一种高铬铸铁轧辊及其制备方法与流程

本发明属于轧辊制造技术领域，特别涉及一种高铬铸铁轧辊及其制备方法。

背景技术：

离心铸造的高铬铸铁轧辊在食品工业中得到广泛的使用，作为磨粉机的核心部件，其性能直接影响研磨效率、维护更换周期等。现有技术的轧辊在使用过程中，常常存在以下的问题：

第一，高铬铸铁轧辊工作层在使用过程中，表层出现掉块或者开裂等的现象。

第二，高铬铸铁轧辊在加工面粉等使用时，由于由于面粉中存在较高含量的cl^-，在潮湿的环境中工作时，容易产生腐蚀的现象。以上现象的出现，会导致轧辊的耐磨性降低，影响轧辊的使用寿命，开裂和掉块掉落到食品中导致食品污染等问题。

因此，如何调控高铬铸轧辊中cr、c的添加量，通过并与其他合金元素协同作用，通过合理的热处理方法，得到合理的金相组织，以改善高铬铸铁的耐腐蚀与磨损性能需要进行系统的研究。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种耐腐蚀性好，使用时不容易产生腐蚀和开裂掉块的高铬铸铁轧辊。

本发明为实现上述技术目的，采用如下的技术方案。

一种高铬铸铁轧辊，包括高铬铸铁工作层和球墨铸铁辊芯。高铬铸铁工作层的化学成分及其质量百分比为：c：2.1～2.9％、si：0.4～0.8％、mn：0.5～0.8％、cr：15～20％、ni：0.5～2％、mo：0.5～2％、v：0～0.4％、cu：0.2～0.8％、re:0.01～0.03％、p：<0.15％、s：<0.15％，余量为铁。

一种高铬铸铁轧辊的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、熔炼

高铬铸铁工作层铁水的熔炼，在中频感应炉中按照高铬铸铁工作层的元素质量百分含量加入生铁、废辊、废钢、白铁屑、锰铁、铬铁、钼铁、镍板、钒铁、废铜，熔炼温度为1530℃～1600℃，并加入re精炼调质，调整成分合格后，得到高铬铸铁工作层铁水。

球墨铸铁辊芯铁水的熔炼，在中频感应炉中熔炼球墨铸铁辊芯铁水，熔炼温度为1440℃～1500℃，并向其中加入球化剂和孕育剂对其进行球化和孕育处理，调整成分合格后，得到球墨铸铁辊芯铁水。具体的，孕育剂为硅钡，在球墨铸铁辊芯中的质量百分含量为0.5～0.8％，球化剂为钇基重稀土，在球墨铸铁辊芯中的质量百分含量为1.1～1.6％。

步骤二、复合离心铸造成型

使用卧式离心机浇铸高铬铸铁轧辊，卧式离心机转速≥1000r/min。

浇铸高铬铸铁工作层，将高铬铸铁工作层铁水注入离心机铸型内，浇铸温度为1530℃～1600℃。

浇铸球墨铸铁辊芯，球墨铸铁辊芯分两次浇铸，待高铬铸铁工作层的内壁温度冷却至1220℃～1250℃，进行第一次浇铸，浇铸温度为1390℃～1410℃，浇铸质量为球墨铸铁辊芯总质量的三分之一，待第一次浇铸的球墨铸铁辊芯温度冷却至1150～1170℃时，浇铸余量的球墨铸铁辊芯铁水，浇铸温度为1390～1410。

浇铸完毕后得到成型轧辊。

步骤三、热处理

将步骤二中得到的成型轧辊在其工作层表面温度为800～850℃时脱模，出模后，空冷到200℃～300℃，然后保温5～10h，进行去应力退火处理。然后，以9～12℃/h的速度升温至950～980℃，保温30～60min，淬火，升温至280～300℃回火，保温8～10h，得到高铬铸铁轧辊。

