專利名稱：：含硼高鉻高速鋼軋輥材料及其熱處理方法
技術領域：
：本發明為一種高速鋼軋輥材料，特別涉及一種含硼高鉻高速鋼軋輥材料及其熱處理方法，屬于軋輥制造領域。
背景技術：
：高速鋼軋輥自誕生到目前在西方發達國家已取得了廣泛的應用，特別是日本，熱軋帶鋼軋機精軋前架已全部采用高速鋼軋輥，精軋后架的使用率也達到了50%，因此，日本熱軋板帶材噸鋼平均輥耗為0.4公斤/噸，日新制鐵熱軋帶鋼軋機采用的是CPC高速鋼軋輥，噸鋼輥耗僅為0.3公斤/噸。我國熱軋板帶材目前噸鋼平均輥耗為0.8公斤/噸左右，但在不遠的將來，我國熱軋板帶材噸鋼輥耗也會大幅度降低，其原因是我國各軋鋼廠也開始紛紛采用高速鋼軋輥。重鋼熱軋廠早在20世紀90年代中就從比利時引進高速鋼軋輥，隨后又從日本等國家大量引進高速鋼軋輥，是我國最早使用高速鋼軋輥的廠家。目前，寶鋼1580毫米熱連軋帶鋼軋機噸鋼輥耗已降到0.5公斤/噸以下，其他如鞍鋼熱連軋機、武鋼熱軋廠等廠家也在使用高速鋼軋輥，并取得了較好的使用效果。國產高速鋼軋輥在線、棒材軋機上已有將近20個廠家在不同程度上使用或試用，均取得顯著的使用效果，相信幾年內高速鋼軋輥在線、棒材軋機上將會得到廣泛的應用。為了進一步提高高速鋼軋輥的性能，美國專利US20060097953公開了一種離心復合軋輥制造方法，其具體化學成分為2.5-9%C,0.1-3.5%Si，0·1-3.5%Mn,11-40%V，余量Fe。日本專利JP2007056722也提供了一種具有高耐磨性、高韌性的高速鋼軋輥材料。中國發明專利CN1264749公開了一種高耐磨性鑄造高速鋼，適用于大型耐磨件、復合軋輥工作層。它的具體化學成分(重量％)如下1·8-4.2C，2-12W，3-12Mo，4-15Cr，0-10Co，2.5-10V，0.3-2.5Nb，0.5-1.5Si，0.3-0.8Μη，0·2-0.6Α1，0·02-0.ΙΟΝ,S彡0.03，P彡0.03，其余為Fe，該發明特點是一種高碳、高釩、高鉻型鑄造高速鋼，鑄造性能良好，耐磨及紅硬性好。中國發明專利CN101225500還公開了一種軋輥用高鉬高釩微偏析鑄造高速鋼。其具體化學成分如下(wt%):C1·22.8%，Si0.21.0%,MnO.21.0%，Ni0.31.2%,Cr3.06.0%，Mo5.010.0%，V5.012.0%，A10.10.7%，P彡0.025%，S^0.025%，其余為鐵。該發明特點是在高速鋼中增加Mo、V含量來替代傳統軋輥用高速鋼中的W元素，以減少重元素W在離心鑄造時造成的比重偏析，從而使軋輥徑向性能均勻，提高使用穩定性。該發明涉及的高鉬高釩高速鋼具有鑄造偏析小，硬度高，耐磨性強，紅硬性好，強韌性優等特點。中國發明專利CN101274359還公開了一種電磁離心鑄造高速鋼復合軋輥工作層材質，其成分質量百分比為C1.82.5、W310.0、Mo24、Cr4.07.0、V0.52、RE0.030.5,Si彡UMn彡1、余量為Fe和不可避免雜質；其中，在輥身工作層離心澆注和凝固過程中，施加磁感應強度為0.21T0.30T的電磁場。該發明高碳高鎢高速鋼材質，采用電磁離心鑄造工藝可以制造高碳高鎢高速鋼復合軋輥，以W代V，不僅消除了鑄造組織的宏觀偏析，有效地控制MC碳化物均勻分布，而且明顯地改善了高速鋼復合軋輥的使用性能。中國發明專利CN100999804還公開了一種新型高碳高鎢高速鋼軋輥及其制備方法，該發明中高碳高鎢高速鋼軋輥含有碳2.0%3.0%，鎢6.0%18.0%，釩2.0%4.0%，鉬1.0%3.0%，鉻3.0%9.0%，硅小于1.2%，錳小于1.2%;制成的該高碳高鎢高速鋼軋輥含有釩、鎢系的MC型復合碳化物。