CN103320710A

CN103320710A - 一种高韧性高速钢复合轧辊

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Publication number: CN103320710A
Application number: CN2013102394516A
Authority: CN
Inventors: 宫开令
Original assignee: TANGSHAN YILIANSHENG ROLLER CO Ltd
Current assignee: Liaoning yiliansheng New Material Co., Ltd
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-06-17
Also published as: CN103320710B

Abstract

一种高韧性高速钢复合轧辊，属于金属压力加工技术领域。该轧辊的工作层为高韧性高速钢材料，芯部为石墨钢材料；高速钢材料与石墨钢材料为冶金结合，两种材料通过离心铸造复合而成。高速钢材料的化学成分重量%为：C：0.5-1.3%; Si：0.5-1.5%; Mn：0.4-1.0%; Cr：5.0-10.0%; Mo：2.0-5.0%; Ni：0.5-1.5%；W：0.1-2.0%; V：0.1-2.0%; N：0.05-0.6%；RE：0.01-0.5%;P＜0.03%; S＜0.025%;余为Fe，石墨钢材料的化学成分重量%为：C：1.2-2.0%; Si：1.5-2.5%; Mn：0.3-1.0%; Ni：0.2-1.2%; Cr：0.01-0.2%; Mo：0.01-0.2%; P＜0.035%; S＜0.03%; 其余为Fe。优点在于：减少了轧辊在生产制造过程中的断裂，提高了成品率、降低了轧辊制造成本，提高轧辊在线使用时间和轧机作业率、降低了轧辊消耗。

Description

一种高韧性高速钢复合轧辊

技术领域

本发明属于金属压力加工技术领域，特别是提供了一种高韧性高速钢复合轧辊，适用于轧钢行业中复合轧辊的制造。

背景技术

轧机是金属压力加工生产中的重要设备，是衡量一个国家钢铁发展技术水平的显著标志。而轧辊又是轧机的主要组成部分，是轧钢生产中大量消耗的关键部件，是决定一个国家轧制技术发展水平的基本保证，在轧钢工业生产中，每一种轧材无一不是依靠轧辊的轧制而成形，这就是说“无辊不成材”，所以，轧辊的质量和作用至关重要。2012年我国仅线棒材产量就达到了38564万吨，若轧制每吨线棒材平均轧辊消耗量按0.4KG计算，按轧辊目前市场价格，每年需要消耗轧辊资金就高达25亿元左右。高速钢复合轧辊以其硬度高、耐磨性好及优良的使用效果被广大轧钢界普遍采用和推崇，特别是将高速钢轧辊应用在棒线材轧机上，以优良的综合性能开创了棒材轧制新时代。

但是，在现有的高速钢复合轧辊生产技术中，存在着两方面不足因素，一是在轧辊高硬度、高耐磨的同时，所伴随的就是轧辊的韧性差，特别是将高速钢轧辊用于棒材轧机切分轧制K3机架时，通常轧辊在第一轮使用时，切分仞便出现掉块，造成无法正常轧制生产；二是轧辊的制造成本高。因此，研制与开发制造成本低、强韧性好的高速钢复合轧辊是增加节能降耗、提高轧辊寿命的当务之急。

在现有高速钢轧辊生产技术中，如ZL 97100083.2，轧辊外层高速钢的化学成分为：C1.2-2.5%; Si 0.3-1.5%；Mn 0.4-1.0%；Ni＜3.0%；Cr 3.0-8.0%；Mo 2.0-7.0%；V 2.0-7.0%；W 1.0-5.0%；RE0.01-0.5%； P＜0.05%; S＜0.05%；余为Fe。高速钢复合轧辊的制造过程是将高速钢液体浇入到旋转的离心机铸型内，当外层的高速钢液刚刚凝固时，再浇入用做轧辊芯部的合金球墨铸铁液，使这两种材料达到完全的冶金结合。

高速钢轧辊是在传统的M2高速钢基础上发展而来的，尽管都称之为高速钢，但在成分上有很大的差别，高速钢轧辊工作层成分明显特征是具有更高的碳含量，以及较高的钒含量和钨含量，因此轧辊组织中的碳化物是以WC、VC和W₂C为主，WC、VC显微硬度可达到3000HV左右，W₂C显微硬度可达到2500—2800HV，硬度高、耐磨性好。但是金属W的密度为19.3kg/dm³，W₂C的密度为17.2kg/dm³，WC的密度为15.8kg/dm³，在离心力的作用下引起金属元素及组织偏析而聚集在工作层靠近辊面的部位；金属V的密度仅为6.1kg/dm³，VC的密度仅为5.7kg/dm³，在离心力的作用下也同样引起金属元素及组织偏析而聚集在工作层靠近结合层的部位，使不同类型的金属元素及碳化物组织分布不均，从而造成高速钢材料韧性急剧下降而且不均。

