强度，又能同时提高韧性；V固溶于基体中还能明显提高钢的淬透性，具有一定沉淀硬化的作用。

本发明轧机导辊热处理方法中的退火处理可以改善切削加工性，消除残余应力，细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷；淬火处理可以使合金元素充分溶解，从而大幅提高合金材料的硬度、耐磨性和红硬性；回火处理可以减小或消除淬火件中的内应力以提高其延性或韧性，还可以使基体析出二次碳化物，达到二次硬化的效果。

本发明轧机导辊具有很好的耐磨性和抗热冲击性能，高温下抗氧化能力强，其使用寿命与传统导辊相比提高了6倍。因此，采用本发明轧机导辊显著降低了导辊的更换频率，大大提高了生产效率，具有明显的经济效益。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中的轧机导辊用高温耐磨合金材料，其各组分按质量百分比的构成为：C为2.0-2.8％，Cr为12-14％，V为6.0-8.0％，Si为0.6-0.8％，Mn为0.8-1.0％，Mo为0.8-1.2％，余量为Fe。

实施例1

本实施例提供了采用本发明的高温耐磨合金材料制备轧机导辊的工艺流程，其中包括本发明提供的轧机导辊热处理方法。

利用本发明的高温耐磨合金材料制备轧机导辊时，首先通过熔炼获得液态的高温耐磨合金材料，而后将液态的耐磨合金材料铸造成轧机导辊，然后对铸造得到的轧机导辊进行热处理及精加工，具体包括以下几个步骤：

步骤1、合金原料准备及铸造用模具制备

合金原料准备过程如下：

将废钢、铁屑、钼铁、铬铁、锰铁、硅铁、钒铁等原材料按上文中所述化学成分的质量百分比进行配料。其中，炉料的平均含碳量按规格成分的下限配入，且原材料表面应无油污、无粘砂杂物、无可剥落的氧化皮；然后，向感应熔炼炉中加料。废钢、铁屑、生铁、钼铁、铬铁、钒铁等原材料在装料时加入，锰铁、硅铁在熔炼过程中加入。加料时，在坩埚底部和靠近坩埚壁处的高温区先加大块料，将小块料放在中间和上部低温区，并在大块料的缝隙密实地填满小块料。先装95％的炉料，待炉料溶尽取样后，再加剩余5％的炉料。合金的加入顺序依次为：铬铁、钼铁、硅铁、锰铁，最后是钒铁。

铸造用模具制备如下：

首先，用低温蜡基模料制成导辊模型，用硅溶胶—水玻璃复合型壳制壳工艺制得导辊模型型壳。在硅溶胶—水玻璃复合模型壳制备过程中，在导辊模型上先进行2-3层硅溶胶制壳，然后进行3-4层水玻璃制壳，自然干燥后进行蒸汽脱蜡，得到导辊模型壳。

步骤2、合金熔炼及铸造

开始通电时，先采用60％左右的功率，待电流冲击停止后将功率逐步加大至最大值。下部炉料熔化后注意捣料，防止搭棚，并不断加料以保持炉料紧实。大部分炉料熔化后，加入1.2％的造渣材料(石灰粉：氟石粉＝2:1)造渣覆盖钢液。先装的95％炉料熔清时，取样进行全分析，并将其余5％的炉料加入炉内。渣料化清后，往炉渣面上加脱氧剂(石灰粉：铝粉＝1:2)进行扩散脱氧。同时，根据化学成分分析结果调整钢液的化学成分，其中硅、锰含量在出钢前10分钟内通过加入硅铁、锰铁进行调整。当钢水升温至1560℃且圆杯试样收缩良好时，拔出一半炉渣，***0.2％的硅钙进一步脱氧，然后往渣面上撒一层石灰粉和铝粉的脱氧剂。当钢液温度达到1580℃以上时，除去全部炉渣，随即加入0.07％的冰晶石粉并将铝垂直***炉底。然后搅拌钢液，停电倾炉出钢，获得液态的高温耐磨合金材料，即合金材料钢液。