該發明中高碳高鎢高速鋼軋輥的制備方法是，將高碳高鎢高速鋼加熱到1580°C1620°C后脫氧；在1400°C1500°C澆鑄，同時對離心鑄型施加0.05T0.25T的穩恒磁場，并以600-1800轉/分鐘轉速旋轉至成型。中國發明專利CN1631565還公開了高釩高速鋼復合軋輥及生產工藝，軋輥分為輥芯和軋輥耐磨層，輥芯采用韌性較好的低合金鋼或中碳鋼材料制作，軋輥耐磨層采用高釩高速鋼材料，該高釩高速鋼的主要元素含量為:C1.8-3.5%,V:7-12%,Cr:4_5%、Mo:2_4%、Ni0.5-1.5%，余量為鐵。其生產工藝為輥芯與軋輥耐磨層通過感應加熱順序凝固結晶方法復合熔鑄為一體。但是，上述高速鋼軋輥材料均存在貴重合金元素加入量多，軋輥生產成本高的不足。
發明內容本發明目的是針對軋輥在使用中出現的種種問題，提出一種含硼高鉻高速鋼軋輥材料及其熱處理方法，該含硼高鉻高速鋼軋輥材料改善高速鋼的鑄造性能，降低軋輥成本，改善軋輥的淬透性和淬硬性，使軋輥在鑄態下具有高硬度，提高軋輥材料的強韌性和抗疲勞性能。此外，其熱處理方法不采用高溫淬火熱處理，只進行消除應力和穩定組織的回火熱處理，以降低軋輥熱處理能耗。本發明的目的可以通過以下措施來實現本發明含硼高鉻高速鋼軋輥材料的化學組成成分是(質量分數，％)2.6-3.0C,2.0-2.8Mo,1.0-1.5ff,0.6-1.ONb,1.0-1.5V,24-28Cr,0.5-0.8B，0.7-1.2Ni，0.5-1.OSi,0.5-1.2Mn，0.008-0.015Ca，0.06-0.08Zn，0.02-0.05Ta，0.03-0.06RE，0.04-0.10K,其余為Fe和不可避免的微量雜質。上述軋輥材料采用電爐熔煉，具體工藝步驟如下①先將廢鋼、生鐵、鉬鐵、鉻鐵、鎢鐵和鎳板在爐內混合加熱熔化，鋼水溶清后加入硅鐵和錳鐵，升溫至15301560°C，依次加入釩鐵、鈮鐵和硼鐵，其中鈮鐵只加入其加入總量的88%92%，硼鐵只加入其加入總量的92%95%，保溫815分鐘后，依次加入硅鈣合金預脫氧、加入鋁終脫氧，爐前調整成分合格后出爐；②將稀土硅鐵、鉀鹽、鉭鐵、金屬鋅、剩余量的硼鐵和剩余量的鈮鐵破碎至粒度1015mm的小塊，經150180°C烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理；③鋼水扒渣后澆注成軋輥，鋼水澆注溫度為14501480°C。④軋輥在500550°C進行熱處理，保溫時間1220小時，然后爐冷至150200°C后空冷至室溫，最后精加工至規定尺寸和精度。在高速鋼中，提高鉻含量，以改善高速鋼的鑄造性能，并降低鎢、鉬、釩和鈮等貴重合金元素的加入量，利于降低軋輥成本，另外加入適量硼元素，利于改善軋輥的淬透性和淬硬性，使軋輥在鑄態下具有高硬度，還加入細化軋輥凝固組織的微合金元素，利于提高軋輥材料的強韌性和抗疲勞性能。此外，含硼高鉻高速鋼軋輥材料不采用高溫淬火熱處理，只進行消除應力和穩定組織的回火熱處理，以降低軋輥熱處理能耗。軋輥材料性能是由金相組織決定的，而一定的組織取決于化學成分及熱處理工藝，本發明化學成分是這樣確定的碳本發明加入碳的目的是為了增加高速鋼軋輥中碳化物數量，改善軋輥耐磨性，且碳含量增加后，高速鋼的鑄造性能明顯改善，碳含量過高，易使軋輥脆性增大，合適的碳加入量為2.6-3.0%。鉬和鎢加入鉬和鎢，部分進入基體，有利于提高基體高溫性能，部分進入碳化物，有利于提高碳化物硬度和高溫穩定性，導致軋輥使用壽命的延長。但是鉬和鎢加入量過多，導致軋輥生產成本增加，且鎢元素密度大，軋輥離心鑄造成形過程中易出現明顯的偏析，合適的鉬加入量為2.0-2.8%，合適的鎢加入量為1.0-1.5%。