专利名称：高钒高速钢复合轧辊及生产工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于轧钢行业的主体耐磨部件——轧辊技术，主要涉及的是一种高钒高速钢复合轧辊及生产工艺。
背景技术：
轧辊是轧钢生产中大量消耗的关键耐磨件，其质量直接影响到轧钢质量、劳动生产率及产品的利润。目前，用于生产轧辊的材料主要有铸钢、合金半钢、球状石墨铸钢、冷硬铸铁、无限冷硬铸铁、高镍铬无限冷硬铸铁、合金球墨铸铁、高铬钢、高铬铸铁、高速钢、硬质合金。在这些材料中，高铬铸铁是公认的综合机械性能和耐磨性较好的轧辊材料，其组织特点是在马氏体、奥氏体的基体上镶嵌着M7C3型碳化物，此碳化物的显微硬度高(HV1200-1800)，强度好，呈条状分散分布，对基体的割裂程度减轻，因此其韧性比一般白口铁高得多，用高铬铸铁生产轧辊可获得较好的耐磨性。
硬质合金是硬度最高、耐磨性最好的材料，其是由高硬度的碳化物及合金组成，用于生产轧辊可获得很高的耐磨性。但硬质合金只能制作较小的辊环，且韧性较差，应用过程中易产生裂纹，由于缺乏韧性基体，裂纹一旦形成即迅速扩展，从而导致轧辊表面出现小区域剥落，严重降低轧钢的质量及轧辊的寿命。
高速钢出现已有几十年的历史，由于成本高、制造工艺复杂，一般只用于制造刀具。近几年，国内外对其作了大量的研究，目前已开始用于轧辊的生产。由于高速钢中含有大量硬度更高的碳化物(如WCHV2400-2600、VCHV2600-3000、Mo2CHV1500)，耐磨性可比高铬铸铁提高3-5倍。又由于高速钢基体组织为韧性较好的马氏体、奥氏体，克服了硬质合金轧辊韧性差、易产生裂纹的缺点。现在，高速钢已成为轧辊材料的一个重要发展方向，具有很高的应用价值。但是，现在用于生产轧辊的高速钢中大都都含有大量的钨，由于钨的碳化物呈多角形分布，割裂基体严重，材料韧性很差，价格较高，并且钨、钼及碳化物的密度与铁相差很大，在应用常规的离心铸造法生产轧辊时，易产生偏析。如何改变高速钢中碳化物的形态，又不损失碳化物的高硬度，同时这种碳化物又要与铁基体有相近的密度，成为轧辊用高速钢极待解决的问题。
按生产工艺分，公知的复合轧辊主要包括离心铸造复合轧辊、连续铸造(CPC)复合轧辊、电渣重熔(ESR)复合轧辊、组合式复合轧辊等。
离心铸造复合轧辊是采用离心铸造的方法生产双金属复合轧辊。轧辊外层为组织致密的高耐磨材料、内层为普通材料。用这种方法生产的轧辊外层具有较高的耐磨性，内层的韧性材料又能保证轧辊具有较高的韧性，具有比整体材料轧辊更广阔的应用前景和较高的性价比。但是，高耐磨材料中往往含有大量密度高的合金，如钨、钼等，离心铸造时，由于离心力的作用，这些密度高的合金会偏析于轧辊表面，使轧辊内层合金元素含量降低，从而恶化轧辊表面层韧性，降低轧辊内层的耐磨性。
连续铸造(CPC)复合轧辊是将预先制成复合轧辊的辊芯置于结晶器中，用感应线圈对辊芯表面进行预热，然后浇注外层金属液，辊芯向下抽动，使已凝固的外层与辊芯一起下移，最终成为复合轧辊。这种方法生产的高速钢辊坯的组织及晶粒度要比离心铸造方法细得多，且碳化物均匀弥散分布，寿命可比离心铸造轧辊高30％。
电渣重熔法生产复合轧辊类似于CPC法，只不过用电渣重熔替代感应加热。电渣对芯轴进行预热和清洗。这种方法通过搅动电渣下面的金属液体，促进结合层的形成。但必须控制重熔过程，以免污染工作层。电渣重熔生产的轧辊也具有组织致密，无成分偏析等特点，耐磨性较好。
CPC法和ESR法的共同缺点是工艺复杂、生产率低、成本高。
