專利名稱：適用于棒線材連軋機(jī)的新型硬質(zhì)材料軋輥及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于棒線材連軋機(jī)的新型硬質(zhì)材料軋輥，本發(fā)明還涉及所述新型硬質(zhì)材料的軋輥的制造方法。
背景技術(shù)：
軋輥是冶金行業(yè)軋鋼生產(chǎn)中最主要的工模具，是模具材料的重要部分。隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)的發(fā)掌，我國(guó)軋輥年消耗資金已達(dá)90億元以上。
棒線材熱連軋機(jī)從90年代進(jìn)入我國(guó)，已得到廣泛采用。其軋輥材料也由鑄鐵、合金工具鋼發(fā)展到硬質(zhì)合金、普通高速鋼。但是，鑄鐵、合金工具鋼耐磨性差，硬質(zhì)合金、普通高速鋼易爆輥，均無(wú)法滿足棒線材連軋機(jī)的生產(chǎn)需要。
所以，軋輥已成為制約棒線材連軋機(jī)生產(chǎn)效率的主要因素。
軋輥材質(zhì)發(fā)展的明顯趨勢(shì)是廣泛使用合金元素且逐漸提高合金化程度。如熱軋帶鋼精軋前段由20世紀(jì)30年代的高鎳鉻無(wú)限冷硬鑄鐵軋輥發(fā)展到60年代的半鋼工作軋輥，70年代開(kāi)始使用高鉻鑄鐵軋輥和高鉻鑄鋼軋輥，80年代末開(kāi)始使用高速鋼軋輥。冷軋帶鋼工作輥材質(zhì)由2％Cr鋼發(fā)展到3％Cr、5％Cr鋼，到了90年代開(kāi)始使用半高速鋼。
棒線材和型材軋機(jī)軋輥材質(zhì)也由普通冷硬鑄鐵、合金球墨鑄鐵、高鎳鉻無(wú)限冷硬鑄鐵、高鉻鑄鐵、鍛造合金工具鋼發(fā)展到硬質(zhì)合金和高速鋼。
棒線材軋機(jī)使用的軋輥現(xiàn)狀①普通鑄鐵使用狀況目前，棒線材熱連軋機(jī)普遍使用高鎳鉻無(wú)限冷硬球墨鑄鐵軋輥，該軋輥耐磨性極差，單槽過(guò)鋼量?jī)H有幾十噸，所以，造成軋機(jī)在工作過(guò)程中，頻繁換輥，換槽，由于，換輥、換槽過(guò)程中，加熱爐仍然在加熱鋼坯，造成，鋼坯燒損嚴(yán)重；同時(shí)，更換軋槽后，需試軋一至二根鋼坯，以上兩個(gè)因素，均使成材率下降；由于鑄鐵軋輥碳化物粗大，所以，造成在軋鋼過(guò)程中，磨損極不均勻，在鋼廠進(jìn)行負(fù)公差軋制時(shí)，極不容易，控制軋制精度，嚴(yán)重影響軋件質(zhì)量。
所以，鑄鐵軋輥已不能滿足棒線材熱連軋機(jī)的生產(chǎn)需要，目前，鋼廠使用鑄鐵軋輥，完全是不得以而為之。
②高檔軋輥的使用狀況目前，各鋼廠使用過(guò)的高檔軋輥主要有國(guó)外硬質(zhì)合金軋輥、國(guó)內(nèi)硬質(zhì)合金、鑄造高速鋼軋輥三種。
國(guó)外硬質(zhì)合金軋輥售價(jià)高達(dá)1200元/kg，且對(duì)冷卻水要求很高，一個(gè)鋼廠如使用國(guó)外硬質(zhì)合金軋輥，需投入數(shù)千萬(wàn)元進(jìn)行冷卻水改造，所以，國(guó)外硬質(zhì)合金軋輥并不符合我國(guó)國(guó)情。
國(guó)內(nèi)硬質(zhì)合金抗熱應(yīng)力能力差，同時(shí)，由于硬質(zhì)合金，用粉末冶金方式再造，存在大量的小孔，抗沖擊韌性很差，在使用中，會(huì)出現(xiàn)爆輥現(xiàn)象，不能滿足棒線材軋機(jī)的生產(chǎn)需要。
