专利名称：轧辊用高速钢合金的铸造工艺的制作方法
技术领域：
本发明的技术方案涉及金属铸造工艺，具体地说是涉及轧辊用高速钢合金的铸造工艺。
背景技术：
开发新的轧辊材质及其制造工艺以满足我国轧钢工业的需求，已成为当前的一个重要课题。
高速钢轧辊是用硬度高、耐磨性和红硬性好的高碳高钒高速钢作为轧辊的工作层材料，采用锻钢、铸钢或铸铁作为轧辊的芯部材料，以冶金方式复合起来而成的新型复合轧辊。这种新型复合轧辊同时用强度和韧性满足轧钢要求，具有良好的强韧性和耐磨性，目前不仅应用于冷热板、带轧机，而且还应用于棒、线材轧机、粗轧机、钢管轧机。通过复合，可以充分发挥两种材料的性能优势，能够制得其综合使用寿命比传统用高铬铸铁提高十倍以上的高速钢轧辊，因而加强对高速钢轧辊的研制与开发，对轧辊的生产有重要的现实意义。
然而，轧辊用高速钢合金的铸造组织粗大，沿晶界分布着数量较多的大块状和网状共晶碳化物，导致高速钢轧辊强韧性低，使用中易断裂和剥落。变质处理是在铸造条件下改善高速钢合金中碳化物形态和分布的最有效的方法。变质元素不但可以作为碳化物形成的异质核心，增大形核率，而且通过细化晶粒还可以减少晶界偏析，从而改善高速钢轧辊力学性能和使用性能。
变质处理是指在金属熔融铸造过程中加入变质剂。变质剂包括孕育剂和细化剂。
CN101191179公开了一种高速钢材料及其制造方法，该发明涉及一种机械加工材料，尤其是涉及一种对高速钢辊环及其制造方法。该方法中采用加入变质剂。所述变质剂的成分组成为稀土粉25％、生石灰45％，铝粉30％。由于粉状变质剂仍为普通晶粒度，其对高速钢材料变质孕育细化效果有限，另外其粉状变质剂中生石灰不可避免地会给高速钢基体掺入一些有害杂质。
CN1804095披露了一种铸造耐磨高速钢的制备方法，该方法中采用在钢水出炉时，加入中间铁合金孕育剂，其化学成分(的重量百分比)为Ti2.5～8.0％，N0.5～2.5％，Nb3.0～10.0％，Zn0.5～2.0％，Mn0.5～1.5％，Si0.5～1.5％，P＜0.04％，S＜0.04％，余量为Fe。该中间铁合金孕育剂仍为普通铸态晶粒度，对高速钢材料变质孕育细化效果有限，且其熔点较高，若实现在钢水出炉时的随流孕育细化，必须提高钢水出炉温度，才能保证这种孕育剂全部熔于钢液，这就增加能耗并增加了钢锭的气孔含量。
目前用于轧辊用高速钢合金铸造的变质剂大部分是块状的。采用现有的普通熔炼工艺熔炼，在用块状变质剂细化的轧辊用高速钢合金的铸态组织中，晶粒仍然较为粗大，碳化物断网现象不明显，轧辊用高速钢合金的力学性能得不到明显的提高。由于所用变质剂的晶粒尺寸远不是纳米级，所以对轧辊用高速钢合金的基体晶粒和组织的细化效果并不理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供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。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是轧辊用高速钢合金的铸造工艺，采用由用快淬甩带法分别制得的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，具体步骤是 第一步，变质剂的制备 采用快淬甩带法分别制备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 称取所需量的Fe-Ce-Si-Ca中间合金，其组成成分的质量百分数是30.7％Fe+30％Ce+37.5％Si+1.8％Ca，放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，调节电极位置，使之与水冷铜坩埚内的合金料之间的距离为0.5～1.5mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至真空度高于5×10-3Pa后，用氩气洗炉，随后充入氩气至真空度为0.04～0.05PA，起弧后调节弧电流逐步上升至500～600A，将坩埚内的合金熔化，待该合金全部熔化成液态时，倾斜坩埚，使得该合金液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮上，钼轮表面温度为10～15℃，钼轮边缘线速度为30～40m/s，该熔融液态合金与钼轮接触后，迅速凝固，并形成薄带状由钼轮切线方向飞出，经挡板阻挡后落入炉体下部的收藏室，由此快淬得到平均厚度为0.1～0.3mm、平均宽度为0.2～0.5mm和平均长度为1～1.5mm的薄片状纳米晶稀土硅铁孕育细化剂； 