专利名称：一种含铝高硼高速钢轧辊材料及冶炼方法
技术领域：
本发明公开了一种高速钢轧辊材料及冶炼方法，特别公开了一种含铝高硼高速钢轧辊材料及冶炼方法，属于轧辊材料技术领域。
背景技术：
普通高碳高钒高速钢轧辊具有优异的耐磨性，但存在贵重合金元素加入量多和生产成本高等不足，推广应用十分困难。硼是一种廉价的合金元素，加入高速钢轧辊，可以部分取代钒、铌、钨、钥等合金元素，降低高碳高钒高速钢轧辊材料的成本。中国发明专利CN101797630A公开了一种改进型高速钢轧辊及其制备方法，采用离心复合铸造·方法成形，轧辊外层是高速钢，轧辊内层是球铁或高强度铸铁。轧辊外层在离心铸造机上成形，然后将辊芯铁水在静态下填芯，浇注成高速钢复合轧辊。高速钢轧辊外层的原料组成是(质·量分数):60-65%的M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)废钢，I. 0-1. 4%的金属铝，5. 0-5. 5 %的硼铁，9. 2-9. 4%的碳素铬铁，O. 2-0. 4%的钛铁，I. 0-1. 2%的镍镁合金，18-23%的Q235废钢。中国发明专利CN101177753还公开了一种用于各类轧钢机的高钒高速钢轧辊材料的熔体处理方法,钢水出炉时，随流加入钒铁颗粒,其加入量占钢水总重量的O. 80 - I. 20%。钢水冲入浇包前，在浇包内预先加入钇基稀土镁合金、氮化铬铁、钾盐和金属铝，其中钇基稀土镁合金加入量占钢水重量的O. 30 - O. 80%，氮化铬铁加入量占钢水重量的O. 20 -O. 50%，钾盐加入量占钢水重量的O. 30 - O. 80%，金属铝加入量占钢水重量的O. 30 一0.60%。当钢水温度达到1450 - 1480°C时，在离心机上直接浇注成轧辊，在钢水浇注过程中，随流加入颗粒尺寸5_ — 8mm的钥;铁和钛铁颗粒,其中钥;铁颗粒加入量占钢水总量的
O.30 - O. 80%,钛铁颗粒加入量占钢水总量的O. 40 - I. 00%。该发明离心铸造的高钒高速钢轧辊偏析轻，无铸造裂纹，硬度高，耐磨性好。中国发明专利CN102107215A还公开了一种资源节约型含硼高速钢复合轧辊及其制备方法，由外层和辊芯两部分通过离心复合铸造而成。其外层各种原料组成35-40%高速钢轧辊的合金铁屑、20-25%高铬铸铁轧辊的合金铁屑、15-20%高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的合金铁屑、4-8%钨渣铁合金、I. 0-1. 5%硼铁、I. 0-1. 2%低碳锰铁、O. 15-0. 25%钛铁、O. 2-0. 3 %钇基重稀土硅铁合金、O. 25-0. 30%氮化铬铁、O. 2-0. 3%镁铝钙合金，余量是低碳废钢片。辊芯是球墨铸铁。该发明复合轧辊具有良好的综合力学性能和耐磨性，且以轧辊加工残渣为主要原料，具有节约资源和成本低廉等特点，推广应用具有良好的经济和社会效益。中国发明专利CN101812646A还公开了轧辊用高速钢合金的铸造工艺，该工艺先采用快淬甩带法分别制得薄片状的纳米晶稀土硅铁孕育剂和薄片状的纳米晶硼铁细化剂，再用由该纳米晶稀土硅铁孕育剂和纳米晶硼铁细化剂构成的变质剂对轧辊用高速钢合金组织进行晶粒和组织细化处理，以克服高速钢合金铸造的缺陷，显著细化了其基体晶粒并使碳化物断网，从而明显地提高了所制得的高速钢轧辊的综合力学性能。中国发明专利CN101445892还公开了一种高硼高速钢轧辊材料，该发明轧辊材料的化学组成成分是(重量％ ) :0.25 0.40C、1.8 2.5B、3.8