鑄造高速鋼軋輥，其組織是大量碳化物+高碳馬氏體，高速鋼中存在大量網(wǎng)狀碳化物，在軋鋼過(guò)程中，極易出現(xiàn)裂紋，而高碳馬氏體韌性不足，無(wú)法阻止裂紋擴(kuò)展，所以鑄造高速鋼應(yīng)用于棒線材熱連軋機(jī)時(shí)，均出現(xiàn)，爆輥現(xiàn)象，完全不能滿足棒線材軋機(jī)的生產(chǎn)需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于棒線材連軋機(jī)的新型硬質(zhì)材料軋輥及其制造方法。
眾所周知，材料的性能是由金相組織決定的，而一定的組織取決于化學(xué)成分及熱處理工藝，本發(fā)明是采用一種反應(yīng)鑄造法及相應(yīng)的熱處理工藝制造而成。
應(yīng)用于軋輥的材料必須具有優(yōu)異的耐磨性，通常要求軋輥中碳化物數(shù)量在15％以上，為了給合金元素提供足夠的碳，本材料中的碳及合金含量高于常規(guī)高速鋼，C為1.5％～2.5％，軋輥材料中合金碳化物數(shù)量22％以上。使本材料中的碳大部分與W、Cr、Mo、V等形成高硬度碳化物，以改善軋輥耐磨性，另外，少量的碳進(jìn)入基體，改善高速鋼的淬透性和淬硬性。
棒線材熱連軋機(jī)，具有熱應(yīng)力大，沖擊負(fù)荷大的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)基體成份的研究，當(dāng)合金成份含量不同時(shí)，金屬材料的C曲線會(huì)發(fā)生不同的變化，在此基礎(chǔ)上，使用急冷+控制冷卻+回火的熱處理工藝可以得到強(qiáng)韌性配合極佳基體組織，以滿足棒線材熱連軋機(jī)軋輥的使用要求。
對(duì)本材料采用稀土-鈦-鈮等進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理，可有效的改善本材料中的碳化物形態(tài)和分布，消除典型的網(wǎng)狀組織，使碳化物細(xì)化且分布均勻化，經(jīng)急冷+控制冷卻+回火熱處理后能獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。
根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明適用于棒線材連軋機(jī)的新型硬質(zhì)材料軋輥的化學(xué)組成是(重量％)C1.5～2.5，W5.0～8.0，Mo5.5～8.0，V3.0～5.0，Cr4.0～6.0，Ni0.5～1.0，Re0.04～0.10；Ti0.08～0.20，Al0.10～0.30，Si0.7～1.5，Mn1.5-3.0，其余為Fe。
上述化學(xué)成分中，碳碳是獲得高硬度耐磨碳化物顆粒增強(qiáng)相所必須的元素，同時(shí)部分碳固溶于基體，改善基體的淬透性和淬硬性。加入量過(guò)少，高硬度耐磨碳化物顆粒增強(qiáng)相少，材料耐磨性差，加入量過(guò)多，高硬度耐磨碳化物顆粒增強(qiáng)相多，材料韌性降低，碳的加入量還與碳化物形成元素鉻、鉬、鎢和釩等元素有關(guān)，因此碳含量以1.5％～2.5％為宜。
鉻、鉬、鎢、釩加入鉻、鉬、鎢和釩的主要目的是為了獲得高硬度的耐磨碳化物，加入量太少，高硬度耐磨碳化物顆粒增強(qiáng)相少，材料耐磨性差，加入量過(guò)多，高硬度耐磨碳化物顆粒增強(qiáng)相多，材料韌性降低。鉻、鉬、鎢和釩除了形成碳化物外，還有部分溶入基體，改善基體淬透性和紅硬性，溶入基體的鉻還可以改善材料的抗氧化性。因此鉻含量以4.0％～6.0％為宜，鎢含量以5.0％～8.0％為宜，鉬含量以5.5％～8.0％為宜，釩含量以3.0％～5.0％為宜。