同时，在现有高速钢轧辊生产技术实施中，在浇注轧辊芯部的球墨铸铁液时，必须将已凝固的工作层高速钢层内表面溶化一定的深度，而被溶化的这一部分高速钢中由于金属元素及组织的偏析，含有大量的强碳化物形成元素V，V元素进入轧辊芯部的球墨铸铁铁水中后，铁水中较高的C含量使轧辊芯部球墨铸铁组织中的碳化物数量急剧增加，甚至可升高到20%以上，这样就造成了轧辊结合层与轧辊芯部的强度显著降低。尤其是含有这种结合层的轧辊在热处理过程中，往往是由于在轧辊的结合层处或芯部处因强度的不足而发生轧辊的断裂，使轧辊的生产成品率降低，生产周期无法保证，从而造成轧辊的制造成本大大提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种高韧性高速钢复合轧辊，该轧辊成分设计合理，韧性高、抗事故能力强；并且，制造工艺简单、生产成本低。

根据本发明的复合轧辊的轧辊工作层材料为高韧性高速钢，根据轧材品种和规格的需要，轧辊工作层的厚度通常在30-70mm，轧辊芯部材料为石墨钢；

复合轧辊工作层高速钢材料与芯部石墨钢材料为冶金结合，两种不同性质的材料通过离心铸造复合而成。

轧辊工作层高速钢材料为高N、低W、低V高速钢材料；具体化学成分重量%为：C 0.5-1.3%; Si 0.5-1.5%; Mn 0.4-1.0%; Cr 5.0-10.0%; Mo2.0-5.0%; Ni 0.5-1.5%；V 0.1-2.0%; W 0.1-2.0%;N 0.05-0.6%；RE 0.01-0.5%;P＜0.03%; S＜0.025%;余为Fe。轧辊芯部石墨钢材料的化学成分重量%为：C 1.2-2.0%; Si 1.5-2.5%; Mn 0.3-1.0%; Ni 0.2-1.2%; Cr 0.01-0.2%; Mo 0.01-0.2%; P＜0.035%; S＜0.03%; 其余为Fe。

本发明的一种高韧性高速钢复合轧辊工作层材料的化学成分设计依据如下：

C是钢中重要的组成元素，它以固溶和形成碳化物的方式提高钢的强度，当C含量过高时，组织中碳化物量增多，有利于轧辊硬度的提高，但韧性降低；当C含量过低时，初生奥氏体生长区间变宽，晶粒粗大，轧辊耐磨性降低。因此将C含量控制在0.5-1.3%较合适。

Cr是强烈的碳化物形成元素，是提高轧辊耐磨性最有效的元素之一，随着Cr含量的增加轧辊组织中将形成一定数量的Cr₇C₃型碳化物，Cr₇C₃型碳化物的显微硬度可达到2000-2500HV，耐磨性好，而且Cr₇C₃型碳化物热稳定性高于Fe₃C型碳化物。Cr能提高高速钢的淬透性，提高轧辊的抗接触疲劳性能，同时它还能够提高高速钢的抗氧化性，历来高速钢中的Cr含量都在4%以上，因此将Cr含量控制在5-10%较合适。

Mo能够阻止碳化物沿晶界析出，有利于细化晶粒，提高钢的韧性，同时还可以提高回火稳定性，抑制回火脆性。高速钢中Mo和W作用相近，但Mo的当量系数是W的1.8倍，同时，Mo₂C型碳化物的理论密度为9.18kg/dm³，比W₂C的密度和WC的密度低很多，从碳化物的量和偏析考虑加Mo都比加W有利，但是Mo又会降低钢的导热性，当Mo含量过高时，钢的导热性差，导致轧辊热应力增大，抗热疲劳性能下降，因此将Mo含量控制在2.0-5.0%较合适。

W是强烈的碳化物形成元素，是提高高速钢耐磨性最有效的合金元素。历史上，W是高速钢的首选元素，其它元素的贡献都要折算成W当量。W主要生成W₂C和WC型碳化物，硬度高、耐磨性好，同时W又能提高高速钢的淬硬性和抗氧化性，但是在离心铸造高速钢中W的作用效果往往不令人满意，因为金属W的密度为19.3kg/dm³，W₂C的密度为17.2kg/dm³，WC的密度为15.8kg/dm³，在离心力的作用下不可避免的引起金属元素及组织偏析，所以，本发明的产品将W含量控制在0.1-2.0%较合适。

