CN104451437A

CN104451437A - 一种高性能大型冷轧辊的制备方法

Info

Publication number: CN104451437A
Application number: CN201510007580.1A
Authority: CN
Inventors: 刘克宽; 施耀东; 包齐昌
Original assignee: JIANGSU YIZHOU ROLLER Co Ltd; JIANGSU HONGYU MOLD GROUP Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Xingxian High Tech Materials Co ltd; Jiangsu Yizhou Roller Co ltd
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2035-01-08
Also published as: CN104451437B

Abstract

本发明公开了一种高性能大型冷轧辊的制备方法，通过对冷轧辊的合金成分进行改进，以及通过浇筑模具、形成坯料、锻造成型、超声波探伤、粗车加工、超声波探伤、半精加工、锻造后等温退火、深冷处理等一系列工艺步骤的优选，实现了用廉价的硼取代部分价格昂贵的钨、钼、钒、铌和钴等合金元素，促进轧辊成本的明显降低和轧辊的硬度、均匀性、强度值性能的大幅度提高，并且根据合金的特点优化轧辊制备过程中的热处理条件，有效降低了制备能耗。

Description

一种高性能大型冷轧辊的制备方法

技术领域

本发明属于轧钢钢铁冶金技术领域，具体地说是一种高性能大型冷轧辊的制备方法以及通过该方法生产的冷轧辊。

背景技术

冷轧辊由于轧制时长期承受大载荷，加上轧件的焊缝、夹杂、边裂等问题，容易导致瞬间高温，使工作辊受到强烈热冲击造成裂纹、粘辊甚至剥落而报废。因此，冷轧辊要有抵抗因弯曲、扭转、剪切应力引起的开裂和剥落的能力，同时也要有高的耐磨性、接触疲劳强度、断裂韧性和热冲击强度等。

国内外冷轧工作辊一般使用的材质有GCr5、9Cr2、9Cr、9CrV、9Cr2W、9Cr2Mo、60CrMoV、80CrNi3W、8CrMoV、86CrMoV7、Mo3A等。为了减少重淬消耗，提高轧辊的淬硬层深度、接触疲劳强度、韧性，延长其使用寿命，同时也为满足轧件对冷轧工作辊力学性能和使用性能的进一步要求，自20世纪80年代中、后期，国外轧辊生产厂对5%Cr冷轧辊钢进行了化学成分的优化工作，主要是在5%Cr钢中增加钼、钒的含量或加入钛、镍等元素，经最终热处理过程中，对轧辊钢的淬火和加热限制，然后进行尽可能强烈的冷却，得到较深的淬硬层。最后，用低温回火将轧辊表面硬度调整到规定值。

随着轧钢技术的发展，轧机速度和自动化程度，以及轧机板材轧制力的不断提高，对轧辊质量特别是轧辊的耐磨性。强度及韧性提出了更高的要求。因此，发展高质优质支承辊材料对促进国内轧制行业技术进步，提高轧辊材料产品的国际竞争力，均具有十分重大的经济意义和社会公益效果。

发明内容

本发明通过对冷轧辊的合金成分进行改进，用廉价的硼取代部分价格昂贵的钨、钼、钒、铌和钴等合金元素，促进轧辊成本的明显降低和轧辊的硬度、均匀性、强度值性能的大幅度提高，并且根据合金的特点优化轧辊制备过程中的热处理条件，有效降低了制备能耗。轧辊材料中减少价格昂贵的铌、钴、镍等合金元素的用量，且钨、钼、钒的加入量也比较少，制备出的冷轧辊具有高均匀性、高硬度、高强度、高耐磨性以及低成本的特点，具有良好的经济和社会效益。

为实现上述发明目的，本发明所提供的技术方案是：

一种冷轧辊的制备方法，具有以下步骤：

1)按预先设计的重量比将碳、硅、锰、硼、磷、硫、铬、钼、钒和、镍、铁置于中频感应电炉内熔炼，充分搅拌，熔炼温度为500-1000℃，熔炼时间为30-40分钟，冶炼至化学成分范围符合要求，出钢，炉外精炼，经真空除气处理使气体含量达到国际要求，而后经电渣重熔处理使S、P等非金属夹杂物含量达到国际标准要求，制成合金液体；

