一种含硼低合金高速钢轧辊及其制造方法

摘要

本发明属于轧钢技术领域，涉及一种轧辊，特别涉及一种含硼低合金高速钢轧辊及其制造方法。所述轧辊包括辊身和辊芯两部分组成，辊身的化学成分按照重量百分比计算为：C：0.7~0.8，Cr：1.3~2.4，B：2.50~3.0，W：1.0~1.5，V：1.0~1.5，Si：≤1.0，Mn：≤0.4，Ti：0.09~0.12，Mg：0.16~0.19，RE：0.10~0.12，P：≤0.03，S≤0.03，余量为Fe和不可避免的微量杂质，辊芯为球墨铸铁。本发明的所述轧辊的制造方法为熔炼-脱氧合金化-稀土镁复合变质处理后采用离心浇注，再经热处理后加工成成品；本发明的主要优点是耐磨颗粒以硼化物颗粒为主，降低合金元素添加量，从而降低生产成本，并且硬度高、耐磨性和抗热疲劳性能好，材质均匀后期抗事故性强。

说明书

技术领域

本发明属于轧钢技术领域，涉及一种轧辊，特别涉及一种含硼低合金高速钢轧辊及其制造方法。

背景技术

轧辊是轧钢生产中的主要消耗备件，轧辊质量直接影响轧材的表面质量、轧机作业的生产率和轧材生产成本；故提高轧辊的质量，降低轧辊的合金成分，节约轧辊的生产成本一直都是生产企业所关注的焦点。

常用的热轧辊材质有高镍铬无限冷硬铸铁轧辊、半钢轧辊和高铬铸铁轧辊，它们因为其优良的使用性能而得到了广泛的应用，但是高镍铬无限冷硬铸铁轧辊中，碳化物M3C型为主，且碳化物呈连续网状分布，因而轧辊的耐磨性差，脆性大；半钢轧辊中的合金碳化物数量较少，故轧辊的硬度低，易磨损；高铬铸铁轧辊中由于铬元素的大量加入，使得以M3C型的连续网状分布的碳化物转变成为以M7C3型的断续状分布的碳化物，增强了轧辊的耐磨性能；但是因为铬元素的含量较高，轧辊的导热性能较差，在铸造和热处理的过程中，轧辊易开裂，使得轧辊生产的废品率升高；而且为了改善高铬铸铁轧辊的淬透性，还要加入一定数量的镍元素，在一定程度上提高了轧辊制造的成本。

硼元素是一种能显著改善耐磨材料的淬透性和淬硬性的合金元素，我国的硼存量极为丰富，且价格低廉，硼在耐磨材料领域已经获得了较好的应用；中国发明专利CN1037548公开了一种低铬硼多元合金耐磨铸铁，其化学成分（重量%）为：C：1.75~3.0，Cr：1.5~4.0，B：0.07~0.4，Mo：0.2~1.0，Cu：0.8~1.3，Mn：0.4~0.8，Si：0.4~1.2，P≤0.08，S≤0.08，Re：0.01~0.05，余量为Fe；中国发明专利CN1506487公开了一种多元合金铸铁，其化学成分(重量%)为：C：1.5~3.5，Cr：1.0~4.0，B：0.1~0.5，Mo：0.25~1.0，Cu：0.8~1.25，Mn：0.4~0.6，P：0.45~0.85，余量为Fe；都表明硼元素的加入，不仅降低铸铁中的铬元素的含量，还使得耐磨铸铁的硬度增加，从而耐磨性得到改善，其综合性能较为优秀。