V和N在高速钢中是以固溶基体和形成碳化物的方式提高钢的性能，高速钢金属液在铸型中凝固时，通常首先析出的是V的一次碳化物，当高速钢中同时添加了N时，由于N与V具有更强的亲和力，增加了V（C，N）的析出动力，促进了V（C，N）的析出，而V（C，N）型碳化物硬度更高、耐磨性更好。在N含量低时，析出相以VC为主，大约有60%的V固溶于基体，约有35%的V以 V（C，N）的形式析出；随着N含量的增加，逐渐转变成以氮化钒为主的析出相，在N含量高时，大约有70%的V以V（C，N）的形式析出，仅有20%的V固溶于基体中。N在高速钢中其强化作用是通过形成弥散的氮化物来实现的，与碳化物相比，氮化物更稳定，更细小。由于析出了大量细小且稳定的V（C，N）相，从而抑制了晶粒长大，晶粒越细小，脆性转变温度就越低，韧性也就越好。N的加入提高了钢的冲击韧性，改善了材料的耐腐蚀性能，N的抗点蚀能力约为铬的30倍。但是，N具有稳定奥氏体作用，N的加入提高了奥氏体相对于马氏体的稳定性，其作用约为镍的25倍。所以，过高的N对马氏体和相变马氏体均有抑制作用。

因此，在本发明轧辊工作层高速钢中，V的加入量控制在0.1-2.0%、N加入量控制在0.05-0.6%较合适。

Si通常固溶于基体之中，较高的Si有利于推迟低温回火脆性的产生，并起到固溶强化作用，当Si含量过高时，会使奥氏体区域缩小，共晶和共析转变温度提高，易于形成铁素体，降低了轧辊的使用性能，通常将Si含量控制在0.5-1.5%较合适。

Mn和Ni一样都是细化钢的基体组织、提高钢的强度和韧性的有效元素，Ni有利于改善钢的力学性能，增加钢的淬透性，Mn又是阻碍石墨化促进碳化物形成的元素，当含量过高时，又会导致组织中残余奥氏体量的增加，残余奥氏体在轧辊的热处理和使用过程中是不利的。因此在成分设计中Mn含量控制在0.4-1.0%，Ni含量控制在0.5-1.5%较合适。

Re元素在高速钢中一方面是作为还原或消除杂质的元素，净化钢水质量；另一方面是作为变质剂提高高速钢的韧性。在本发明的复合轧辊工作层高速钢成分中，Re还有净化晶界和消除裂纹的作用，但一定要限制Re元素的加入量，所以轧辊工作层高速钢成分中，控制 Re的加入量为Re 0.03-0.10%。

同时，为了获得良好强韧性的综合性能，必须严格控制杂质元素含量，其P含量不超过0.03%，S含量不超过0.025%。

本发明一种高韧性高速钢复合轧辊的芯部材料采用的是石墨钢材料，与现有技术高速钢复合轧辊芯部球墨铸铁材料相比，轧辊芯部强度更高、韧性更好，而且芯部材料的制造成本更低。

本发明复合轧辊制造方法与现有技术相似，首先是选择上述本发明复合轧辊的工作层和芯部材料的具体成分进行分别冶炼，当钢液的成分和温度达到设定要求后，先将工作层高速钢的钢液浇入到转速为800转/分钟高速旋转的离心机铸型内，工作层高速钢的钢液浇铸温度为1500-1600℃，浇铸时铸型的温度为100-200℃，铸型内覆膜砂涂料的厚度为1-5mm。工作层高速钢的钢液在离心力作用下结晶凝固，当工作层高速钢的钢液初期凝固后，离心机停止旋转，将已经凝固的工作层部分连同铸型一起吊出与用于轧辊上下辊颈部分的铸型配合后，再浇入用于复合轧辊芯部的石墨钢液，芯部石墨钢液的浇注温度为1450-1550℃，待两种不同金属通过完全冶金熔合冷却后即制成复合轧辊。

本发明技术的创新点：

1、在高速钢复合轧辊制造中，利用N和V形成大量细小的、弥散的、且稳定的V（C，N）相，从而抑制了晶粒长大，强化了高速钢的性能。晶粒越细小，脆性转变温度就越低，韧性也就越好。这在以往的轧辊制造技术中从未见过报导。

