本发明涉及轧辊技术领域，特别涉及一种新型高铬钢轧辊。同时，本发明还涉及一种生产该新型高铬钢轧辊的制造方法。
背景技术：
轧钢是钢铁生产的一个重要的领域,而轧辊又是轧钢生产的重要消耗部件,所以轧辊的性能直接影响到轧钢产品质量的优劣和成本的高低。随着国内生产线和产量的逐年递增,轧辊的消耗和需求量亦在逐年增加,然而国内轧辊低档次产品供大于求,产品过剩,制造厂竞相压价,而高档优质轧辊供应不足。所以,为了提高中国钢材质量,降低生产成本,如何提高轧辊的质量和生产效率成为中国钢企的一个重要课题。
近年来,高碳高铬钢越来越多的应用于轧辊中,由于碳舍量和合金元素的含量比较高,其基体显微组织中有较多的共晶碳化物,与合金半钢材质轧辊比具有较良的高温耐磨性,同时由于碳含量相比高铬铸铁低,而具有一定的机械强度,其已步替代高铬铸铁轧辊和合金半钢材质轧辊。虽然髙铬髙碳钢具有优异的力学性能,其使用也越来越多,但是由于c和cr含量比较高,容易发生偏析,在冷却过程中容易形成粗大的网状碳化物,削减了组织的连续性,降低了轧辊的冲击韧性,降低了轧辊的综合力学性能。同时,网状碳化物也为微裂纹扩展提供了途径,导致轧辊在使用过程中容易发生剥落、开裂,甚至导致断裂。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明旨在提出一种新型高铬钢轧辊，以能够改善轧辊的韧性和耐磨性，提高其使用寿命，同时也可降低轧辊的成本。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种新型高铬钢轧辊，包括由工作层和芯部构成的辊体，所述工作层采用如下质量百分比的组分制成：c：1.25～1.35％，si：0.5～0.6％，mn：0.9～1.0％，p≤0.05％，s≤0.02％，cr：12～13％，ni：0.8～1.0％，mo：1.4～1.5％，v：0.3～0.4％，nb：0.05～0.15％，re：0.5～1.0％，余量为fe和不可避免的杂质；所述芯部的材质为球墨铸铁。
相对于现有技术，本发明的高铬钢轧辊具有以下优势：
本发明的新型高铬钢轧辊通过添加nb和稀土元素re，可形成高温的碳化物或碳氮化物，可以作为高铬莱氏体模具钢凝固时奥氏体核心，而能够起到凝固细化作用，同时，通过nb微合金化，控制形变再结晶过程，亦可得到锻造状态细小的颗粒，从而可使高铬钢轧辊具有较高的韧性和耐磨性。此外，本发明的高铬钢轧辊通过降低mo和v的用量，也可降低生产成本。
本发明同时也提出了上述新型高铬钢轧辊的制造方法，该制造方法包括以下的步骤：
s1、熔炼：将废钢原料加入真空感应炉或电弧炉内熔炼，熔炼温度为1500～1600℃，熔炼中加入合金、脱氧剂和稀土元素，然后将熔炼后的铁水转移到钢包中，进行铁水吹氩处理后，制得工作层铁水；
s2、工作层离心铸造：将工作层铁水注入离心机铸型内，浇注温度为1460～1510℃，离心转速为1200-1300rpm，待工作层浇注成型后，将工作层转移到芯部浇注坑；
s3、芯部浇注：将工作层冷型与浇注芯部的砂箱合并，将经调质的球墨铸铁铁水浇注到砂箱内，浇注温度为1380-1420℃，浇注完毕后在浇注坑中冷却，然后打开砂箱清理后取出辊体；
s4、预热处理：将辊体加热至450-500℃，加热速率为10-15℃/h，保温时间10-15h，再次加热至580-620℃，加热速率为10-15℃/h，保温时间20-30h，然后在芯部轴颈处包裹石棉纤维毡，并将辊体转移至差温炉内；
