专利名称：：一种高速钢轧辊及其在电磁场下离心复合制备的方法
技术领域：
：本发明属于高速钢轧辊的制备
技术领域：
，特别涉及一种高性能高速钢轧辊及其在电磁场下离心复合制备方法。
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产品质量、劳动生产率和生产成本等。由于轧辊使用条件极其苛刻，要求轧辊必须承受相当强烈的力与热的作用，除了要有较高的强韧性，防止轧辊使用中发生断裂事故，轧辊表面还应具有良好的耐磨、耐热性能，单一轧辊材质难以满足热轧辊的要求。用强韧性好的辊芯材料与耐磨、耐热性好的辊身材料组成的复合轧辊，是轧辊发展的主要方向。高速钢中含有大量硬度高的碳化物(如WC:HV2400-2600、VC:HV2600-3000、Mo2C:HV1500)耐磨性好于高铬铸铁，而且，高速钢基体组织为韧性较好的回火马氏体和少量奥氏体，比硬质合金有更好的韧性，不易产生裂纹，因此，高速钢已成为一种用于制备轧辊工作层的重要材质。目前，轧辊复合方法主要有离心铸造复合法、连续铸造(CPC)复合法、电渣重熔复合法(ESR)等。CPC法和ESR法的共同缺点是工艺复杂、生产率低、成材率低且成本高。离心铸造复合法具有工艺简单、生产率高、成本低等优势，是目前制备复合辊的最主要的方法。但是，由于复合辊的外层需要提高耐磨性，含有较高含量的合金元素，如V、W、Mo、Cr等，这些合金元素及其形成的碳化物与铁基体存在密度差异，离心铸造时，由于离心力的作用，密度高的合金如W、Mo及其形成的碳化物会向轧辊表层偏析，使轧辊内层合金元素含量降低，而密度低的合金元素如V和形成的VC，密度低于铁基体，离心铸造时，在离心力的作用下V及VC会向轧辊内层偏聚。解决离心铸造复合法制备高速钢复合轧辊凝固过程合金元素及其形成的碳化物的偏析是离心复合法制备高性能轧辊的重要瓶颈问题。针对减少离心复合制备轧辊铸造过程合金元素及其形成的碳化物偏析问题，目前主要有两种方法一种方法是加入某种元素，该元素能与高速钢中易偏析的元素形成复合碳化物，当复合碳化物的密度与铁基体相近时，可减少元素及其碳化物的偏析，如中国专利(授权公告号CN100369681C，一种高速钢复合轧辊及其制造方法)公开了一种不含W元素的高速钢复合轧辊，通过添加Nb元素，使VC转化为(Nb，V)C复合碳化物，起到控制V及VC偏析/偏聚的问题，该方法的不足主要是Nb元素提高钢的淬火温度，降低二次硬化峰值出现的温度，且复合碳化物粗大，导致轧辊使用中易发生剥落，另外，Nb元素较稀贵，明显增加了轧辊成本；另一种方法是通过外场控制，中国专利(申请号200410004744.7，电磁离心铸造高速钢复合轧辊方法)和中国专利(授权公告号CN100500919C)都提出在铸型外施加稳恒磁场，产生电磁搅拌的作用减少合金元素及碳化物的宏观偏析，稳恒磁场引起的电磁搅拌可以减弱合金元素及其碳化物在轧辊径向上的偏析，但该发明采用的稳恒磁场较弱(小于0.2T)，相对于离心铸造的离心力作用而言，该稳恒磁场引起的电磁搅拌作用也仅仅是使熔体产生微弱搅动，另外，稳恒磁场引起的这种电磁搅动是单一固定方向的，即使增大磁场强度，还会引起碳化物的定向偏聚和粗大，反而恶化磁场的作用效果。因此，现有技术不能完全解决离心复合过程合金元素的偏析问题。