为了适用于食品加工使用，例如磨制面粉等使用，本发明提供的食用轧辊的及其制备方法，采用以下的方法进行控制。

本发明的高铬铸铁轧辊中，在高铬铸铁工作层加入cu元素和少量的re，在现有技术的基础上，降低c含量。

由于高铬铸铁轧辊的组织是马氏体、奥氏体和碳化物，碳化物属于阴极相，当高铬铸铁轧辊处于潮湿环境，并且接触面粉中含有的大量的cl^-时，基体与碳化物形成腐蚀电池，导致材料腐蚀加剧。cu元素的加入，在锈层的裂纹孔等缺陷处富集，加速缺陷的愈合，起到了弥合锈层缺陷的作用，阻塞腐蚀介质直接接触基体的通道，使锈层致密化。cu的局部富集使区域的物相组成，晶体发育受到抑制。也就是说，cu元素可以抑制结晶化的进行，使锈层中难以生成α-fe(oh)2供给氧，使氧化还原周期不容易进行，在锈层上也就不容易生成微小裂纹或间隙，因此抑制了向下层的还原锈。fe(oh)2供给氧，使氧化还原周期不容易进行，高铬铸铁工作层材料就达到了耐腐蚀的目的。

同时，cu元素能够与高铬铸铁工作层中的p元素作用，于锈层中形成各种复合盐，成为feooh结晶的核心，使内锈层的晶粒细小、致密，从而减小了离子通道和阳极面积，并且减少了fe3o4的生成，降低内锈层导电性，从而降低腐蚀速率。

而cr的存在，也可以提高材料的腐蚀性，主要是因为cr在锈层中作为氧的扩散障壁的性质，cr元素可以使钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力。

同时，cu元素的存在，可以和cr元素发生协同作用。这是因为，在高铬铸铁工作层中，cr可能形成碳化物第二相，在基体中形成贫cr区，从而导致高cr区出现阳极行为，导致高铬铸铁工作层的抗腐蚀性能降低，但是，cu元素的存在弥补了这一缺陷，由于cu在基体中的分布趋势与cr相反，其在碳化物附近偏高，弥补了由于贫cr区域造成的腐蚀性能的降低。

高铬铸铁工作层中碳化物的存在对提高耐磨性有一定的作用，但是对材料的耐腐蚀性具有一定的影响，会导致耐腐蚀磨损速率增加迅速。因此，本发明中，降低了c的含量，将c含量控制在2.1～2.9％。

为了得到更为合理的金相组织，本发明还对热处理方法进行了研究和改进。

采用本发明的热处理方法制备的高铬铸铁轧辊，铸态下，其工作层金相为奥氏体为基体，碳化物呈块状或菊花状分布，另有细小颗粒弥散分布在块状碳化物周围的组织，碳化物的长度不超过30μm。

热处理后，其金相组织为m7c3型碳化物和马氏体，另含少量残余奥氏体，残余奥氏体的含量在6％以下，组织细化，均匀性好，碳化物长度不超过50μm。

本发明采用上述的技术方案，取得如下的技术效果。

本发明的高铬铸铁轧辊，通过工作层中合理的成分配置和热处理方法，得到的高铬铸铁轧辊，工作层的组织细化均匀性好，在使用过程中，可以减少应力集中，无掉块现象发生，而且能够提高高铬铸铁轧辊工作层的耐腐蚀性。

附图说明

图1为本发明实施例2的高铬铸铁轧辊工作层的铸态组织om图。

图2为本发明实施例2的高铬铸铁轧辊工作层的铸态组织的sem图。

图3为本发明实施例2的高铬铸铁轧辊工作层热处理前后的xrd图。

图4为本发明实施例2的高铬铸铁轧辊工作层热处理后的组织的sem图。

图5为本发明实施例2的高铬铸铁轧辊在质量百分比浓度为5％的nacl溶液中进行腐蚀30d的宏观形貌图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

本发明提供一种高铬铸铁轧辊，包括高铬铸铁工作层和球墨铸铁辊芯。高铬铸铁工作层的化学成分及其质量百分比为：c：2.1～2.9％、si：0.4～0.8％、mn：0.5～0.8％、cr：15～20％、ni：0.5～2％、mo：0.5～2％、v：0～0.4％、cu：0.2～0.8％、re:0.01～0.03％、p：<0.15％、s：<0.15％，余量为铁。

实施例1

高铬铸铁轧辊的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、熔炼

高铬铸铁工作层按照如下配比配料，c：2.1％、si：0.4％、mn：0.5％、cr：15％、ni：0.5％、mo：0.5％、cu：0.2％、re:0.01％、p：<0.15％、s：<0.15％，余量为铁。

