专利名称：：一种高硼铸造合金导卫及其热处理方法
技术领域：
：本发明属于轧钢
技术领域：
，具体涉及轧钢机导卫及其制造方法，特别涉及一种高硼铸造合金导卫及其热处理方法。
背景技术：
：在轧钢过程中，轧钢机的钢材进出口处的导卫(包括导卫板和导卫辊)工作环境十分恶劣，900。C以上的红热钢材连续从导卫上通过，同时又要喷水冷却，温差变化大而急剧。所以导卫磨损快，寿命低，需频繁更换，消耗量很大，且易产生龟裂和断裂，影响轧钢生产效率。另外，导卫使用中易产生粘钢现象，影响轧制钢材的质量。而粘钢的根本原因是导卫在高温、急冷急热的工作条件下，与快速穿过的红钢发生"焊合作用"。这就要求导卫材料必须具备高的热强性与抗氧化性，良好的耐磨性、热稳定性及导热性，较小的热膨胀系数和低的摩擦系数等。因此，解决导卫的材质问题是提高轧钢作业效率和钢材质量，降低消耗，减轻工人劳动强度，减少事故的有效措施。为了提高导卫的使用寿命，中国发明专利CN1351910公开了一种复合合金材料导卫板及其制作方法。采用40Cr等低合金钢作为本体1，进出口为方形、椭圆形或其它形状，在导卫板的工作面部位制作以冶金结合的合金材料层面2,合金层由C、Mo、W、Mn、V、Ti、B、Si单元、二元或多元形成，合金层可以是铬钼钒合金系列，也可以是铬鴒合金系列，还可以是硼铬钒合金系列，合金层亦可铸包少量的Cr3C2、A1203、WC等高硬度金属颗粒，合金层的厚度可根据使用要求和铸件的厚度确定。但由于合金层与低合金钢本体结合质量不易控制，导卫板使用过程中，合金层易开裂和剝落，影响导卫板的正常使用。中国发明专利CN1088271公开了一种高溫耐磨合金及其制造技术。它是以Cr为主要合金元素，并同时添加有Ni、Mo、W、Cu、N、C、Si、Mn等多种元素的铁基合金。在制备过程中，采用稀土与碱土元素合成的中间合金进行变质处理后，其显微组织具有孤立的细块状与断条状的M，C3等高硬度合金碳化物，和过饱和固溶强化程度较高，稳定性适中的奥氏体基体。这种合金在交变受热的高温下不发生Y—a相变，但具有高温析出硬化效应，用作交变受热的高温耐磨材料，较好地緩解了耐磨性与热疲劳韧性的矛盾。在交变受热达900。C以上的轧机导卫装置上应用，大大提高了耐用性，但含有3.O-IO.0%Ni，1.0-3.0飾和15-35%Cr，将增加导卫板的生产成本。中国发明专利CN1736626还公开了一种复合导卫辊及其加工方法。导卫辊的辊基体由普碳钢制成，辊基体的辊面上涂敷一层耐热、耐磨硬质面层；加工方法系采用真空烧结的方法，基体采用普通碳钢，表面采用硬质材料，在保持了基体材料原有的强度、塑性等良好性能外，又赋予了导卫辊表面高硬度以及优良的耐磨性、腐蚀性、耐冲刷性等多种功能。但采用真空烧结方法涂敷耐热、耐磨硬质面层，存在工艺复杂和耐磨层与基体结合差的不足，导卫辊使用中辊面易开裂和剥落，影响轧钢生产。中国发明专利CN1609256还公开了一种粉末冶金轧钢导卫辊及其制造方法。通过材质优化设计和粉末冶金液相烧结技术，获得了性能优良的轧钢导卫辊。粉末冶金轧钢导卫辊的粉末原料成分为Cr8-20%;Mo0.8~3.6%;W0.5~2%;Ni、Co、Cu3.5~7%;V0.3~1.2%;BN0.1~0.5%;C1.8-2.5%;酰胺蜡粉0.5%;表面活性剂O.3~1%;余量为铁粉。粉末冶金轧钢导卫辊的制造方法包括以下步骤a.配料与混料；b.压制成型；c.烧结；d.热处理；e.机械加工。存在生产工艺复杂和生产成本高以及导卫辊韧性差等不足。