另外，为提高离心复合轧辊的性能，需要提高高速钢合金析出相的分散性，使析出强化相的粒度更细小，更弥散分布，以保证强化效果，这需要适当控制这些易偏析合金元素的添加量，以避免大片状或网状碳化物形成，并借助外场手段，使析出强化相粒度更细小，分布更弥散、均匀。此外，要进一步提高高速钢复合轧辊的性能，需要进一步提高基体凝固组织的质量，这也需要采取外场手段，控制凝固组织的晶粒度，因为，晶粒粗大也会引起轧辊在后处理和使用过程中的开裂。综上所述，开发一种能控制高速钢离心复合轧辊复合过程合金元素及碳化物偏析，同时能够细化析出的强化相和使之弥散均匀分布，且同时又能细化基体凝固组织的控制技术，对提高高速钢离心复合轧辊的综合性能具有重要意义。
发明内容本发明的目的是提供一种合金元素含量相对较低的高性能高速钢轧辊及其在脉冲电磁场下离心复合制备方法。通过优化和适当降低易偏析元素的量，并借助外场手段，使析出强化相粒度更细小，分布更弥散、均匀；同时，所施加的外场具有改善轧辊基体凝固组织的作用，达到提高轧辊综合性能的目的。本发明的目的是通过下列技术方案来实现的本发明提供一种高性能高速钢轧辊，该轧辊包括辊芯和轧辊耐磨工作层，辊芯采用球墨铸铁制作，耐磨工作层为高速钢材质，所采用的高速钢成分(质量％)为C:1.5%2.5%，V:4.06.0%，W:4.0%6.0%，Mo:1.5%4.5%，Cr:2.0%4.0%，Zr:0.04%0.18%，B:0.0010.003%，Si《0.5%，Mn《0.5%，余量为Fe及不可避免的杂质元素，杂质中要求S<0.01%，P<0.01%，0<0.0010%。制造所述的高性能高速钢轧辊的方法是在脉冲电磁场作用下利用离心复合方法浇铸轧辊，其关键特征是在离心复合过程中，在旋转铸型外施加脉冲磁场，所施加脉冲磁场的频率为0.110Hz，铸型中心磁场的峰值强度为1IOT。具体的制备制造过程如下第一阶段金属材料熔炼将所述的轧辊辊芯材料和轧辊耐磨工作层材料分别在熔炼炉内熔化，特别对于轧辊耐磨工作层所用高速钢熔体，其制备工艺步骤如下①将废钢、生铁或增碳剂、铬铁、钼铁、钨铁按化学成分要求混合，装入熔炼炉内加热熔化，钢水熔清后，加入铝铁合金预脱氧，调整合金元素C、W、Mo、Cr成分后，到出钢温度时，加入钒铁，在1550°C160(TC温度范围内出钢；②出钢过程中，向钢包内加入Al-Ca-Mg复合合金，用于深脱硫、终脱氧及钢液变质处理，Al-Ca-Mg复合合金的成分为A130%，Ca5%，Mg5%，余量为铁，复合合金的加入量为1.01.5kg/t钢；③出钢后，向钢包内加入锆铁和硼铁合金，调整微量元素Zr、B到规定范围，准备浇铸。第二阶段脉冲磁场下离心复合浇铸④准备好铸型后，启动铸型离心旋转系统，使铸型在6001400r/min的转速下转动，并启动脉冲磁场装置，脉冲磁场的电磁参数频率O.110Hz，铸型中心磁场的峰值强度为110T;⑤当钢液温度高于液相线温度80IO(TC时，浇铸工作层，工作层浇铸完毕，测量工作层内层表面(即复合界面)温度，当界面温度低于轧辊辊芯材料液相线温度6080°C时，浇铸辊芯。第三阶段机加工和热处理该阶段的步骤与普通高速钢离心复合轧辊的加工处理步骤相同，热处理包括淬火和回火处理。⑥淬火的加热温度为1000105(TC，保温时间为24小时；淬火冷却时，先喷雾冷却1020分钟，然后强制风冷2040分钟后空冷；⑦空冷至辊面温度低于20(TC时，装入加热炉进行回火处理，回火温度为53056(TC，保温612小时后空冷至温度低于20(TC，相同工艺下回火两次；⑧出炉后冷却至室温，精加工至规定尺寸。