CN1044496C - 多元高铬铸钢轧钢机组合式导板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于各类型钢轧机导入钢坯用多元高铬铸钢导板及其制造方法，其化学成分是(重量%)：

C0.4～1.2 Si0.8～1.8

Mn0.5～1.5 Cr12.0～18.0

Ni0.6～2.0 Mo0.6～1.2

K0.04～0.12 Na0.05～0.15

Ti0.1～0.5 RE0.03～0.15

其余为Fe和不可避免的微量杂质。

本发明导板利用电炉便可生产，采用湿砂型铸造，导板强度高，韧性好，抗氧化性好，耐磨性优良，抗激冷激热性能也很好，使用过程中不断裂、不起皮、不发生龟裂、不粘钢，使用性能明显优于高铬铸铁导板和高镍铬合金导板，生产工艺简单，不需要进行高温热处理，因而生产成本低。使用本发明导板可以显著提高轧钢机作业率，降低轧材生产成本，具有很好的经济效益。

Description

多元高铬铸钢轧钢机组合式导板及其制造方法

本发明为各类型钢轧机导入钢坯用导板及其制造方法，属于轧钢技术领域。

导板是轧钢厂轧制型材过程中具有导入坯料和护卫作用的部件，是轧钢生产中必不可少的模具。它们在服役过程中承受着炽热坯的热负荷、冲击、高速磨损、挤压和冷却水的激冷激热作用，因而要求其材质具有较高的强度、韧性、耐磨性、抗激冷激热性能和抗氧化性能等。它是轧钢机上的易损件，全国每年消耗数万吨。导板的质量直接影响到轧钢厂型材的产量和质量，降低导板成本，提高导板使用寿命是轧钢行业急待解决的难题。

目前国外的型钢轧机上普遍采用组合式导板。组合式导板具有体积小，重量轻和安装方便等优点，在国内也得到了推广应用。组合式导板对材质性能要求较高，除有整体式导板所必须的性能外，还要有足够高的韧性，国外至今仍普遍使用高镍铬合金制作，但生产成本高，在我国采用这一材质不利于组合式导板的推广使用。采用低碳钢作本体，在工作部位堆焊硬质合金制作导板的方法，存在工艺复杂和硬质合金易开裂剥落的不足。用高铬铸铁制作导板，其耐磨、耐热性能都很好，但材质脆性大，使用中易发生断裂事故。用普通白口铸铁、球墨铸铁制作的导板则更难满足生产要求。

本发明的目的是提供一种多元高铬铸钢导板的化学组成成分及其制造方法。本发明是采用一种多元高铬铸钢合金制作组合式导板，并采用湿砂型铸造成形。其主要特点是在高铬铸钢合金中加入适量的K、Na、RE和Ti，使其组织细化，特别是使共晶碳化物团球化，有利于高铬铸钢力学性能的大幅度提高，最终将导致高铬铸钢导板使用性能的提高。此外，导板制作过程中，采用高温热开箱工艺和亚临界淬火工艺，可降低导板生产成本。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明导板的化学组成成分是(重量％)：

C 0.4～1.2      Si0.8～1.8

Mn0.5～1.5      Cr12.0～18.0

Ni0.6～2.0      Mo0.6～1.2

K 0.04～0.12    Na0.05～0.15

Ti0.1～0.5,RE0.03～0.15,P＜0.06,S＜0.05，

其余为Fe和不可避免的微量杂质。

本发明导板可电炉生产，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、生铁、低碳铬铁、硅铁、锰铁、钼铁和镍板混合加热熔化；

②炉前调整成分合格后将温度升至1580～1620℃，加入脱氧剂铝，而后出炉；

③将含钾、钠的变质剂、稀土硅铁和钛铁破碎至粒度小于15mm的小块，经250℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④用湿砂型造型，浇铸温度为1440～1480℃；

⑤浇铸4～6分钟后开箱风冷导板；

⑥导板在520～580℃下进行亚临界淬火处理，保温时间2～4小时，然后空气冷却至室温。

合金材质的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明化学成分是这样确定的：

C:C是影响高铬铸钢硬度和韧性的主要元素，其含量高时，组织中碳化物数量多，基体硬度高，耐磨性好，但含量过高，使韧性下降，若含量过低，则使熔点升高，流动性下降，且降低耐磨性，因此C含量以0.4～1.2％为宜。