4.2Cr、l. O 2. OffU. O 2· 0Μο、0· 8 I. 0V、1. 5 I. 8Si、0. 2 O. 4Α1、0· 25 O. 40Ti、O. 05 O. 20RE、0. 02 O. 05Zr、0. 5 O. 8Cu、Mn < O. 5、P < O. 04、S < O. 04，余量为 Fe，化学成分的总和为100%，其中3. 5 < W+2MO < 5. 2。该发明轧辊材料具有成本低，使用寿命长，综合性能好等优点。中国发明专利CN102409267A还公开了一种含硼高速钢轧辊及其制备方法，化学质量组成0. 95-1. 15C，8. 5-9. OCr, I. 0-1. 2Μο，0· 5-0. 8ff,0. 5-0. 8V,0. 4-0. 6B, I. 6-1. 8Α1，0· 18-0. 25Ν，0· 4-0. 6Cu, I. 2-1. 4Si，0. 06-0. 10RE，0. 03-0. 06Mg,
0.04-0. 08Ti，0. 025-0. 045K，0. 025-0. 045Na，0. 02-0. 04Te，0. 02-0. 04Bi, < 0. 5Mn,< 0. 025S，< 0. 030P，余量为Fe和不可避免的微量杂质。利用电炉可生产，具有辊面硬度高、耐磨性好和辊颈强度高、韧性好等特点。中国发明专利CN102615106A还公开了一种含硼离心复合高速钢轧辊，包括高速钢轧辊外层、高速钢轧辊中间层和高速钢轧辊芯部，该制备方法包括熔炼、炉前处理、轧棍烧注、退火、粗加工、二次回火、精加工、检验。通过上述方式，该发明提供的含硼离心复合高速钢轧辊采用了三层复合轧辊技术，增加了高速钢轧辊外层和高速钢轧辊芯部的复合能力，不易剥落，硬度强度高、耐磨性好、抗事故能力强，该制备方法简单，省去了高温淬火工艺，轧辊热处理能耗低、周期短，轧辊不会出现氧化和脱碳，且轧辊使用安全，使用中无断辊现象出现。所述的高速钢轧辊外层的化学成分重量百分比为0· 8-0. 9%CU. 0-1. 2% Si,O. 9-1. 2%Mn、彡 O. 03%P、彡 O. 03% S、0. 9-1. 0%Ni,5-6%Cr、I. 4-1. 5% Mo、I. 9-2. 2 % B、I. 4-1. 6% V,2-3% W、0. 4-0. 5 % Nb 和稀土。中国发明专利CN101240402还公开了一种用于制作复合辊环轧辊用铸造高硼高速钢及其热处理方法，它是一种抗热冲击性良好的耐磨材料，也可应用其他合适的工况，其化学成分设计为(重fi % ) 0. 20-1. 10C, I. 0-2. 5B，3. 0-5. OCr, O. 5-0. 9Si，0. 6-1. 3Μη，2· 0-10. 0V, O. 5-1. 5Ni,
1.0-4. ΟΜο,Ο. 2-4. 0ff,0. 1-2. ONb, S < 0· 04，P < 0. 04，其余为 Fe ;它的热处理方法包括退火，淬火和2 — 3次回火，退火加热温度为800 - 860°C，炉冷至小于500°C后炉冷或空冷；淬火加热温度为1020 - 1150°C，随后风冷或空冷；回火2 — 3次，加热温度500-550°C，随后炉冷或空冷。与传统高镍铬钥轧辊相比，大幅提高合金耐磨性、耐热性、抗热冲击性，减少轧辊在使用过程中出现的热疲劳裂纹现象及由此产生的掉肉、崩裂，体现出良好的安全性与耐磨性的有机结合。但是，含硼高速钢轧辊存在高温硬度低和高温耐磨性差等不足。加入铝可提高高速钢的高温硬度和高温耐磨性，中国发明专利CN1218842公开了一种高碳高速钢，尤其是一种同时含有铝、稀土元素、钛、硼的超硬含铝高速钢。其化学成份为(重量 ％ ) :0· 90-1. 35 % C，5. 50-6. 50 % W, 4. 50-5. 50 % Mo, 3. 50-4. 50 % Cr, I. 65-2. 20 % V,O. 80-2. 00% Al,O. 005-0. 20% RE,O. 05-0. 30% Ti,O. 001-0. 05% B，余为铁及杂质。中国发明专利CN101426944还公开了用于锯片的高速钢，存在的合金元素组成以质量百分数计由如下构成0. 5-1. 5的碳；1. 0-1. O的铬；3. 0-10. O的等效钨，该等效钨由2Mo+W关系式给出；0. 5-2. O的铌，铌可以用钒以每I %钒对应2%铌的比例进行部分或全部替代；0. 