发明内容本发明目的是提供一种高硼铸造合金导卫及其热处理方法。本发明通过在抗氧化性较好的高铬抗磨耐热钢中，加入硼元素，淬火热处理后，获得马氏体和残留奥氏体基体，在基体上生成硬度高、热稳定性好的硼碳化合物，使高铬抗磨耐热钢在保持高的抗高温性能的前提下，还具有优良的耐磨性。本发明高硼铸造合金导卫基体含碳量较低，具有良好的抗激冷激热性能，另外，硼碳化合物的存在，可减轻导卫粘钢倾向。本发明所提供的高硼祷造合金导卫的化学成分及其质量百分含量(％)为C0.25-0.45、Cr12.0—15.0、B1.0—2.5、Mo0.5—0.8、Mn1.8—2.5、Al0.10—0.30、RE0.08-0.20、Mg0.04—0.08、V0.05-0.10、N0.01-0.03、Ti0.10-0.20、Nb0.10-0.20,并且0.25《Ti+Nb《0.35，Si<1.0,S<0.05，P<0.05，余量为Fe。本发明所提供的高硼铸造合金导卫采用电炉熔炼，包括以下步骤1)将废钢、4^铁和钼铁混合加热熔化，钢水熔清后加入锰铁，升温至1480-150(TC时，加入铝，而后依次加入硼铁、钛铁和铌铁，炉前调整成分合格后，将钢水温度升至1520-1550°C,扒渣后出炉；2)将含V量为70-85wt%,含N量为15-30wty。的V-N合金破碎至粒度6为3-8,的小块，用厚度小于0.8誦钢片包裹严实，出钢40-60%时，将包裹好的V-N合金随钢水沖入浇包；3)将稀土镁合金破碎至粒度小于12mm的小块，经220。C以下烘干后，置于浇包底部，用包内沖入法对钢水进行复合变质处理；4)浇注导卫，钢水浇注温度1420-1460°C;5)浇注0.5-2.Oh后开箱空冷导卫，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，得到铸态导卫板或铸态导卫辊；6)铸态导卫板在非加工状态下直接进行淬火热处理，而铸态导卫辊在机械加工前需要进行软化退火处理，软化退火工艺为(880-920)。Cx(2-4)h，炉冷至温度为500-55(TC时，空冷，然后进行粗加工；将铸态导卫板和(或)粗加工后的导卫辊加热至980-1020°C,保温1-4h后，在温度低于60。C的淬火油中冷却0.5-2.0h,淬火油与导卫的质量比>10:1;最后加热至180-220°C，保温3-6h后，空气冷却至室温，导卫板可直接装机使用，而导卫辊在使用前需要精加工至规定尺寸和精度。其中，步骤4)中所述的浇注方法采用精密铸造、消失模铸造或冷硬树脂砂型铸造。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碳碳在钢中形成合金碳化物，有利于耐磨性的提高。但是含碳量过高形成粗大的网状碳化物，降低导卫的韧性，在拉应力及热疲劳应力的共同作用下容易产生裂紋，另外碳含量过高，基体导热性下降，基体热疲劳抗力下降，导卫在激冷激热工作环境下，易出现开裂和剥落，降低导卫使用寿命，含碳量过低时，则碳化物数量少，硬度低，耐磨性也降低，因此合适的碳含量为0.25-0.45%。铬铬加入钢中，部分与碳结合生成高硬度碳化物，有利于改善导卫的耐磨性，部分溶于基体，可提高基体的抗氧化性，铬含量过低，导卫的抗氧化性能低，导致导卫使用寿命缩短，铬含量过高，基体中固溶的铬量过多，由于铬是缩小Y相区的元素，导致淬火基体组织中出现低硬度的铁素体，反而损害导卫耐磨性，铬含量控制在12.0-15.0%时，淬火组织以马氏体为主，还有少量残留奥氏体，具有良好的综合性能。硼硼在基体中固溶量很低，主要进入碳化物中，形成硬度高、热稳定性好的Ci"7(C,B)3和Cr"(C,Bh型碳硼化合物，也与铁结合生成硬度高、热稳定性好的Fe2(B，C)型硼碳化合物，且随着硼含量增加，Fe2(B,C)型硼碳化合物数量明显增加，促进导卫硬度的提高和耐磨性的明显改善，但硼含量过高，由于Fe2(B,C)型硼碳化合物数量的增加及尺寸的增大，导致导卫的强度和韧性明显下降，因此合适的硼含量为1.0-2.5%。