s5、差温热处理：对辊体工作层快速加热，加热速率200-250℃/h，保温温度890-950℃，保温时间30min；
s6、淬火：将辊体加热至1050-1150℃，加热速率为200-250℃/h，保温时间2.5-3h，然后对辊体进行冷却，冷却速率不低于6℃/h；
s7、回火：回火前拆除轴颈处的石棉纤维毡，进行两次回火，先将辊体加热至480-490℃，加热速率为15-20℃/h，保温时间10-15h后，以冷却速率10-15℃/h进行冷却。
进一步的，该制造方法还包括：
s8、两次回火后对工作层的硬度和金相组织进行检查，若工作层硬度低于75hsd或残余奥氏体量大于5％，则进行第三次回火处理，将辊体加热至480-510℃，加热速率为15-20℃/h，保温时间10-15h后，以冷却速率10-15℃进行冷却。
进一步的，所述脱氧剂为铝线。
进一步的，铁水吹氩处理中，吹氩压力为0.15-0.25mpa，氩气流量为30-50nl/h，吹氩时间为20-25min，氩气泡不大于10微米。
进一步的，所述球墨铸铁铁水的调质处理包括球墨铸铁铁水出炉时加入粒度1-4mm的si75zr、以及粒度为1-4mm的fesi75，si75zr加入量为铁水总量的0.20-0.25％，fesi75加入量为铁水总量的0.3-0.35％。
相对于现有技术，本发明的上述制造方法具有以下优势：
本发明的新型高铬钢轧辊的制造方法，通过优化热处理，且在奥氏体保温过程中nbc的析出阻止奥氏体晶粒长大，能够获得细化的使用组织。通过稀土元素的变质处理，也可减少碳化物的偏析，能够改善夹杂物和共晶碳化物形态，使材料的硬度性能和耐冲击性能都得到显著提高。
同时，本发明中通过采用差温热处理和多段回火工艺，可在工作层表面消除高铬钢的网状碳化物组织，获得回火马氏体，满足工作层硬度高、均匀性好、硬度降梯度低等性能要求，提高轧辊辊身耐磨性、抗热裂性及抗事故能力，又可避免芯部球墨铸铁部分组织恶化，保证辊身具有足够的强度。此外，因差温热处理只进行局部升温，亦能够降低能耗，减少成本；而多段回火工艺在获得回火马氏体的同时，还可减少残余奥氏体的数量，进而能够保证工作层的硬度和耐磨性。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合实施例来详细说明本发明。
本实施例涉及一种新型高铬钢轧辊，其包括由工作层和芯部构成的辊体，且所述工作层采用如下质量百分比的组分制成：c：1.25～1.35％，si：0.5～0.6％，mn：0.9～1.0％，p≤0.05％，s≤0.02％，cr：12～13％，ni：0.8～1.0％，mo：1.4～1.5％，v：0.3～0.4％，nb：0.05～0.15％，re：0.5～1.0％，余量为fe和不可避免的杂质；所述芯部的材质为球墨铸铁。
下面将结合具体实例对本实施例的新型高铬钢轧辊的具体制备及其性能进行说明。
实例1
本实例中，新型高铬钢轧辊的工作层采用如下质量百分比的组分制成：c：1.25％，si：0.5％，mn：0.9％，p：0.05％，s：0.02％，cr：12％，ni：0.8％，mo：1.4％，v：0.3％，nb：0.05％，re：0.5％，余量为fe和不可避免的杂质。
本实例的新型高铬钢轧辊的具体制造方法如下：