称取所需量的Fe-B中间合金，其组成成分的质量百分数是78.61％Fe+20.76％B+0.35％Si+0.108％Al+0.018％P+0.15％C+0.004％S，放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，调节电极位置，使之与坩埚内的合金料之间的距离为0.5～1.5mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至真空度高于5×10-3Pa后，用氩气洗炉，随后充入氩气至真空度为0.04～0.05PA，起弧后调节弧电流逐步上升至500～600A，将坩埚内的合金熔化，待该合金全部熔化成液态时，倾斜坩埚，使得该合金液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮上，钼轮表面温度为10～15℃，钼轮边缘线速度为30～40m/s，该熔融液态合金与钼轮接触后，迅速凝固，并形成薄带状由钼轮切线方向飞出，经挡板阻挡后落入炉体下部的收藏室，由此快淬得到平均厚度为0.3～0.7mm、平均宽度为1～2.5mm和平均长度为2～3mm的薄片状纳米晶硼铁细化剂； 将上述快淬甩带法制得的薄片状纳米晶稀土硅铁孕育细化剂和薄片状纳米晶硼铁细化剂密封保存，一起构成用于以下轧辊用高速钢合金的铸造工艺中的变质剂； 第二步，配料 (1)轧辊用高速钢合金配料 按下面所列组成成分的重量百分数配制轧辊用高速钢合金配料 C＝2.0％、Cr＝4.0％、W＝2.15％、Mo＝4.0％、V＝6.65％、Ni＝1.0％、S≤0.03、P≤0.03和其余为Fe； (2)变质剂配料 分别称取由第一步制得的密封保存的平均厚度为0.1～0.3mm、平均宽度为0.2～0.5mm和平均长度为1～1.5mm的薄片状纳米晶稀土硅铁孕育细化剂和平均厚度为0.3～0.7mm、平均宽度为1～2.5mm和平均长度为2～3mm的薄片状纳米晶硼铁细化剂，操作过程中确保所有材料干燥，两者一起构成用于轧辊用高速钢合金铸造的变质剂配料， (3)按重量百分比为，轧辊用高速钢合金配料∶薄片状纳米晶稀土硅铁孕育剂∶薄片状纳米晶硼铁细化剂＝100∶1.5∶1.5，根据实际需要分别称取上述的轧辊用高速钢合金配料和变质剂配料； 第三步，轧辊用高速钢合金的熔炼和脱氧 将第二步称取的轧辊用高速钢合金配料放入10Kg真空感应电炉中进行熔炼，先抽真空至炉内真空度为6.67×10-3Pa，再开始加热，当真空感应电炉中的轧辊用高速钢合金配料加热到1480～1550℃并全部熔化后，加入该轧辊用高速钢合金配料重量百分数0.6～1.5％的铝饼进行脱氧； 第四步，用变质剂对轧辊用高速钢合金材料组织进行晶粒和组织孕育细化处理 保温在第三步熔化温度的条件下，向第三步真空感应电炉中熔炼和脱氧后的熔化轧辊用高速钢合金熔体中加入第二步称取的密封保存的变质剂配料，磁力搅拌后静置5秒，对轧辊用高速钢合金材料组织进行晶粒和组织孕育细化处理，制得孕育细化后的轧辊用高速钢合金熔体； 第五步，轧辊用高速钢合金熔体的浇铸 浇铸前将金属轧辊模具在温度为400℃加热炉内烘烤0.5～1.0小时，将由第四步制得的孕育细化后的真空感应电炉中的轧辊用高速钢合金熔体，在1480℃～1510℃温度下出炉，并浇铸到上述烘烤后的金属轧辊模具中，待铸型冷却下来，打开该模具取出高速钢轧辊试样； 第六步，高速钢轧辊试样的热处理 (1)退火 将第五步制得的高速钢轧辊试样放入高温电阻加热退火炉中加热至850℃，保温3小时，然后在半小时内冷却到600℃以下，再后随炉冷却至室温，完成均匀化退火； (2)淬火 将上述完成均匀化退火的高速钢轧辊试样进行淬火，分别采用950℃、1050℃、1150℃进行正交试验，确定最佳淬火温度，淬火时间试验设计为30分钟，然后进行油淬，完成高速钢轧辊试样的淬火，淬火介质为20号机油； (3)回火 将上述完成淬火的高速钢轧辊试样进行两次回火，两次回火的工艺相同，步骤是，将完成淬火的高速钢轧辊试样加热至设定的530℃～580℃温度，保温45分钟后降低30℃，再保温10分钟，然后再升至设定530℃～580℃温度保温45分钟，最后空冷至室温，制得高速钢轧辊产品。