钼在导卫中加入适量钼，有利于提高导卫的高温力学性能，改善导卫使用效果，还可减轻导卫的回火脆性，但钼元素价;格昂贵，加入量过多，将增加导卫生产成本，因此合适的钼含量为0.5-0.8%。锰锰部分进入碳化物，部分进入基体，进入基体中的锰可提高基体淬透性，可以增加板条马氏体之间的残留奥氏体的数量，增加钢的韧性，减少淬火中的应力和变形。但锰含量过多，淬火组织中残留奥氏体数量明显增加，导致导卫硬度下降，反而降低导卫耐磨性，因此合适的锰含量为1.8-2.5%。硅硅是非碳化物形成元素，在钢中形成固溶体，可以起到固溶强化的作用，但硅固溶于基体后，降低基体塑性，促使导卫在激冷激热条件下易萌生裂紋，且加快裂紋的扩展，因此导卫中硅含量应控制在1.0%以下。铝铝在凝固过程中吸附在碳化物和硼化物生长前沿，阻碍碳化物和硼化物的长大，有利于细化碳化物和硼化物，加入量过多，钢中夹杂物增多，反而损害导卫的强度和韧性，因此合适的铝含量为0.IO-O.30%。稀土和镁稀土对高硼铸造合金具有脱硫、除气的作用，使钢中硫化物夹杂减少，使钢的沖击韧性提高。同时稀土与液态金属反应生成的细小粒子，具有加速凝固的形核作用。表面活性稀土元素在流动的晶体表面形成吸附原子薄膜，降低流动离子的速度。另外稀土的熔点低，原子半径大，在高硼铸造合金凝固过程中是强成分过冷元素，由于其平衡常数K。远小于1，在凝固过程中将发生严重偏析，通过溶质再分配而富集在初生奥氏体生长前沿的熔体中，造成较大的成分过冷，有利于奥氏体枝晶的多次分枝及枝晶间距的减小。稀土元素这些特殊性能可细化高硼铸造合金的铸态晶粒，限制树枝晶偏析。镁是熔点低原子半径大的元素，也是强成分过冷元素，凝固时镁易富集在奥氏体周围的钢液中，而溶质元素在界面前沿的富集会引起晶体分枝，形成缩颈，而后在熔液中熔断、脱落、生长，产生自我增殖，使整个钢液内部的晶核数量增加，阻止粗大枝晶组织和柱状晶的生长，导致共晶团、初生奥氏体和碳硼化合物均得以细化。另外，镁还具有较强的活性，脱硫和脱氧能力强，有利于减少夹杂物的数量，并减小夹杂物尺寸。合适的稀土含量为0.08-0.20%,合适的镁含量为0.04-0.08%。钒、氮、铌、钛高硼铸造合金采用钒氮合金化有细化奥氏体晶粒的9作用，因此可以适当提高淬火温度，降低淬火加热时的过热敏感性。钒、钛和铌的加入，会形成VC、TiC、NbC等高熔点的质点，增加了^^共晶碳化物和硼化物结晶核心数量，细化铸态晶粒，使合金碳化物趋向于粒状、合金硼化物趋向于断网和，孤立分布，对钢的强度和韧性的提高有利，合适的钒、氮、铌和钬加入量为0.05-0.10%V、0.01-0.03%N、0.10-O.20%Ti、0.10-0.20%Nb，且0.25%《Ti+Nb《0.35%。硫和磷不可避免的微量杂质是原料中带入的，其中有硫和磷，均是有害元素，为了保证导卫的强度、韧性和耐磨性，将磷含量控制在0.05%以下，硫含量控制在0.05%以下。高硼铸造合金导卫的性能还与热处理工艺有直接关系，其制订依据是由于导卫板形状简单，不需要机械加工，因此在铸态打磨后，可直接进行淬火处理，而导卫辊内外表面的尺寸精度和表面光洁度要求较高，需要进行机械加工，而铸态高硼铸造合金导卫中含有较多的马氏体，硬度大于45HRC，直接机械加工效率低、刀具消耗量大，导卫辊在机械加工前需要进行软化退火处理，软化退火工艺为(880-920)°Cx(2-4)h，炉冷至温度为500-55(TC时，空冷，然后进行粗加工。