CN103014532A - 一种高耐磨复合轧辊及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高耐磨复合轧辊及其制备方法，属于轧钢轧辊技术领域。轧辊工作层材料采用耐磨性好、具有高硬质相的碳化钨强化合金半钢，轧辊芯部采用石墨钢，轧辊工作层碳化钨强化合金半钢材料与轧辊芯部石墨钢材料为完全冶金结合。所述的轧辊工作层碳化钨强化合金半钢材料的化学成分重量百分数为：C1.2-2.1%，Si0.3-1.0%，Mn0.5-1.2%，Cr0.5-3.5%，Ni1.0-4.5%，Mo0.3-1.0%，P≤0.035%，S≤0.030%，WC0.1-5.0%，余量为Fe；所述的轧辊芯部石墨钢材料的化学成分重量百分数为：C1.4-1.8%，Si1.4-2.0%，Mn0.3-0.8%，Ni0.3-0.8%，Cr0.01-0.3%，Mo0.01-0.3%，P＜0.035%，S＜0.030%，余量为Fe。优点在于，轧辊耐磨性好、抗事故能力强、提高轧辊在线使用寿命和轧机作业率。

Description

一种高耐磨复合轧辊及其制备方法

技术领域

本发明属于轧钢轧辊技术领域，特别是提供了一种高耐磨复合轧辊及其制备方法，适用于热轧带钢轧机工作轧辊的制造。

背景技术

轧辊是轧钢生产中大量消耗的重要部件，轧辊质量的好坏不仅影响着轧材的表面质量，而且还影响着轧机的作业率，直接制约着企业的经济效益。2011年我国轧材产量达到8.813亿吨，如果每吨轧材平均辊耗为1.5kg/t,意味着全国每年需要消耗轧辊量大约为132万吨，需要消耗资金将高达210亿元以上，所以，提高轧辊使用寿命，降低轧辊消耗，对节能减排、实现绿色钢铁具有十分重要的意义。在现有的生产技术中，热轧带钢轧机工作轧辊通常采用离心复合高镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊，即NiCrMo无限冷硬Ⅳ铸铁轧辊，如日本专利技术JP6281206和JP61124532。离心复合高镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊在使用过程中存在的普遍问题是轧辊耐磨性差，甚至出现辊面裂纹、剥落等破坏性损坏，据统计，每年造成非正常性损坏的消耗占整个热轧带钢轧机工作轧辊消耗量的30%以上，对整个行业的经济效益造成很大的影响。出现这些问题的主要原因，一方面由于铸铁轧辊材料中仅仅依赖Fe₃C作为耐磨相，M₃C型碳化物显微硬度仅有840—1100HV，硬度低、耐磨性差；另一方面Fe₃C通常是以网状结构分布在基体中，因此，耐冷热疲劳强度低、抗热裂纹和韧性差，在使用过程中工作辊受到高温轧件和冷却水的交替作用，以及轧制压力和轧件冲击力的反复交变作用下，使辊面受到疲劳应力和剪切应力超出了材料的强度极限，从而造成辊面裂纹和剥落等破坏性损坏。

尽管专利CN 102274923A公开了一种铸件表面原位合成碳化钨基硬质合金涂层的方法，该方法采用真空消失模铸造工艺，将W粉、石墨粉和金属粉末混合，加入粘结剂制成粉末涂料膏剂，涂覆在EPS泡沫塑料模型表面活填充在模型的孔或槽内，在浇注过程中，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应，发生3W+2C→WC+W2C反应，形成碳化钨基硬质合金相，得到表面和局部自蔓延熔覆碳化钨基硬质合金涂层的铸件。

该方法从原理上是可行的，但是，该发明技术不足之处是碳化钨基硬质合金涂层只形成在铸件表面，而轧辊是要经过多次修复使用的磨损件，在整个工作层内力求于成分均匀、组织均匀、耐磨性相近，这一特征要求是该发明技术无法实施的。

发明内容

本发明目的在于提供一种高耐磨复合轧辊及其制备方法，该轧辊成分设计、制造工艺合理，所制造的轧辊强度高、韧性好、抗事故能力强、使用寿命长。

本发明的轧辊工作层材料采用耐磨性好、具有高硬质相的碳化钨强化合金半钢，轧辊芯部采用石墨钢，轧辊工作层碳化钨强化合金半钢材料与轧辊芯部石墨钢材料为完全冶金结合。

所述的轧辊工作层碳化钨强化合金半钢材料的化学成分重量百分数为：C1.2-2.1%，Si0.3-1.0%，Mn0.5-1.2%，Cr0.5-3.5%，Ni1.0-4.5%，Mo0.3-1.0%，P≤0.035%，S≤0.030%，WC0.1-5.0%，余量为Fe；