本发明的高性能高速钢复合轧辊的耐磨工作层的化学成分确定根据如下碳碳是高速钢轧辊中形成耐磨相碳化物的基本元素，要保证碳化物形成量，碳要有一定余量，但碳含量过高，轧辊在外界应力和热应力的作用下，容易龟裂，因此碳控制在1.5%2.5%。钒钒在钢中以VC析出，改善钢的耐磨性，V量高，则以V3C形式析出，降低钢的耐磨性，所以V量控制在4.06.0%。钨碳化钨有效提高钢的硬度，钨还可提高钢的红硬性，改善钢的高温耐磨损性能，所以W量控制在4.06.0%。钼钼可以提高钢的抗氧化性和耐磨性，所以Mo量控制在1.54.5%。铬铬的主要作用是提高钢的抗高温氧化性能，由于铬和碳可形成多种稳定性较低的氧化物，因此铬含量适当降低，可提高材料的热稳定性，所以Cr量控制在2.04.0%。锆锆是最强的碳化物形成元素，消除析出相中不稳定的碳化物，提高材料的热稳定性，但锆含量高会显著降低钢的淬透性，所以锆含量控制在0.040.18%。硼硼可以提高钢的淬透性，含量在0.0010.003%就有明显效果。硅和锰高速钢中由于合金元素含量较高，硅和锰容易引起晶界强度降低和晶粒粗大，使得轧辊在机加工和热处理过程中出现裂纹，因此要求Si《0.5%和Mn《0.5%。与现有技术相比较，采用本发明的优点如下①本发明的轧辊在脉冲电磁场下离心复合，保留了离心铸造材料凝固组织致密等优点，且利用脉冲电磁场的对凝固前沿的电磁振荡作用，克服了单一离心铸造造成的偏析，在脉冲电磁力的作用下，使得密度存在差异的合金熔体具有均匀的凝固组织；②脉冲磁场的脉冲特性，既克服了现有技术中采用稳恒磁场的不足，又使磁场具有足够的强度，作用到材料或熔体的原子尺度，直接作用于析出相及晶粒的形核长大过程；③脉冲磁场在熔体内引起的电磁振荡具有显著细化凝固前沿析出相的作用，因此，可以使析出的强化相包括碳化物和合金相粒度细小，其形状也由棒条状向圆粒状转变，这种析出相粒度及相貌的变化，提高了析出相的强化效果；④脉冲磁场下金属的凝固，电磁振动引起凝固前沿"结晶雨"的形成，对基体组织具有显著的晶粒细化作用；⑤本发明的轧辊工作层材质中合金元素添加量降低，避免了粗大及网状结构碳化物的出现，有利于提高析出相的强化效果，同时节约了成本；⑥由于基体凝固组织细化、析出的强化相细化且弥散，这些共同的作用，显著提高了轧辊的性能，使轧辊的工作寿命提高；⑦提高了离心铸造轧辊的成材率和合格率，克服了轧辊因晶粒粗大、氧硫化物夹杂造成的轧辊热处理、机加工及使用过程中的开裂问题。综上所述，采用本发明提出的高速钢离心复合辊耐磨工作层材质，并在脉冲电磁场下离心铸造复合，既保留了离心铸造组织致密、疏松缺陷少等优点，又克服了离心铸造过程因密度差异形成的偏析，脉冲磁场细化了凝固过程析出相的粒度并提高了析出相的分散性，有利于提高析出相的强化效果，另外，脉冲磁场具有细晶作用，可以节约用于细晶的Ti、V等合金，既提高了材料的性能，延长轧辊寿命，又节约了成本。图1脉冲电磁场下离心复合过程装置示意图图注1铸型；2轧辊辊芯；3轧辊外层；4脉冲电磁场；5铸型离心旋转系统图2实施例1制备的高速钢轧辊耐磨工作层的凝固组织图片图3实施例2制备的高速钢轧辊耐磨工作层的凝固组织图片具体实施例方式以下结合实施例对本发明作进一步的阐述。实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。