上述轧辊用高速钢合金的铸造工艺中，所说的金属模具是高速钢合金的浇铸模具。
上述轧辊用高速钢合金的铸造工艺中，所说的制得的高速钢轧辊产品是热轧高速钢轧辊及其力学性能标准试样。
上述轧辊用高速钢合金的铸造工艺中，所述Fe-Ce-Si-Ca中间合金和Fe-B中间合金原料由供应商提供，是公知的；所涉及到的设备和工艺操作方法均为本技术领域技术人员所公知的。
本发明的有益效果是在轧辊用高速钢合金的铸造工艺中，加入了用于轧辊用高速钢合金的铸造的变质剂，即用于轧辊用高速钢合金组织变质细化的纳米晶稀土硅铁孕育剂和纳米晶硼铁细化剂，该变质剂对高速钢熔体起到变质和细化共同作用，其中的变质元素不但可以成为碳化物形成的异质核心，使高速钢熔体中异质形核心显著增加，而且基体晶粒显著细化，通过细化晶粒还显著减少晶界偏析，从而改善铸造缺陷。由本发明轧辊用高速钢合金的铸造工艺制得的高速钢轧辊的强度、韧性、耐磨性和和红硬性都得到提高。更为详细理论阐述和事实对比数据见以下实施例中的表1、表2和图4～7的说明。
图1是实施例1～3所制得的纳米晶稀土硅铁孕育细化剂显微组织的扫描电镜照片。
图2是实施例1～3所制得的纳米晶硼铁细化剂扫描电镜显微组织形貌。
图3是实施例1～3所制得变质剂的XRD图谱。其中，(a)是纳米晶稀土硅铁孕育细化剂的XRD图谱，(b)是纳米晶硼铁孕育剂的XRD图谱。
图4是实施例1中未加变质剂和用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态的金相组织对照图。
图5是实施例1中未加变质剂和用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下轧辊用高速钢合金铸态再经950℃淬火+550℃回火的热处理后的金相组织对照图。
图6是实施例1中未加变质剂和用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下轧辊用高速钢合金铸态再经1050℃淬火+550℃回火的热处理后的金相组织对照图。
图7是实施例1中未加变质剂和用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下轧辊用高速钢合金铸态再经1150℃淬火+550℃回火热处理后的金相组织对照图。
具体实施例方式 下例实施例中，Fe-Ce-Si-Ca中间合金是商购包钢三峰稀土有限公司生产的，其组成成分的质量百分数是30.7％Fe+30％Ce+37.5％Si+1.8％Ca，Fe-B中间合金是商购东港市宏伟硼合金有限公司生产的，其组成成分的质量百分数是78.61％Fe+20.76％B+0.35％Si+0.108％Al+0.018％P+0.15％C+0.004％S。
实施例1 第一步，变质剂的制备 采用快淬甩带法分别制备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 称取50g商购包钢三峰稀土有限公司生产的Fe-Ce-Si-Ca中间合金，放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，调节电极位置，使之与坩埚内Fe-Ce-Si-Ca中间合金料之间的距离为1mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至真空度高于5×10-3Pa后，用氩气洗炉，随后充入氩气至真空度为0.045Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至550A，将坩埚内的合金熔化，待该合金全部熔化成液态时，倾斜坩埚，使得该合金液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮上，钼轮表面温度为12.5℃，钼轮边缘线速度为35m/s，该熔融液态合金与钼轮接触后，迅速凝固，并形成薄带状由钼轮切线方向飞出，经挡板阻挡后落入炉体下部的收藏室，由此快淬得到平均厚度为0.2mm，平均宽度为0.35mm，平均长度为1.25mm的薄片状用于轧辊用高速钢合金组织变质细化的纳米晶稀土硅铁孕育细化剂I； 