所述的轧辊芯部石墨钢材料的化学成分重量百分数为：C1.4-1.8%，Si1.4-2.0%，Mn0.3-0.8%，Ni0.3-0.8%，Cr0.01-0.3%，Mo0.01-0.3%，P＜0.035%，S＜0.030%，余量为Fe。

本发明轧辊制造方法是采用现有普遍使用的卧式离心铸造工艺方法将两种具有不同性质和作用的金属材料熔合成一体。首先将碳化钨颗粒按要求的粒度预制好，按轧辊工作层、芯部的具体成分要求进行分别冶炼，当用做轧辊工作层的半钢金属液化学成分及温度达到设定要求时出钢，外层钢水出钢扒渣后立即采用氩气为载体将碳化钨颗粒喷吹进钢水中，再浇入到高速旋转的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1450-1550℃，浇铸时铸型的温度为50-200℃，铸型内涂料厚度为2-5mm，离心机转速的线速度为8-15米/秒。用作轧辊工作层含有高硬度质点碳化钨颗粒的半钢钢水是在离心力作用下结晶凝固，致密度高、耐磨性好。

根据轧辊的规格及钢水量的多少，掌握钢水的浇注温度和浇注时间，从而有效地控制碳化钨颗粒的均匀分布和被熔化程度。浇注后立即对工作层内表面进行防护处理，在工作层的钢水刚刚凝固时迅速停机，将已凝固的工作层连同铸型一起从离心机上吊起与上下砂箱配合后，再浇入用做轧辊芯部的石墨钢钢水，芯部石墨钢钢水的浇铸温度为1450-1550℃。利用碳化钨高硬度质点的耐磨性，利用钢基的强度和韧性，通过卧式离心铸造的方法使两种具有不同性质的金属液熔合在一起，从而制成轧辊强韧性好、轧辊耐磨性高、使用寿命长的高耐磨性轧辊。

利用碳化钨高硬度质点的耐磨性，利用钢基的强度和韧性，通过卧式离心铸造的方法使两种具有不同性质的金属液熔合在一起，达到轧辊强韧性好、轧辊耐磨性高、使用寿命长的高耐磨性轧辊。

本发明一方面要求

本发明技术的产品主要应用于热轧带钢轧机工作辊，根据该机架产品轧制工艺特点，要求轧辊首先是耐磨性高，轧辊工作层材料组织中不仅要含有高硬度质点碳化钨颗粒为耐磨相，而且基体要有足够的强韧性，对碳化钨颗粒具有很高的镶嵌握持力；其次是轧辊抗热裂纹性能和抗剥落性能好；另一点就是轧辊不粘钢。所以，本项发明技术轧辊工作层母体材料采用的是特殊成分的合金半钢材料，而不是强韧性更高的合金钢材料。

本发明的一种新型高耐磨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，初生奥氏体量少，碳化物量增多，轧辊韧性降低；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1.2-2.1%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0.3-1.0%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，足够的Ni含量确保基体组织淬火成马氏体，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0.5-1.2%，Ni含量控制在1.0-4.5%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1600-1800HV，耐磨性好，而且Cr₇C₃型碳化物热稳定性高于M₃C型碳化物。Cr又能提高钢的淬透性，提高轧辊的抗接触疲劳性能，同时它还能够提高钢的抗氧化性，因此将Cr含量控制在0.5-3.5%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，足够量的Mo与Ni同时作用有利于基体组织中马氏体的形成。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0.3-1.0%较合适。

WC在本发明技术的复合轧辊工作层材料中对耐磨性起着主导作用，WC颗粒的作用一方面是在材料中形成耐磨质点，承载着材料的磨损；另一方面在材料中又固化了基体，一定程度上还要起到强化基体的作用，因此，WC颗粒在材料中不仅要分布均匀，而且其加入量还要适当，加入量控制在0.1-5.0%较合适。