3-2. O的银，钒可以用铌以每1%钒对应2%铌的比例进行部分或全部替代；0. 3-3.5的硅，硅可以用铝以I : I的比例进行部分或全部替代；低于8的钴；其余基本为Fe和制备过程中不可避免杂质。中国发明专利CN1227879还公开了一种低合金高速钢，尤其是一种将钨当量 控制在(ff+2Mo) < 11，且同时含有铝、稀土、钛、氮元素的新型含铝低合金高速钢。其化学成份(重量 ％)为0. 95-1. 20C, I. 00-9. OOff, I. 00-5. OOMo, 3. 50-4. 50Cr, I. 65-2. 05V,O. 80-1. 50Α1，0· 005-0. 20RE，0. 05-0. 40Ti，N彡O. 10，余为铁及杂质。它克服或改善了现有各类低合金高速钢存在的综合机械性能较差，使用寿命不稳定，对被加工金属材料的适应面窄等缺陷，其红硬性、耐磨性、高温塑性、常温韧性、使用寿命、使用寿命值分散度等均比现有各类低合金高速钢更加优异，与一般通用高速钢接近。同时，其生产成本比一般通用高速钢低，与现有各类低合金高速钢相当，是一种性能优异、成本低，实用性好的低合金高速钢。但是，上述材料用做轧辊仍存在耐磨硬质相数量少，耐磨性差，铸造性能差和热疲劳性能差等不足，导致轧辊使用寿命缩短。
发明内容
本发明的目的是在含硼高速钢轧辊基础上，增加铝含量，从而提高含硼高速钢轧辊材料的高温硬度，并改善含硼高速钢轧辊的高温耐磨性。本发明的目的可以通过以下措施来实现。本发明轧辊材料的化学成分的质量分数％如下0. 35-0. 55C，3. 2-3. 4B，5. 5-6. OCr,〈O. 85Si,〈O. 35Μη，0· 5-0. 7V,0. 7-0. 9Ni, I. 0-3. Off, I. 0-2. OMo,且3· 8 彡(ff+2Mo) ( 5. 2,3. 7-3. 9Α1，0· 03-0. 06Ce，0. 03-0. 06La,且 0. 06< (La+C e) ( 0. 10，0. 12-0. 15Ν，0· 05-0. 08Ca，0. 04-0. IOMg, <0. 03S, <0. 04P，其余为 Fe。本发明轧辊材料采用电炉冶炼，其冶炼方法，包括以下步骤先将废钢，铬铁、钨铁、钥铁和镍板混合加热熔化，钢水溶清后，扒渣和加铝脱氧，然后加入钒铁、硼铁和氮化铬铁，再将钢水温度升至1580 1595°C，然后加铝合金化，炉前调整成分合格后出炉，钢水出炉温度1600 1620°C。预先将颗粒尺寸6 12mm的镧铈混合稀土和颗粒尺寸15 20mm铝镁钙合金置于浇包底部，采用包内冲入法对钢水进行复合变质处理，钢水温度在1430 14700C时浇注成轧辊，轧辊经粗加工后，加热至1130 1150°C，保温4 6h后油冷，然后在520 550°C回火一次，回火保温时间是12 15h，最后精加工至规定尺寸和精度。轧辊材料的性能是由其成分和热处理工艺确定的，本发明轧辊材料设计理由如下碳碳固溶于基体，可以提高基体淬硬性，但碳含量过高，降低轧辊热疲劳性能，因此将碳含量控制在O. 35-0. 55%。硼硼可以与铁形成高硬度的铁硼化合物，有利于改善轧辊耐磨性，但加入量过多，明显增大轧辊的脆性，因此将硼含量控制在3. 2-3. 4%。硅和锰硅降低轧辊的热疲劳抗力，将其含量控制在O. 85%以下。锰易促使轧辊组织粗大，损害轧辊的强韧性，将其含量控制在O. 35%以下。铬铬可以明显改善轧辊的淬透性和抗回火软化能力，其合时加入量为
