專利名稱：一種低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于耐磨材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
為了提高材料的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，國內(nèi)外已成功開發(fā)了多種性能優(yōu)異的高速鋼；這些材料中含有較多的鉻、鑰、鎳等稀有元素，生產(chǎn)成本較高，市場競爭力弱；在高速鋼中加人適量硼，可形成高硬度的碳硼化合物，通過控制硼含量可以控制硼化物硬質(zhì)相的體積分?jǐn)?shù)，控制含碳量可以實現(xiàn)控制基體含碳量，繼而控制基體的性能，從而改善高速鋼耐磨性；其中低碳高硼碳鋼具有合金用量少、成本低、熔煉簡單、鑄造性能優(yōu)異等特點；而且我國硼礦資源豐富，是世界上為數(shù)不多的硼資源大國；因此我國適合發(fā)展高硼高性能鋼鐵材料。目前，復(fù)合軋輥的制備工藝有:離心鑄造工藝(CF工藝)、連續(xù)鑄造工藝(CPC工藝)、旋轉(zhuǎn)電渣重熔工藝(ESR工藝)、電渣復(fù)合工藝(ESSLM工藝)及沖洗工藝等；離心鑄造復(fù)合法具有工藝簡單、生產(chǎn)率高、成本低等優(yōu)勢，是目前制備復(fù)合輥的最主要的方法；但是，由于本發(fā)明的復(fù)合軋輥外層含有較高的硼含量，與其它元素形成的硼化物與鐵基體存在密度差異，離心鑄造時，由于離心力的作用，高密度的硼化物及碳化物會向軋輥表層偏析，V及VC會向軋輥內(nèi)層偏聚；解決在離心鑄造復(fù)合法制備高速鋼復(fù)合軋輥的偏析問題是制備良好綜合性能軋輥工作層的關(guān)鍵。中國專利200410004744.7及中國專利200910235071.9，均提出在鑄型外施加穩(wěn)
恒磁場，產(chǎn)生電磁攪拌的作用減少合金元素及碳化物的宏觀偏析，穩(wěn)恒磁場引起的電磁攪拌可以減弱合金元素及其碳化物在軋輥徑向上的偏析，取得了明顯的效果，但是若磁場過弱，相對于離心鑄造的離心力作用而言，該電磁攪拌作用也僅僅是使熔體產(chǎn)生微弱攪動，無明顯攪動效果，若磁場過強(qiáng)，則會引起`硼化物和碳化物的定向偏聚和粗大，惡化磁場的作用效果；因此選擇合適的磁場強(qiáng)度至關(guān)重要；另外，避免重力作用力而引起的偏析，對提高高速鋼軋輥的綜合性能具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥及其制備方法；采用低碳高硼高速鋼作為軋輥工作層，球墨鑄鐵作為軋輥芯部；通過增加工作層中廉價硼的含量和降低貴金屬釩的加入量，改善軋輥的耐磨性、紅硬性和回火穩(wěn)定性；為減少合金元素的偏析，采用在臥式離心裝置外加脈沖磁場，并且使強(qiáng)化相的晶粒更加細(xì)小，分布更加彌散。本發(fā)明提供的低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥工作層的化學(xué)成分如下(重量％):0.20 0.35C, 1.2 2.0B, 3.2 4.0Cr, 0.8 1.5Mo, 0.8 1.5W, 1.5 2.0Si, 1.0 2.0V,0.02 0.05Zr,0.25 0.4Ti，0.2 0.5Α1，0.07 0.15RE, Mn < 1，P < 0.04，S < 0.04，余量為Fe。本發(fā)明低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥工作層的化學(xué)成分特征與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過優(yōu)化Cr、Mo、V、Zr、S1、Mn元素的量,并進(jìn)一步降低碳含量在中低碳范圍，實現(xiàn)有益硼元素的進(jìn)一步提高到1.2-2.0%的范圍，保證了硼化物的有效析出；各元素含量確定根據(jù)如下:
碳:碳與合金元素結(jié)合形成碳化物，是主要的耐磨相，其次，碳在基體中，可以提高軋輥工作層的淬透性和淬硬性；因硼元素的加入，硼可與碳和鐵形成硼鐵碳化物，另外硼也提高軋輥工作層的淬透性和淬硬性，因此可適當(dāng)降低碳的加入量，使其在熱處理后形成板條馬氏體組織；本發(fā)明軋輥工作層的碳含量為0.2(Γ0.35%。硼:硼進(jìn)入基體，可以提高軋輥的淬硬性和淬透性，大部分與碳鐵形成合金硼化物，提高耐磨性和熱穩(wěn)定性，當(dāng)硼加入量過多時，形成的脆硬相，降低軋輥性能；因此，硼元素的加入量定為1.2^2.0%。鉻:鉻的碳化物存在形式有M6C、M23C6及碳硼化合物Cr7 (C，B) 3和Cr23 (C，B) 6，這些合金化合物具有較高的強(qiáng)度和硬度，并且提高軋輥的高溫抗氧化性能；鉻含量高時，可形成多種不穩(wěn)定的化合物，在較低溫度時容易析出，提高材料脆性，降低軋輥性能；因此鉻含量為3.2 4.0%。鎢和鑰:鎢和鑰加入到高速鋼中，可以形成一定數(shù)量難以溶解的一次碳化物，提高軋輥材料的淬火溫度，提高軋輥的耐磨性；另外，形成的M2C和MC是二次硬化和紅硬性的主要因素，提高材料硬度，改善軋輥耐磨性能；本發(fā)明鎢的含量為0.8^1.5%，鑰的含量為
0.8 1.5%。硅:硅主要固溶于基體中，可細(xì)化奧氏體晶粒，提高軋輥的紅硬性，硅含量較高時，易產(chǎn)生夾雜，降低基體的熱疲勞性能；本發(fā)明將硅控制在1.5^2.0%。錳:錳一般是做為脫氧劑而加入鋼中，若錳含量高時，使晶粒粗大，脆性增加，在機(jī)加工時易產(chǎn)生裂紋；本發(fā)明將錳控制在1%以下。釩:釩加入到鋼中，形成高穩(wěn)定性的MC型碳化物，具有較高的強(qiáng)度和硬度，當(dāng)鋼中釩的含量低于I %時，鋼的二次硬化、耐磨性、紅硬性不足，釩的含量高時，鋼的機(jī)械加工性能急劇惡化，造成不必要的浪費(fèi)；因此將釩含量控制在1.(Γ2.0%。鋯和鈦:鋯和鈦為強(qiáng)碳化物形成元素，微量加入可細(xì)化初生晶粒，從而細(xì)化組織，提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性；當(dāng)鋯和鈦含量較高時，組織中出現(xiàn)塊狀或角狀MC，增加鋼的脆性，降低軋輥性能；所以鋯的含量為0.02、.05%，鈦的含量為0.25、.4%。鋁:鋁做為脫氧劑加入到鋼中，鋁為非碳化物形成元素，固溶于鐵素體或奧氏體中；鋁進(jìn)入基體可提高軋輥工作層的回火穩(wěn)定性和紅硬性；鋁含量過高時，易造成鑄造缺陷；因此鋁含量為0.2^0.5%。稀土:稀土元素在鋼中有脫氧除氣，脫硫，改變夾雜物形態(tài)，凈化境界，細(xì)化鑄態(tài)組織，提高鋼的高溫抗氧化性能；稀土加入量過高時，增加鋼中非金屬夾雜物，造成組織缺陷，降低軋輥的性能；為此，將稀土含量控制在0.07、.15%。硫和磷:硫和磷是做為雜質(zhì)元素存在于鋼中，為有害元素，為保證軋輥的性能要求，將硫、磷控制在0.04%以下。本發(fā)明的目的可以通過以下措施來實現(xiàn):
軋輥工作層的熔煉過程為:
首先將普通廢鋼 、生鐵(4.0%C)、鎢鐵(72%W)、鑰鐵(60%Mo )、釩鐵(50%V)、鉻鐵(50%Cr )混合裝入中頻感應(yīng)爐熔煉，待鋼液溶清后，加入鋁預(yù)脫氧，鋁的加入量為熔煉爐內(nèi)鋼液重量的1.0-1.5%，然后加入鋯鐵(70%Zr)、鈦鐵(72%Ti)及復(fù)合硼鋁鐵合金(18%B, 1.5%A1)，爐前調(diào)整成分到本發(fā)明的范圍，即化學(xué)成分為(重量%):0.20 0.35C，1.2 2.0B, 3.2 4.0Cr，
0.8 1.5Mo,0.8 1.5W, 1.5 2.0Si, 1.0 2.0V,0.02 0.05Zr,0.25 0.4Ti,0.2 0.5A1,
0.07 0.15RE，Mn < I, P < 0.04, S < 0.04，余量為 Fe，然后將溫度升至 1570°C 1620°C溫度范圍內(nèi)出爐。稀土 -硅鈣復(fù)合變質(zhì)劑在250°C以下烘烤，按熔煉爐內(nèi)鋼液總重量的0.5-0.8%放入鋼包底部，并用鐵屑壓實，復(fù)合變質(zhì)劑的顆粒尺寸小于15mm，隨后用沖入法對鋼水進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理。將鋼包中的鋼液靜置3 5min后準(zhǔn)備澆注。低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥的澆注步驟為:
I)、采用脈沖電磁場下臥式離心方法澆鑄，首先，啟動脈沖磁場裝置，頻率設(shè)為1-10HZ，鑄型中心磁場的峰值強(qiáng)度為flOT ;然后啟動鑄型旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)；鑄型轉(zhuǎn)速公式為n=299
