一种高性能大型冷轧辊的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高性能大型冷轧辊的制备方法，通过对冷轧辊的合金成分进行改进，以及通过浇筑模具、形成坯料、锻造成型、超声波探伤、粗车加工、超声波探伤、半精加工、锻造后等温退火、深冷处理等一系列工艺步骤的优选，实现了用廉价的硼取代部分价格昂贵的钨、钼、钒、铌和钴等合金元素，促进轧辊成本的明显降低和轧辊的硬度、均匀性、强度值性能的大幅度提高，并且根据合金的特点优化轧辊制备过程中的热处理条件，有效降低了制备能耗。
【专利说明】一种高性能大型冷轧辊的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于轧钢钢铁冶金【技术领域】，具体地说是一种高性能大型冷轧辊的制备方 法以及通过该方法生产的冷轧辊。
【背景技术】
[0002] 冷轧辊由于轧制时长期承受大载荷，加上轧件的焊缝、夹杂、边裂等问题，容易导 致瞬间高温，使工作辊受到强烈热冲击造成裂纹、粘辊甚至剥落而报废。因此，冷轧辊要有 抵抗因弯曲、扭转、剪切应力引起的开裂和剥落的能力，同时也要有高的耐磨性、接触疲劳 强度、断裂韧性和热冲击强度等。
[0003] 国内外冷轧工作辊一般使用的材质有GCr5、9Cr2、9Cr、9CrV、9Cr2W、9Cr2Mo、 60CrMoV、80CrNi3W、8CrMoV、86CrMoV7、Mo3A等。为了减少重淬消耗，提高轧辊的淬硬层深 度、接触疲劳强度、韧性，延长其使用寿命，同时也为满足轧件对冷轧工作辊力学性能和使 用性能的进一步要求，自20世纪80年代中、后期，国外轧辊生产厂对5%Cr冷轧辊钢进行 了化学成分的优化工作，主要是在5%Cr钢中增加钥、钒的含量或加入钛、镍等元素，经最终 热处理过程中，对轧辊钢的淬火和加热限制，然后进行尽可能强烈的冷却，得到较深的淬硬 层。最后，用低温回火将轧辊表面硬度调整到规定值。
[0004] 随着轧钢技术的发展，乳机速度和自动化程度，以及轧机板材轧制力的不断提高， 对轧辊质量特别是轧辊的耐磨性。强度及韧性提出了更高的要求。因此，发展高质优质支 承辊材料对促进国内轧制行业技术进步，提高轧辊材料产品的国际竞争力，均具有十分重 大的经济意义和社会公益效果。
【发明内容】
[0005] 本发明通过对冷轧辊的合金成分进行改进，用廉价的硼取代部分价格昂贵的钨、 钥、钒、铌和钴等合金元素，促进轧辊成本的明显降低和轧辊的硬度、均匀性、强度值性能的 大幅度提高，并且根据合金的特点优化轧辊制备过程中的热处理条件，有效降低了制备能 耗。轧辊材料中减少价格昂贵的铌、钴、镍等合金元素的用量，且钨、钥、钒的加入量也比较 少，制备出的冷轧辊具有高均匀性、高硬度、高强度、高耐磨性以及低成本的特点，具有良好 的经济和社会效益。
[0006] 为实现上述发明目的，本发明所提供的技术方案是： 一种冷轧辊的制备方法，具有以下步骤： 1) 按预先设计的重量比将碳、硅、锰、硼、磷、硫、铬、钥、钒和、镍、铁置于中频感应电炉 内熔炼，充分搅拌，熔炼温度为500-1000°C，熔炼时间为30-40分钟，冶炼至化学成分范围 符合要求，出钢，炉外精炼，经真空除气处理使气体含量达到国际要求，而后经电渣重熔处 理使S、P等非金属夹杂物含量达到国际标准要求，制成合金液体； 2) 开启所述中频感应炉的倾泻孔，将合金液体浇筑在金属模具中； 3) 待完全冷却后将所述金属模具去除，形成坯料； 4) 将所述坯料在压机上锻造成型，锻造工艺为：1100?1150°C加热，始锻温度为 1050?11001：，终锻温度彡8201：; 5) 退火后进行超声波探伤； 6) 粗车加工、超声波探伤； 7) 半精加工、超声波探伤； 8) 锻造后等温退火：加入温度810?840°C，保温4h，等温温度为670?690°C，保温 6h，炉冷至200°C以下出炉； 9) 深冷处理； 10) 化霜、回火； 11) 精加工、二次回火、超声波探伤； 12) 检测入库。
[0007] 进一步地，在步骤6)之后、步骤7)的半精加工之前还包括调质处理的步骤，保温 温度为900-950°C，保温时间为5-10小时。
[0008] 进一步地，其特征在于，在调质处理中，保温温度为930°C，保温时间为10小时。
[0009] 进一步地，其特征在于，其中步骤9)中所述的深冷处理其温度为-190°C 至-195°C，保温4-5小时；步骤10)中所述回火温度为100-150°C，时间为90小时；步骤11) 中所述二次回火温度为100_120°C，时间为180小时。