2)开启所述中频感应炉的倾泻孔，将合金液体浇筑在金属模具中；

3)待完全冷却后将所述金属模具去除，形成坯料；

4)将所述坯料在压机上锻造成型，锻造工艺为：1100～1150℃加热，始锻温度为1050～1100℃，终锻温度≥820℃；

5)退火后进行超声波探伤；

6)粗车加工、超声波探伤；

7)半精加工、超声波探伤；

8)锻造后等温退火：加入温度810～840℃，保温4h，等温温度为670～690℃，保温6h，炉冷至200℃以下出炉；

9)深冷处理；

10)化霜、回火；

11)精加工、二次回火、超声波探伤；

12)检测入库。

进一步地，在步骤6)之后、步骤7)的半精加工之前还包括调质处理的步骤，保温温度为900-950℃，保温时间为5-10小时。

进一步地，其特征在于，在调质处理中，保温温度为930℃，保温时间为10小时。

进一步地，其特征在于，其中步骤9)中所述的深冷处理其温度为-190℃至-195℃，保温4-5小时；步骤10)中所述回火温度为100-150℃，时间为90小时；步骤11)中所述二次回火温度为100-120℃，时间为180小时。

本发明还给出了通过上述制造方法生产的冷轧辊，具体为：

一种冷轧辊，由如下重量百分比的组分组成：C：0.65～0.75wt％，Si：0.40～0.70wt％，Mn：0.50～0.90wt％，B：0.50～0.80wt％，P：＜.02wt％，S：＜0.015wt％，Cr：3.10～3.5wt％，Mo：0.25～0.60wt％，V：0.05～0.1wt％，Ni：0.10～0.30wt％，N：0.02～0.05wt％，余量为铁和其他不可避免的杂质。

进一步地，由如下重量百分比的组分组成：C：0.70wt％，Si：0.60wt％，Mn：0.70wt％，B：0.75wt％，P：0.02wt％，S：0.015wt％，Cr：3.30wt％，Mo：0.40wt％，V：0.05wt％，Ni：0.25wt％，N：0.04wt％，余量为铁和其他杂质。其他杂质的重量百分比小于等于0.02％，且包含铅、锡、砷、铋。

根据本发明钢种设计成分，通过廉价元素替代昂贵的V、Nb等，以及元素之间的协同配合以及成分含量优化，采用EAF初炼-LF精炼-VD脱气-电渣重熔-锻造-热处理工艺路线，对试验用钢进行化学成分分析及力学性能检测，显微组织为索氏体+碳化物，晶粒度为6～10级；力学性能(淬火+550℃回火)为Rm≥1750MPa，Rel≥1550MPa，A_ku2≥11.5J。

本发明已经通过大型支承辊的使用考核。本发明钢种具有以下优点：

1、性价比高，优化了钢种力学性能。与现有的轧辊质钢相比，制造成本增加不是很大，钢种力学性能得到较大幅度优化，与进口材料相比，生产成本下降十分明显。实现了工具钢种的强韧性、性价比的最佳匹配。

2、使用性能优异。与现有轧辊钢相比，硬度、耐磨性、淬硬层深度及塑韧性均有不同程度提高，构件的疲劳试验等试验表明，其使用性能优异。

3、钢种的生产、制备工艺简单。与传统非调质钢相比，采用电炉初炼-LF精炼-电渣重熔-锻制工艺路线，生产工艺易于控制和掌握，制品质量及组织性能达到规定的要求。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的冷轧辊，其特征在于，由如下重量百分比的组分组成：C：0.65～0.75wt％，Si：0.40～0.70wt％，Mn：0.50～0.90wt％，B：0.50～0.80wt％，P：0.0001～0.02wt％，S：0.0001～0.015wt％，Cr：3.10～3.505wt％，Mo：0.25～0.60wt％，V：0.05～0.1wt％，Ni：0.10～0.30wt％，N：0.02～0.05wt％，余量为铁和其他杂质。

其中，化学成分碳含量是钢中的重要合金元素，是通过固溶在钢的基体中，起到对钢的强化作用，同时部分碳和钢中的其他元素形成碳化物，起到强化和增加耐磨性的作用。碳的过饱和度越低，则基体硬度降低越多，即钢的强度与耐磨性能越差，但过多的碳进入固溶体，使M₂C原子比例减少，从而使其抗回火稳定性降低并引起脆性与疲劳裂纹。根据计算和实验，本发明钢中的碳含量0.65-0.75较为适宜。氮的加入可起到兼有增强的固溶强化以及形成高稳定的碳氮化合物的析出强化，可延缓M₂₃C₆类型碳化物析出的作用，明显增强其的强韧性。

化学成分铬含量能够提高钢的力学性能和耐磨性、增加钢的硬度、弹性、耐腐蚀和耐热性，提高表面的淬透性；但是在提高的同时其缺点是降低了轧辊的韧性。化学成分钒含量可细化组织晶粒，提高钢的强度和韧性，钒和碳形成的碳化物在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力考虑到冷轧辊用钢的经济性，本发明选择V含量为0.05～0.1％。化学成分钼的含量能使钢的晶粒细化，提高了表面淬透性和热强性能，在轧辊在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，能提高轧辊的机械性能。化学成分镍含量是钢中的重要元素之一，可增强钢的硬度、弹性、延展性和抗腐蚀性，并能细化晶粒，提高表面淬透性，使钢具有极高的机械性能，当镍和铬共存时，可大大提高钢的机械强度。化学成分硅含量能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度。

