CN106086702A

CN106086702A - 一种轧机导辊用高碳马氏体不锈钢及轧机导辊热处理方法

Info

Publication number: CN106086702A
Application number: CN201610579142.7A
Authority: CN
Inventors: 赵家柱; 吴迪; 张有德; 赵仕章; 周忠航
Original assignee: Hefei Orient Energy Efficiency Technology Co Ltd
Current assignee: Hefei Orient Energy Efficiency Technology Co Ltd
Priority date: 2016-07-21
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2016-11-09

Abstract

本发明公开了一种轧机导辊用高碳马氏体不锈钢及轧机导辊热处理方法，按照质量百分比，由以下组分构成：C1.3%~1.6%、Cr18%~22%、Ni0.5%~0.8%、V0.2%~0.3%、Si1.0%～1.3%、Mn0.4%～0.8%、Fe71%‑80%，本发明还公开了一种轧机导辊热处理方法，其特点是，轧机导辊是由上述高碳马氏体不锈钢制备而成，其热处理方法包括如下步骤：退火处理；淬火处理；低温回火处理。本发明具有可提高高碳马氏体不锈钢的韧性、耐磨性以及耐腐蚀性，使得制得的轧机导辊的使用寿命得到了很大的延长。

Description

一种轧机导辊用高碳马氏体不锈钢及轧机导辊热处理方法

技术领域

本发明属于新型材料的制备及其应用领域，尤其是涉及一种轧机导辊用高碳马氏体不锈钢及轧机导辊热处理方法。

背景技术

导辊是在型钢轧制过程中，使轧钢件发生塑性变形的的部件，主要承受轧制时的动静载荷，滚滑动结合的磨损。

导辊因其长期工作在高温环境下且又承受激热激冷的冲击，使得导辊的使用寿命短、消耗量大、更换频繁，并已成为目前制约钢材生产的瓶颈之一，早期的导辊材料是合金碳钢和铸铁，其产品耐磨性差、使用寿命低，目前，导辊材料大多用的是高铬铸铁和高铬钢，含有较高的C和Cr，再加入W、Mo、V等强碳化物形成元素，使其具有较高的耐热性和耐蚀性，但是，这些元素的加入增加了材料的成本，而且降低了材料的韧性，大大制约了其使用前景，另外由于工作过程中轧机导辊直接与红钢和冷却水接触，因此其除了应具有良好的高温耐磨性，还应具有一定韧性和较高的耐蚀性，以提高其使用寿命。

发明内容

本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种轧机导辊用高碳马氏体不锈钢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、替换频繁等问题。

本发明为解决技术问题采用以下技术方案：本发明公开了一种轧机导辊用高碳马氏体不锈钢，按照质量百分比，由以下组分构成：C1.3%~1.6%、Cr18%~22%、Ni0.5%~0.8%、V0.2%~0.3%、 Si1.0%～1.3%、Mn0.4%～0.8%、Fe71%-80%。

作为优选，本发明公开了一种轧机导辊用高碳马氏体不锈钢，按照质量百分比，由以下组分构成：C1.4%、Cr20%、Ni0.65%、V0.25%、 Si1.1%、Mn0.6%、Fe76%。

