离心铸造半钢/石墨钢复合辊环及其制备方法

摘要

一种离心铸造半钢/石墨钢复合辊环及其制备方法属于轧钢技术领域。现有半钢辊环存在硬度低、耐磨性差、制备周期长和能耗高等问题。本发明通过将成分(wt％)为2.0－2.4C、3.0－3.5Cr、0.3－0.6Si、0.5－0.8Mn、0.6－1.2W、0.5－1.0V、0.2－0.4Ti、0.10－0.25Nb、0.08－0.20Re、0.12－0.20Al、0.003－0.006B、0.03－0.06Ca、P≤0.04、S≤0.03，余量为Fe的外层半钢和内层石墨钢离心浇铸成型制得复合辊环。本发明辊环的硬度高、耐磨性好，制备工艺简单，成本低。

说明书

技术领域

本发明属于轧钢技术领域，具体涉及一种离心铸造半钢辊环及其制备方法，特别涉及一种离心铸造半钢/石墨钢复合辊环及其制备方法。

背景技术

铸造半钢(国外又被称为Adamite)辊环综合了铸钢与铸铁两者的优点，其强韧性和热疲劳性能接近于铸钢辊环而优于铸铁辊环，硬度与耐磨性接近于铸铁辊环而好于铸钢辊环，因此，在国外冶金轧钢行中业得到了广泛的应用，特别在大型H型钢生产中的应用极为广泛。目前，半钢辊环主要采用锻造和普通铸造方法生产，前者组织致密，但工艺复杂，材料利用率低，生产周期长，生产成本高。后者组织致密性差，辊面硬度均匀性也差，使用寿命较短，元素偏析严重，碳化物呈连续网状分布于晶界，使半钢强度和韧性下降。为了改善碳化物的形态和分布，往往需要在1050-1100℃扩散退火，800-820℃球化退火，900-950℃正火和600-650℃回火热处理(王贵明，王璞琪，孙铎基.铸造半钢轧辊的研制.钢铁，1984年第5期，29-36页)，热处理周期长，能耗高。目前，铸造半钢辊环的铬、碳含量普遍较低，其中，铬含量一般控制在2％以下，碳含量一般控制在1.7％以下，由于铬、碳含量低，凝固组织中碳化物耐磨硬质相的数量少，基体中固溶的铬也较少，辊环硬度低，耐磨性差。为了提高半钢辊环的硬度，改善耐磨性，美国专利US4000010公开了一种高碳半钢轧辊材料，含有1.5-2.5％C，0.2-1.0％Si，0.5-1.0％Mn，0.5-3.0％Cr，0.2-3.0％Mo，0-2.0％V。为了进一步提高半钢轧辊材料的耐磨性，美国专利US3968551还公开了一种含钴半钢轧辊材料，其主要成分为1.0-2.2％C，0.5-0.8％Si，0.5-0.8％Mn，0.5-1.0％Ni，1.0-2.0％Cr，0.1-1.0％Mo，0.5-2.0％Co。由于钴元素价格昂贵，导致含钴半钢轧辊材料生产成本升高。中国发明专利CN1861828公开了合金半钢复合辊环及制备方法，是对热或冷轧铸造合金半钢复合辊环及制备方法的改进，半钢工作层成份为：C1.80-2.20％，Si0.50-0.80％，Mn0.80-1.10％，Ni1.20-1.70％，Cr2.80-3.20％，Mo0.40-0.60％，P≤0.03％，S≤0.03％，余量为Fe及少量残余元素。铬、碳含量的提高，有利于提高半钢辊环的硬度和耐磨性，但也带来的半钢辊环强度和韧性下降，使用中易萌生裂纹、甚至出现剥落和断辊的不足。

发明内容

本发明目的在于解决上述现有技术中的问题，而提供一种离心铸造半钢/石墨钢复合辊环及其制备方法。本发明所提供的离心铸造半钢/石墨钢复合辊环硬度和强度高、耐磨性和韧性好、生产周期短，成本低。

本发明所提供的一种离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的外层材料为半钢，内层材料为石墨钢，外层半钢的化学成分为(重量％)：2.0-2.4C、3.0-3.5Cr、0.3-0.6Si、0.5-0.8Mn、0.6-1.2W、0.5-1.0V、0.2-0.4Ti、0.10-0.25Nb、0.08-0.20RE、0.12-0.20Al、0.003-0.006B、0.03-0.06Ca、P≤0.04、S≤0.03，余量为Fe；内层石墨钢的化学成分为(重量％)：1.4-1.8C、1.5-2.0Si、0.5-0.8Mn、0.3-0.5Cr、0.8-1.0Cu、0.03-0.06RE、0.02-0.04Mg、Ca＜0.03、Al＜0.05、P＜0.04、S＜0.03，余量为Fe。