为了保证导卫的软化退火效果，软化退火温度需要严格控制，退火温度过低，退火组织中仍残存马氏体组织，硬度高，加工性能差，退火温度过高，退火组织中出现较多的奥氏体组织，加工性能也差，退火温度控制在880-920°C，退火保温时间控制在2-4h,且炉冷至温度为500-55(TC时再空冷，退火后的基体组织全部转变成了珠光体，导卫硬度小于32服C,具有良好的机械加工效果。为了消除导卫铸态或退火态组织中的珠光体，需将铸态导卫板和粗加工后的导卫辊加热至980-102(TC，保温l-4h后，在温度j氐于60。C的淬火油中冷却0.5-2.Oh,淬火油与导卫的质量比>10:1。特别是淬火油温度需要严格控制，油温过高，导卫冷却效果差，淬火组织中易出现低硬度的珠光体，此外，淬火油与导卫的质量比过小，导卫冷却效果差，淬火组织中也易出现低硬度的珠光体。在温度低于60。C的淬火油中冷却0.5-2.Oh，淬火油与导卫的质量比》10:1时，导卫冷却效果好，淬火基体组织以马氏体为主，还有少量残留奥氏体，导卫硬度大于60HRC。导卫淬火后，重新加热至180-22(TC保温3-6h后，空气冷却至室温，可消除淬火应力，稳定淬火组织。本发明与现有技术相比，具有以下优点1)本发明导卫基体碳含量低，导卫具有良好的抗激冷激热性能；2)本发明导卫不含价格昂贵的镍、钴等元素，且钼元素加入量较少，因此本发明导卫较高镍铬合金导卫降低生产成本20-30%;3)本发明导卫因硼元素的加入，可使基体组织中形成8-15%的硼碳化合物，可明显提高导卫耐磨性；4)本发明导卫因硼碳化合物的存在，可消除高镍铬合金导卫使用中常出现的粘钢现象，使用本发明导卫可明显改善轧材表面质量；5)本发明导卫强度和硬度高，其中导卫表面硬度大于60HRC,韧性和耐磨性好，在线材轧机上使用，其使用寿命比高镍铬合金导卫提高20-"%，使用本发明导卫可提高轧机作业率，降低轧材生产成本，具有显著的经济和社会效益。下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。具体实施方式实施例1用250公斤中频感应电炉熔炼高硼铸造合金导卫，其熔炼、铸造和热处理工艺过程如下l)将废钢、铬铁和钼铁混合加热熔化，钢水熔清后加入锰铁，升温至1497。C时，加入铝，然后依次加入硼铁、钛铁和铌铁，炉前调整成分合格后，将钢水温度升至1548°C,扒渣后出炉；2)将含V量为70-85wt%，含N量为15-30wt^的V-N合金破碎至粒度为3-8mm的小块，用厚度0.5mm钢片包裹严实，出钢60%时，将包裹好的钒氮合金随钢水冲入浇包；3)将稀土镁合金破碎至粒度小于12mm的小块，经220°C以下烘千后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；4)采用精密铸造浇注导卫辊，钢水浇注温度1457°C;5)浇注1.Oh后开箱空冷导卫辊，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，得到导卫辊；6)导卫辊在机械加工前需要进行软化退火处理，软化退火工艺为900。Cx3h，炉冷至530。C时，空冷，然后进行粗加工，将粗加工后的导卫辊加热至IOO(TC,保温3h后，在温度低于6(TC的淬火油中冷却1.0h,淬火油与导卫的质量比>10:1;最后加热至20(TC，保温4h后，空气冷却至室温，随后精加工至规定尺寸和精度。导卫辊的化学组成成分见表1，力学性能见表2。12<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表l导卫辊的化学组成成分(质量分数，％)<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表2导卫辊的力学性能实施例2用500公斤中频感应电炉熔炼高硼铸造合金导卫，其熔炼、铸造和热处理工艺过程如下1)将废钢、铬铁和钼铁混合加热熔化，钢水熔清后加入锰铁，升温至1483T:时，加入铝，然后依次加入硼铁、钛铁和铌铁，炉前调整成分合格后，将钢水温度升至152rC,扒渣后出炉；2)将含V量为70-85wt°/。