高铬铸铁工作层铁水的熔炼，在中频感应炉中按照高铬铸铁工作层的元素质量百分含量加入生铁、废辊、废钢、白铁屑、锰铁、铬铁、钼铁、镍板、钒铁、废铜，熔炼温度为1530℃，并加入re精炼调质，调整成分合格后，得到高铬铸铁工作层铁水。

球墨铸铁辊芯铁水的熔炼，在中频感应炉中熔炼球墨铸铁辊芯铁水，熔炼温度为1440℃，并向其中加入球化剂和孕育剂对其进行球化和孕育处理，调整成分合格后，得到球墨铸铁辊芯铁水。具体的，孕育剂为硅钡，在球墨铸铁辊芯中的质量百分含量为0.5％，球化剂为钇基重稀土，在球墨铸铁辊芯中的质量百分含量为1.1％。

步骤二、复合离心铸造成型

使用卧式离心机浇铸高铬铸铁轧辊，卧式离心机转速1000r/min。

浇铸高铬铸铁工作层，将高铬铸铁工作层铁水注入离心机铸型内，浇铸温度为1530℃。

浇铸球墨铸铁辊芯，球墨铸铁辊芯分两次浇铸，待高铬铸铁工作层的内壁温度冷却至1220℃，进行第一次浇铸，浇铸温度为1390℃，浇铸质量为球墨铸铁辊芯总质量的三分之一，待第一次浇铸的球墨铸铁辊芯温度冷却至1150℃时，浇铸余量的球墨铸铁辊芯铁水，浇铸温度为1390℃。

浇铸完毕后得到成型轧辊。

步骤三、热处理

将步骤二中得到的成型轧辊在其工作层表面温度为850℃时脱模，出模后，空冷到300℃，保温5h，进行去应力退火处理。然后，以9℃/h的速度升温至980℃，保温30min，淬火，再升温至300℃回火，保温8h，得到高铬铸铁轧辊。

实施例2

高铬铸铁轧辊的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、熔炼

高铬铸铁工作层按照如下配比配料，c：2.3％、si：0.6％、mn：0.6％、cr：16％、ni：0.8％、mo：0.8％、cu：0.4％、re:0.02％、v：0.1％、p：<0.15％、s：<0.15％，余量为铁。

高铬铸铁工作层铁水的熔炼，在中频感应炉中按照高铬铸铁工作层的元素质量百分含量加入生铁、废辊、废钢、白铁屑、锰铁、铬铁、钼铁、镍板、钒铁、废铜，熔炼温度为1550℃，并加入re精炼调质，调整成分合格后，得到高铬铸铁工作层铁水。

球墨铸铁辊芯铁水的熔炼，在中频感应炉中熔炼球墨铸铁辊芯铁水，熔炼温度为1450℃，并向其中加入球化剂和孕育剂对其进行球化和孕育处理，调整成分合格后，得到球墨铸铁辊芯铁水。具体的，孕育剂为硅钡，在球墨铸铁辊芯中的质量百分含量为0.6％，球化剂为钇基重稀土，在球墨铸铁辊芯中的质量百分含量为1.2％。

步骤二、复合离心铸造成型

使用卧式离心机浇铸高铬铸铁轧辊，卧式离心机转速1200r/min。

浇铸高铬铸铁工作层，将高铬铸铁工作层铁水注入离心机铸型内，浇铸温度为1550℃。

浇铸球墨铸铁辊芯，球墨铸铁辊芯分两次浇铸，待高铬铸铁工作层的内壁温度冷却至1230℃，进行第一次浇铸，浇铸温度为1400℃，浇铸质量为球墨铸铁辊芯总质量的三分之一，待第一次浇铸的球墨铸铁辊芯温度冷却至1160℃时，浇铸余量的球墨铸铁辊芯铁水，浇铸温度为1400℃。

浇铸完毕后得到成型轧辊。

步骤三、热处理

将步骤二中得到的成型轧辊在其工作层表面温度为830℃时脱模，出模后，空冷到250℃，保温6h，进行去应力退火处理。然后，以10℃/h的速度升温至960℃，保温50min，淬火，然后升温至280℃回火，保温9h，得到高铬铸铁轧辊。