组合式复合轧辊是将轧辊做成几个部件，用机械方法组合起来。轧辊内层使用韧性材料，外层的大都做成硬质合金环。这种轧辊可节约贵重的硬质合金，性价比较高。外层的硬质合金环可保证轧辊具有很高的耐磨性。但由于硬质合金环和内层辊芯很难做到无缝接合，轧制过程中会导致轧辊受力不均而发生碎裂。
发明内容
本发明的目的在于提出一种复合轧辊耐磨层材料——高钒高速钢及该轧辊的生产工艺，提高轧辊的韧性和耐磨性，解决离心铸造法易发生成分偏析，CPC法、ESR法生产工艺复杂、耗电量大、成本高的问题。
本发明实现上述目的技术方案是轧辊包括辊芯和轧辊耐磨层，辊芯采用韧性较好的低合金钢或中碳钢材料制作，轧辊耐磨层采用高钒高速钢材料，该高钒高速钢材料的主要元素含量为C1.8-3.5％、V7-12％、Cr4-5％、Mo2-4％、Ni0.5-1.5％，余量为铁。
复合轧辊的热处理工艺为1000-1050℃淬火，450-550℃回火，一次回火即可。热处理外层高钒高速钢的典型组织为VC+马氏体+奥氏体+M7C3+Mo2C。
本发明所用耐磨层材料——高钒高速钢与传统钨系高速钢相比，主要硬质耐磨相为初析VC，该碳化物硬度高(HV2600-3000)，形态好，密度与铁相近，不易发生偏析。与现有的高钒高速钢相比，该高钒高速钢含钒量高，达到过共晶成分。现有的高钒高速钢钒含量大都在7％以下，钢中的碳化钒为共晶碳化钒，该碳化钒呈条状、短杆状分布于晶间，对提高材料韧性及耐磨性的作用不明显。本高钒高速钢中的碳化钒主要是直接从钢液析出的初析VC，该碳化钒呈团球状，均匀分布于基体中，可提高材料的冲击韧性，并可大大提高材料的耐磨性。与本申请人所申请的实用新型专利《高钒高速钢复合锤头》(专利号02269949.X)所用高钒高速钢相比，由于应用领域不同，合金成分作了较大的调整。主要变动为降低了钒含量，提高了耐热、耐氧化的铬、钼元素含量。因为锤头要承受较大的冲击，为最大限度的提高材料的韧性，碳化物形态不好的铬、钼元素的含量较低，碳化物形态较好的钒元素含量较高。而轧辊工作时受到冲击相对来说较小，对材料冲击韧性的要求比用作锤头时低，但热轧时材料要承受热疲劳，因此，我们提高了耐热、耐氧化的铬钼元素含量，适当降低了钒含量。
经实验室试验及生产应用后发现，高钒高速钢的主要技术特点如下1、耐磨性好，性价比高。成本约为高铬铸铁的2倍左右，耐磨性是高铬铸铁的3-5倍。
2、韧性较好。韧性比高铬铸铁及钨钼系高速钢高。
3、热处理工艺简单。淬火后一次回火即可，适合于大批量生产。
本发明的生产工艺为辊芯与轧辊耐磨层通过感应加热顺序凝固结晶方法复合熔铸为一体。
本发明所述的顺序凝固结晶方法是将铸型分为三段，采用不同的型砂制成一体，下部为水玻璃砂、中部为80％水玻璃砂和20％保温材料，上部为50％水玻璃砂和50％的保温材料。
本发明的热成型工艺将铸型放入结晶装置中，再将预制的低合金钢或中碳钢辊芯放入铸型，开启感应加热装置加热辊芯，加热至1180-1220℃时，浇入高钒高速钢液；降低功率继续加热3-10分钟，再次浇入高钒高速钢液，再继续小功率感应加热5-15分钟后停止加热，随后冷却3-10分钟，再由底部通冷却水直至凝固完毕。
本发明方法和离心铸造法、CPC等方法生产的轧辊有很大的不同，其主要特点是1、组织致密，无缩孔。通过端部水冷及铸型结构的改进，形成一个自下而上的温度梯度，使得金属液能自下而上顺序凝固，有利于金属液自上而下补缩，形成致密无缩孔的复合轧辊。
2、组织均匀，无偏析。克服了离心铸造法易产生组织偏板的缺陷。