作为优选，本发明还公开了一种轧机导辊热处理方法，其特点是，轧机导辊是由上述高碳马氏体不锈钢制备而成，其热处理方法包括如下步骤：

步骤1、退火处理：将采用上述高碳马氏体不锈钢制备而成的轧机导辊在830℃～900℃的进行软化退火，保温2～4小时，在炉内冷却至23℃-26℃；

步骤2、淬火处理：经过680℃的预热，保温1小时，再加热至1000℃～1050℃，保温2～3小时，然后油冷至23℃-26℃；

步骤3、低温回火处理：再加热至140℃～180℃，保温4～5小时，然后出炉冷却至23℃-26℃。

作为优选，所述的步骤1中，所述的退火处理过程中由23℃-26℃加热至830℃～900℃的升温速度为120~160℃/h。

作为优选，所述的步骤2中，所述的淬火处理过程中由23℃-26℃加热至1000℃～1050℃的升温速度为200~270℃/h。

作为优选，所述的步骤3中，所述的低温回火处理过程中由23℃-26℃加热至140℃～180℃的升温速度为50℃～80℃/h。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明的轧机导辊用高碳马氏体不锈钢及轧机导辊热处理方法，通过调整C、Cr、Ni、V等合金元素的质量百分比，其组分为：C1.3~1.6%、Cr18~22%、Ni0.5~0.8%、V0.2~0.3%、Si1.0～1.3%、Mn0.4～0.8%、Fe71%-80%，轧机导辊热处理方法包括如下步骤：首先将采用上述高碳马氏体不锈钢制备而成的轧机导辊在830℃～900℃进行软化退火，保温2～4小时，在炉内冷却至23℃-26℃；再经过680℃的预热，保温1小时，再加热至1000℃～1050℃，保温2～3小时，然后出炉室外冷却至23℃-26℃；最后再加热至140℃～180℃，保温4～5小时，然后出炉内冷却至23℃-26℃，综上本发明的轧机导辊用高碳马氏体不锈钢具有较好的高温耐磨性、热稳定性、高温耐蚀性和冲击韧性，当Si含量在1%~2%时能与基体中的Cr形成耐腐蚀的氧化层钝化膜，进而提高了材料的高温耐蚀性；同时加入了一定量的Ni，在有Cr含量为18%左右的材料中，加入一定量的Ni，可提高材料的强韧性，另外还加入了V，因为V一部分可以溶入基体以提高淬透性，另一部分主要形成MC型碳化物——VC，VC的熔点和溶解温度都很高，在1100℃以上才可以溶解，即使在奥氏体温度下保温，VC的溶解量也不多，这就阻碍了奥氏体晶粒的长大，细化了晶粒，使该合金的冲击韧性得到提升，由于基体上分布有这种高硬度，高熔点的MC型碳化物，又使该合金的耐磨性和红硬性得到一定程度的提高，因此，与传统高铬铸铁相比，只加入了少量的Ni、V两种元素，却大大提高了材料的综合力学性能的，以直径为59mm型号的轧机导辊为例，该型号传统导辊的使用寿命——过钢量一般均在600吨以下，而本新型高温耐磨合金导辊的使用寿命——过钢量一般均在2500吨以上，甚至可达3000吨，使得轧机导辊的使用寿命提高了4倍。

具体实施方式

本发明公开了一种轧机导辊用高碳马氏体不锈钢，按照质量百分比，由以下组分构成：C1.3%~1.6%、Cr18%~22%、Ni0.5%~0.8%、V0.2%~0.3%、 Si1.0%～1.3%、Mn0.4%～0.8%、Fe71%-80%。

本发明的轧机导辊用高碳马氏体不锈钢及轧机导辊的制备过程由以下步骤组成：

a. 配料及装料：将废钢、铁屑、钼铁、铬铁、锰铁、硅铁、钒铁按以下化学成分的质量百分比进行原材料的配料C1.3~1.6%、Cr18~22%、Ni0.5~0.8%、V0.2~0.3%、 Si1.0～1.3%、Mn0.4～0.8%、Fe71%-80%、P≤0.03%、S≤0.03%，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，向感应电炉中加料，废钢、铁屑、生铁、铬铁、镍板、钒铁在装料时加入，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、硅铁、锰铁，最后是镍板和钒铁；

b. 合金熔炼：开始通电时，先供给60%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，造渣材料为石灰粉、氟石粉，且按照质量百分比，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，进行扩散脱氧，脱氧剂为石灰粉、铝粉，且按照质量百分比，石灰粉：铝粉=1:2，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，获得液态的高碳马氏体不锈钢，即制备得到高碳马氏体不锈钢的钢液；