本发明所提供的离心铸造半钢/石墨钢复合辊环可采用电炉生产，具体步骤如下：

1)熔化外层半钢：

①将普通废钢、生铁、增碳剂、铬铁、硅铁、锰铁和钨铁混合加热熔化，钢水熔清后加入钒铁，炉前调整成分合格后将温度升至1640-1660℃，依次加入硅-钙合金、铝、钛铁和铌铁，而后出炉；

②将稀土硅铁和硼铁破碎至粒度为6-10mm的小块，于180-220℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对步骤①中的钢水进行复合变质处理，得到外层钢水；

2)熔化内层石墨钢：将废钢、石墨块、硅铁、锰铁、铬铁和铜板混合加热熔化，炉前调整成分合格后将温度升至1630-1660℃，在浇包内加入占内层钢水总重量0.4-0.6％的稀土镁合金、0.5-0.8％的硅-钙合金和0.05-0.12％的Al，并用铸铁屑覆盖，避免冲入内层钢水时漂浮，随后将内层钢水冲入浇包，稀土镁合金使石墨发生球化反应，待球化反应完毕后充分搅拌、扒渣，包内钢水加保温剂覆盖；

3)在离心机上浇注半钢复合辊环：当铸型温度为150-180℃时浇注外层钢水，外层钢水浇注温度为1520-1540℃，外层钢水总重量的70％-80％浇入铸型后，将已预热的保护渣在浇道内随流均匀撒入，待铸型内外层钢水内表面温度降至1060-1080℃时，开始浇注内层钢水，内层钢水浇注温度为1510-1530℃；

4)当复合辊环凝固成型后，置于保温坑或保温炉缓冷，粗加工；

5)将粗加工后的复合辊环于940-960℃保温4-6小时后，风冷，再于550-600℃保温6-10小时后，炉冷至150-200℃，空冷，精加工，得到离心铸造半钢/石墨钢复合辊环。

本发明外层半钢成分的主要特点是碳含量和铬含量较高，较高的碳、铬含量，可形成高硬度碳化物，有利于提高半钢的硬度，并改善耐磨性。但是，半钢中仅提高铬、碳含量，而不改善碳化物形态和分布并细化其组织，使用中易出现开裂、掉块、剥落和断裂等现象，影响轧机的正常运行。因此，本发明在提高半钢中碳、铬含量基础上，通过Ti、Nb、RE、Al、B和Ca等元素的加入，使网状碳化物断网，且分布均匀性也得到了明显改善，促进半钢综合力学性能的提高。加之在离心力作用下凝固，凝固速度较快，可得到致密细小的铸态组织，因此本发明可取消高温扩散退火+球化退火工艺，缩短了生产周期，并具有良好的节能效果。由于钼、镍元素价格高，加入辊环中会增加辊环生产成本，本发明半钢中取消了钼、镍元素的加入，为了确保辊环具有优良的耐磨性，除了提高铬、碳含量外，还加入钒、钨元素，加入钒元素可与碳结合，生成高硬度的MC型碳化物，且呈孤立块状分布，代替网状的M₃C型碳化物，既可提高半钢辊环的耐磨性，还可改善其韧性。加入钨元素，部分进入碳化物，有利于提高碳化物硬度，改善半钢辊环耐磨性，部分进入基体，可提高辊环的抗回火稳定性。另外，微量硼的加入，可改善半钢辊环的淬透性，使辊环工作层具有良好的耐磨性。

本发明与现有技术相比具有以下特点：

1)本发明离心铸造半钢/石墨钢复合辊环，外层采用碳、铬含量较高的半钢，具有硬度高和耐磨性好的特点，内层采用石墨钢，与外层在离心力作用下，实现了良好的冶金结合，内层强度高、韧性好，复合辊环具有优异的综合性能。

2)本发明复合辊环不含价格昂贵的镍、钼、钴等合金元素，具有较低的生产成本。

3)本发明复合辊环在是在离心力作用下凝固的，凝固速度较快，可得到致密细小的铸态组织，Ti、Nb、RE、Al、B和Ca等元素的加入，使网状碳化物断网，且分布也得到了明显改善，本发明复合辊环取消了高温扩散退火+球化退火工艺，只需采用简单的风冷淬火+回火热处理工艺，即可满足使用要求，因此可缩短生产周期，节约能源，简化生产工艺，降低辊环生产成本。