在合金熔炼的同时，焙烧导辊型壳，焙烧温度为900-950℃，保温时间为1小时。焙烧结束后，将熔炼得到的合金钢液倒入型壳内进行浇注；钢液的出炉温度为1600-1620℃，当钢液冷却至1530-1540℃时开始浇注，导辊型壳温度为450-550℃；浇注后，铸件随型壳冷却至室温，去除浇注***后得到导辊；

步骤3、软化退火

将步骤2得到的导辊铸件由室温以120-160℃/小时的升温速度加热至930℃-950℃，保温2-4小时，然后随炉冷却至室温。

步骤4、粗加工

采用常规刀具对步骤3得到的导辊铸件进行切削加工。

步骤5、淬火处理

将步骤4切削加工后的导辊由室温以180-210℃/小时的升温速度加热至700℃预热，保温1小时，再加热至980℃-1020℃，保温4-5小时，然后空冷至室温。

步骤6、回火处理

将步骤5淬火处理后的导辊由室温以50-80℃/小时的升温速度加热至400℃-550℃，保温2-3小时，然后随炉冷却至室温。

步骤7、精加工

将步骤6回火处理后的导辊用硬质合金刀具精加工成成品导辊。

本实施例合金材料中组织形态各元素作用如下：

本发明合金材料的基体组织为高硬度的针状或隐针状马氏体，相对于传统导辊材质的低塑性奥氏体或鱼骨状莱氏体组织基体，本发明合金材料的基体组织形态使得制得导辊的硬度更高，耐磨性更好，而且冲击韧性也更优越。

本实施例的高温耐磨合金材料相比传统导辊材料大大提高了V元素的比例，V元素与C元素可以形成大量的短杆状和团球状的VC，其硬度可高达2600HV(约90HRC)，VC作为硬质相平均分布在合金集体中，大大提高了本发明合金材料的耐磨性能；同时，V还有强烈的细化晶粒的作用，既提高了合金强度，又能同时提高韧性；V固溶于基体中还能明显提高钢的淬透性，具有一定沉淀硬化的作用。但是V含量如果过高则强化效果会饱和，因此本发明中V元素的含量控制在6％-8％。

合金材料中的Mo元素有固溶强化的作用，可以提高合金硬度，从而提升耐磨性；此外，Mo元素的存在还有利于提高复合材料的淬透性、耐热性以及抗热疲劳剥落和断裂的能力；Mo也有一定细化晶粒的作用。

合金材料中的Si元素溶于基体中可以提高基体硬度和强度，且其这种作用较Mn、Mo和V等元素强。但含硅超过3％时，将显著降低钢的韧性。本发明中控制Si的比例在0.6％-0.8％。Si同时也是良好的脱氧剂；此外，含硅的钢在高温氧化气氛中，表面将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。

合金材料中的Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，且能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。此外，Mn和Fe形成固溶体，提高基体强度，有效提升耐磨性。

本发明合金材料中的Fe、Cr、Mo与C还可以形成高硬度的M7C3型合金碳化物，其硬度高达1800HV，此类碳化物作为硬质相平均分布在合金集体中，大大提高了本发明合金材料的耐磨性能。

本发明中轧机导辊热处理方法效果如下：

上述制备流程中的步骤3、步骤5和步骤6的组合为本发明提供的轧机导辊热处理方法。通过步骤3的退火处理，可以改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。通过步骤5的淬火处理，可以使合金元素充分溶解，从而大幅提高合金材料的硬度、耐磨性和红硬性。通过步骤6的回火处理，可以减小或消除淬火件中的内应力，以提高其延展性或韧性；回火处理还可以使基体析出二次碳化物，达到二次硬化的效果。

实施例2

下面通过更具体的实施例对本发明的轧机导辊用高钒耐磨合金材料的性能进行衡量，主要衡量指标有表层硬度(表征耐磨性)、冲击韧性以及过钢量(衡量使用寿命)。在进行性能测试时，将相应材料均制备成直径59mm的导辊。

下表1给出了本实施例的几组复合材料按质量百分比的材料成分。

表1复合材料按质量百分比的材料成分

组	C	Cr	V	Si	Mn	Mo	P	S	Fe
										1	2.6	12.5	8	0.7	0.8	1.0	≤0.03％	≤0.03％	余量
2	2.5	13.5	6.9	0.6	1.0	1.0	≤0.03％	≤0.03％	余量
										3	2.5	14	8	0.6	1.0	0.93	≤0.03％	≤0.03％	余量