合金碳化物的析出：第二相熔点越高，产生的沉淀硬化强度越高，硬化作用比较稳定。通过反复的实验，得到以上各组分的最佳质量配比，本发明中加入适量的V、N元素所形成的VC、V₄C₃和M(C、N)等细小弥散颗粒，能与基体保持共格联系，提高了它的抗聚集能力和抗滑移变形能力，增加了钢的强韧性，达到冷轧辊的最佳使用性能。

实施例1

按照重量比为碳：0.65wt％，硅：0.4wt％，锰：0.5wt％，硼0.5wt％，磷：0.02wt％，硫：0.015wt％，铬：3.1wt％，钼：0.25wt％，钒：0.05wt％，镍：0.10wt％，氮：0.02wt％，余量为铁和其他杂质，其他杂质铅、锡、砷、铋等均不大于0.02％，准备铸造材料。

熔炼合金溶液：按上述重量比将各组分置于中频感应炉内熔炼，熔炼温度为500℃，熔炼时间为30分钟，冶炼至化学成分范围符合要求，出钢，炉外精炼，经真空除气处理使气体含量达到国际要求，而后经电渣重熔处理使S、P等非金属夹杂物含量达到国际标准要求，制成合金液体。

检测：采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围之内。

铸造冷开坯：开启所述工频保温炉的倾泻孔，将合金液体浇筑在金属模具中，待完全冷却后将所述金属模具去除。洗刷锻造：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，在压机上锻造成型。锻造工艺为：1100℃加热，始锻温度为1050℃，终锻温度≥820℃ 。

退火、超声波探伤：退火后，利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷。接着进行粗车加工，重复上述超声波探伤。之后进行调质处理。

调质处理：在淬火前进行预备热处理，可以获得细小、均匀的组织，使轧辊芯部和辊颈达到良好机械性能，使轧辊的屈强比提高，有效提高轧辊疲劳寿命；同时为后期轧辊表面淬火做组织准备，调质以后轧辊部分碳化物弥散析出，这些碳化物在最终表面淬火中，更加容易溶解；并且可以改善基体组织，尤其是碳化物的分布。加入温度810℃，保温4h，等温温度为670℃，保温6h，炉冷至200℃以下出炉，表面硬度可达到54-56HSD，轧辊机械性能随之增加。

调质处理之后进行半精加工、超声波探伤：根据加工图纸要求，在车床上进行半精加工，利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷。然后进行淬火。

淬火：在淬火机床上，将经过预热的轧辊，经过通电的感应圈内时，由于电磁感应在轧辊表面形成感应电流，从而使得表面被加热，通过测温反馈调整功率调节加热温度，使轧辊表面得到一定的淬硬层深度和良好的硬度均匀性，通过中温回火使轧辊内应力减小，减少轧辊使用中的剥落，大大提高了中间辊的使用性。

淬火温度为960℃。接着进行深冷处理。

深冷处理：此工序使将淬火以后回火以前的轧辊放入-190℃的低温槽内进行深冷保温4小时的一个过程，因铬含量增加会导致较差的韧性，在本发明的铬和碳的含量基础上，-190至-195℃的深冷温度能降低轧辊中的残余奥氏体含量，来达到轧辊表面的耐磨性、高硬度和提高淬硬层深度，同时也增加了韧性，提高轧辊在后期使用中的抗剥落性，减少轧辊断裂的风险。

接着进行化霜、回火：化霜后在100℃下回火，回火时间60小时。

然后完成精加工、二次回火、超声波探伤：经精车加工后二次回火，回火温度100℃，回火时间180小时。利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷。

根据上述生产工艺制备的轧辊，淬硬层深度达到35mm，辊身表面硬度值在达到102HSD，硬度均匀度小于1.5HSD，可用于轧制极薄材料的工作辊使用。轧辊的更换周期从25公里增加至42公里，并且能轧制出高精度极薄材料。

实施例2

按照重量比为碳：0.75wt％，硅：0.70wt％，锰：0.90wt％，硼：0.80wt％，磷：0.02wt％，硫：0.015wt％，铬：3.5wt％，钼：0.60wt％，钒：0.1wt％，镍：0.30wt％，氮：0.05wt％，余量为铁和其他杂质，其他杂质铅、锡、砷、铋等均不大于0.02％，准备铸造材料。

熔炼合金溶液：按上述重量比将各组分置于中频感应炉内熔炼，熔炼温度为1000℃，熔炼时间为40分钟，冶炼至化学成分范围符合要求，出钢，炉外精炼，经真空除气处理使气体含量达到国际要求，而后经电渣重熔处理使S、P等非金属夹杂物含量达到国际标准要求，制成合金溶液。