4)本发明离心铸造半钢/石墨钢复合辊环外层硬度为62-65HSD，抗拉强度大于800Mpa，冲击韧性大于40J/cm²，内层硬度为44-46HSD，抗拉强度大于700Mpa。

5)本发明离心铸造半钢/石墨钢复合辊环在H型钢轧机的水平辊和立辊上都具有良好的使用效果，使用中不粘钢、不剥落、不断裂，使用寿命比50CrNiMo锻钢辊环提高60％以上，比普通含镍、钼半钢辊环提高40％，而生产成本比普通含镍、钼辊环降低15％-20％。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详述。

具体实施方式

下述实施例中均采用1500公斤中频感应电炉熔炼离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的内层半钢和外层石墨钢。

实施例1

1)熔化外层半钢：

①将普通废钢、生铁、增碳剂、铬铁、硅铁、锰铁和钨铁混合加热熔化，钢水熔清后加入钒铁，炉前调整成分合格后将温度升至1643℃，依次加入硅-钙合金、铝、钛铁和铌铁，而后出炉；

②将稀土硅铁和硼铁破碎至粒度为6-10mm的小块，于200℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对步骤①中的钢水进行复合变质处理，得到外层钢水；

2)熔化内层石墨钢：将废钢、石墨块、硅铁、锰铁、铬铁和铜板混合加热熔化，炉前调整成分合格后将温度升至1658℃，在浇包内加入占内层钢水总重量0.6％的稀土镁合金、0.5％的硅-钙合金和0.12％的Al，并用铸铁屑覆盖，随后将内层钢水冲入浇包，稀土镁合金使石墨发生球化反应，待球化反应完毕后充分搅拌、扒渣，包内钢水加保温剂覆盖；

3)用卧式离心机浇注半钢复合辊环：当铸型温度为177℃时浇注外层钢水，外层钢水浇注温度为1525℃，外层钢水总重量的70％浇入铸型后，将已预热的保护渣在浇道内随流均匀撒入，待铸型内外层钢水内表面温度降至1075℃时，开始浇注内层钢水，内层钢水浇注温度为1526℃；

4)当复合辊环凝固成型后，开箱置于保温坑缓冷，粗加工；

5)将粗加工后的复合辊环于960℃保温4小时后，风冷，再于600℃保温6小时后，炉冷至200℃，空冷，精加工，得到离心铸造半钢/石墨钢复合辊环，其成分见表1，其力学性能见表2。

  元素  C  Cr  Si  Mn  W  V  Ti  Nb  外层  2.23  3.26  0.45  0.73  0.98  0.77  0.31  0.20  内层  1.64  0.33  1.79  0.66  -  -  -  -  元素  Al  B  Ca  Cu  RE  Mg  S  P  外层  0.181  0.005  0.048  -  0.116  -  0.027  0.035  内层  0.027  -  0.012  0.92  0.051  0.032  0.014  0.031

表1离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的化学成分(重量％)

  力学性能  硬度/HSD  抗拉强度/Mpa  冲击韧性/(J/cm²)  外层  63.9  847.8  45.3  内层  45.3  736.0  -

表2离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的力学性能

实施例2

1)熔化外层半钢：

①将普通废钢、生铁、增碳剂、铬铁、硅铁、锰铁和钨铁混合加热熔化，钢水熔清后加入钒铁，炉前调整成分合格后将温度升至1659℃，依次加入硅-钙合金、铝、钛铁和铌铁，而后出炉；

②将稀土硅铁和硼铁破碎至粒度为6-10mm的小块，于180℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对步骤①中的钢水进行复合变质处理，得到外层钢水；

2)熔化内层石墨钢：将废钢、石墨块、硅铁、锰铁、铬铁和铜板混合加热熔化，炉前调整成分合格后将温度升至1633℃，在浇包内加入占内层钢水总重量0.4％的稀土镁合金、0.8％的硅-钙合金和0.08％的Al，并用铸铁屑覆盖，随后将内层钢水冲入浇包，稀土镁合金使石墨发生球化反应，待球化反应完毕后充分搅拌、扒渣，包内钢水加保温剂覆盖；

3)用卧式离心机浇注半钢复合辊环：当铸型温度为154℃时浇注外层钢水，外层钢水浇注温度为1536℃，外层钢水总重量的80％浇入铸型后，将已预热的保护渣在浇道内随流均匀撒入，待铸型内外层钢水内表面温度降至1062℃时，开始浇注内层钢水，内层钢水浇注温度为1514℃；