鎳鎳是非碳化物形成元素，主要溶于基體，能提高材料的韌性和抗疲勞性能。鎳還與鐵以互溶的形式存在于鋼中，使之強(qiáng)化。鎳還可以降低臨界轉(zhuǎn)變溫度和降低鋼中各元素的擴(kuò)散速度。鎳加入量過(guò)多，材料淬火組織中低硬度的殘留奧氏體太多，不利于改善材料耐磨性，因此將其含量控制在0.5％～1.0％。
稀土加入金屬熔體中具有脫硫、除氣的作用，同時(shí)稀土與液態(tài)金屬反應(yīng)生成的細(xì)小粒子，加速凝固的形核作用，表面活性稀土元素在流動(dòng)的晶體表面形成吸附原子薄膜，降低流動(dòng)離子的速度，稀土元素的這些特性能細(xì)化新材料的晶粒，限制樹(shù)枝晶偏析，提高機(jī)械性能和耐磨性。稀土加入量過(guò)多，使稀土夾雜物增多，反而降低材料的性能，因此稀土含量控制在0.04-0.10％。
鈦的目的是為了細(xì)化組織，提高材料的強(qiáng)度和韌性，鈦還可提高材料的抗氧化性，加入量過(guò)少，對(duì)材料的性能影響不大，加入量過(guò)多，增大材料的熱裂傾向，因此鈦含量控制在0.08％～0.20％。
鋁使M2C碳化物分解溫度降低，有利于片狀M2C碳化物大量分解并?；?，促進(jìn)顆粒狀增強(qiáng)碳化物的形成，改善復(fù)合材料的強(qiáng)韌性。因此將鋁控制在0.10-0.30％硅硅是非碳化物形成元素，主要溶于基體，降低復(fù)合材料的熱疲勞性能。
因此將硅含量限制在0.7～1.5％。
錳錳有提高淬透性和強(qiáng)化基體作用，同時(shí)，降低臨界轉(zhuǎn)變溫度，并且因?yàn)樵斐蓨W氏體的不穩(wěn)定，有利于控制相變。因此將錳含量限制在1.5％-3.0％。
另外，不可避免的微量雜質(zhì)是原料中帶入的，主要有磷和硫，均是有害元素，為了保證原位合成顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料軋輥的強(qiáng)度、韌性和耐磨性，將磷、硫含量分別控制在0.05％以下。
本發(fā)明所述適用于棒線材連軋機(jī)的新型硬質(zhì)材料軋輥的制造方法，采用電爐冶煉，用離心鑄造、金屬型鑄造，使用獨(dú)具特色的急冷+控制冷卻+回火的熱處理工藝；其工藝步驟是①將普通廢鋼、鎢鐵、鉬鐵、釩鐵、鉻鐵和鎳板混合加熱熔化，用石墨增碳；②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1600℃～1650℃，加入脫氧劑鋁，而后出爐；③將鑭鈰混合稀土、鈦鐵破碎至粒度小于20mm的小塊，經(jīng)250℃～300℃以下烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)金屬熔體進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理；④軋輥采用離心鑄造、金屬型鑄造等方法成型，金屬熔體澆鑄溫度為1460～1500℃；
⑤軋輥經(jīng)950～1150℃高溫奧氏體化后，急冷至500℃-600℃，然后以5℃～20℃/分冷速控制冷卻至室溫；⑥軋輥然后在500～600℃進(jìn)行消除應(yīng)力的回火處理。
最后可以獲得強(qiáng)韌性板條型基體組織上鑲嵌有大量高硬度碳化物顆粒的適用于棒線材連軋機(jī)的新型硬質(zhì)材料。


圖1為本發(fā)明適用于棒線材連軋機(jī)的新型硬質(zhì)材料軋輥的金相組織圖。
圖1中，在光鏡下可見(jiàn)強(qiáng)韌性板條型基體上鑲嵌有大量高硬度碳化物顆粒。該基體組織特點(diǎn)板條型組織強(qiáng)韌型配合極好，同時(shí)，在基體上鑲嵌著大量細(xì)小均勻的各種高硬度碳化物顆粒，所以耐磨性也極好。