[0010] 本发明还给出了通过上述制造方法生产的冷轧辊，具体为： 一种冷轧辊，由如下重量百分比的组分组成：C :0. 65?0. 75wt %，Si :0. 40? 0. 70wt %，Mn :0. 50 ?0. 90wt %，B :0. 50 ?0. 80wt %，P : < . 02wt %，S : < 0. 015wt %， Cr :3. 10 ?3. 5wt%，Mo :0? 25 ?0? 60wt%，V :0? 05 ?0? lwt%，Ni :0? 10 ?0? 30wt%，N : 0. 02?0. 05wt%，余量为铁和其他不可避免的杂质。
[0011] 进一步地，由如下重量百分比的组分组成：C :0. 70wt %，Si :0. 60wt %，Mn : 0. 70wt %, B ：0. 75wt %, P ：0. 02wt %, S ：0. 015wt %, Cr ：3. 30wt %, Mo ：0. 40wt %, V ： 0. 05wt%，Ni :0. 25wt%，N :0. 04wt%，余量为铁和其他杂质。其他杂质的重量百分比小于 等于0.02%，且包含铅、锡、神、秘。
[0012] 根据本发明钢种设计成分，通过廉价元素替代昂贵的V、Nb等，以及元素之间的协 同配合以及成分含量优化，采用EAF初炼-LF精炼-VD脱气-电渣重熔-锻造-热处理工艺 路线，对试验用钢进行化学成分分析及力学性能检测，显微组织为索氏体+碳化物，晶粒度 为 6 ?10 级；力学性能（淬火+55〇°C 回火）为 Rm 彡 l75〇MPa，Rel 彡 l55〇MPa，Aku2> 11. 5J。 [0013] 本发明已经通过大型支承辊的使用考核。本发明钢种具有以下优点： 1、性价比高，优化了钢种力学性能。与现有的轧辊质钢相比，制造成本增加不是很大， 钢种力学性能得到较大幅度优化，与进口材料相比，生产成本下降十分明显。实现了工具钢 种的强韧性、性价比的最佳匹配。
[0014] 2、使用性能优异。与现有轧辊钢相比，硬度、耐磨性、淬硬层深度及塑韧性均有不 同程度提高，构件的疲劳试验等试验表明，其使用性能优异。
[0015] 3、钢种的生产、制备工艺简单。与传统非调质钢相比，采用电炉初炼-LF精炼-电 渣重熔_锻制工艺路线，生产工艺易于控制和掌握，制品质量及组织性能达到规定的要求。
【具体实施方式】
[0016] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限 定本发明。
[0017] 本发明的冷轧辊，其特征在于，由如下重量百分比的组分组成：C :0. 65? 0? 75wt%，Si :0? 40 ?0? 70wt%，Mn :0? 50 ?0? 90wt%，B :0? 50 ?0? 80wt%，P :0? 0001 ? 0. 02wt%，S :0. 0001 ?0. 015wt%，Cr :3. 10 ?3. 505wt%，Mo :0. 25 ?0. 60wt%，V :0. 05 ? 0? lwt%，Ni :0? 10 ?0? 30wt%，N :0? 02 ?0? 05wt%，余量为铁和其他杂质。
[0018] 其中，化学成分碳含量是钢中的重要合金元素，是通过固溶在钢的基体中，起到对 钢的强化作用，同时部分碳和钢中的其他元素形成碳化物，起到强化和增加耐磨性的作用。 碳的过饱和度越低，则基体硬度降低越多，即钢的强度与耐磨性能越差，但过多的碳进入固 溶体，使M2C原子比例减少，从而使其抗回火稳定性降低并引起脆性与疲劳裂纹。根据计算 和实验，本发明钢中的碳含量0. 65-0. 75较为适宜。氮的加入可起到兼有增强的固溶强化 以及形成高稳定的碳氮化合物的析出强化，可延缓仏3(：6类型碳化物析出的作用，明显增强 其的强韧性。
[0019] 化学成分铬含量能够提高钢的力学性能和耐磨性、增加钢的硬度、弹性、耐腐蚀和 耐热性，提高表面的淬透性；但是在提高的同时其缺点是降低了轧辊的韧性。化学成分钒 含量可细化组织晶粒，提高钢的强度和韧性，钒和碳形成的碳化物在高温高压下可提高抗 氢腐蚀能力考虑到冷轧辊用钢的经济性，本发明选择V含量为0. 05?0. 1%。化学成分钥 的含量能使钢的晶粒细化，提高了表面淬透性和热强性能，在轧辊在高温时保持足够的强 度和抗蠕变能力，能提高轧辊的机械性能。化学成分镍含量是钢中的重要元素之一，可增 强钢的硬度、弹性、延展性和抗腐蚀性，并能细化晶粒，提高表面淬透性，使钢具有极高的机 械性能，当镍和铬共存时，可大大提高钢的机械强度。化学成分硅含量能显著提高钢的弹 性极限、屈服点和抗拉强度。
[0020] 合金碳化物的析出：第二相熔点越高，产生的沉淀硬化强度越高，硬化作用比较稳 定。通过反复的实验，得到以上各组分的最佳质量配比，本发明中加入适量的V、N元素所形 成的VC、V4C3和M (C、N)等细小弥散颗粒，能与基体保持共格联系，提高了它的抗聚集能力 和抗滑移变形能力，增加了钢的强韧性，达到冷轧辊的最佳使用性能。