^/577,式中:η表示鑄型轉(zhuǎn)速，rpm ;G為重力倍數(shù)，本發(fā)明的重力倍數(shù)控制在9(Tl20 ;r —軋輥內(nèi)半徑，cm ;根據(jù)軋輥內(nèi)半徑將轉(zhuǎn)速調(diào)至35(T550rpm，待鋼液溫度為1420°C 1450°C時澆注軋輥工作層。2)、待工作層凝固后，用紅外測溫儀測定軋輥工作層內(nèi)表面的溫度，待溫度冷卻至1200°C左右時停止旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，吊立鑄型。3)、鑄型豎立后，與冒口箱組合到一起，立即澆注軋輥芯部，軋輥芯部采用球墨鑄鐵澆鑄，軋輥隨坑冷卻至室溫后 進(jìn)入到熱處理步驟。

4)、軋輥的熱處理方法為:淬火加熱溫度950°C 1050°C，保溫3h，出爐水淬；然后在電阻爐中進(jìn)行回火處理，在230°C 28(rC溫度下回火，保溫4h;出爐后空冷至室溫。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
本發(fā)明增加了硼的加入量，生成的硼鐵化合物具有較高的硬度，改善軋輥的耐磨性；另夕卜，部分硼溶入到基體中，改善了軋輥的淬透性和淬硬性，從而降低了釩的加入量，大大降低了生產(chǎn)成本。本發(fā)明低碳高硼高速鋼的硼元素收得率大于92%，而常規(guī)硼鋼的硼收得率僅為759^82%。本發(fā)明采用脈沖電磁場下臥式離心方法鑄造，與現(xiàn)有技術(shù)中施加穩(wěn)恒磁場相比，具有明顯地細(xì)晶和促進(jìn)硼化物細(xì)化和分散的作用，而臥式離心鑄造對比立式離心鑄造而言，具有突出的降低成本優(yōu)勢并提高軋輥質(zhì)量。本發(fā)明在復(fù)合澆注下得到的低碳高硼高速鋼軋輥材料凝固組織細(xì)小，碳硼化合物形態(tài)和分布明顯改善，碳化物和硼化物均呈斷網(wǎng)狀和孤立分布，在合理的熱處理工藝下，其使用壽命比常規(guī)高速鋼軋輥提高15%以上。
具體實施例方式實施實例I該實施例低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥輥身的尺寸為Φ 350 X 400mm,工作層厚度為30mm，外層采用500Kg中頻感應(yīng)爐熔煉，芯部球墨鑄鐵采用It中頻感應(yīng)爐熔煉；低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥輥的制作工藝步驟為:
軋輥工作層的熔煉過程為:
首先將普通廢鋼70Kg、生鐵(4.0%C) 5Kg、鎢鐵(72%W) 1.53Kg、鑰鐵(60%Mo) 2Kg、釩鐵(50%V) 3.5Kg、鉻鐵(50%Cr) 7Kg混合裝入500Kg中頻感應(yīng)爐熔煉，待鋼液溶清后，加入IOOg鋁預(yù)脫氧，然后加入鋯鐵(70%Zr)57g、鈦鐵(72%Ti)417g及復(fù)合硼鋁鐵合金(18%B，
7.1%A1)8.3Kg，爐前調(diào)整成分合格后，將溫度升至1620°C溫度出爐。將1.0Kg稀土一鎂復(fù)合變質(zhì)劑在250°C以下烘烤，放入鋼包底部，并用鐵屑壓實，復(fù)合變質(zhì)劑的顆粒尺寸小于15mm，隨后用沖入法對鋼水進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理。將鋼包中的鋼液靜置5min后準(zhǔn)備澆注。軋輥芯部的熔煉過程為:
用It中頻感應(yīng)爐熔煉輥芯，輥芯鐵水的出爐溫度為1500°C。低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥軋輥的澆注步驟為:
啟動脈沖磁場裝置，頻率設(shè)為5HZ，鑄型中心磁場的峰值強(qiáng)度為6T ;啟動鑄型旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，該鑄型的內(nèi)半徑為350mm，工作層厚度為30mm，先將轉(zhuǎn)速調(diào)至550rpm，待鋼液溫度為1450°C時澆注軋輥工作層。待工作層凝固后，用紅外測溫儀測定軋輥工作層內(nèi)表面的溫度，待溫度冷卻至1200°C時停止旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，吊立鑄型。鑄型豎立后，與冒口箱組合到一起，立即澆注軋輥芯部。軋輥的熱處理工藝為:淬火加熱溫度1050°C，保溫3h，出爐水淬；然后在電阻爐中進(jìn)行回火處理，在280°C溫度下回火，保溫4h ;出爐后空冷至室溫。精加工到規(guī)定尺寸。本實施例所制備的低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥實際化學(xué)成分見表1，軋輥力學(xué)性能見表2。表I低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥工作層實際化學(xué)成分(重量％)