3、两种材料为良好的冶金结合，结合强度高，具有很高的耐磨性，同时又有良好的韧性。通过感应加热辊芯及浇注后的高钒高速钢液，减少了辊芯与外层钢液之间的温差，使低合金钢辊芯与高钒高速钢辊为良好的冶金结合。
4、工艺简单、稳定，成本低，适合批量生产。
用高钒高速钢作轧辊耐磨层材料，采用感应加热顺序凝固结晶方法生产的复合轧辊具有以下特点1、轧辊组织致密、均匀，无偏析。
2、耐磨性好，性价比高。使用寿命为高铬铸铁轧辊的3-5倍，价格为其2倍。
3、使用安全可靠。两种材料为良好的冶金结合，结合强度高，使用过程中不会发生断裂、碎裂现象。
4、使用过程中可减少易损件失效而造成的停机次数，提高生产率，降低劳动强度。
附图为本发明的复合熔铸轧辊示意图。
图中，1、辊芯，2、高钒高速钢液，3、保温冒口，4、感应加热结晶装置，5、6、7、铸型，8、进水管，9、排水管，10、铸型底座。
具体实施例方式
结合附图，给出本实用新型的实施例如下实施例1本实施例将轧辊分为辊芯和轧辊耐磨层，辊芯采用韧性较好的低合金钢材料(ZG35CrMo，)预制而成；轧辊耐磨层采用高钒高速钢材料，该高钒高速钢材的主要元素含量为C1.8％、V7％、Cr4％、Mo3％、Ni0.5％，余量为铁。
本发明的生产工艺为感应加热顺序凝固结晶方法。如附图所示，将铸型分为三段，采用不同的型砂制成一体，下部7为水玻璃砂、中部6为80％水玻璃砂和20％保温材料，上部5为50％水玻璃砂和50％的保温材料，铸型的底座10设有冷却进水管8和排水管9。
本发明的具体热成型工艺将铸型放入感应加热结晶装置4中，再将预制的低合金钢辊芯1放入铸型，开启感应加热装置加热辊芯1，待加热至1180℃时，浇入高钒高速钢液；降低感应加热功率继续加热3分钟，再次浇入高钒高速钢液，再继续小功率感应加热5分钟后停止加热，随后冷却3分钟，通过铸型底座10上设有的进水管8和排水管9在下部通冷却水，以有助于形成一个自下而上的温度梯度，直至凝固完毕。凝固完毕后将铸型和铸件一起从感应加热结晶装置4中取出，即得复合轧辊。
将复合轧辊1000淬火，450℃一次回火。热处理后轧辊外层高钒高速钢的典型组织为VC+马氏体+奥氏体+M7C3+Mo2C。
实施例2本实施例将轧辊分为辊芯和轧辊耐磨层，辊芯采用韧性较好的低合金钢材料(ZG40Cr)预制而成；轧辊耐磨层采用高钒高速钢材料，该高钒高速钢材料的主要元素含量为C2.8％、V9％、Cr4.5％、Mo3％、Ni1％，余量为铁。
本发明的生产工艺采用的是感应加热顺序凝固结晶方法。如附图所示，将铸型分为三段，采用不同的型砂制成一体，下部7为水玻璃砂、中部6为80％水玻璃砂和20％保温材料，上部5为50％水玻璃砂和50％的保温材料，铸型的底座10设有冷却进水管8和排水管9。
本发明的具体热成型工艺将铸型放入感应加热结晶装置4中，再将预制的低合金钢(ZG40Cr)辊芯1放入铸型，开启感应加热装置加热辊芯1，待加热至1200℃时，浇入高钒高速钢液；降低功率继续加热7分钟，再次浇入高钒高速钢液，再继续小功率感应加热10分钟后停止加热，随后冷却8分钟，通过铸型底座10上设有的进水管8和排水管9在下部通冷却水，以有助于形成一个自下而上的温度梯度，直至凝固完毕。凝固完毕后将铸型和铸件一起从感应加热结晶装置4中取出，即得复合轧辊。
将复合轧辊1050淬火，500℃一次回火。热处理后轧辊外层高钒高速钢的典型组织为VC+马氏体+奥氏体+M7C3+Mo2C。
实施例3本实施例将轧辊分为辊芯和轧辊耐磨层，辊芯采用韧性较好的中碳钢材料(ZG35)预制而成；轧辊耐磨层采用高钒高速钢材料，该高钒高速钢材料的主要元素含量为C3.4％、V11％、Cr5％、Mo2％、Ni1.2％，余量为铁。