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0.035%，S含量不超过0.030%。

本发明的一种新型高耐磨复合轧辊芯部材料的化学成分设计依据如下：

本发明的高耐磨复合轧辊芯部材料采用的是石墨钢，主要性能指标要求就是抗拉强度高，在使用过程中不断辊，C和Si是典型的石墨化元素，在石墨化作用上是相互依赖、相互共存的，要求具有足够高的含量，因此，C控制在1.4-1.8%，Si控制在1.4-2.0%；Cr和Mo都是碳化物形成元素，由于在芯部钢水浇注时，芯部高温钢水对已经凝固的外层钢水有一定量的熔化，造成轧辊外层材料中高合金元素向轧辊芯部扩散，使芯部合金元素Cr含量增加，降低了轧辊芯部的强度，因此Cr要严格控制在0.3%以下，Mo也要严格控制在0.3%以下；Ni是细化钢的基体组织、提高钢的强度和韧性的有效元素，所以在轧辊芯部石墨钢中保留了0.3-0.8%Ni的加入；P、S作为有害的杂质元素，越低越好，通常P含量不超过0.035%，S含量不超过0.030%。

本发明技术的创新点是以高硬度的碳化钨颗粒作为耐磨相，以强韧性好半钢材料作为母体，通过采用离心铸造的方式复合制成耐磨性好、强度和韧性高的一种新型高耐磨复合轧辊。

本发明的一种新型高耐磨复合轧辊与现有技术离心复合高镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊相比较还具备以下优点：

1、采用本发明技术制造的热轧带钢轧机工作轧辊，由于轧辊工作层材料采用的是碳化钨强化合金半钢，轧辊耐磨性高、强韧性好、使用寿命长；

2、由于轧辊芯部材料采用石墨钢，辊颈的抗拉强度由国家标准中规定的芯部合金球墨铸铁＞320N/mm²提高到石墨钢600-700N/mm²，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；

3、因为轧辊芯部材料采用石墨钢，首先是取消了球化剂的加入，降低了生产成本；同时避免了芯部铁水由于高温出铁、高温浇注常常造成轧辊球化不良和结合不良而报废的严重后果，从而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。

附图说明

图1为高耐磨复合轧辊结构示意图。

具体实施方式

按本发明所述的一种新型高耐磨复合轧辊，轧辊的工作层材料采用碳化钨强化的特殊成分合金半钢，轧辊的芯部材料采用石墨钢。

实施例1：将用做轧辊工作层的半钢钢水和用做轧辊芯部的石墨钢钢水分别冶炼，工作层合金半钢的化学成分为：C1.43%，Si0.82%，Mn0.64%，Ni1.03%，Cr0.97%，Mo0.40%，P0.019%，S0.022%，WC1.0%，余量为Fe；芯部石墨钢的化学成分为：C1.75%，Si1.82%，Mn0.58%，Ni0.41%，Cr0.05%，Mo0.15%，P0.030%，S0.025%，余量为Fe。

工作层钢水出钢扒渣后采用氩气为载体将碳化钨颗粒喷吹进钢水中，立即浇入到以13米/秒的线速度旋转的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1536℃，浇铸时铸型的温度为98℃，铸型内涂料厚度为2.5mm；当工作层的钢水刚刚凝固时停机，将已凝固的工作层连同铸型一起从离心机上吊起与上下砂箱配合后，再浇入用做轧辊芯部的石墨钢钢水，芯部石墨钢钢水的浇铸温度为1496℃，待轧辊自然冷却后开箱加工。

实施例2：工作层合金半钢的化学成分为：C1.95%，Si0.46%，Mn0.62%，Ni1.48%，Cr1.09%，Mo0.60%，P0.026%，S0.011%，WC0.5%，余量为Fe；芯部石墨钢的化学成分为：C1.73%，Si1.56%，Mn0.60%，Ni0.72%，Cr0.07%，Mo0.13%，P0.033%，S0.016%，余量为Fe。

工作层钢水出钢扒渣后采用氩气为载体将碳化钨颗粒喷吹进钢水中，立即浇入到以11米/秒的线速度旋转的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1500℃，浇铸时铸型的温度为126℃，铸型内涂料厚度为3.5mm；当工作层的钢水刚刚凝固时停机，将已凝固的工作层连同铸型一起从离心机上吊起与上下砂箱配合后，再浇入用做轧辊芯部的石墨钢钢水，芯部石墨钢钢水的浇铸温度为1515℃，待轧辊自然冷却后开箱加工。

实施例3：工作层合金半钢的化学成分为：C1.79%，Si0.73%，Mn0.96%，Ni2.09%，Cr1.83%，Mo0.65%，P0.029%，S0.009%，WC1.5%，余量为Fe；芯部石墨钢的化学成分为：C1.77%，Si1.77%，Mn0.31%，Ni0.78%，Cr0.19%，Mo0.05%，P0.024%，S0.014%，余量为Fe。