c. 制备轧机导辊：

c1、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，然后，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，将配制的混合料倒入型壳内进行浇注，铁水的出炉温度为1600~1620℃，浇注温度为1530~1540℃，型壳温度为450~550℃，浇注后，铸件随型壳冷却至23℃-26℃，去除浇注***后制备得到轧机导辊；

c2、轧机导辊热处理：

c21、退火处理：将采用上述高碳马氏体不锈钢制备而成的轧机导辊在830℃～900℃的进行软化退火，保温2～4小时，在炉内冷却至23℃-26℃；

c22、淬火处理：经过680℃的预热，保温1小时，再加热至1000℃～1050℃，保温2～3小时，然后油冷至23℃-26℃；

c23、低温回火处理：再加热至140℃～180℃，保温4～5小时，然后出炉冷却至23℃-26℃；

c3：精加工：将经过回火处理后的导辊用硬质合金刀具精加工成成品轧机导辊。

本发明提供的轧辊用新型高碳马氏体不锈钢，在传统的高铬铸铁基础上，通过调整化学成分并使用不同的热处理工艺，以改善和提高合金的热稳定性、高温耐蚀性和韧性，从而满足导辊材料恶劣的工作环境和极高的性能要求。

本发明所述高碳马氏体不锈钢的各组分为C1.3%~1.6%、Cr18%~22%、Ni0.5%~0.8%、V0.2%~0.3%、 Si1.0%～1.3%、Mn0.4%～0.8%、Fe71%-80%。

V是强碳化物形成元素，所以优先与C生成高硬度高熔点的VC，剩余的C将与Cr结合，形成高硬度的M₇C₃型合金碳化物，这些碳化物是保证合金具有高的硬度、耐磨性和红硬性的必要条件，溶入基体的Cr、V合金元素既能增加淬透性，又可便于形成大量细小、弥散、而又坚硬二次合金碳化物，使该材料同时具有良好的韧性，溶入基体的Ni既能提高淬透性，又能改善韧性，提高高温强度。

热处理的主要过程为：以120~160℃/h的速度加热至830～900℃并保温2～4小时进行退火处理，随后炉内冷却至23℃-26℃，以消除导辊内应力，降低硬度，便于后续的切削加工；然后，随炉加热至680℃保温1小时，目的是预热和减少高温加热时间；再以200~270℃/h的速度加热至1000～1050℃保温2～3小时，随后油冷至23℃-26℃，目的是使合金元素充分溶解，以提高合金的红硬性和淬透性；最后，进行140～180℃的低温回火4~5小时，随炉冷却至23℃-26℃，消除淬火应力。

和现有技术相比，本发明的高碳马氏体不锈钢及导辊有以下几个方面的特点。

1、本发明使用材质与现有导辊材质不同，为了提高导辊材料的高温性能，本发明设计了一种新型的铬基高温耐磨合金，该合金是在传统高铬铸铁KmTBCr12的基础上通过调整合金成分，尤其是增加了Ni、V元素而设计的，本发明设计的高温耐磨合金相对于传统高铬铸铁仍具有很好的耐磨性，另外具有更好的高温耐蚀性，热稳定性和韧性，由于C与Cr、V等合金元素形成高熔点，高硬度的碳化物并呈不连续颗粒状或小块状分布，使合金具有更高的高温耐磨性，其中碳化物VC还能阻止晶粒长大等作用，这就不仅提高了合金的高温耐磨性同时也提高了冲击韧性。

2、本发明材质的基体组织与现用导辊材质的基体组织不同，本发明材质的基体组织为高硬度的针状或隐针状马氏体，在基体上分布着颗粒状和杆状的碳化物MC型和M₇C₃型，微硬度分别高达2600HV和1800HV，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，本发明材质制成的导辊的硬度更高，耐磨性更好，而且冲击韧性也更优越，同时，本发明相对于常用高铬合金的二次碳化物（M₂₃C₆型复杂碳化物的显微硬度为1200HV，M₃C型碳化物的显微硬度为1000～1100HV），其硬度更高，耐磨性更好。