硼元素应用于高速钢轧辊制造中，利用硼化物代替高速钢中的部分碳化物可以提高钢的性能，特别是耐磨性能，同时利用硼化物析出性能比碳化物析出能力更强的特点，可以降低高速钢中合金元素的添加量，从而实现低成本；另外，需要优化含硼高速钢新材料的热处理制度，从而实现高速钢轧辊材料的高性能和长寿命，降低轧辊消耗；中国发明专利CN102409267A公开了一种含硼高速钢轧辊，其化学成分（重量%）为：C：0.95~1.15，Cr：8.5~9.0，B：0.4~0.6，Mo：1.0~1.2，W：0.5~0.8，V：0.5~0.8，Al：1.6~1.8，N：0.18~0.25，Cu：0.4~0.6，Si：1.2~1.4，RE：0.06~0.10，Mg：0.03~0.06，Ti：0.04~0.08，K：0.025~0.045，Na：0.023~0.045，Te：0.02~0.04，Bi：0.02~0.04，Mn≤0.5，S≤0.025，P≤0.030，余量为Fe和不可避免的杂质；该轧辊由于硼元素的加入，使得具有耐磨性好和辊颈强度高、韧性好等特点；中国发明专利CN101805869A公开了一种含硼高铬高速钢轧辊材料，其化学成分（重量%）为：C：2.6~3.0，Cr：24~28，B：0.5~0.8，Mo：2.0~2.8，W：1.0~1.5，Nb：0.6~1.0，V：1.0~1.5，Ni：0.7~1.2，Si：0.5~1.0，Mn：0.5~1.2，Ca：0.008~0.015，Zn：0.06~0.08，Ta：0.02~0.05，RE：0.03~0.06，K：0.04~0.10，余量为Fe和不可避免的微量杂质；由于硼元素的加入而使得轧辊的耐磨性得到显著的提高；但是，现有技术中的含硼轧辊的合金成分匹配性方面需要优化，主要的不足是硼元素的含量低导致硼化物析出量不足，为保持足够硼化物析出量而增加过剩的昂贵合金元素如钨、钼、钒、铌、钴等合金元素，不仅增加了合金元素消耗和生产成本，而且，过剩合金元素析出物控制难度大，导致轧辊的耐磨性和后期抗事故性差等问题，需要发明一种新的轧辊材质及相应的热处理方法。

发明内容

本发明针对目前我国冶金轧辊用高速钢材料存在的重要问题，即昂贵合金元素含量高导致成本高而耐磨性和抗事故性差等造成的寿命低的关键瓶颈，目的是在高速钢轧辊中使用廉价的硼取代价格昂贵的钨、钼、钒、铌、钴等合金元素，促进轧辊成本的明显降低和性能的大幅度提高，从而节约生产成本，提高轧辊的使用能力和安全性；硼与铁的反应可以可生成高硬度的硼化物，有利于改善轧辊的耐磨性；适当过剩的硼元素加入还可以改善轧辊的淬透性和淬硬性，另外加入钛、钇、镁等元素可以有效的改善硼化物的形态和分布，提高高硼低合金高速钢的强度和韧性；钒含量的降低，则可以明显减轻离心铸造时钒元素的偏析，对于提高和稳定轧辊性能有着较好的效果。

实现本发明目的的技术方案是：

本发明包括辊身和辊芯两部分组成，辊身其化学成分（重量%）为：C：0.7~0.8，Cr：1.3~2.4，B：2.50~3.0，W：1.0~1.5，V：1.0~1.5，Si：≤1.0，Mn：≤0.4，Ti：0.09~0.12，Mg：0.16~0.19，RE：0.10~0.12，P：≤0.03，S≤0.03，余量为Fe和不可避免的微量杂质。

上述的高硼低合金高速钢轧辊的制造方法，所述的工艺步骤为：

1）轧辊合金材料采用电炉熔炼；用高速钢的废料废钢、生铁、钨铁、钒铁混合加热熔化；钢水熔清后加入铬铁；高速钢废料、生铁都是含C、Si、Mn的原料；

2）炉前调整C、W、V、Si、Mn成分符合本发明的范围后，将温度升至1560~1600℃，加入铝钙镁铈合金脱氧，而后依次加入铬铁、钛铁，当钢水升至1630~1650℃时出炉，同时将加热至1200~1300℃且破碎至的7~10mm的硼铁颗粒随流冲入钢包，由于钢液已经采用了铝钙镁铈合金进行深度脱氧，随钢流加入的硼铁颗粒的氧化被控制，实现高硼；铬在脱氧前会有少量氧化，第二次加入铬铁的目的是准确控制含量范围。

3）钢包底部内预先加入稀土镁合金，经过200~230℃烘干后，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