步骤s1、熔炼：将废钢原料(优质废钢、高铬钢回炉料、生铁)加入电弧炉内熔炼，熔炼温度为1500℃，熔炼中加入合金(铬铁、镍板、钼铁)、脱氧剂铝线和稀土元素，然后将熔炼后的铁水转移到钢包中，进行铁水吹氩处理后，制得工作层铁水，其中，铁水吹氩处理中的吹氩压力为0.18mpa，氩气流量为39nl/h，吹氩时间为22min，氩气泡大小为8微米；
步骤s2、工作层离心铸造：将工作层铁水注入离心机铸型内，浇注温度为1460℃，离心转速为1250rpm，待工作层浇注成型后，将工作层转移到芯部浇注坑；
步骤s3、芯部浇注：将工作层与浇注芯部的砂箱合并，将经调质(球墨铸铁铁水出炉时加入粒度3mm的si75zr、以及粒度为3mm的fesi75，si75zr加入量为铁水总量的0.22％，fesi75加入量为铁水总量的0.32％)的球墨铸铁铁水浇注到砂箱内，浇注温度为1388℃，浇注完毕后在浇注坑中冷却，然后打开砂箱清理后取出辊体；
步骤s4、预热处理：将辊体加热至500℃，加热速率为12℃/h，保温时间12h，再次加热至600℃，加热速率为12℃/h，保温时间26h，然后在芯部轴颈处包裹石棉纤维毡，并将辊体转移至差温炉内；
步骤s5、差温热处理：对辊体工作层快速加热，加热速率235℃/h，保温温度900℃，保温时间30min；
步骤s6、淬火：将辊体加热至1100℃，加热速率为230℃/h，保温时间3h，然后对辊体进行冷却，冷却速率9℃/h；
步骤s7、回火：回火前拆除轴颈处的石棉纤维毡，进行两次回火，先将辊体加热至500℃，加热速率为15℃/h，保温时间13h后，以冷却速率12℃/h进行冷却。
步骤s8、两次回火后对工作层的硬度和金相组织进行检查，工作层硬度为77-79hsd，残余奥氏体量为3％。
实例2
本实例中，新型高铬钢轧辊的工作层采用如下质量百分比的组分制成：c：1.30％，si：0.55％，mn：0.95％，p：0.05％，s：0.02％，cr：12.5％，ni：0.9％，mo：1.45％，v：0.35％，nb：0.10％，re：0.7％，余量为fe和不可避免的杂质。
本实例的新型高铬钢轧辊的具体制造方法如下：
步骤s1、熔炼：将废钢原料(优质废钢、高铬钢回炉料、生铁)加入真空感应炉，熔炼温度为1550℃，熔炼中加入合金(铬铁、镍板、钼铁)、脱氧剂铝线和稀土元素，然后将熔炼后的铁水转移到钢包中，进行铁水吹氩处理后，制得工作层铁水，其中，铁水吹氩处理中的吹氩压力为0.18mpa，氩气流量为39nl/h，吹氩时间为22min，氩气泡大小为8微米；
步骤s2、工作层离心铸造：将工作层铁水注入离心机铸型内，浇注温度为1480℃，离心转速为1250rpm，待工作层浇注成型后，将工作层转移到芯部浇注坑；
步骤s3、芯部浇注：将工作层与浇注芯部的砂箱合并，将经调质(球墨铸铁铁水出炉时加入粒度3mm的si75zr、以及粒度为3mm的fesi75，si75zr加入量为铁水总量的0.22％，fesi75加入量为铁水总量的0.32％)的球墨铸铁铁水浇注到砂箱内，浇注温度为1390℃，浇注完毕后在浇注坑中冷却，然后打开砂箱清理后取出辊体；
步骤s4、预热处理：将辊体加热至500℃，加热速率为12℃/h，保温时间12h，再次加热至600℃，加热速率为12℃/h，保温时间26h，然后在芯部轴颈处包裹石棉纤维毡，并将辊体转移至差温炉内；
步骤s5、差温热处理：对辊体工作层快速加热，加热速率230℃/h，保温温度900℃，保温时间30min；
步骤s6、淬火：将辊体加热至1100℃，加热速率为230℃/h，保温时间3h，然后对辊体进行冷却，冷却速率9℃/h；