4)当复合辊环凝固成型后，开箱置于保温炉缓冷，粗加工；

5)将粗加工后的复合辊环于940℃保温6小时后，风冷，再于550℃保温9小时后，炉冷至160℃，空冷，精加工，得到离心铸造半钢/石墨钢复合辊环，其成分见表3，其力学性能见表4。

  元素  C  Cr  Si  Mn  W  V  Ti  Nb  外层  2.03  3.49  0.58  0.55  0.61  0.50  0.38  0.10  内层  1.40  0.31  1.98  0.52  -  -  -  -  元素  Al  B  Ca  Cu  RE  Mg  S  P  外层  0.124  0.006  0.032  -  0.095  -  0.025  0.037  内层  0.036  -  0.018  0.99  0.035  0.026  0.016  0.030

表3离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的化学成分(重量％)

  力学性能  硬度/HSD  抗拉强度/Mpa  冲击韧性/(J/cm²)  外层  62.8  841.7  46.4  内层  44.6  728.9  -

表4离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的力学性能

实施例3

1)熔化外层半钢：

①将普通废钢、生铁、增碳剂、铬铁、硅铁、锰铁和钨铁混合加热熔化，钢水熔清后加入钒铁，炉前调整成分合格后将温度升至1648℃，依次加入硅-钙合金、铝、钛铁和铌铁，而后出炉；

②将稀土硅铁和硼铁破碎至粒度为6-10mm的小块，于220℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对步骤①中的钢水进行复合变质处理，得到外层钢水；

2)熔化内层石墨钢：将废钢、石墨块、硅铁、锰铁、铬铁和铜板混合加热熔化，炉前调整成分合格后将温度升至1647℃，在浇包内加入占内层钢水总重量0.5％的稀土镁合金、0.67％的硅-钙合金和0.09％的Al，并用铸铁屑覆盖，随后将内层钢水冲入浇包，稀土镁合金使石墨发生球化反应，待球化反应完毕后充分搅拌、扒渣，包内钢水加保温剂覆盖；

3)用卧式离心机浇注半钢复合辊环：当铸型温度为165℃时浇注外层钢水，外层钢水浇注温度为1530℃，外层钢水总重量的74％浇入铸型后，将已预热的保护渣在浇道内随流均匀撒入，待铸型内外层钢水内表面温度降至1080℃时，开始浇注内层钢水，内层钢水浇注温度为1522℃；

4)当复合辊环凝固成型后，开箱置于保温坑缓冷，粗加工；

5)将粗加工后的复合辊环于950℃保温5小时后，风冷，再于580℃保温8小时后，炉冷至180℃，空冷，精加工至规定尺寸和精度，得到离心铸造半钢/石墨钢复合辊环，其成分见表5，其力学性能见表6。

  元素  C  Cr  Si  Mn  W  V  Ti  Nb  外层  2.39  3.03  0.30  0.79  1.16  0.98  0.21  0.24  内层  1.78  0.46  1.50  0.77  -  -  -  -  元素  Al  B  Ca  Cu  RE  Mg  S  P  外层  0.198  0.003  0.059  -  0.081  -  0.024  0.033  内层  0.030  -  0.011  0.80  0.057  0.039  0.016  0.031

表5离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的化学成分(重量％)

  力学性能  硬度/HSD  抗拉强度/Mpa  冲击韧性/(J/cm²)  外层  64.8  850.3  43.6  内层  45.7  739.4  -

表6离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的力学性能

取本发明所制备的离心铸造半钢/石墨钢复合辊环在H型钢万能轧机上用做水平辊和立辊。由于H型钢的尺寸、几何公差要求严格，辊环宽度的磨损量不应大于0.2mm，必须具有较高的硬度和良好的耐磨性，另外，辊环在高温下轧制H型钢，需要承受很大的扭力矩，为满足使用要求，辊环还需具备较好的抗热裂性能，较好的强韧性及抗粘钢性能。本发明辊环外层高碳半钢硬度高、耐磨性好，内层石墨钢强度高、韧性好，内外层冶金结合良好，复合辊环具有优异的综合性能，在H型钢轧机的水平辊和立辊上都具有良好的使用效果，使用中不粘钢、不剥落、不断裂，使用寿命比50CrNiMo锻钢辊环提高60％以上，比普通含镍、钼半钢辊环提高40％，而生产成本比普通含镍、钼半钢辊环降低15％-20％。本发明辊环可以显著提高H型钢轧机作业率，降低H型钢生产成本，具有很好的经济效益。