4）钢水出炉4~6分钟后，对钢包进行吹氩净化，吹氩时间为4~8分钟，钢水温度达到1470~1490℃即可进行浇注；

5）浇注的方法采用离心铸造方法进行浇注轧辊辊身；然后使用球墨铸铁浇注辊芯；

6）浇注好的轧辊要进行等温退火处理，退火加热温度为1000~1040℃，保温时间为10~12小时，随炉冷却至700℃以下后，空冷至室温，进行粗加工；

7）粗加工后的轧辊加热至900~950℃，保温7~10小时后，出炉风冷30~50分钟，然后进行淬火处理；淬火采用喷水雾冷却轧辊；温度低于400℃进行回火处理；

8）在轧辊回火过程中，先将轧辊加热至560~580℃，保温6~10小时后，随炉冷至200℃以下，空冷，然后在相同工艺下回火两次；

9）将经过回火处理好后的轧辊精加工至规定的尺寸和精度。

轧辊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，本发明的化学成分是这样确定的：

碳：碳主要与强碳化物形成MC、M2C、M6C、M2C3等高硬度和高热稳定性的碳化物，提高耐磨性和红硬性；由于高速钢轧辊需要足够的耐磨性，故轧辊工作层中的碳化物含量不能过低；碳在熔炼的过程中还可以避免铁水被过分氧化；在高速钢轧辊凝固过程中，随着碳含量的增加，液相线温度降低，钢水流动性和铸造性能得到一定的改善，初晶奥氏体量减少，晶粒细化，碳化物含量增多；但是碳含量过高，虽然硬度和红硬性高，但碳化物不均匀性增加，使高速钢的塑性和韧性变坏，综合力学性能低劣；同时碳含量增加，使得钢淬火后残留奥氏体增加，回火次数相应增加，能耗上升；碳含量过高，还会引发铸造裂纹，高速钢中会出现网状的M3C型碳化物，增大材料脆性；碳含量超过3.0%以后，抗热冲击性能明显下降；同时还会产生碳化物偏析，降低轧辊的使用性能；综合考虑碳含量控制在0.7%~0.8%之间。

铬：高速钢轧辊的淬透性主要依靠铬；铬首先形成碳化物M3C、M23C6，这些碳化物在淬火加热时基本都溶于基体中，增加了基体的稳定性，使高速钢轧辊产生较高的淬透性；铬还可以调节基体的碳平衡，能提高抗氧化脱碳和抗腐蚀能力；但铬含量过高会在回火时形成不稳定碳化物，降低稳定性和红硬性；铬在离心浇注过程中也容易产生偏析。

硼：硼元素的蕴含量在我国十分丰富，价格低廉而且稳定，在普通的钢铁材料中加入硼元素，通过调节合金中硼含量和碳含量，来控制硼化物的体积百分数和基体的含碳量，从而使材料具有优异的耐磨性和强韧性；根据Fe-B二元合金相图可知，硼在γ相中的最大固溶度为0.02%，使得多余的B原子富集于晶界上，形成硬质相硼化物；由于硼化物的形成，使碳在剩余液相中的相对含量升高，室温下，大部分共晶γ相转变为α-Fe，未转变的γ相以残余奥氏体的形式存在于基体中；碳硼化合物沿晶界呈网状分布，局部会有断网和缩颈现象；硼元素主要会形成Fe2（B，C）硼化物，其硬度高，热稳定性好，基体组织为铁素体、珠光体和马氏体；适量的硼进入基体还可以提高基体的淬透性和淬硬性，有利于轧辊的使用寿命的延长；但是Fe2（B，C）硼化物沿晶界呈网状分布，会使高速钢轧辊的脆性增大，韧性降低，故硼含量不可过高；综合考虑硼含量应控制在2.50%~3.0%之间。

钨：钨是促进高速钢抗回火性和红硬性的首选元素；钨主要形成Fe4W2C和少量的W2C；淬火时，一部分Fe4W2C溶入基体，在回火时以W2C形式弥散析出，造成二次硬化，提高硬度和红硬性；另一部分碳化物可以阻止奥氏晶粒长大，提高耐磨性；钨还有一定的抗氧化性；若钨含量太高会使轧辊中形成鱼骨状易碎的M6C型碳化物，降低其耐磨性；另外，钨元素易产生偏析，恶化轧辊表面的韧性；综合考虑钨含量应控制在1.0%~1.5%之间。

钒：钒能形成碳化物VC；回火时VC弥散析出，形成二次硬化；VC硬度高，晶粒度大，不易碎裂，主要成球团状或近球状弥散分布在基体上，可以提高材料的冲击韧性、硬度和耐磨性；钒还能有效的去除钢液中的杂质；但钒含量过高会增加钢的氧化性，而且大大提高轧辊材料的成本；综合考虑钒含量应控制在1.0%~1.5%之间。

硅：硅有一定的脱氧作用，但硅含量太高会形成粗大的M7C3型碳化物和铁素体，降低组织的韧性和强度，使得轧辊在使用中易出现龟裂，严重时产生工作面的剥落；综合考虑硅含量应不超过1.0%。