步骤s7、回火：回火前拆除轴颈处的石棉纤维毡，进行两次回火，先将辊体加热至490℃，加热速率为15℃/h，保温时间13h后，以冷却速率12℃/h进行冷却。
步骤s8、两次回火后对工作层的硬度和金相组织进行检查，工作层硬度76-78hsd，残余奥氏体量3％。
实例3
本实例中，新型高铬钢轧辊的工作层采用如下质量百分比的组分制成：c：1.35％，si：0.6％，mn：1.0％，p：0.03％，s：0.0:1％，cr：13％，ni：1.0％，mo：1.5％，v：0.4％，nb：0.15％，re：1.0％，余量为fe和不可避免的杂质。
本实例的新型高铬钢轧辊的具体制造方法如下：
步骤s1、熔炼：将废钢原料(优质废钢、高铬钢回炉料、生铁)加入电弧炉内熔炼，熔炼温度为1600℃，熔炼中加入合金(铬铁、镍板、钼铁)、脱氧剂铝线和稀土元素，然后将熔炼后的铁水转移到钢包中，进行铁水吹氩处理后，制得工作层铁水，其中，铁水吹氩处理中的吹氩压力为0.17mpa，氩气流量为35nl/h，吹氩时间为25min，氩气泡大小为8微米；
步骤s2、工作层离心铸造：将工作层铁水注入离心机铸型内，浇注温度为1480℃，离心转速为1250rpm，待工作层浇注成型后，将工作层转移到芯部浇注坑；
步骤s3、芯部浇注：将工作层与浇注芯部的砂箱合并，将经调质(球墨铸铁铁水出炉时加入粒度2.5mm的si75zr、以及粒度为2.5mm的fesi75，si75zr加入量为铁水总量的0.25％，fesi75加入量为铁水总量的0.35％)的球墨铸铁铁水浇注到砂箱内，浇注温度为1400℃，浇注完毕后在浇注坑中冷却，然后打开砂箱清理后取出辊体；
步骤s4、预热处理：将辊体加热至480℃，加热速率为12℃/h，保温时间12h，再次加热至600℃，加热速率为12℃/h，保温时间26h，然后在芯部轴颈处包裹石棉纤维毡，并将辊体转移至差温炉内；
步骤s5、差温热处理：对辊体工作层快速加热，加热速率230℃/h，保温温度900℃，保温时间30min；
步骤s6、淬火：将辊体加热至1100℃，加热速率为240℃/h，保温时间3h，然后对辊体进行冷却，冷却速率10℃/h；
步骤s7、回火：回火前拆除轴颈处的石棉纤维毡，进行两次回火，先将辊体加热至490℃，加热速率为15℃/h，保温时间13h后，以冷却速率12℃/h进行冷却。
步骤s8、两次回火后对工作层的硬度和金相组织进行检查，工作层硬度76-79hsd，残余奥氏体量4％。
将实例1至实例3制备的新型高铬钢轧辊进行性能测试，分别对工作层硬度、辊径抗拉强度、工作层厚度均匀性进行检测，并对轧辊进行超声波探伤，其中，超声波探伤执行标准gb/t1503-2008。
具体检测结果如下表所示：
由上表可看出，通过本实施例的制备方法所制得的新型高铬铁轧辊工作层硬度及轴颈抗拉强度较高，工作层厚度均匀性较小，探伤结果均符合要求，从而使得高铬铁轧辊具有优良的性能。
综上所述，本发明的含nb、re，并减少mo及v的新型高铬铁轧辊，可发挥凝固细化和热处理细化综合技术，细化高铬铁莱氏体模具钢的组织，已得到细小片状马氏体，而可提高轧辊性能。本发明的新型高铬铁轧辊性能优良，可替代现有高铬钢类轧辊钢，以提高轧辊的韧性和耐磨性，使其使用寿命大大增加，进而能够降低使用成本、扩大使用范围，而有着很好的实用性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。