[0021] 实施例1 按照重量比为碳：0? 65wt%，娃：0? 4wt%，猛：0? 5wt%，硼 0? 5wt%，磷：0? 02wt%，硫： 0? 015wt %,络：3. Iwt %,钥：0? 25wt %, f凡：0? 05wt %,镇：0? IOwt %,氮：0? 02wt %,余量为 铁和其他杂质，其他杂质铅、锡、砷、铋等均不大于〇. 02%，准备铸造材料。
[0022] 熔炼合金溶液：按上述重量比将各组分置于中频感应炉内熔炼，熔炼温度为 500°C，熔炼时间为30分钟，冶炼至化学成分范围符合要求，出钢，炉外精炼，经真空除气处 理使气体含量达到国际要求，而后经电渣重熔处理使S、P等非金属夹杂物含量达到国际标 准要求，制成合金液体。
[0023] 检测：采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围之内。
[0024] 铸造冷开坯：开启所述工频保温炉的倾泻孔，将合金液体浇筑在金属模具中，待完 全冷却后将所述金属模具去除。洗刷锻造：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，在 压机上锻造成型。锻造工艺为：1100°c加热，始锻温度为1050°C，终锻温度彡820°C。
[0025] 退火、超声波探伤：退火后，利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另 一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷。接着进行粗车加工，重复上述超声 波探伤。之后进行调质处理。
[0026] 调质处理：在淬火前进行预备热处理，可以获得细小、均匀的组织，使轧辊芯部和 辊颈达到良好机械性能，使轧辊的屈强比提高，有效提高轧辊疲劳寿命；同时为后期轧辊表 面淬火做组织准备，调质以后轧辊部分碳化物弥散析出，这些碳化物在最终表面淬火中，更 加容易溶解；并且可以改善基体组织，尤其是碳化物的分布。加入温度810°C，保温4h，等温 温度为670°C，保温6h，炉冷至200°C以下出炉，表面硬度可达到54-56HSD，乳辊机械性能随 之增加。
[0027] 调质处理之后进行半精加工、超声波探伤：根据加工图纸要求，在车床上进行半精 加工，利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射 的特点来检查零件缺陷。然后进行淬火。
[0028] 淬火：在淬火机床上，将经过预热的轧辊，经过通电的感应圈内时，由于电磁感应 在轧辊表面形成感应电流，从而使得表面被加热，通过测温反馈调整功率调节加热温度，使 轧辊表面得到一定的淬硬层深度和良好的硬度均匀性，通过中温回火使轧辊内应力减小， 减少轧辊使用中的剥落，大大提高了中间辊的使用性。
[0029] 淬火温度为960°C。接着进行深冷处理。
[0030] 深冷处理：此工序使将淬火以后回火以前的轧辊放入-190°C的低温槽内进行深 冷保温4小时的一个过程，因铬含量增加会导致较差的韧性，在本发明的铬和碳的含量基 础上，-190至-195°C的深冷温度能降低轧辊中的残余奥氏体含量，来达到轧辊表面的耐磨 性、高硬度和提高淬硬层深度，同时也增加了韧性，提高轧辊在后期使用中的抗剥落性，减 少轧辊断裂的风险。
[0031] 接着进行化霜、回火：化霜后在KKTC下回火，回火时间60小时。
[0032] 然后完成精加工、二次回火、超声波探伤：经精车加工后二次回火，回火温度 KKTC，回火时间180小时。利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时， 在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷。
[0033] 根据上述生产工艺制备的轧辊，淬硬层深度达到35mm，辊身表面硬度值在达到 102HSD，硬度均匀度小于I. 5HSD，可用于轧制极薄材料的工作辊使用。轧辊的更换周期从 25公里增加至42公里，并且能轧制出高精度极薄材料。
[0034] 实施例2 按照重量比为碳：0? 75wt%，娃：0? 70wt%，猛：0? 90wt%，硼：0? 80wt%，磷：0? 02wt%, 硫：0? 015wt %,络：3. 5wt %,钥：0? 60wt %, f凡：0? Iwt %,镇：0? 30wt %,氮：0? 05wt %,余量 为铁和其他杂质，其他杂质铅、锡、砷、铋等均不大于〇. 02%，准备铸造材料。