锰：锰可以降低马氏体的开始转变温度，但含量过高会使得轧辊组织粗大，铸造时出现热裂，同时淬火组织中残留奥氏体增加，轧辊的淬硬性下降；综合考虑锰含量应不超过0.4%。

钛：钛与硼易生成高强度的TiB2，呈断网状分布，使轧辊强度和韧性有较大的提高；高速钢轧辊经过钛元素的变质处理后，奥氏体晶粒和共晶组织发生明显细化，而且共晶碳化物出现明显颈缩；综合考虑钛的含量在0.09%~0.12%。

镁：镁是强脱氧、强脱硫元素，同时也是强成分过冷元素，在高硼低合金高速钢轧辊中加入适量的镁，有利于碳化物和硼化物的断网和分布孤立，从而提高高速钢轧辊的强度和韧性；综合考虑镁的含量控制在0.16%~0.19%。

稀土：包含钇基铈基等稀土元素在高速钢轧辊中可以细化奥氏体晶粒，变质夹杂物，改善碳化物的形态、改善组织，从而提高其塑性和韧性，提高热疲劳性能、抗热冲击性能、抗淬裂性能及高温的热加工性能；与不加稀土相比，在热循环时出现裂纹的循环次数提高42%~160%；但稀土过高会使强度和韧性降低；综合考虑稀土的含量控制在0.10%~0.12%。

硫和磷：硫和磷在高速钢轧辊中多以低熔点夹杂物的形式聚集于晶界，在高温加热过程中易出现局部熔化，降低钢的强度和塑性，因此硫和磷的含量应严格控制在0.03%以下。

本发明具有以下特点：

1）本发明以廉价的硼为主要的合金元素，不含价格昂贵的钴、镍、钼、铌等合金元素，而且钒、钛和钨的含量较少，因此本发明轧辊的生产成本较低，可节约20%~30%；

2）本发明的轧辊含有硬度高，耐磨性和热稳定性好的硼化物，具有较高的硬度和良好的耐磨性，硬度可达62~65GHRC，轧辊的淬硬层深度大于62mm；

3）本发明轧辊的碳含量较低，具有良好的抗热疲劳性能；

4）本发明轧辊加入铝钙镁铈合金脱氧和微合金化，并且加入稀土镁合金复合变质剂进行变质处理，因此轧辊中的夹杂物少，显微组织的纯净度高，且晶粒细小；

5）本发明轧辊应用于热轧带钢轧机和棒材轧机上，轧钢量比高镍铬无限冷硬铸铁轧辊提高4.5倍以上，比贝氏球铁轧辊提高3~4倍，而生产成本仅增加20%~25%。

具体实施方式

以下结合实施实例对本发明作进一步的阐述；实施实例仅用于说明本发明，而不是以任何方式限制本发明。

实施实例1

采用500公斤的中频感应电炉熔炼高硼低合金高速钢轧辊，具体工艺步骤如下：

1）轧辊合金材料采用电炉熔炼；用高速钢的废料废钢、生铁、钨铁、钒铁混合加热熔化；钢水熔清后加入铬铁；

2）炉前调整C、W、V、Si、Mn成分符合本发明的范围后将温度升至1520℃，加入铝钙镁铈合金脱氧，而后依次加入铬铁、钛铁、锰铁，当钢水升至1635℃时出炉，同时将加热至1230℃且破碎至的7~10mm的硼铁颗粒随流冲入钢包；

3）钢包底部内预先加入稀土镁合金作复合变质剂，经过203℃烘干后，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

4）钢水出炉4分钟后，对钢包进行吹氩净化，吹氩时间为4分钟，钢水温度达到1474℃进行浇注；

5）浇注的方法采用离心铸造方法进行浇注轧辊辊身；然后使用球墨铸铁熔液填充辊芯；

6）浇注好的轧辊进行等温退火处理，退火加热温度为1000℃，保温时间为10小时，随炉冷却至700℃以下，空冷至室温，进行粗加工；

7）粗加工后的轧辊加热至906℃，保温7小时后，出炉风冷34分钟，然后进行淬火处理；淬火采用喷水雾冷却轧辊；温度低于400℃时进行回火处理；

8）在轧辊回火过程中，先将轧辊加热至562℃，保温6.5小时后，随炉冷至200℃以下，空冷，然后在相同工艺下回火两次；

9）将经过回火处理好后的轧辊精加工至规定的尺寸和精度。

本实施例轧辊辊身化学成分见表1，辊身力学性能见表2。

表1轧辊辊身化学成分（质量分数，%）

元素CCrBWVSiMnTi成分0.691.322.531.121.200.540.220.08元素MgREPSFe   成分0.160.100.0320.027余量   