具體實(shí)施例實(shí)施例1本發(fā)明軋輥用300公斤中頻感應(yīng)電爐熔化，其制造工藝步驟是①將普通廢鋼、生鐵、鎢鐵、鉬鐵、釩鐵、鉻鐵和鎳板混合加熱熔化；②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1645℃，加入脫氧劑鋁，而后出爐；③將鑭鈰混合稀土、鈦鐵破碎至粒度小于20mm的小塊，經(jīng)280℃烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)金屬熔體進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理；④軋輥采用離心鑄造方法成型，軋輥尺寸φ300mm×600mm，金屬熔體澆鑄溫度為1490℃；⑤軋輥經(jīng)1130℃高溫奧氏體化后，急冷至590℃然后以15℃-20℃/分冷速控制冷卻至室溫；⑥軋輥然后在590℃進(jìn)行消除應(yīng)力的回火處理。
最后可以獲得高韌性基體上鑲嵌有高硬度碳化物顆粒的適用于棒線材連軋機(jī)的新型硬質(zhì)材料軋輥。軋輥化學(xué)成分見(jiàn)表1。金相照片見(jiàn)圖1。
在軋輥本體上測(cè)試其硬度為67～68HRC。在與軋輥同爐澆鑄、同爐熱處理的Y型試塊上切取20mm×20mm×110mm試樣和φ10mm×130mm試樣，測(cè)試材料的沖擊韌性為16～20J/cm2，測(cè)試材料的抗拉強(qiáng)度為900～1200MPa。該材料軋輥在高速線材軋機(jī)預(yù)精軋機(jī)架使用，軋制φ6.5mm普碳鋼線材，單槽過(guò)鋼量超過(guò)6000噸，修磨量小于1.2mm。
表1 軋輥化學(xué)成分

實(shí)施例2本發(fā)明的新型硬質(zhì)材料軋輥用500公斤中頻感應(yīng)電爐熔化，其制造工藝步驟是①將普通廢鋼、生鐵、鎢鐵、鉬鐵、釩鐵、鉻鐵和鎳板混合加熱熔化，；②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1630℃，加入脫氧劑鋁，而后出爐；③將鑭鈰混合稀土、鈦鐵破碎至粒度小于20mm的小塊，經(jīng)270℃烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)金屬熔體進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理；④軋輥采用金屬型鑄造方法成型，軋輥尺寸φ380mm×700mm，金屬熔體澆鑄溫度為1480℃；⑤軋輥經(jīng)980℃高溫奧氏體化后，急冷至520℃然后以5℃-10℃/分冷速控制冷卻至室溫；⑥軋輥然后在550℃進(jìn)行消除應(yīng)力的回火處理。
最后可以獲得高強(qiáng)韌性板條型基體上鑲嵌有高硬度碳化物顆粒的適用于棒線材連軋機(jī)的新型硬質(zhì)材料軋輥，軋輥化學(xué)成分見(jiàn)表2，金相照片見(jiàn)圖1。在軋輥本體上測(cè)試其硬度為65～67HRC。在與軋輥同爐澆鑄、同爐熱處理的Y型試塊上切取20mm×20mm×110mm試樣和φ10mm×130mm試樣，測(cè)試材料的沖擊韌性為18～20J/cm2，測(cè)試材料的抗拉強(qiáng)度為890～1180MPa。新型硬質(zhì)材料軋輥在棒線材軋機(jī)精軋機(jī)架軋制φ12mm螺紋鋼，單組過(guò)鋼量超過(guò)1200噸，修磨量小于4.0mm。