[0035] 熔炼合金溶液：按上述重量比将各组分置于中频感应炉内熔炼，熔炼温度为 KKKTC，熔炼时间为40分钟，冶炼至化学成分范围符合要求，出钢，炉外精炼，经真空除气 处理使气体含量达到国际要求，而后经电渣重熔处理使S、P等非金属夹杂物含量达到国际 标准要求，制成合金溶液。
[0036] 检测：采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围之内。
[0037] 铸造冷开坯：开启所述工频保温炉的倾泻孔，将合金液体浇筑在金属模具中，待完 全冷却后将所述金属模具去除。
[0038] 洗刷锻造：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，在压机上锻造成型。锻造 工艺为1150°C加热，始锻温度为1KKTC，终锻温度彡820°C 退火、超声波探伤：退火后，利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截 面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷。接着进行粗车加工，重复上述超声波探 伤。之后进行调质处理。
[0039] 调质处理：加入温度840°C，保温4h，等温温度为690°C，保温6h，炉冷至200°C以 下出炉。
[0040] 调质处理之后进行半精加工、超声波探伤：根据加工图纸要求，在车床上进行半精 加工，利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射 的特点来检查零件缺陷。然后进行淬火。
[0041] 淬火：淬火温度为960°C。接着进行深冷处理。
[0042] 深冷处理：将淬火以后回火以前的轧辊放入_195°C的低温槽内进行深冷保温5小 时。
[0043] 接着进行化霜、回火：化霜后在150°C下回火，回火时间90小时。
[0044] 然后完成精加工、二次回火、超声波探伤：经精车加工后二次回火，回火温度 120°C，回火时间180为小时。利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面 时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷。
[0045] 根据上述生产工艺制备的轧辊，淬硬层深度达到40mm，辊身表面硬度值在达到 100HSD，硬度均匀度小于I. 5HSD，可用于轧制极薄材料的工作辊使用。轧辊的更换周期增加 至42公里，并且能轧制出高精度极薄材料。
[0046] 实施例3 按照重量比为碳：0? 70wt %，娃：0? 60wt %，猛：0? 60wt %，硼：0? 75wt %，磷： 0? 02wt %，硫：0? 015wt %，络：3. 3wt %，钥：0? 4wt %，f凡：0? 05wt %，镇：0? 25wt %，氮 0. 04wt% :余量为铁和其他杂质，其他杂质铅、锡、砷、铋等均不大于0. 02%，准备铸造材料。
[0047] 熔炼合金溶液：按上述重量比将各组分置于中频感应炉内熔炼，熔炼温度为 KKKTC，熔炼时间为40分钟，冶炼至化学成分范围符合要求，出钢，炉外精炼，经真空除气 处理使气体含量达到国际要求，而后经电渣重熔处理使S、P等非金属夹杂物含量达到国际 标准要求，制成合金溶液。
[0048] 检测：采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围之内。
[0049] 铸造冷开坯：开启所述工频保温炉的倾泻孔，将合金液体浇筑在金属模具中，待完 全冷却后将所述金属模具去除。
[0050] 洗刷锻造：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，在压机上锻造成型。锻造 工艺为：1140°C加热，始锻温度为1080°C，终锻温度彡820°C ; 退火、超声波探伤：退火后，利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截 面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷。接着进行粗车加工，重复上述超声波探 伤。之后进行调质处理。
[0051] 调质处理：加入温度820°C，保温4h，等温温度为670°C，保温6h，炉冷至200°C以 下出炉。
[0052] 调质处理之后进行半精加工、超声波探伤：根据加工图纸要求，在车床上进行半精 加工，利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射 的特点来检查零件缺陷。然后进行淬火。