，含N量为15-30wt《的V-N合金破碎至粒度为3-8nim的小块，用厚度0.2mm钢片包裹严实，出钢42%时，将包裹好的钒氮合金随钢水沖入浇包；3)将稀土镁合金破碎至粒度小于12,的小块，经22(TC以下烘干后，置于浇包底部，用包内沖入法对钢水进行复合变质处理；4)采用消失模铸造浇注导卫板，钢水浇注温度1426。C;5)浇注0.5h后开箱空冷导卫板，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，得到导卫板；6)将导卫板在非加工状态下直接进行淬火热处理，淬火加热温度980°C，保温4h后，在温度^氐于60。C的淬火油中冷却0.5h,淬火油与导卫的质量比>10:1，最后重新加热至22(TC,保温3h后，空气冷却至室温。导卫板的化学组成成分见表3，力学性能见表4。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表3导卫板的化学组成成分(质量分数，％)<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表4导卫板的力学性能实施例3用350公斤中频感应电炉熔炼高硼铸造合金导卫材料，其熔炼、铸造和热处理工艺过程如下1)将废钢、铬铁和钼铁混合加热熔化，钢水熔清后加入锰铁，升温至1493。C时，加入铝，然后依次加入硼铁、钛铁和铌铁，炉前调整成分合格后，将钢水温度升至1528"，扒渣后出炉；2)将含V量为70-85wt%，含N量为15-30wt。/。的V-N合金破碎至粒度为3-8腿的小块，用厚度0.2mm钢片包裹严实，出钢55%时，将包裹好的钒氮合金随钢水沖入浇包；3)将稀土镁合金破碎至粒度小于12mm的小块，经220。C以下烘干后，置于浇包底部，用包内沖入法对钢水进行复合变质处理；4)采用冷硬树脂砂型浇注导卫板和导卫辊，钢水浇注温度1452°C;5)浇注1.5h后开箱空冷导卫板和导卫辊，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，得到导卫板和导卫辊；6)将导卫板在非加工状态下直接进行淬火热处理，而导卫辊在机械加工前需要进行软化退火处理，软化退火工艺为88(TCx4h,炉冷至温度为55(TC时，空冷，然后进行粗加工；将铸态导卫板和粗加工后的导卫辊加热至1020。C,保温lh后，在温度低于60。C的淬火油中冷却1.Oh,淬火油与导卫的质量比>10:1;最后重新加热至180°C,保温6h后，空气冷却至室温，导卫板可直接装机使用，而导卫辊在使用前需要精加工至规定尺寸和精度。导卫的化学组成成分见表5，力学性能见表6。组成cCrBMoMnAlREMg含量0.3313.401.790.622.150.240.160.05组成VNTiNbSiSPFe含量0.070.020.160.170.600.0290,036余量表5导卫的化学组成成分(质量分数，％)硬度鹏c)抗拉强度(Mpa)延伸率(%)沖击韧性(J/cm2)61.5936.42.1818.3表6导卫的力学性能本发明导卫辊和导卫板具有强度和硬度高，韧性好等特点，且其碳含量较低，抗激冷激热性能也^f艮好，另外，还含有较多的硼碳化合物，可提高导卫耐磨性，并减轻甚至消除导卫粘钢现象。