工作层钢水出钢扒渣后采用氩气为载体将碳化钨颗粒喷吹进钢水中，立即浇入到以10米/秒的线速度旋转的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1470℃，浇铸时铸型的温度为125℃，铸型内涂料厚度为3.0mm；当工作层的钢水刚刚凝固时停机，将已凝固的工作层连同铸型一起从离心机上吊起与上下砂箱配合后，再浇入用做轧辊芯部的石墨钢钢水，芯部石墨钢钢水的浇铸温度为1485℃，待轧辊自然冷却后开箱加工。

实施例4：工作层合金半钢的化学成分为：C1.68%，Si0.56%，Mn0.91%，Ni2.92%，Cr1.33%，Mo0.54%，P0.025%，S0.016%，WC2.5%，余量为Fe；芯部石墨钢的化学成分为：C1.81%，Si1.80%，Mn0.56%，Ni0.61%，Cr0.07%，Mo0.19%，P0.031%，S0.012%，余量为Fe。

工作层钢水出钢扒渣后采用氩气为载体将碳化钨颗粒喷吹进钢水中，立即浇入到以10米/秒的线速度旋转的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1495℃，浇铸时铸型的温度为141℃，铸型内涂料厚度为3.0mm；当工作层的钢水刚刚凝固时停机，将已凝固的工作层连同铸型一起从离心机上吊起与上下砂箱配合后，再浇入用做轧辊芯部的石墨钢钢水，芯部石墨钢钢水的浇铸温度为1530℃，待轧辊自然冷却后开箱加工。

这四批高耐磨复合轧辊工作层与芯部钢水的化学成分均列入表1中。在这之前一直是按现有技术生产的离心复合高镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊，用于热轧带钢轧机精轧机架工作辊，表现的主要问题是毫米轧制量低、耐磨性差，而且时有裂纹和掉块发生，为了方便对比，现将4支离心复合高镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊的工作层铁水与芯部铁水的化学成分也列入表1中。高耐磨复合轧辊结构示意图见图1。

本发明实施例轧辊与现有技术轧辊的使用情况对比结果列入表2。由上述高耐磨复合轧辊的生产与使用结果可以看出，采用本发明技术所生产的高耐磨复合使用性能明显高于现有技术产品，轧辊平均每次轧钢量可提高50-60%。

在本发明实施例对比表1和表2中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为本发明实施例材料，A、B、C为对比例材料。

表1 本发明实施例与现有技术的高镍铬钼无限冷硬轧辊各成分重量％的对比

Claims (2)

1.一种高耐磨复合轧辊，其特征在于，轧辊工作层材料采用耐磨性好、具有高硬质相的碳化钨强化合金半钢，轧辊芯部采用石墨钢，轧辊工作层碳化钨强化合金半钢材料与轧辊芯部石墨钢材料为完全冶金结合；

所述的轧辊工作层碳化钨强化合金半钢材料的化学成分重量百分数为：C1.2-2.1%，Si0.3-1.0%，Mn0.5-1.2%，Cr0.5-3.5%，Ni1.0-4.5%，Mo0.3-1.0%，P≤0.035%，S≤0.030%，WC0.1-5.0%，余量为Fe；

所述的轧辊芯部石墨钢材料的化学成分重量百分数为：C1.4-1.8%，Si1.4-2.0%，Mn0.3-0.8%，Ni0.3-0.8%，Cr0.01-0.3%，Mo0.01-0.3%，P＜0.035%，S＜0.030%，余量为Fe。

2.一种权利要求1所述高耐磨复合轧辊的制备方法，其特征在于，工艺步骤机控制的技术参数如下：

首先将碳化钨颗粒按要求的粒度预制好，按轧辊工作层、芯部的具体成分要求进行分别冶炼，当用做轧辊工作层的半钢金属液化学成分及温度达到设定要求时出钢，外层钢水出钢扒渣后采用氩气为载体将碳化钨颗粒喷吹进钢水中，再浇入到高速旋转的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1450-1550℃，浇铸时铸型的温度为50-200℃，铸型内涂料厚度为2-5mm，离心机转速的线速度为8-15米/秒；

在工作层的钢水刚刚凝固时停机，将已凝固的工作层连同铸型一起从离心机上吊起与上下砂箱配合后，再浇入用做轧辊芯部的石墨钢钢水，芯部石墨钢钢水的浇铸温度为1450-1550℃；利用碳化钨高硬度质点的耐磨性，利用钢基的强度和韧性，通过卧式离心铸造的方法使两种具有不同性质的金属液熔合在一起，制成高耐磨性轧辊。

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