Cr:Cr部分溶于基体中，增加高铬钢的淬透性和抗氧化性，部分形成碳化物，有利于耐磨性的增加和抗粘钢性能的改善，Cr含量过高，基体转变成铁素体，耐磨性急剧下降，因此Cr含量以12～18％为宜。

Si:Si在高温下能形成致密的氧化膜，提高抗氧化性，但Si含量过高导致脆性增大，因此Si含量控制在0.8～1.8％。

Mn:Mn能提高淬透性和强化基体，使碳化物稳定和弥散，Mn含量小于1.5％时还可增加钢的热强性，Mn还有脱氧去硫作用，但Mn含量较高时，有使钢的晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性，因此Mn含量控制在0.5～1.5％。

Ni:Ni能提高钢对疲劳的抗力，还与铁以互溶的形式存在于钢中，使之强化，Ni由于降低临界转变温度和降低钢中各元素的扩散速度，因而提高钢的淬透性，但Ni价格较高，因此将其含量控制在0.6～2.0％。

Mo:Mo可显著提高钢的热强性，回火稳定性和淬透性，Mo还能显著降低钢的热脆倾向，但加入量过多，对钢的上述性能影响不大，反而促使成本增加，因此将Mo含量控制在0.6～1.2％。

K和Na:K、Na可降低多元高铬铸钢的初晶结晶温度和共晶结晶温度，初晶结晶温度和共晶结晶温度的下降，有助于钢水在液相线和共晶区过冷，而合金的结晶过冷度增大，会使形核率大大增加，因此，K、Na使初晶奥氏体晶核增多，初晶奥氏体得以细化，初晶奥氏体的细化导致共晶反应时残留钢液相互被隔开的趋势增强，进而导致共晶组织的细化。此外，K、Na在共晶结晶时选择性地吸附在共晶碳化物择优生长方向的表面上，形成吸附薄膜，阻碍钢液中的Fe、Cr、C等原子长入共晶碳化物晶体，降低了共晶碳化物〔010〕择优方向的长大速度，导致〔010〕方向长大减慢，而〔001〕、〔100〕方向长大速度增大，导致共晶碳化物变成不规则的团块状。K、Na不仅吸附在碳化物择优长大方向表面上阻碍碳化物在该方向的生长，而且易促进碳化物的孪晶形成，导致碳化物形态的团球化。初晶奥氏体的细化和共晶碳化物形态的改善，有利于高铬铸钢机械性能，特别是冲击韧性的大幅度提高，K、Na加入量过少，对高铬铸钢的性能影响不大，加入量过多，导致合金中夹杂物数量增多，对机械性能也有不良影响，综合考虑，将K含量控制在0.04～0.12％,Na含量控制在0.05～0.15％。

Ti：加入Ti的目的是为了细化钢的组织，提高其强度和韧性，Ti还可提高钢的抗氧化性，加入量过少，对钢的性能影响不大，加入量过多，增大钢的热裂倾向，因此Ti含量控制在0.1～0.5％。

RE:RE加入钢中具有脱硫、除气的作用，同时RE与液态金属反应生成的细小粒子，加速凝固的形核作用，表面活性RE元素在流动的晶体表面形成吸附原子薄膜，降低流动离子的速度，RE元素的这些特性能细化多元高铬铸钢的晶粒，限制树枝晶偏析，提高机械性能、抗氧化性和耐磨性。RE加入量过多，使RE夹杂物增多，反而降低钢的性能，因此RE含量控制在0.03～0.15％。

不可避免的微量杂质是原料中带入的，其中有P和S，均是有害元素，为了保证导板的强度、韧性和耐磨性，我们将P含量控制在0.06％以下，S含量控制在0.05％以下。

合金材质的性能还与热处理工艺有直接关系，其制订依据是：

组合式导板体积小，重量轻，壁厚薄(壁厚小于15mm)，在高温开箱风冷条件下，固溶于奥氏体中的C、Cr、Mo、Mn、Ni等元素不易析出，增大了高温奥氏体的稳定性，室温下合金组织是奥氏体加共晶碳化物。热处理的目的是使奥氏体稳定化，因为导板在较高温度下工作，除要求有较高的耐磨性，还要求有一定的耐热性和组织稳定性，热处理温度较低时，因过饱和奥氏体中含有较多的合金元素，有较高的稳定性，因此不易分解，热处理温度大于500℃时，过饱和奥氏体分解析出细小的特殊碳化物，从而使奥氏体中C及合金元素含量降低，提高了Ms点，使奥氏体在随后的冷却过程中转变成马氏体。温度超过600℃时，过饱和奥氏体已全部转变成马氏体，二次碳化物颗粒显著长大，使二次碳化物的弥散度降低，影响材料的力学性能。为此本发明选用热处理工艺为520～580℃保温2～4小时后空冷。导板热处理后的金相组织为：共晶碳化物+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体。