实施实例1该实施例高性能高速钢复合轧辊辊身尺寸为小500X1700mm，复合轧辊耐磨工作层材料和辊芯球墨铸铁分别采用4t的中频感应电炉和5t/h的冲天炉熔炼，其制造工艺步骤如下第一阶段高速钢的熔炼和辊芯球墨铸铁的熔炼注明高速钢的熔炼和辊芯球墨铸铁的熔炼同时进行高速钢的熔炼过程为①按本发明的成分要求，将废钢1390kg、生铁(4.2%C)1700kg、铬铁(50%Cr)200kg、钼铁(60%Mo)100kg)、钨铁(70%W)260kg混合，在压力机上压实制块，装入熔炼炉内加热熔化，钢水熔清后，升温到160(TC时，加入20kg铝铁(40%Al)预脱氧，取样作光谱分析后，用增碳剂及铁合金调整合金元素C、W、Mo、Cr成分后，加入400kg钒铁，在1580°C益度出钢；②出钢过程中，向钢包内断续加入60kg(钢水总重约4吨，复合合金加入量1.5kg/t钢)的Al-Ca-Mg复合合金，用于深脱硫、终脱氧及钢液变质处理，Al-Ca-Mg复合合金的成分为A130%，Ca5%，Mg5%，余量为铁；③出钢后，向钢包内加入锆铁和硼铁合金，调整微量元素Zr、B到规定范围，准备浇铸。辊芯球墨铸铁的熔炼过程为④用冲天炉熔炼辊芯铁水，辊芯选用低合金球墨铸铁，辊芯铁水的出炉温度为1480°C。第二阶段脉冲磁场下离心复合浇铸⑤准备好铸型后，启动铸型离心旋转系统，使铸型在900r/min转速下转动，并启动脉冲磁场装置，脉冲磁场的电磁参数频率1Hz，铸型中心磁场的峰值强度为4T。⑥当钢液温度为147(TC时，浇铸工作层，工作层浇铸完毕，测量工作层内层表面(即复合界面)温度，当界面温度为125(TC时，球铁液温度为131(TC时，浇铸辊芯。第三阶段机加工和热处理该阶段的步骤与高速钢离心复合轧辊的加工处理步骤相同，热处理包括淬火和回火处理。⑦淬火的加热温度为103(TC，保温时间为3小时；淬火冷却时，先喷雾冷却15分钟，然后强制风冷30分钟；空冷至辊面温度低于20(TC时，入加热炉进行回火处理，回火温度为555t:，保温10小时后空冷至温度低于20(TC，相同工艺下回火两次；⑧出炉后冷却至室温，精加工至规定尺寸。制得的高性能高速钢离心复合轧辊成分见表1，其力学性能见表2，轧辊工作层的凝固组织如图2所示。表1高速钢离心复合轧辊耐磨工作层成分(重量％)元素cVWMoCrZrB含量1.84.54.51.52.50.060.001元素SiMnSP0Fe含量0.50.50.0080.0080.0010余量表2轧辊的力学性能性能硬度/(HRC)抗拉强度/(MPa)抗弯强度/(MPa)冲击韧性/(J/cm2)辊身(工作层)68.51320128028.3辊颈/辊芯455562080024.4从表2可知，本发明复合轧辊具有非常好的力学性能。这主要是轧辊成分组织均匀，无偏析，脉冲磁场下凝固，晶粒及析出相颗粒细小、弥散，组织致密度提高，如图2所示，所以本发明的轧辊的性能明显优于普通高速钢轧辊。应用本发明制造的高性能高速钢离心复合轧辊，在热轧带钢轧机上进行了工业试验，毫米过钢量均在1760t以上，轧辊寿命大幅度提高，另外，该轧辊具有良好的抗热疲劳能力，本发明的高性能高速钢轧辊在使用过程中无断辊、龟裂和剥落现象。因此，应用该发明的轧辊，可降低轧辊消耗，提高轧机作业率、延长换辊周期，改善轧材的表面质量，具有良好的经济效益和社会效益。