權(quán)利要求
1.一種低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥，采用低碳高硼高速鋼作為軋輥工作層，球墨鑄鐵作為軋輥芯部，其特征在于低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥工作層的化學(xué)成分如下(重量 %) 0. 20 0· 35C, I. 2 2. OB, 3. 2 4. OCr, O. 8 I. 5Μο，0· 8 I. 5W, I. 5 2. OSi, I. 0 2· 0V,0.02 O. 05Zr,0. 25 O. 4Ti，0. 2 O. 5Α1，0· 07 O. 15RE, Mn < 1，P < O. 04，S < O. 04，余量為Fe。
2.如權(quán)利要求I所述的一種低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥的制備方法，其特征在于包括如下步驟 (1)軋輥工作層的熔煉 首先將普通廢鋼、生鐵(4. 0%C)、鎢鐵(72%W)、鑰鐵(60%Mo )、釩鐵(50%V)、鉻鐵(50%Cr )混合裝入中頻感應(yīng)爐熔煉，待鋼液溶清后，加入鋁預(yù)脫氧，鋁的加入量為熔煉爐內(nèi)鋼液重量的I. 0-1. 5%，然后加入鋯鐵(70%Zr)、鈦鐵(72%Ti)及復(fù)合硼鋁鐵合金(18%B，I. 5%A1)，爐前調(diào)整成分為(重量 ％) :0. 20 0· 35C, I. 2 2· 0B, 3. 2 4. OCr, O. 8 I. 5Μο，0· 8 I. 5W, I. 5 2. OSi，.1.0 2· 0V，0. 02 O. 05Zr，0. 25 O. 4Ti，0. 2 O. 5Α1，0· 07 O. 15RE，Mn < 1，P < O. 04，S<O. 04，余量為Fe，然后將溫度升至1570°C 1620°C溫度范圍內(nèi)出爐； 稀土 -硅鈣復(fù)合變質(zhì)劑在250°C以下烘烤，按熔煉爐內(nèi)鋼液總重量的O. 5-0. 8%放入鋼包底部，并用鐵屑壓實，復(fù)合變質(zhì)劑的顆粒尺寸小于15mm，隨后用沖入法對鋼水進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理； 將鋼包中的鋼液靜置3 5min后準(zhǔn)備澆注； (2)低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥的澆注步驟為 采用脈沖電磁場下臥式離心方法澆鑄，首先，啟動脈沖磁場裝置，頻率設(shè)為1-10HZ，鑄型中心磁場的峰值強(qiáng)度為f IOT ;然后啟動鑄型旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)；將轉(zhuǎn)速調(diào)至35(T550rpm，待鋼液溫度為1420°C 1450°C時澆注軋輥工作層； 待工作層凝固后，用紅外測溫儀測定軋輥工作層內(nèi)表面的溫度，待溫度冷卻至1200°C左右時停止旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，吊立鑄型； 鑄型豎立后，與冒口箱組合到一起，立即澆注軋輥芯部，軋輥芯部采用球墨鑄鐵澆鑄，軋輥隨坑冷卻至室溫后進(jìn)入到熱處理步驟； 軋輥的熱處理淬火加熱溫度950°C 1050°C，保溫3h，出爐水淬；然后在電阻爐中進(jìn)行回火處理，在230°C 280°C溫度下回火，保溫4h ;出爐后空冷至室溫。
全文摘要
本發(fā)明屬于耐磨材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種低碳高硼高速鋼復(fù)合軋輥材料及其制備方法。采用低碳高硼高速鋼作為軋輥工作層，球墨鑄鐵作為軋輥芯部；通過增加工作層中廉價硼的含量和降低貴金屬釩的加入量，改善軋輥的耐磨性、紅硬性和回火穩(wěn)定性；為減少合金元素的偏析，采用在臥式離心裝置外加脈沖磁場，并且使強(qiáng)化相的晶粒更加細(xì)小，分布更加彌散。
文檔編號C22C33/06GK103255348SQ201310214289
公開日2013年8月21日 申請日期2013年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年6月3日
發(fā)明者王宏明, 趙加愛, 李桂榮, 曹磊 申請人:江蘇大學(xué)