釩和鈮加入釩和鈮的主要目的是為了獲得高硬度的MC型碳化物，有利于改善軋輥耐磨性，爐外加入的鈮還有利于細化凝固組織，但是釩和鈮價格高，加入量過多，導致軋輥生產成本增加，且釩元素密度小，軋輥離心鑄造成形過程中易出現明顯的偏析，合適的釩加入量為1.0-1.5%，合適的鈮加入量為0.6-1.0%。鉻高速鋼軋輥中提高鉻含量，一方面可以增加高硬度M7C3型碳化物數量，有利于軋輥耐磨性的改善，另外，還可增加軋輥的淬透性和抗氧化性能，合適的鉻加入量為24-28%。硼高速鋼軋輥中加入硼除了形成高硬度硼化物、提高淬透性、淬硬性，導致軋輥耐磨性明顯改善外，爐外加入的硼能減少固溶體中碳的含量，使鋼液中碳的溶解度增加，造成鋼液中碳的原子集團數增多，從而使碳化物的生長核心增多，有利于碳化物的細化，促進高速鋼軋輥強度和韌性的增加，合適的硼加入量為0.5-0.8%。鎳鎳是非碳化物、硼化物形成元素，主要溶于基體，有利于基體淬透性的提高，還可以提高基體強度，防止軋輥使用中出現剝落和開裂，但加入量過多，軋輥組織中出現大量高溫穩定性好的奧氏體組織，不利于軋輥硬度的提高和耐磨性的改善，合適的鎳加入量為0.7-1.2%。硅和錳高速鋼軋輥中加入硅和錳主要起脫氧作用，另外，硅和錳還可以強化基體，有利于提高軋輥耐磨性。但是硅含量過高，軋輥使用中易出現疲勞裂紋，降低軋輥使用壽命，錳含量過高，易促使軋輥組織粗大，損害軋輥大強度和韌性，合適的硅加入量為0.5-1.0%，合適的錳加入量為0.5-1.2%。鈣鈣與氧有很大的親合力，鈣的脫氧能力很強。鈣對高速鋼中夾雜物的變質具有顯著作用，高速鋼中加入適量鈣可將高速鋼中的長條狀硫化物夾雜轉變為球狀的CaS或(Ca,Mn)S夾雜，高速鋼中加入適量鈣還顯著降低硫在晶界的偏聚，鈣對降低高速鋼脆性和提高含硼高鉻高速鋼軋輥鑄造時抗熱裂性是十分有益的。但加入過多的鈣將使高速鋼中夾雜物增多，對高速鋼韌性的提高不利，合適的鈣加入量為0.008-0.015%。鋅鋅促使含硼高鉻高速鋼軋輥中碳化物變得細小、孤立、尖角圓鈍，數量增加，碳化物數量增加是由于形成了含鋅復合碳化物的緣故，對耐磨性的提高是有利的。鋅加入量過多時會導致出現大量含鋅復合碳化物，反而降低含硼高鉻高速鋼軋輥的韌性，合適的鋅加入量是0.06-0.08%。稀土稀土的熔點低，是強成分過冷元素，變質前后，含硼高鉻高速鋼軋輥的初晶結晶時間和凝固區間均縮短，由于稀土為非碳化物形成元素，在凝固過程中通過溶質元素再分配而富集在碳化物結晶前沿的液體中，提高了碳化物的形核率，促進碳化物的細化。另夕卜，稀土元素與鋼液中的氧和硫均有較大的親和力，能凈化鋼水，在結晶時避免了初生相的有方向性的生長，因而避免了晶粒粗大。大量稀土高熔點化合物及脫硫去氧形成的夾雜可作為奧氏體、碳化物的晶核基底，形成異質晶核，使晶核數增加，進而細化凝固組織。合適的稀土加入量是0.03-0.06%。鉀鉀熔點低，是表面活性元素，吸附在碳化物與奧氏體的界面上，造成成分過冷，在碳化物擇優生長表面的吸附與偏聚改變碳化物的結晶慣習面，從而使得基體及碳化物晶粒向各個方向生長的幾率相等，生長形狀趨向于團球狀。鉀還具有很強的脫氧、脫硫能力，能有效減少氧、硫等雜質的數量，使晶界大大凈化，結晶核心周圍過冷度均勻，進而細化了碳化物。合適的鉀加入量為0.04-0.10%。鉭鉭加入含硼高鉻高速鋼軋輥中，可形成細小、熔點高的TaC，TaC可以作為初生奧氏體、共晶碳化物、硼化物的結晶核心，有利于凝固組織的細化，可改善含硼高鉻高速鋼軋輥的強度和韌性，延長其使用壽命，合適的鉭加入量為0.02-0.05%。本發明含硼高鉻高速鋼軋輥中，鑄態組織以馬氏體和奧氏體為主，加上高硬度的MC、M2C,M7C3型碳化物和Fe2B硼化物，無低硬度的鐵素體和珠光體，鑄態硬度達到8588HSD，無需進行高溫硬化淬火處理，只需在500550°C進行消除應力和穩定組織的回火熱處理，保溫時間1220小時，然后爐冷至150200°C后空冷至室溫。