本发明的生产工艺采用的是感应加热顺序凝固结晶方法。如附图所示，将铸型分为三段，采用不同的型砂制成一体，下部7为水玻璃砂、中部6为80％水玻璃砂和20％保温材料，上部5为50％水玻璃砂和50％的保温材料，铸型的底座10设有冷却进水管8和排水管9。
本发明的具体热成型工艺将铸型放入感应加热结晶装置4中，再将预制的低合金钢(ZG35)辊芯1放入铸型，开启感应加热装置加热辊芯1，待加热至1220℃时，浇入高钒高速钢液；降低功率继续加热10分钟，再次浇入高钒高速钢液，再继续小功率感应加热15分钟后停止加热，随后冷却10分钟，通过铸型底座10上设有的进水管8和排水管9在下部通冷却水，以有助于形成一个自下而上的温度梯度，直至凝固完毕。凝固完毕后将铸型和铸件一起从感应加热结晶装置4中取出，即得复合轧辊。
将复合轧辊1050淬火，550℃一次回火。热处理后轧辊外层高钒高速钢的典型组织为VC+马氏体+奥氏体+M7C3+Mo2C。
权利要求
1.一种高钒高速钢复合轧辊，轧辊分为辊芯和轧辊耐磨层，辊芯采用韧性较好的低合金钢或中碳钢材料制作，其特征在于轧辊耐磨层采用高钒高速钢材料，该高钒高速钢的主要元素含量为C1.8-3.5％、V7-12％、Cr4-5％、Mo2-4％、Ni0.5-1.5％，余量为铁。
2.一种生产如权利要求1所述的高钒高速钢复合轧辊的生产工艺，其特征是辊芯与轧辊耐磨层通过感应加热顺序凝固结晶方法复合熔铸为一体。
3.一种生产如权利要求1所述的高钒高速钢复合轧辊的生产工艺，其特征是复合轧辊的热处理工艺为1000-1050℃淬火；450-550℃回火，一次回火即可；热处理外层高钒高速钢的典型组织为VC+马氏体+奥氏体+M7C3+Mo2C。
4.根据权利要求2所述的高钒高速钢复合轧辊的生产工艺，其特征是所述的顺序凝固方法是将铸型分为三段，采用不同的型砂制成一体，即铸型下部为水玻璃砂、铸型中部为80％水玻璃砂和20％保温材料，铸型上部为50％水玻璃砂和50％的保温材料。
5.根据权利要求2或4所述的高钒高速钢复合轧辊的生产工艺，其特征是将铸型放入结晶装置中，再将预制的低合金钢辊芯放入铸型，开启感应加热装置加热钢芯，加热至1180-1220℃时，浇入高钒高速钢液；降低功率继续加热3-10分钟，再次浇入高钒高速钢液，再继续小功率感应加热5-15分钟后停止加热，随后冷却3-10分钟，再由底部通冷却水直至凝固完毕。
全文摘要
本发明提出的高钒高速钢复合轧辊及生产工艺，轧辊分为辊芯和轧辊耐磨层，辊芯采用韧性较好的低合金钢或中碳钢材料制作，轧辊耐磨层采用高钒高速钢材料，该高钒高速钢的主要元素含量为C1.8－3.5％、V7－12％、Cr4－5％、Mo2－4％、Ni0.5－1.5％，余量为铁。其生产工艺为辊芯与轧辊耐磨层通过感应加热顺序凝固结晶方法复合熔铸为一体。本发明轧辊耐磨性好，性价比高，使用安全可靠。轧辊组织致密、均匀，无偏析，两种材料为良好的冶金结合，结合强度高，使用过程中不会发生断裂、碎裂现象，可减少易损件失效而造成的停机次数。有效提高了轧辊的韧性和耐磨性，解决离心铸造法易发生成分偏析，CPC法、ESR法生产工艺复杂、成本高的问题。
文档编号C21D6/00GK1631565SQ20031011023
公开日2005年6月29日 申请日期2003年12月22日 优先权日2003年12月22日
发明者魏世忠, 刘亚民, 龙锐, 王守诚, 徐流杰, 倪锋, 李景韩, 张成新 申请人:河南科技大学, 河南省耐磨材料工程技术研究中心