3、本发明导辊的性能和使用寿命与传统导辊不同，本发明具有很好的高温强度、高温耐蚀性和韧性，在1000℃时的平均氧化速度不超过0.02g/m²h，因而抗氧化能力强，蠕变强度和持续疲劳强度均较高，以高度直径59mm型号的轧机导辊为例，其使用寿命与传统导辊相比，导辊工作过程中的过钢量可由传统导辊过钢量的不超过600吨提升到目前的2500吨过钢量以上，本发明导辊的使用寿命提高了4倍，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。

实施例1

以直径为59mm型号的轧机导辊为例

化学成分：C1.50%、Si1.10%、Mn0.80%、Cr18.5%、Ni0.60%、V0.21%、Fe77.29%。

热处理工艺：以150℃/h的升温速度在900℃保温3小时，炉内冷却至23℃-26℃；然后随炉加热至680℃保温1小时；再以260℃/h的升温速度加热至1030℃保温4小时，油冷至23℃-26℃；随后以80℃/h的速度在180℃回火保温4小时，后随炉冷却至23℃-26℃。

常温性能测试

宏观硬度：导辊工作表面层硬度58.5～60HRC；冲击韧性：18.7J/cm²。

经过试验测试，平均使用寿命为：过钢量2320吨。

实施例2

以直径为59mm型号的轧机导辊为例

化学成分：C1.38%、Si1.22%、Mn0.46%、Cr19.50%、Ni0.46 %、V0.28%、Fe76.7%。

热处理工艺：以140℃/h的升温速度在850℃保温4小时，炉冷至23℃-26℃；然后随炉加热至700℃保温1小时；再以190℃/h的升温速度加热至1000℃保温2小时，油冷至23℃-26℃；随后以80℃/h的速度在180℃回火保温5小时，后随炉冷却至23℃-26℃。

常温性能测试：

宏观硬度：导辊工作表面层硬度57~59.5HRC；冲击韧性：18.2J/cm²。

经过试验测试，平均使用寿命为：过钢量2630吨。

实施例3

以直径为59mm型号的轧机导辊为例

化学成分：C1.4%、Cr20%、Ni0.65%、V0.25%、 Si1.1%、Mn0.6%、Fe76%。

常温性能测试：

宏观硬度：导辊工作表面层硬度57~60.5HRC；冲击韧性：18.3J/cm²。

经过试验测试，平均使用寿命为：过钢量2730吨。

通过以上软化退火、淬火和低温回火处理，可以有效提高材料的高温耐磨性、热稳定性能、高温耐蚀性和冲击韧性。该导辊硬度可达到56~61HRC，寿命相对于传统导辊可提高了4倍。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种轧机导辊用高碳马氏体不锈钢，其特征在于：按照质量百分比，由以下组分构成：C1.3%~1.6%、Cr18%~22%、Ni0.5%~0.8%、V0.2%~0.3%、 Si1.0%～1.3%、Mn0.4%～0.8%、Fe71%-80%。

2.根据权利要求1所述的一种轧机导辊用高碳马氏体不锈钢，其特征在于：按照质量百分比，由以下组分构成：C1.4%、Cr20%、Ni0.65%、V0.25%、 Si1.1%、Mn0.6%、Fe76%。

3.一种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或2制得的高碳马氏体不锈钢制备而成，其热处理方法包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种轧机导辊热处理方法，其特征在于：所述的步骤1中，所述的退火处理过程中由23℃-26℃加热至830℃～900℃的升温速度为120~160℃/h。

5.根据权利要求3所述的一种轧机导辊热处理方法，其特征在于：所述的步骤2中，所述的淬火处理过程中由23℃-26℃加热至1000℃～1050℃的升温速度为200~270℃/h。

6.根据权利要求3所述的一种轧机导辊热处理方法，其特征在于：所述的步骤3中，所述的低温回火处理过程中由23℃-26℃加热至140℃～180℃的升温速度为50℃～80℃/h。