实施例3

高铬铸铁轧辊的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、熔炼

高铬铸铁工作层按照如下配比配料，c：2.4％、si：0.6％、mn：0.7％、cr：17％、ni：1％、mo：1％、cu：0.5％、re:0.03％、v：0.2％、p：<0.15％、s：<0.15％，余量为铁。

高铬铸铁工作层铁水的熔炼，在中频感应炉中按照高铬铸铁工作层的元素质量百分含量加入生铁、废辊、废钢、白铁屑、锰铁、铬铁、钼铁、镍板、钒铁、废铜，熔炼温度为1570℃，并加入re精炼调质，调整成分合格后，得到高铬铸铁工作层铁水。

球墨铸铁辊芯铁水的熔炼，在中频感应炉中熔炼球墨铸铁辊芯铁水，熔炼温度为1480℃，并向其中加入球化剂和孕育剂对其进行球化和孕育处理，调整成分合格后，得到球墨铸铁辊芯铁水。具体的，孕育剂为硅钡，在球墨铸铁辊芯中的质量百分含量为0.7％，球化剂为钇基重稀土，在球墨铸铁辊芯中的质量百分含量为1.4％。

步骤二、复合离心铸造成型

使用卧式离心机浇铸高铬铸铁轧辊，卧式离心机转速1300r/min。

浇铸高铬铸铁工作层，将高铬铸铁工作层铁水注入离心机铸型内，浇铸温度为1570℃。

浇铸球墨铸铁辊芯，球墨铸铁辊芯分两次浇铸，待高铬铸铁工作层的内壁温度冷却至1235℃，进行第一次浇铸，浇铸温度为1400℃，浇铸质量为球墨铸铁辊芯总质量的三分之一，待第一次浇铸的球墨铸铁辊芯温度冷却至1160℃时，浇铸余量的球墨铸铁辊芯铁水，浇铸温度为1400℃。

浇铸完毕后得到成型轧辊。

步骤三、热处理

将步骤二中得到的成型轧辊在其工作层表面温度为800℃时脱模，出模后，空冷到200℃，然后保温7h，进行去应力退火处理。然后，以11℃/h的速度升温至950℃，保温60min，淬火，然后升温至300℃回火，保温10h，得到高铬铸铁轧辊。

实施例4

高铬铸铁轧辊的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、熔炼

高铬铸铁工作层按照如下配比配料，c：2.6％、si：0.5％、mn：0.8％、cr：18％、ni：1.5％、mo：1.5％、cu：0.6％、re:0.02％、v：0.3％、p：<0.15％、s：<0.15％，余量为铁。

高铬铸铁工作层铁水的熔炼，在中频感应炉中按照高铬铸铁工作层的元素质量百分含量加入生铁、废辊、废钢、白铁屑、锰铁、铬铁、钼铁、镍板、钒铁、废铜，熔炼温度为1580℃，并加入re精炼调质，调整成分合格后，得到高铬铸铁工作层铁水。

球墨铸铁辊芯铁水的熔炼，在中频感应炉中熔炼球墨铸铁辊芯铁水，熔炼温度为1490℃，并向其中加入球化剂和孕育剂对其进行球化和孕育处理，调整成分合格后，得到球墨铸铁辊芯铁水。具体的，孕育剂为硅钡，在球墨铸铁辊芯中的质量百分含量为0.8％，球化剂为钇基重稀土，在球墨铸铁辊芯中的质量百分含量为1.5％。

步骤二、复合离心铸造成型

使用卧式离心机浇铸高铬铸铁轧辊，卧式离心机转速1400r/min。

浇铸高铬铸铁工作层，将高铬铸铁工作层铁水注入离心机铸型内，浇铸温度为1590℃。

浇铸球墨铸铁辊芯，球墨铸铁辊芯分两次浇铸，待高铬铸铁工作层的内壁温度冷却至1240℃，进行第一次浇铸，浇铸温度为1400℃，浇铸质量为球墨铸铁辊芯总质量的三分之一，待第一次浇铸的球墨铸铁辊芯温度冷却至1160℃时，浇铸余量的球墨铸铁辊芯铁水，浇铸温度为1400℃。

浇铸完毕后得到成型轧辊。

步骤三、热处理

将步骤二中得到的成型轧辊在其工作层表面温度为850℃时脱模，出模后，空冷到280℃，然后保温8h，进行去应力退火处理。然后，以12℃/h的速度升温至970℃，保温40min，淬火，然后升温至280℃回火，保温8h，得到高铬铸铁轧辊。