5.5-6. 0%。钨和钥钨和钥加入轧辊中，主要是为了改善轧辊的高温耐磨性，但钨和钥是价格昂贵元素，其含量不能太高，将钥含量控制在I. 0-2. 0%，将钨含量控制在I. 0-3. 0%，且3. 8%^ (ff+2Mo) d。镍镍是非碳化物和硼化物形成元素，主要溶于基体，提高基体淬透性，防止淬火组织中出现低硬度的珠光体组织，加入量过多，轧辊组织中出现过多的低硬度残留奥氏体，反而损害轧辊耐磨性，因此将镍含量控制在O. 7-0. 9%。钒加入适量钒主要是为了获得高硬度的MC型碳化物，从而提高轧辊耐磨性，钒还有细化晶粒的作用，但钒价格昂贵，因此将钒含量控制在O. 5-0. 7%。铝铝是非碳化物和硼化物形成元素，主要溶于基体，提高基体高温硬度和高温耐磨性，铝还有良好的抗高温氧化能力，特别是铝的加入，促进铸态轧辊基体组织转变成珠光体和铁素体，降低轧辊铸态硬度，有利于改善铸态轧辊的加工性能，铸态轧辊不经退火处理，可以实现快速切削加工。但铝降低轧辊淬透性能，因此将铝含量控制在3. 7-3. 9%。镧和铈钢水中加入适量镧和铈主要是起脱氧、脱硫和细化凝固组织以及改善碳化物和硼化物形态和分布，从而实现提高轧辊综合性能的目的，但是，镧和铈加入量过多，钢水中夹杂物增多，反而损害轧辊材料的性能，因此将镧含量控制在O. 03-0. 06%，铈含量控制在 O. 03-0. 06 %，且 O. 06 %〈 (La+Ce)彡 O. 10 %。氮钢水中加入适量氮，主要是利用氮与钢水中的硼、钒等元素化合，形成高熔点的氮化物，起结晶核心作用，从而细化凝固组织和改善碳化物和硼化物形态和分布，实现提高轧辊综合性能的目的。氮加入量过多，氮化物变得粗大，反而损害轧辊材料的性能，因此将氮含量控制在O. 12-0. 15%。 钙和镁钙和镁具有良好的脱氧、脱硫能力，钙还有改善夹杂物形态和分布的有利作用，而镁则具有细化凝固组织，改善碳化物和硼化物形态和分布的作用，对促进轧辊性能提高，具有很好的效果，合时的镁加入量为O. 04-0. 10%，合时的钙加入量为O. 05-0. 08%。硫和磷硫和磷是轧辊材料中的有害元素，对其含量应严格控制，本发明轧辊材料硫含量控制在O. 03 %以下，憐含量控制在O. 04%以下。本发明轧辊材料因铝元素的加入，促进铸态轧辊基体组织转变成珠光体和铁素体，降低轧辊铸态硬度，有利于改善铸态轧辊的加工性能，铸态轧辊不经退火处理，可以实现快速切削加工。经粗加工后的轧辊随炉加热至1130 1150°C，保温4 6h后油冷，确保淬火组织为高硬度的马氏体，铝元素的加入，导致淬火组织中残留奥氏体明显减少，本发明轧辊在520 550°C回火一次，回火保温时间12 15h，就可以满足使用要求。本发明轧辊材料室温硬度和高温硬度高，高温耐磨性好，是一种性能优异、成本低，实用性好的高速钢轧辊材料，用于热轧钢生产中，具有良好的使用效果。本发明与现有技术相比，主要特点是(I)本发明轧辊材料铸态硬度低，不经退火处理，可以直接加工，且加工效率高；(2)本发明轧辊材料淬火组织中残留奥氏体少，经520 550°C回火一次，回火保温时间12 15h,就可以满足使用要求。(3)本发明轧辊材料高温硬度高，在550°C的高温硬度达到630 670HV ；(4)本发明轧辊材料具有优异的高温耐磨性，用于热轧线材轧钢机上，本发明轧辊材料的耐磨比普通高硼高速钢轧辊提高30 45%，和高钴高铌高速钢轧辊相当，但不含钴、铌等昂贵合金元素，其生产成本降低30%以上。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步详述实施例I :采用500公斤中频感应电炉熔炼含铝高硼高速钢轧辊材料，具体工艺步骤是
(I)先将废钢，铬铁、钨铁、钥铁和镍板混合加热熔化，钢水溶清后，扒渣和加铝脱氧，然后加入钒铁、硼铁和氮化铬铁，再将钢水温度升至1583°C，然后加铝合金化，炉前调整成分合格后出炉，钢水出炉温度1602 °C。(2)预先将颗粒尺寸6 12mm的镧铺混合稀土和颗粒尺寸15 20mm的招镁I丐合金置于浇包底部，采用包内冲入法对钢水进行复合变质处理。(3)钢水温度在1433°C时浇注成轧辊，轧辊经粗加工后，加热至1130°C，保温6h后油冷，然后在550°C回火一次，回火保温时间是12h，最后精加工至规定尺寸和精度。轧辊材料的成分见表1，轧辊材料的室温硬度为67. 2HRC，在550°C的高温硬度达到635. 7HV。实施例2