其中，P和S是合金材料中的有害杂质，在实际生产中，要确保P和S的质量百分比的范围满足P≤0.03％、S≤0.03％，以提高冶金质量，防止热脆和冷脆。

表2给出了本实施例的几组复合材料具体的热处理工艺。

表2复合材料热处理工艺

表3给出了由本实施例的几组复合材料制成的轧机导辊的性能测试结果。

表3轧机导辊性能测试结果

59mm型号传统导辊的过钢量一般均在600吨以下，而本实施例的轧机导辊过钢量平均在3500吨以上，相比传统导辊使用寿命提高了近6倍。此外，本实施例的轧机导辊其表层硬度及冲击韧性性能均优良，我国专利CN101597715B中导辊的冲击韧性平均约10J/cm²，硬度约55-57，平均氧化速度约0.32g/m²h。可见，本发明的高钒耐磨合金材料制备的轧机导辊其性能相比现有技术有大幅度提升。

以上通过实施例对本发明所提供的轧机导辊用高钒耐磨合金材料及轧机导辊热处理方法进行了详细介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.轧机导辊用高钒耐磨合金材料，其特征在于，该高温合金该高温耐磨合金材料的各组分按质量百分比的构成为：C为2.0-2.8％，Cr为12-14％，V为6.0-8.0％，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的轧机导辊用高钒耐磨合金材料，其特征在于：该高温耐磨合金材料还包含Si和Mn；其中，Si在所述高温耐磨合金材料中所占的质量百分比为0.6-0.8％，Mn在所述高温耐磨合金材料中所占的质量百分比为0.8-1.0％。

3.根据权利要求1所述的轧机导辊用高钒耐磨合金材料，其特征在于：该高温耐磨合金材料还包含Mo；Mo在所述高温耐磨合金材料中所占的质量百分比为0.8-1.2％。

4.根据权利要求1和2和3所述的轧机导辊用高钒耐磨合金材料，其特征在于，该高温耐磨合金材料的各组分按质量百分比的构成为：C为2.6％，Si为0.7％，Mn为0.8％，Cr为12.5％，Mo为1.0％，V为8％，P为≤0.03％，S为≤0.03％。

5.根据权利要求1和2和3所述的轧机导辊用高钒耐磨合金材料，其特征在于，该高温耐磨合金材料的各组分按质量百分比的构成为：C为2.5％，Si为0.6％，Mn为1.0％，Cr为13.5％，Mo为1.0％，V为6.9％，P为≤0.03％，S为≤0.03％。

6.根据权利要求1和2和3所述的轧机导辊用高钒耐磨合金材料，其特征在于，该高温耐磨合金材料的各组分按质量百分比的构成为：C为2.5％，Si为0.6％，Mn为1.0％，Cr为14％，Mo为0.93％，V为8％，P为≤0.03％，S为≤0.03％。

7.轧机导辊热处理方法，其特征在于，轧机导辊是由权利要求1-6之一所述的高钒耐磨合金材料制成的，其热处理方法包括如下步骤：

步骤1，退火处理

对轧机导辊在930℃-950℃进行退火处理，退火后保温2-4小时，然后随炉冷却至室温；

步骤2，淬火处理

对经过步骤1处理的轧机导辊经过700℃的预热，保温1小时，再加热至980℃-1020℃，保温4-5小时，然后空冷至室温；

步骤3，回火处理

将经过步骤2处理的轧机导辊加热至400℃-550℃，保温2-3小时，然后随炉冷却至室温。

8.根据权利要求4所述的轧机导辊热处理方法，其特征在于：所述步骤1中软化退火过程由室温加热至930℃-950℃的升温速度为120-160℃/小时。

9.根据权利要求4所述的轧机导辊热处理方法，其特征在于：所述步骤2中淬火处理过程由室温加热至980℃-1020℃的升温速度为180-210℃/小时。

10.根据权利要求4所述的轧机导辊热处理方法，其特征在于：所述步骤3中低温回火过程由室温加热至400℃-550℃的升温速度为50℃-80℃/小时。