上述热处理工艺取消了高温淬火工艺，只需进行一次低温亚临界淬火处理，节约能源，降低成本，简便易行，低温热处理还可确保导板不变形、不开裂，料料最终硬度在50HRC以上，冲击韧性在20J/cm以上，抗拉强度大于840MPa，综合性能优良。

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

实施例：

1、配料：各种物料的用量(重量％)

生铁    13.1，    普通废钢56.9，

低碳铬铁22.4，    锰铁    0.7，

硅铁    1.0，     钼铁    1.1，

镍板    0.7，     含钾物质1.2，

含钠物质1.5，     稀土硅铁0.6

钛铁    0.8。

脱氧剂铝占钢水重量的0.4％。

2、熔炼：用150公斤中频感应电炉熔炼

①将19.65公斤生铁、85.35公斤普通废钢、33.6公斤低碳铬铁、1.65公斤钼铁、1.05公斤锰铁、1.5公斤硅铁、1.05公斤镍板混合装入炉中熔化；

②温度升至1610℃时加入0.6公斤铝作脱氧剂，即刻出钢水到浇包内，浇包内预先放置有粒度小于12mm，并经200℃烘干过的1.8公斤含钾物质、1.05公斤含钠物质、1.2公斤钛铁和0.9公斤稀土硅铁；

③用湿砂型铸造，浇铸温度为1460℃；

④浇铸5分钟后开箱用吹风机冷却导板，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑤导板放入电阻炉中，在550℃时保温3小时，取出导板空气冷却。从导板上取样进行化学分析，其成分如下(重量％)：

C 0.77, Si1.13,Mn0.83,

Cr13.84,Ni0.68,Mo0.70,

K 0.07, Na0.09,Ti0.17,

RE0.07, S 0.03,P 0.04。

其余为Fe。

在导板实体上切取20mm薄片测试硬度为51～53HRC。

在与导板同炉浇铸的Y型试块上切取10mm×10mm×55mm试样，测试材质的冲击韧性为22～26J/cm。

在与导板同炉浇铸的Y型试块上切取φ20mm×320mm试样，测试材质的抗拉强度为847～863MPa。

取本发明导板进行装机使用，结果如下：

使用条件是250线材轧钢机生产线上的K11机架上，轧φ6.5mm线材，线材轧制速度12m/sec，本发明导板的平均使用寿命是240小时，平均轧钢量676吨，原高铬铸铁导板的平均使用寿命是60小时，平均轧钢量169吨，原高镍铬导板的平均使用寿命是177小时，平均轧钢量503吨。

本发明导板与现有技术相比有如下优点：

本发明导板强度高，韧性好，耐磨性和抗氧化性优良，抗激冷激热性能也很好，使用过程中不断裂、不起皮、不发生龟裂、不粘钢，使用性能明显优于高铬铸铁导板和高镍铬合金导板，生产工艺简单，不需要进行高温热处理，因而生产成本低。使用本发明导板可以显著提高轧钢机作业率，降低轧材生产成本，具有很好的经济效益。

Claims (2)

1、一种用于各类型钢轧机导入钢坯用多元高铬铸铜导板，其特征在于导板的化学成分是(重量％)：

C 0.4～1.2     Si0.8～1.8

Mn0.5～1.5     Cr12.0～18.0

Ni0.6～2.0     Mo0.6～1.2

K 0.04～0.12   Na0.05～0.15

Ti0.1～0.5     RE0.03～0.15

P＜0.06        S＜0.05

其余为Fe和不可避免的微量杂质。

2、如权利要求1所说的导板制造方法，其特征在于用电炉生产，其工艺步骤是：

①将普通废钢、生铁、低碳铬铁、硅铁、锰铁、钼铁和镍板混合加热熔化；

②温度升至1580～1620℃，加入脱氧剂铝，而后出炉；

③将含钾、钠的变质剂、稀土硅铁和钛铁破碎至粒度小于15mm的小块，经250℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④用湿砂型铸造，浇铸温度为1440～1480℃；

⑤浇铸4～6分钟后开箱风冷导板，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑥导板在520～580℃下进行亚临界淬火处理，保温时间2～4小时，然后空气冷却。