实施例5

高铬铸铁轧辊的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、熔炼

高铬铸铁工作层按照如下配比配料，c：2.9％、si：0.8％、mn：0.6％、cr：20％、ni：2％、mo：2％、cu：0.8％、re:0.01％、v：0.4％、p：<0.15％、s：<0.15％，余量为铁。

高铬铸铁工作层铁水的熔炼，在中频感应炉中按照高铬铸铁工作层的元素质量百分含量加入生铁、废辊、废钢、白铁屑、锰铁、铬铁、钼铁、镍板、钒铁、废铜，熔炼温度为1600℃，并加入re精炼调质，调整成分合格后，得到高铬铸铁工作层铁水。

球墨铸铁辊芯铁水的熔炼，在中频感应炉中熔炼球墨铸铁辊芯铁水，熔炼温度为1500℃，并向其中加入球化剂和孕育剂对其进行球化和孕育处理，调整成分合格后，得到球墨铸铁辊芯铁水。具体的，孕育剂为硅钡，在球墨铸铁辊芯中的质量百分含量为0.8％，球化剂为钇基重稀土，在球墨铸铁辊芯中的质量百分含量为1.6％。

步骤二、复合离心铸造成型

使用卧式离心机浇铸高铬铸铁轧辊，卧式离心机转速1500r/min。

浇铸高铬铸铁工作层，将高铬铸铁工作层铁水注入离心机铸型内，浇铸温度为1600℃。

浇铸球墨铸铁辊芯，球墨铸铁辊芯分两次浇铸，待高铬铸铁工作层的内壁温度冷却至1250℃，进行第一次浇铸，浇铸温度为1410℃，浇铸质量为球墨铸铁辊芯总质量的三分之一，待第一次浇铸的球墨铸铁辊芯温度冷却至1170℃时，浇铸余量的球墨铸铁辊芯铁水，浇铸温度为1410℃。

浇铸完毕后得到成型轧辊。

步骤三、热处理

将步骤二中得到的成型轧辊在其工作层表面温度为830℃时脱模，出模后，空冷到300℃，然后保温10h，进行去应力退火处理。然后，以9℃/h的速度升温至960℃，保温60min，淬火，然后升温至290℃回火，保温10h，得到高铬铸铁轧辊。

实施例检验结果。

对实施例2得到的高铬铸铁轧辊工作层的铸态组织进行分析，其om和sem图见附图1和附图2。

由附图1和附图2可见，采用本发明的热处理方法制备的高铬铸铁轧辊，铸态下，其工作层金相为奥氏体为基体，碳化物呈块状或菊花状分布，另有细小颗粒弥散分布在块状碳化物周围的组织，碳化物的长度不超过30μm。

对实施例2的高铬铸铁轧辊工作层的热处理前后进行xrd测试，xrd测试结果见附图3。

由附图3可知，铸态下，高铬铸铁工作层组织主要为m7c3型碳化物(cr,fe)7c3和残余奥氏体。经过淬火后，组织主要为m7c3型碳化物(cr,fe)7c3和马氏体，残余奥氏体已经消失，或者含量极少。

对实施例2得到的高铬铸铁轧辊工作层热处理后的组织分析，其sem图见附图4。

由附图4可知，热处理后，高铬铸铁工作层组织均匀，碳化物细小。残余奥氏体含量少，不超过6％。细化且均匀的组织使得轧辊在使用过程中减少了应力集中，无掉块现象发生。

对实施例2的高铬铸铁轧辊进行腐蚀试验，将高铬铸铁轧辊在质量百分比浓度为5％的nacl溶液中进行腐蚀，观察腐蚀30d的宏观形貌。宏观形貌结果见附图5。

由附图5可知，高铬铸铁轧辊在nacl溶液中腐蚀30d，试样表面仅出现少量锈斑，主要与局部点腐蚀有关。而腐蚀率测试结果显示，其腐蚀率为0.044mm/year,耐腐蚀率好。

另进行高铬铸铁轧辊磨损实验，在磨损试验机上进行磨粒磨损实验30min后，磨损失重为0.063g/g，耐磨性能良好。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。