本發明與現有技術相比，具有以下優點(1)本發明高速鋼軋輥材料中，鎢、鉬、釩和鈮等貴重合金元素的加入量較少，軋輥材料成本明顯下降。(2)本發明高速鋼軋輥材料通過提高碳、鉻含量，并加入適量硼元素，鑄態組織以馬氏體和奧氏體為主，加上高硬度的MC、M2C、M7C3型碳化物和Fe2B硼化物，無低硬度的鐵素體和珠光體，鑄態硬度達到8588HSD，無需進行高溫硬化淬火處理，只進行消除應力和穩定組織的回火熱處理，可以明顯降低軋輥熱處理能耗和縮短軋輥生產周期，且回火后硬度無明顯下降，仍維持在8387HSD。(3)本發明軋輥材料經鉭、硼、鈮、稀土、鋅和鉀復合變質處理，凝固組織細小、碳化物和硼化物孤立分布，導致軋輥材料強度和韌性明顯提高，其中抗拉強度達到750820Mpa，沖擊韌性達到1215J/cm2。(4)本發明軋輥材料用于軋鋼生產中，使用壽命比高鎳鉻鑄鐵軋輥提高200250%，與普通高速鋼軋輥相當。具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步詳述實施例1采用1000公斤中頻感應電爐熔化含硼高鉻高速鋼軋輥材料，具體工藝步驟是①先將廢鋼、生鐵、鉬鐵、鉻鐵、鎢鐵和鎳板在爐內混合加熱熔化，鋼水溶清后加入硅鐵和錳鐵，升溫至1532°C，依次加入釩鐵、鈮鐵和硼鐵，其中鈮鐵只加入其加入總量的88%，硼鐵只加入其加入總量的95%，保溫15分鐘后，依次加入硅鈣合金預脫氧、加入鋁終脫氧，爐前調整成分合格后出爐。②將稀土硅鐵、鉀鹽、鉭鐵、金屬鋅、硼鐵和鈮鐵破碎至粒度1015mm的小塊，經180°C烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理，其中鈮鐵只加入其加入總量的12%，硼鐵只加入其加入總量的5%；③鋼水扒渣后澆注成軋輥，鋼水澆注溫度為1455°C。④軋輥在500°C進行熱處理，保溫時間20小時，然后爐冷至200°C后空冷至室溫，最后精加工至規定尺寸和精度。軋輥材料的化學成分見表1，軋輥材料的力學性能見表2。實施例2采用1000公斤中頻感應電爐熔化含硼高鉻高速鋼軋輥材料，具體工藝步驟是①先將廢鋼、生鐵、鉬鐵、鉻鐵、鎢鐵和鎳板在爐內混合加熱熔化，鋼水溶清后加入硅鐵和錳鐵，升溫至1557°C，依次加入釩鐵、鈮鐵和硼鐵，其中鈮鐵只加入其加入總量的92%，硼鐵只加入其加入總量的92%，保溫8分鐘后，依次加入硅鈣合金預脫氧、加入鋁終脫氧，爐前調整成分合格后出爐。②將稀土硅鐵、鉀鹽、鉭鐵、金屬鋅、硼鐵和鈮鐵破碎至粒度1015mm的小塊，經150°C烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理，其中鈮鐵只加入其加入總量的8%，硼鐵只加入其加入總量的8%；③鋼水扒渣后澆注成軋輥，鋼水澆注溫度為1475°C。④軋輥在550°C進行熱處理，保溫時間12小時，然后爐冷至150°C后空冷至室溫，最后精加工至規定尺寸和精度。軋輥材料的化學成分見表1，軋輥材料的力學性能見表2。實施例3采用750公斤中頻感應電爐熔化含硼高鉻高速鋼軋輥材料，具體工藝步驟是①先將廢鋼、生鐵、鉬鐵、鉻鐵、鎢鐵和鎳板在爐內混合加熱熔化，鋼水溶清后加入硅鐵和錳鐵，升溫至1548°C，依次加入釩鐵、鈮鐵和硼鐵，其中鈮鐵只加入其加入總量的90%，硼鐵只加入其加入總量的94%，保溫10分鐘后，依次加入硅鈣合金預脫氧、加入鋁終脫氧，爐前調整成分合格后出爐。