采用500公斤中频感应电炉熔炼含铝高硼高速钢轧辊材料，具体工艺步骤是(I)先将废钢，铬铁、钨铁、钥铁和镍板混合加热熔化，钢水溶清后，扒渣和加铝脱氧，然后加入钒铁、硼铁和氮化铬铁，再将钢水温度升至1594°C，然后加铝合金化，炉前调整成分合格后出炉，钢水出炉温度1618°C。(2)预先将颗粒尺寸6 12mm的镧铺混合稀土和颗粒尺寸15 20mm的招镁I丐合金置于浇包底部，采用包内冲入法对钢水进行复合变质处理。(3)钢水温度在1466°C时浇注成轧辊，轧辊经粗加工后，加热至1150°C，保温4h后油冷，然后在520°C回火一次，回火保温时间是15h，最后精加工至规定尺寸和精度。轧辊材料的成分见表1，轧辊材料的室温硬度为68. 5HRC，在550°C的高温硬度达到662. 4HV。实施例3 采用500公斤中频感应电炉熔炼含铝高硼高速钢轧辊材料，具体工艺步骤是(I)先将废钢，铬铁、钨铁、钥铁和镍板混合加热熔化，钢水溶清后，扒渣和加铝脱氧，然后加入钒铁、硼铁和氮化铬铁，再将钢水温度升至1587°C，然后加铝合金化，炉前调整成分合格后出炉，钢水出炉温度1613°C。(2)预先将颗粒尺寸6 12mm的镧铺混合稀土和颗粒尺寸15 20mm的招镁I丐合金置于浇包底部，采用包内冲入法对钢水进行复合变质处理。(3)钢水温度在1455°C时浇注成轧辊，轧辊经粗加工后，加热至1140°C，保温5h后油冷，然后在540°C回火一次，回火保温时间是13h，最后精加工至规定尺寸和精度。轧辊材料的成分见表1，轧辊材料的室温硬度为67. 9HRC，在550°C的高温硬度达到646. 8HV。表I轧辊材料的成分(质量分数，％)
权利要求
1.一种含铝高硼高速钢轧辊材料，其特征在于，该材料的化学成分的质量分数％如下0. 35-0. 55C，3. 2-3. 4Β，5· 5-6. OCr,〈O. 85Si, <0. 35Μη，0· 5-0. 7V,0. 7-0. 9Ni,I.0-3. Off, I. 0-2. OMo，且 3. 8 ( (ff+2Mo) ( 5. 2,3. 7-3. 9A1，0. 03-0. 06Ce，0. 03-0. 06La，且0.06〈 (La+Ce) ( 0. 10，0. 12-0. 15N, 0. 05-0. 08Ca, 0. 04-0. IOMg, <0. 03S, <0. 04P,其余为Fe。
2.权利要求I所述的含铝高硼高速钢轧辊材料的冶炼方法，其特征在于，采用电炉冶炼，包括以下步骤先将废钢，铬铁、钨铁、钥铁和镍板混合加热熔化，钢水溶清后，扒渣和加铝脱氧，然后加入钒铁、硼铁和氮化铬铁，再将钢水温度升至1580 1595°C，然后加铝合金化，炉前调整成分合格后出炉，钢水出炉温度1600 1620°C ;预先将颗粒尺寸6 12_的镧铈混合稀土和颗粒尺寸15 20_的铝镁钙合金置于浇包底部，采用包内冲入法对钢水进行复合变质处理，钢水温度在1430 1470°C时浇注成轧辊，轧辊经粗加工后，加热至1130 1150°C，保温4 6h后油冷，然后在520 550°C回火一次，回火保温时间是12 15h，最后精加工至规定尺寸和精度。
全文摘要
一种含铝高硼高速钢轧辊材料及冶炼方法，属于轧辊材料技术领域。化学成分的质量分数％是0.35-0.55C，3.2-3.4B，5.5-6.0Cr，<0.85Si，<0.35Mn，0.5-0.7V，0.7-0.9Ni，1.0-3.0W，1.0-2.0Mo，3.8≤(W+2Mo)≤5.2，3.7-3.9Al，0.03-0.06Ce，0.03-0.06La，0.06<(La+Ce)≤0.10，0.12-0.15N，0.05-0.08Ca，0.04-0.10Mg，<0.03S，<0.04P，其余为Fe。利用电炉熔炼，采用铸造方法成型，经淬火和回火后精加工。本发明轧辊材料室温和高温硬度高，高温耐磨性好。
文档编号C22C38/54GK102925820SQ20121041346
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者符寒光, 蒋志强, 乔虹, 刘建伟, 魏永强, 雷永平, 马胜强, 邢建东 申请人:北京工业大学