表2 軋輥化學(xué)成分

本發(fā)明軋輥強(qiáng)度和硬度高，韌性好，耐磨性和抗氧化性優(yōu)良，抗激冷激熱性能極好。在使用過(guò)程中不斷裂、不起皮、不發(fā)生龜裂、不粘鋼，在棒線材軋機(jī)上，使用性能明顯優(yōu)于高鉻鑄鐵和高鎳鉻無(wú)限冷硬鑄鐵以及高速鋼軋輥、國(guó)產(chǎn)硬質(zhì)合金軋輥。使用性能接近國(guó)外硬質(zhì)合金軋輥，但使用成本大大低于國(guó)外硬質(zhì)合金軋輥，更加符合我國(guó)國(guó)情。使用本發(fā)明軋輥可以顯著提高軋鋼機(jī)作業(yè)率，降低軋材生產(chǎn)成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。
權(quán)利要求
1.一種適用于棒線材連軋機(jī)的新型硬質(zhì)材料軋輥，其特征在于軋輥的化學(xué)組成按重量百分比是C1.5～2.5，W5.0～8.0，Mo5.5～8.0，V3.0～5.0，Cr4.0～6.0，Ni0.5～1.0，Re0.04～0.10；Ti0.08～0.20，Al0.10～0.30，Si 0.7～1.5，Mn1.5-3.0，其余為Fe。
2.一種如權(quán)利要求1所述適用于棒線材連軋機(jī)的新型硬質(zhì)材料軋輥的制造方法，其特征在于軋輥用電爐冶煉，用離心鑄造、金屬型鑄造，使用獨(dú)具特色的急冷+控制冷卻+回火的熱處理工藝；其工藝步驟是①將普通廢鋼、鎢鐵、鉬鐵、釩鐵、鉻鐵和鎳板混合加熱熔化，用石墨增碳；②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1600℃～1650℃，加入脫氧劑鋁，而后出爐；③將鑭鈰混合稀土、鈦鐵破碎至粒度小于20mm的小塊，經(jīng)250℃～300℃以下烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)金屬熔體進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理；④軋輥采用離心鑄造、金屬型鑄造等方法成型，金屬熔體澆鑄溫度為1460～1500℃；⑤軋輥經(jīng)950～1150℃高溫奧氏體化后，急冷至500℃-600℃，然后以5℃～20℃/分冷速控制冷卻至室溫；⑥軋輥然后在500～600℃進(jìn)行消除應(yīng)力的回火處理。
全文摘要
本發(fā)明為一種適用于棒線材連軋機(jī)的新型硬質(zhì)材料軋輥，其化學(xué)成分按重量百分比是C1.5～2.5，W5.0～8.0，Mo5.5～8.0，V3.0～5.0，Cr4.0～6.0，Ni0.5～1.0，Re0.04～0.10；Ti0.08～0.20，Al0.10～0.30，Si0.7～1.5，Mn1.5－3.0，其余為Fe。本發(fā)明還涉及所述軋輥的制造方法。本發(fā)明軋輥強(qiáng)度和硬度高，韌性好，耐磨性和抗氧化性優(yōu)良，抗激冷激熱性能極好。在使用過(guò)程中不斷裂、不起皮、不發(fā)生龜裂、不粘鋼，性能明顯優(yōu)于同類軋輥。能顯著提高軋鋼機(jī)作業(yè)率，降低軋材生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)B22D13/02GK101050510SQ20071007846
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月9日
發(fā)明者張軼, 李明偉 申請(qǐng)人:張軼, 李明偉