2、根据棒材轧机对高速钢轧辊的使用特性要求，改变了常规高速钢成分中高W、高V的道路，减少了密度相差较大的合金元素W、V的加入量，通过优化高速钢轧辊成分的设计，提高了高速钢轧辊的韧性、降低了轧辊制造成本。

本发明的优点：

1、由于轧辊工作层材料高速钢成分的合理设计，减少了板条状共晶碳化物的形成，避免了离心浇注时所引起组织的偏析，使高速钢的韧性显著提高，既增强了轧辊的抗事故能力，又提高了轧辊的使用寿命。

2、轧辊工作层材料高速钢的耐磨相——碳化物颗粒细小、分布均匀，具有更高的硬度和更好的耐磨性。

3、由于消除了离心浇注所引起大量VC在工作层靠近结合层部位的偏析而聚集，因此在浇注轧辊芯部的石墨钢液对已凝固的工作层高速钢发生冶金熔合时，避免了过量的V元素进入轧辊芯部石墨钢中所造成轧辊结合层与轧辊芯部强度降低的危害。一方面减少了轧辊在生产制造过程中的断裂，提高了成品率、降低了轧辊制造成本、增加了产品的利润空间和市场竞争力；另一方面由于轧辊芯部强度高、抗断裂性能好，大大提高轧辊在线使用时间和轧机作业率、降低了轧辊消耗。

附图说明

图1为本发明的产品结构图。

具体实施方式

按本发明所述的轧辊工作层材料为高速钢，轧辊芯部材料为石墨钢的成分，我们先后四批共制备了8支本发明实施例的高韧性高速钢复合轧辊，这8支轧辊均为合格产品发往用户使用。

实施例1：将用做轧辊工作层的高速钢液和用做轧辊芯部的石墨钢液分别冶炼，轧辊工作层高速钢钢水的化学成分重量%为：C 0.65%;Si 0.86%; Mn 0.64%; Cr 9.81%; Mo 4.15%; Ni 0.58%；V 0.98%; W 0.54%; N 0.36%；RE 0.054%;P 0.030%; S 0.022%;余为Fe，轧辊芯部石墨钢钢水的化学成分重量%为：C 1.77%;Si 1.93%; Mn 0.43%; Ni 0.95%; Cr 0.12%; Mo 0.11%;P 0.029%; S 0.022%; 其余为Fe。

工作层高速钢钢水出钢静置后扒渣，立即浇入到转速为800转/分钟高速旋转的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1548℃，浇铸时铸型的温度为128℃，铸型内涂料厚度为3mm；当工作层的高速钢液刚刚凝固时离心机停机，将已凝固的工作层连同铸型一起从离心机上吊起与用于轧辊上下辊颈部分的铸型配合后，再浇入用于复合轧辊芯部的石墨钢钢水，芯部石墨钢钢水的浇注温度为1545℃。

实施例2：将用做轧辊工作层的高速钢液和用做轧辊芯部的石墨钢液分别冶炼，轧辊工作层高速钢钢水的化学成分重量%为：C 1.21%; Si0.95%; Mn 0.46%; Cr 5.09%; Mo 3.11%; Ni 0.81%；V1.52%; W 1.73%; N 0.08%；RE 0.042%;P 0.020%; S 0.023%;余为Fe，轧辊芯部石墨钢钢水的化学成分重量%为：C 1.91%; Si2.02%; Mn 0.58%; Ni 0.56%; Cr 0.13%; Mo 0.09%; P0.032%; S 0.018%; 其余为Fe。

工作层高速钢钢水出钢静置后扒渣，立即浇入到转速为800转/分钟高速旋转的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1526℃，浇铸时铸型的温度为112℃，铸型内涂料厚度为2.0mm；当工作层的高速钢液刚刚凝固时停机，将已凝固的工作层连同铸型一起从离心机上吊起与用于轧辊上下辊颈部分的铸型配合后，再浇入用于复合轧辊芯部的石墨钢液，芯部石墨钢液的浇注温度为1517℃。

实施例3：将用做轧辊工作层的高速钢液和用做轧辊芯部的石墨钢液分别冶炼，轧辊工作层高速钢钢水的化学成分重量%为：C 0.86%; Si1.34%; Mn 0.86%; Cr 7.03%; Mo 3.65%; Ni 1.20%；V1.11%; W 1.35%; N 0.19%；RE 0.071%;P 0.015%; S 0.020%;余为Fe，轧辊芯部石墨钢钢水的化学成分重量%为：C 1.32%; Si2.43%; Mn 0.79%; Ni 0.78%; Cr 0.09%; Mo 0.13%; P0.029%; S 0.017%;其余为Fe。