实施实例2该实施例高性能高速钢复合轧辊辊身尺寸为小600X1400mm，复合轧辊耐磨工作层材料和辊芯球墨铸铁分别采用4t的中频感应电炉和5t/h的冲天炉熔炼，其制造工艺步骤如下第一阶段高速钢的熔炼和辊芯球墨铸铁的熔炼注明高速钢的熔炼和辊芯球墨铸铁的熔炼同时进行高速钢的熔炼过程为①按本发明的成分要求，将废钢1000kg、生铁(4.2%C)1600kg、铬铁(50%Cr)290kg、钼铁(60%Mo)290kg)、钨铁(70%W)340kg混合，在压力机上压实制块，先将30kg增碳剂(95%C)装入炉内，然后将压制料块装入熔炼炉内加热熔化，钢水熔清后，在1580。C时，加入20kg铝铁(40%A1)预脱氧，加入440kg钒铁(50%V)，取样作光谱分析后，调整合金元素C、W、Mo、Cr成分后，加入400kg钒铁，在156(TC温度出钢；②出钢过程中，向钢包内断续加入80kg(钢水总重约4吨，复合合金加入量2.Okg/t钢)的Al-Ca-Mg复合合金，用于深脱硫、终脱氧及钢液变质处理，Al-Ca-Mg复合合金的成分为A130%，Ca5%，Mg5%，余量为铁。③出钢后，向钢包内加入锆铁和硼铁合金，调整微量元素Zr、B到规定范围，准备浇铸；辊芯球墨铸铁的熔炼过程为④用冲天炉熔炼辊芯铁水，辊芯选用低合金球墨铸铁，辊芯铁水的出炉温度为1470°C。第二阶段脉冲磁场下离心复合浇铸⑤准备好铸型后，启动铸型离心旋转系统，使铸型在1200r/min转速下转动，并启动脉冲磁场装置，脉冲磁场的电磁参数频率8Hz，铸型中心磁场的峰值强度为9T;⑥当钢液温度为147(TC时，浇铸工作层，工作层浇铸完毕，测量工作层内层表面(即复合界面)温度，当界面温度为125(TC时，球铁液温度为130(TC时，浇铸辊芯；第三阶段机加工和热处理该阶段的步骤与高速钢离心复合轧辊的加工处理步骤相同，热处理包括淬火和回火处理。⑦淬火的加热温度为103(TC，保温时间为4小时；淬火冷却时，先喷雾冷却20分钟，然后强制风冷40分钟；空冷至辊面温度低于20(TC时，入加热炉进行回火处理，回火温度为555t:，保温10小时后空冷至温度低于20(TC，相同工艺下回火两次；⑧出炉后冷却至室温，精加工至规定尺寸。制得的高性能高速钢离心复合轧辊成分见表3，其力学性能见表4，轧辊工作层的凝固组织如图3所示。表3高速钢离心复合轧辊耐磨工作层成分(重量％)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>从表2可知，本发明复合轧辊具有非常好的力学性能。这主要是轧辊成分组织均匀，无偏析，脉冲磁场下凝固，晶粒及析出相颗粒细小、弥散，组织致密度提高，如图3所示，所以轧辊的性能明显优于普通高速钢轧辊。应用本发明制造的高性能高速钢离心复合轧辊，在热轧带钢轧机上进行了工业试验，毫米过钢量均在1800t以上，轧辊寿命大幅度提高，另外，该轧辊具有良好的抗热疲劳能力，本发明的高性能高速钢轧辊在使用过程中无断辊、龟裂和剥落现象。因此，应用该发明的轧辊，可降低轧辊消耗，提高轧机作业率、延长换辊周期，改善轧材的表面质量，具有良好的经济效益和社会效益。权利要求一种高速钢轧辊，分为辊芯和轧辊工作层，辊芯采用球墨铸铁材料制作，轧辊工作层为一种高速钢材料，其特征在于轧辊工作层成分按重量百分比计为C1.5％～2.5％，V4.0～6.0％，W4.0％～6.0％，Mo1.5％～4.5％，Cr2.0％～4.0％，Zr0.04％～0.18％，B0.001～0.003％，Si≤0.5％，Mn≤0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，杂质中要求S＜0.01％，P＜0.01％，O＜0.0010％。