本发明导卫辊应用于高速线材轧机上，本发明导卫板应用于普通线材轧机上，其使用寿命比高镍铬合金导卫提高20-25%,本发明导卫不含价格昂贵的镍、钴等元素，生产15成本比高镍铬合金导卫降低20-30%。本发明导卫使用安全，不起皮，不龟裂，不断裂，使用本发明导卫可提高轧机作业率，降低轧材生产成本，改善轧材表面质量，具有显著的经济和社会效益。权利要求1、一种高硼铸造合金导卫，其特征在于，所述的导卫的化学成分及其质量百分含量(％)为C0.25-0.45、Cr12.0-15.0、B1.0-2.5、Mo0.5-0.8、Mn1.8-2.5、Al0.10-0.30、RE0.08-0.20、Mg0.04-0.08、V0.05-0.10、N0.01-0.03、Ti0.10-0.20、Nb0.10-0.20，并且0.25≤Ti+Nb≤0.35，Si＜1.0，S＜0.05，P＜0.05，余量为Fe。2、根据权利要求1所述的一种高硼铸造合金导卫及其热处理方法，其特征在于，包括以下步骤1)将废钢、铬铁和钼铁混合加热熔化，钢水熔清后加入锰铁，升温至1480-150(TC时，加入铝，而后依次加入硼铁、钬铁和铌铁，炉前调整成分合格后，将钢水温度升至1520-155(TC,扒渣后出炉；2)将含V量为70-85wt%、含N量为15-30wty。的V-N合金破碎至粒度为3-8mm的小块，用厚度小于0.8mm钢片包裹严实，出钢40-60%时，将包裹好的V-N合金随钢水沖入浇包；3)将稀土镁合金破碎至粒度小于12,的小块，经22(TC以下烘干后，置于浇包底部，用包内沖入法对钢水进行复合变质处理；4)浇注导卫，钢水浇注温度1420-1460°C;5)浇注0.5-2.0h后开箱空冷导卫，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，得到铸态导卫板或铸态导卫辊；6)热处理导卫板的热处理工艺为将铸态导卫板加热至980-1020。C，保温1-4h后，在温度低于60。C的淬火油中冷却0.5-2.0h,淬火油与导卫板的质量比》10:1,最后加热至180-22(TC,保温3-6h后，空气冷却至室温；导卫辊的热处理工艺为将铸态导卫辊于880-920。C软化退火2-4h后，炉冷至温度为500-550。C时，空冷，然后进行粗加工；再将粗加工后的导卫辊热至980-1020°C,保温1-4h后，在温度^f氐于60。C的淬火油中冷却0.5-2.Oh，淬火油与导卫辊的质量比>10:1，最后加热至180-220°C，保温3-6h后，空气冷却至室温，加工至规定尺寸和精度。3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤4)中所述的浇注方法采用精密铸造、消失模铸造或冷硬树脂砂型铸造。全文摘要一种高硼铸造合金导卫及其热处理方法属于轧钢
技术领域：
。本发明所提供的导卫的化学组成(质量分数，％)为C0.25-0.45、Cr12.0-15.0、B1.0-2.5、Mo0.5-0.8、Mn1.8-2.5、Al0.10-0.30、RE0.08-0.20、Mg0.04-0.08、V0.05-0.10、N0.01-0.03、Ti0.10-0.20、Nb0.10-0.20，并且0.25≤Ti+Nb≤0.35，Si＜1.0，S＜0.05，P＜0.05，余量为Fe。本发明通过熔炼、铸造、油冷淬火，回火处理等步骤，制备强度和硬度高，韧性、耐磨性好，成本低的高硼铸造合金导卫。文档编号C22C33/00GK101549360SQ200910081430公开日2009年10月7日申请日期2009年4月3日优先权日2009年4月3日发明者吴中伟,成小乐,键林,符寒光,蒋志强,邢建东,雷永平申请人:北京工业大学