表2轧辊辊身力学性能

硬度/HRC冲击韧性/(J/cm2)抗拉强度/MPa淬硬层深度/mm63.213.6988.479.7

实施实例2

采用1000公斤的中频感应电炉熔炼高硼低合金高速钢轧辊，具体工艺步骤如下：

1）轧辊合金材料采用电炉熔炼；用高速钢的废料废钢、生铁、钨铁、钒铁混合加热熔化；钢水熔清后加入铬铁；

2）炉前调整C、W、V、Si、Mn成分符合本发明的范围后将温度升至1564℃，加入铝钙镁铈合金脱氧，而后依次加入铬铁、钛铁、锰铁，当钢水升至1644℃时出炉，同时将加热至1278℃且破碎至的7~10mm的硼铁颗粒随流冲入钢包；

3）钢包底部内预先加入稀土镁合金作复合变质剂，经过220℃烘干后，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

4）钢水出炉6分钟后，对钢包进行吹氩净化，吹氩时间为6分钟，钢水温度达到1482℃进行浇注；

5）浇注的方法采用离心铸造方法进行浇注轧辊辊身；然后使用球墨铸铁熔液填充辊芯；

6）浇注好的轧辊进行等温退火处理，退火加热温度为1023℃，保温时间为11小时，随炉冷却至700℃以下，空冷至室温，进行粗加工；

7）粗加工后的轧辊加热至925℃，保温8.5小时后，出炉风冷45分钟，然后进行淬火处理；淬火采用喷水雾冷却轧辊；温度低于400℃时进行回火处理；

8）在轧辊回火过程中，先将轧辊加热至575℃，保温8小时后，随炉冷至200℃以下，空冷，然后在相同工艺下回火两次；

9）将经过回火处理好后的轧辊精加工至规定的尺寸和精度。

本实施例轧辊辊身化学成分见表3，辊身力学性能见表4。

表3轧辊辊身化学成分（质量分数，%）

元素CCrBWVSiMnTi成分0.742.242.711.381.420.620.350.12元素MgREPSFe   成分0.190.120.0230.034余量   

表4轧辊辊身力学性能

硬度/HRC冲击韧性/(J/cm2)抗拉强度/MPa淬硬层深度/mm64.113.31004.882.4

实施实例3

采用1000公斤的中频感应电炉熔炼高硼低合金高速钢轧辊，具体工艺步骤如下：

1）轧辊合金材料采用电炉熔炼；用高速钢的废料废钢、生铁、钨铁、钒铁混合加热熔化；钢水熔清后加入铬铁；

2）炉前调整成分合格后将温度升至1604℃，加入铝钙镁铈合金脱氧，而后依次加入铬铁、钛铁、锰铁，当钢水升至1656℃时出炉，同时将加热至1300℃且破碎至的7~10mm的硼铁颗粒随流冲入钢包；

3）钢包底部内预先加入含稀土、镁合金等微量元素的复合变质剂，经过230℃烘干后，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

4）钢水出炉6分钟后，对钢包进行吹氩净化，吹氩时间为8分钟，钢水温度达到1488℃进行浇注；

5）浇注的方法采用离心铸造方法进行浇注轧辊辊身；然后使用球墨铸铁熔液填充辊芯；

6）浇注好的轧辊进行等温退火处理，退火加热温度为1045℃，保温时间为11小时，随炉冷却至700℃以下，空冷至室温，进行粗加工；

7）粗加工后的轧辊加热至946℃，保温10小时后，出炉风冷48分钟，然后进行淬火处理；淬火采用喷水雾冷却轧辊；温度低于400℃时进行回火处理；

8）在轧辊回火过程中，先将轧辊加热至582℃，保温10小时后，随炉冷至200℃以下，空冷，然后在相同工艺下回火两次；

9）将经过回火处理好后的轧辊精加工至规定的尺寸和精度。

本实施例轧辊辊身化学成分见表5，辊身力学性能见表6。

表5轧辊辊身化学成分（质量分数，%）

元素CCrBWVSiMnTi成分0.822.382.981.471.510.630.370.12元素MgREPSFe   成分0.190.120.0280.027余量   

表6轧辊辊身力学性能

硬度/HRC冲击韧性/(J/cm2)抗拉强度/MPa淬硬层深度/mm63.613.11012.581.6