2.权利要求1所述的高性能高速钢轧辊在电磁场下离心复合制备的方法，包括金属材料熔炼、离心复合浇铸和机加工和热处理，其特征在于离心复合浇铸时在离心铸型外侧施加脉冲电磁场。3.权利要求2所述的高性能高速钢轧辊在电磁场下离心复合制备的方法，其特征在于脉冲磁场的频率为0.1lOHz，铸型中心磁场的峰值强度为110T。4.权利要求2所述的高性能高速钢轧辊在电磁场下离心复合制备的方法，其特征在于金属材料熔炼中，高速钢熔体的制备工艺步骤如下①将废钢、生铁或增碳剂、铬铁、钼铁、钨铁按化学成分要求混合，装入熔炼炉内加热熔化，钢水熔清后，加入铝铁合金预脱氧，调整合金元素C、W、Mo、Cr成分后，到出钢温度时，加入钒铁，在1550°C160(TC温度范围内出钢；②出钢过程中，向钢包内加入A1-Ca-Mg复合合金，用于深脱硫、终脱氧及钢液变质处理，Al-Ca-Mg复合合金的成分为A130%，Ca5%，Mg5%，余量为铁，复合合金的加入量为1.01.5kg/t钢；③出钢后，向钢包内加入锆铁和硼铁合金，调整微量元素Zr、B到规定范围。5.权利要求2所述的高性能高速钢轧辊在电磁场下离心复合制备的方法，其特征在于脉冲磁场下离心复合浇铸的具体步骤为④准备好铸型后，启动铸型离心旋转系统，使铸型在6001400r/min的转速下转动，并启动脉冲磁场装置，脉冲磁场的电磁参数频率O.110Hz，铸型中心磁场的峰值强度为110T;⑤当钢液温度高于液相线温度8010(TC时，浇铸工作层，工作层浇铸完毕，测量工作层内层表面(即复合界面)温度，当界面温度低于轧辊辊芯材料液相线温度608(TC时，浇铸辊芯。6.权利要求2所述的高性能高速钢轧辊在电磁场下离心复合制备的方法，其特征在于机加工和热处理中的热处理包括淬火和回火处理，具体步骤为⑥淬火的加热温度为1000105(TC，保温时间为24小时；淬火冷却时，先喷雾冷却1020分钟，然后强制风冷2040分钟后空冷；⑦空冷至辊面温度低于20(TC时，装入加热炉进行回火处理，回火温度为530560°C，保温612小时后空冷至温度低于20(TC，相同工艺下回火两次；⑧出炉后冷却至室温，精加工至规定尺寸。全文摘要一种高速钢轧辊及其在电磁场下离心复合制备方法，属于高速钢轧辊的制备
技术领域：
。高速钢轧辊的工作层材质成分为(重量％)C1.5％～2.5％，V4.0～6.0％，W4.0％～6.0％，Mo1.5％～4.5％，Cr2.0％～4.0％，Zr0.04％～0.18％，B0.001～0.003％，Si≤0.5％，Mn≤0.5％，余量为Fe及杂质元素，杂质中要求S＜0.01％，P＜0.01％，O＜0.0010％。采用脉冲电磁场下离心复合方法浇铸轧辊，脉冲磁场的频率为0.1～10Hz，铸型中心磁场的峰值强度为1～10T。该轧辊具有多种析出强化相，施加的脉冲磁场使强化相及基体晶粒有效细化，并使强化相弥散分布，克服了合金元素的偏析，能大幅度提高轧辊的性能。文档编号C22C38/36GK101705430SQ20091023507公开日2010年5月12日申请日期2009年11月13日优先权日2009年11月13日发明者李桂荣,王宏明,赵玉涛申请人:江苏大学