[0053] 淬火：淬火温度为960°C。接着进行深冷处理。
[0054] 深冷处理：将淬火以后回火以前的轧辊放入_190°C的低温槽内进行深冷保温5小 时。
[0055] 接着进行化霜、回火：化霜后在150°C下回火，回火时间90小时。
[0056] 然后完成精加工、二次回火、超声波探伤：经精车加工后二次回火，回火温度 100°C，回火时间180为小时。利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面 时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷。
[0057] 根据上述生产工艺制备的轧辊，淬硬层深度达到45mm，辊身表面硬度值在达到 102HSD，硬度均匀度小于I. 5HSD，可用于轧制极薄材料的工作辊使用。轧辊的更换周期增加 至42公里，并且能轧制出高精度极薄材料。
[0058] 各实施例的Rm、Rel、Aku2等各性能参数列于表1中，可以看出实施例3的轧辊获得 了最优的综合性能。
[0059] 表 1
【权利要求】
1. 一种大型冷轧辊的制备方法，具有以下步骤： 1) 按预先设计的重量比将碳、硅、锰、硼、磷、硫、铬、钥、钒、镍和铁置于中频感应电炉内 熔炼，充分搅拌，熔炼温度为500-1000°C，熔炼时间为30-40分钟，冶炼至化学成分范围符 合要求，出钢，炉外精炼，经真空除气处理、电渣重熔处理，制成合金液体； 2) 开启所述中频感应炉的倾泻孔，将合金液体浇筑在金属模具中； 3) 待完全冷却后将所述金属模具去除，形成坯料； 4) 将所述坯料在压机上锻造成型，锻造工艺为：1100?1150°C加热，始锻温度为 1050?1KKTC，终锻温度彡820°C ; 5) 退火后进行超声波探伤； 6) 粗车加工、超声波探伤； 7) 半精加工、超声波探伤； 8) 锻造后等温退火：加入温度810?840°C，保温4h，等温温度为670?690°C，保温 6h，炉冷至200°C以下出炉； 9) 深冷处理； 10) 化霜、回火； 11) 精加工、二次回火、超声波探伤； 12) 检测入库。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤6)之后、步骤7)的半精加工之前 还包括调质处理的步骤，保温温度为900-950°C，保温时间为5-10小时。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在调质处理中，保温温度为930°C，保温时 间为10小时。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中步骤9)中所述的深冷处理其温度 为-190至-195°C，保温4-5小时；步骤10)中所述回火温度为100-150°C，时间为90小时； 步骤11)中所述二次回火温度为100_120°C，时间为180小时。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述重量比为，C :0.65?0.75wt%， Si :0. 40 ?0. 70wt %，Mn :0. 50 ?0. 90wt %，B :0. 50 ?0. 80wt %，P : < . 02wt %，S : < 0? 015wt%，Cr :3. 10 ?3. 5wt%，Mo :0? 25 ?0? 60wt%，V :0? 05 ?0? lwt%，Ni :0? 10 ? 0. 30wt%，N :0. 02?0. 05wt%，余量为铁和其他不可避免的杂质。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述重量比为，C:0.70wt%，Si : 0. 60wt %, Mn ：0. 60wt %, B ：0. 75wt %, P ：0. 02wt %, S ：0. 015wt %, Cr ：3. 3wt %, Mo ： 0? 4wt%，V :0? 05wt%，Ni :0? 25wt%，N :0? 04wt%，余量为铁和其他杂质。
7. 其他杂质的重量百分比小于等于0. 02%，且包含铅、锡、砷、铋。
【文档编号】C22C33/04GK104451437SQ201510007580
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2015年1月8日 优先权日:2015年1月8日
【发明者】刘克宽, 施耀东, 包齐昌 申请人:江苏宏宇模具集团有限公司, 江苏一洲轧辊有限公司