铸造冷开坯：开启所述工频保温炉的倾泻孔，将合金液体浇筑在金属模具中，待完全冷却后将所述金属模具去除。

洗刷锻造：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，在压机上锻造成型。锻造工艺为1150℃加热，始锻温度为1100℃，终锻温度≥820℃

调质处理：加入温度840℃，保温4h，等温温度为690℃，保温6h，炉冷至200℃以下出炉。

淬火：淬火温度为960℃。接着进行深冷处理。

深冷处理：将淬火以后回火以前的轧辊放入-195℃的低温槽内进行深冷保温5小时。

接着进行化霜、回火：化霜后在150℃下回火，回火时间90小时。

然后完成精加工、二次回火、超声波探伤：经精车加工后二次回火，回火温度120℃，回火时间180为小时。利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷。

根据上述生产工艺制备的轧辊，淬硬层深度达到40mm，辊身表面硬度值在达到100HSD，硬度均匀度小于1.5HSD，可用于轧制极薄材料的工作辊使用。轧辊的更换周期增加至42公里，并且能轧制出高精度极薄材料。

实施例3

按照重量比为碳：0.70wt％，硅：0.60wt％，锰：0.60wt％，硼：0.75wt％，磷：0.02wt％,硫：0.015wt％，铬：3.3wt％，钼：0.4wt％，钒：0.05wt％，镍：0.25wt％，氮0.04wt％：余量为铁和其他杂质，其他杂质铅、锡、砷、铋等均不大于0.02％，准备铸造材料。

洗刷锻造：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，在压机上锻造成型。锻造工艺为：1140℃加热，始锻温度为1080℃，终锻温度≥820℃；

调质处理：加入温度820℃，保温4h，等温温度为670℃，保温6h，炉冷至200℃以下出炉。

淬火：淬火温度为960℃。接着进行深冷处理。

深冷处理：将淬火以后回火以前的轧辊放入-190℃的低温槽内进行深冷保温5小时。

然后完成精加工、二次回火、超声波探伤：经精车加工后二次回火，回火温度100℃，回火时间180为小时。利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷。

根据上述生产工艺制备的轧辊，淬硬层深度达到45mm，辊身表面硬度值在达到102HSD，硬度均匀度小于1.5HSD，可用于轧制极薄材料的工作辊使用。轧辊的更换周期增加至42公里，并且能轧制出高精度极薄材料。

各实施例的Rm、Rel、A_ku2等各性能参数列于表1中，可以看出实施例3的轧辊获得了最优的综合性能。

表1

No.	Rm（MPa）	Rel（MPa）	A_ku2（J）
				1	1790	1575	12.1
2	1750	1550	11.5
				3	1840	1594	12.5

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种大型冷轧辊的制备方法，具有以下步骤：

1)按预先设计的重量比将碳、硅、锰、硼、磷、硫、铬、钼、钒、镍和铁置于中频感应电炉内熔炼，充分搅拌，熔炼温度为500-1000℃，熔炼时间为30-40分钟，冶炼至化学成分范围符合要求，出钢，炉外精炼，经真空除气处理、电渣重熔处理，制成合金液体；

3)待完全冷却后将所述金属模具去除，形成坯料；

5)退火后进行超声波探伤；

6)粗车加工、超声波探伤；

7)半精加工、超声波探伤；

9)深冷处理；

10)化霜、回火；

11)精加工、二次回火、超声波探伤；

12)检测入库。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤6)之后、步骤7)的半精加工之前还包括调质处理的步骤，保温温度为900-950℃，保温时间为5-10小时。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在调质处理中，保温温度为930℃，保温时间为10小时。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中步骤9)中所述的深冷处理其温度为-190至-195℃，保温4-5小时；步骤10)中所述回火温度为100-150℃，时间为90小时；步骤11)中所述二次回火温度为100-120℃，时间为180小时。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述重量比为，C：0.65～0.75wt％，Si：0.40～0.70wt％，Mn：0.50～0.90wt％，B：0.50～0.80wt％，P：＜.02wt％，S：＜0.015wt％，Cr：3.10～3.5wt％，Mo：0.25～0.60wt％，V：0.05～0.1wt％，Ni：0.10～0.30wt％，N：0.02～0.05wt％，余量为铁和其他不可避免的杂质。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述重量比为，C：0.70wt％，Si：0.60wt％，Mn：0.60wt％，B：0.75wt％，P：0.02wt％，S：0.015wt％，Cr：3.3wt％，Mo：0.4wt％，V：0.05wt％，Ni：0.25wt％，N：0.04wt％，余量为铁和其他杂质。

7.其他杂质的重量百分比小于等于0.02％，且包含铅、锡、砷、铋。