②將稀土硅鐵、鉀鹽、鉭鐵、金屬鋅、硼鐵和鈮鐵破碎至粒度1015mm的小塊，經160°C烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理，其中鈮鐵只加入其加入總量的10%，硼鐵只加入其加入總量的6%；③鋼水扒渣后澆注成軋輥，鋼水澆注溫度為1466°C。④軋輥在530°C進行熱處理，保溫時間15小時，然后爐冷至180°C后空冷至室溫，最后精加工至規定尺寸和精度。軋輥材料的化學成分見表1，軋輥材料的力學性能見表2。表1含硼高鉻高速鋼軋輥材料化學成分(質量分數，％)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2含硼高鉻高速鋼軋輥力學性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>采用含硼高鉻高速鋼軋輥材料制造的軋輥，已在熱軋棒材軋機精軋機架前架(Κ2機架)、預切分機架(Κ4機架)和熱軋窄帶鋼軋機上進行了工業運行試驗，試驗結果顯示，含硼高鉻高速鋼軋輥材料制造的軋輥，具有硬度高、硬度均勻性好、淬硬層深等特點，還具有良好的強韌性和抗疲勞性能，軋輥使用中無剝落、開裂和斷輥現象出現，軋輥使用壽命比高鎳鉻鑄鐵軋輥提高200250%，與普通高速鋼軋輥相當，而生產成本比普通高速鋼軋輥材料降低30%左右。推廣應用本發明軋輥材料，可降低軋材成本，改善軋材表面質量，具有良好的經濟和社會效益。權利要求含硼高鉻高速鋼軋輥材料的化學組成成分質量分數(％)是2.6-3.0C，2.0-2.8Mo，1.0-1.5W，0.6-1.0Nb，1.0-1.5V，24-28Cr，0.5-0.8B，0.7-1.2Ni，0.5-1.0Si，0.5-1.2Mn，0.008-0.015Ca，0.06-0.08Zn，0.02-0.05Ta，0.03-0.06RE，0.04-0.10K，其余為Fe和不可避免的微量雜質，該軋輥材料采用以下工藝步驟熔煉和澆注①先將廢鋼、生鐵、鉬鐵、鉻鐵、鎢鐵和鎳板在爐內混合加熱熔化，鋼水溶清后加入硅鐵和錳鐵，升溫至1530～1560℃，依次加入釩鐵、鈮鐵和硼鐵，其中鈮鐵只加入其加入總量的88％～92％，硼鐵只加入其加入總量的92％～95％，保溫8～15分鐘后，依次加入硅鈣合金預脫氧、加入鋁終脫氧，爐前調整成分合格后出爐；②將稀土硅鐵、鉀鹽、鉭鐵、金屬鋅、剩余量的硼鐵和剩余量的鈮鐵破碎至粒度10～15mm的小塊，經150～180℃烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理；③鋼水扒渣后澆注成軋輥，鋼水澆注溫度為1450～1480℃。2.按照權利要求1的熱處理方法，其特征在于，軋輥在500550°C進行熱處理，保溫時間1220小時，然后爐冷至150200°C后空冷至室溫，最后精加工至規定尺寸和精度。全文摘要本發明公開了一種含硼高鉻高速鋼軋輥材料及其熱處理方法，其化學成分(質量分數，％)是2.6-3.0C，2.0-2.8Mo，1.0-1.5W，0.6-1.0Nb，1.0-1.5V，24-28Cr，0.5-0.8B，0.7-1.2Ni，0.5-1.0Si，0.5-1.2Mn，0.008-0.015Ca，0.06-0.08Zn，0.02-0.05Ta，0.03-0.06RE，0.04-0.10K，其余為Fe和不可避免的微量雜質，該軋輥材料經熔煉、爐外變質、澆注和熱處理后，精加工成軋輥。該發明軋輥材料硬度高、耐磨性好，且不需要高溫熱處理，具有工藝簡便、能耗低和使用壽命長等特點，推廣應用具有較好的經濟效益。文檔編號C21C7/06GK101805869SQ20101015236公開日2010年8月18日申請日期2010年4月16日優先權日2010年4月16日發明者徐建忠,成小樂,杜忠澤,符寒光,雷永平申請人:北京工業大學