工作层高速钢钢水出钢静置后扒渣，立即浇入到转速为800转/分钟高速旋转的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1485℃，浇铸时铸型的温度为175℃，铸型内涂料厚度为2.5mm；当工作层的高速钢液刚刚凝固时停机，将已凝固的工作层连同铸型一起从离心机上吊起与用于轧辊上下辊颈部分的铸型配合后，再浇入用于复合轧辊芯部的石墨钢液，芯部石墨钢液的浇注温度为1478℃。

实施例4：将用做轧辊工作层的高速钢液和用做轧辊芯部的石墨钢液分别冶炼，轧辊工作层高速钢钢水的化学成分重量%为：C 1.02%; Si0.77%; Mn 0.56%; Cr 9.05%; Mo 2.66%; Ni 0.98%；V0.65%; W 0.85%; N 0.28%；RE 0.113%;P 0.017%; S 0.019%;余为Fe，轧辊芯部石墨钢钢水的化学成分重量%为：C 1.58%; Si1.96%; Mn 0.74%; Ni 0.86%; Cr 0.16%; Mo 0.17%; P0.031%; S 0.018%;其余为Fe。

工作层高速钢钢水出钢静置后扒渣，立即浇入到转速为800转/分钟高速旋转的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1520℃，浇铸时铸型的温度为159℃，铸型内涂料厚度为4.0mm；当工作层的高速钢液刚刚凝固时停机，将已凝固的工作层连同铸型一起从离心机上吊起与用于轧辊上下辊颈部分的铸型配合后，再浇入用于复合轧辊芯部的石墨钢液，芯部石墨钢液的浇注温度为1499℃。

本发明实施例四批复合轧辊工作层高速钢与芯部石墨钢的化学成分均列入表1中。为了对比方便，我们同时还列举了一组现有技术的复合轧辊成分也列入表1中。本发明实施例复合轧辊与现有技术轧辊性能的对比结果列入表2。本发明实施例复合轧辊与现有技术轧辊使用结果的对比列入表3。

本发明技术高速钢复合轧辊的生产结果，由表2可以看出工作层韧性提高了60%左右，轧辊芯部抗拉强度提高了30—40%，轧辊制造成本降低了30—35%，合格率提高了20%左右。采用本发明技术所生产的8支高速钢轧辊全部合格，产品合格率为100%，而采现有技术生产的轧辊，在热处理过程中往往由于轧辊芯部产生断裂而报废，产品合格率一般只有75—85%。由于产品合格率的提高和对轧辊合金成分的优化，轧辊制造成本相对于现有技术产品可降低30—35%。由表3中可以看到，本发明8支高速钢复合轧辊在棒材轧机切分轧制K3机架上使用时，每对轧辊单槽平均轧钢量是现有技术轧辊单槽平均轧钢量的2倍，并且切分仞没有出现掉块，而现有技术轧辊通常在第一轮使用时，切分仞便出现掉块，造成无法正常轧制生产，同时由于本发明技术轧辊芯部强度高，轧辊在上机使用过程中没有发生断辊现象。

表1 本发明实施例与现有技术的复合轧辊各部位成分重量%的对比

表2 本发明实施例复合轧辊与现有技术轧辊性能对比

表3 本发明实施例复合轧辊与现有技术轧辊使用结果对比

Claims

1.一种高韧性高速钢复合轧辊，其特征在于，该复合轧辊的工作层为高韧性高速钢材料，根据轧材品种和规格的需要，轧辊工作层的厚度在30-70mm，轧辊芯部为石墨钢材料，工作层高速钢材料与芯部石墨钢材料为冶金结合，两种不同性质的材料通过离心铸造复合而成；

所述的复合轧辊工作层高韧性高速钢材料的化学成分重量%为：C 0.5-1.3%; Si 0.5-1.5%; Mn 0.4-1.0%; Cr 5.0-10.0%; Mo2.0-5.0%; Ni 0.5-1.5%；W 0.1-2.0%; V 0.1-2.0%;N 0.05-0.6%；RE 0.01-0.5%;P＜0.03%; S＜0.025%；余为Fe。

2.根据权利要求1所述的高韧性高速钢复合轧辊，其特征在于，所述的石墨钢材料的化学成分重量%为：C 1.2-2.0%; Si 1.5-2.5%; Mn0.3-1.0%; Ni 0.2-1.2%; Cr 0.01-0.2%; Mo 0.01-0.2%; P＜0.035%; S＜0.03%; 其余为Fe。