称取50g商购东港市宏伟硼合金有限公司生产的Fe-B中间合金，工艺操作步骤同上，由此快淬得到平均厚度为0.5mm，平均宽度为1.75mm，平均长度为2.5mm的薄片状用于轧辊用高速钢合金组织变质细化的纳米晶硼铁细化剂I； 将上述快淬甩带法制得的薄片状纳米晶稀土硅铁孕育细化剂I和薄片状纳米晶硼铁细化剂I密封保存，一起构成用于以下轧辊用高速钢合金的铸造工艺的变质剂I； 第二步，配料 (1)轧辊用高速钢合金配料I 按下面所列组成成分的重量百分数配制轧辊用高速钢合金配料 C＝2.0％、Cr＝4.0％、W＝2.15％、Mo＝4.0％、V＝6.65％、Ni＝1.0％、S≤0.03、P≤0.03和其余为Fe。
(2)变质剂配料 分别称取由第一步制得的密封保存的薄片状用于轧辊用高速钢合金组织变质细化的纳米晶稀土硅铁孕育细化剂I和的薄片状用于轧辊用高速钢合金组织变质细化的纳米晶硼铁细化剂I，操作过程中确保所有材料干燥，两者一起构成用于轧辊用高速钢合金铸造的变质剂配料I。
(3)按重量百分比为，轧辊用高速钢合金配料I∶薄片状纳米晶稀土硅铁孕育剂I∶薄片状纳米晶硼铁细化剂I＝100∶1.5∶1.5，根据实际需要分别称取上述的轧辊用高速钢合金配料I和变质剂配料I； 第三步，轧辊用高速钢合金的熔炼和脱氧 将第二步称取的轧辊用高速钢合金配料I放入10Kg真空感应电炉中进行熔炼，先抽真空至炉内真空度为6.67×10-3Pa，开始加热，当真空感应电炉中的轧辊用高速钢合金配料I加热到1480℃并全部熔化后，加入该轧辊用高速钢合金配料I重量百分数0.6％的铝饼进行脱氧； 第四步，用变质剂对轧辊用高速钢合金材料组织进行晶粒和组织孕育细化处理 保温在第三步熔化温度的条件下，向第三步真空感应电炉中熔炼和脱氧后的熔化轧辊用高速钢合金熔体中加入第二步称取的密封保存的变质剂配料I，磁力搅拌后静置5秒，对轧辊用高速钢合金材料组织进行晶粒和组织孕育细化处理，制得孕育细化后的轧辊用高速钢合金熔体； 第五步，轧辊用高速钢合金熔体的浇铸 浇铸前将金属轧辊模具在温度为400℃加热炉内烘烤模具0.5小时，将由第四步制得的孕育细化后的真空感应电炉中的轧辊用高速钢合金熔体，在1480℃温度下出炉，并浇铸到金属轧辊模具中，待铸型冷却下来，打开该模具取出高速钢轧辊试样； 第六步，高速钢轧辊试样的热处理 (1)退火 将第五步制得的高速钢轧辊试样放入高温电阻加热退火炉中加热至850℃，保温3小时，然后在半小时内冷却到600℃以下，再后随炉冷却至室温，完成均匀化退火； (2)淬火 将上述完成均匀化退火的高速钢轧辊试样进行淬火，分别采用950℃、1050℃、1150℃进行正交试验，确定最佳淬火温度，淬火时间试验设计为30分钟，然后进行油淬，完成高速钢轧辊试样的淬火，淬火介质为20号机油； (3)回火 将上述完成淬火的高速钢轧辊试样进行两次回火，两次回火的工艺相同，步骤是，将上述完成淬火的高速钢轧辊试样加热至设定的530℃温度，保温45分钟后降低30℃，再保温10分钟，然后再升至设定530℃温度保温45分钟，最后空冷至室温，制得高速钢轧辊产品I-B。
实施例1的对比实施例 第一步，配料 根据实际需要称取同实施例1的轧辊用高速钢合金配料I，用量同实施例1； 第二步，轧辊用高速钢合金的熔炼和脱氧 将第一步称取的轧辊用高速钢合金配料I放入10Kg真空感应电炉中进行熔炼，其他同实施例1的第三步； 第三步，轧辊用高速钢合金熔体的浇铸 浇铸前将金属轧辊模具在温度为400℃加热炉内烘烤模具0.5小时，将由第二步熔炼和脱氧的轧辊用高速钢合金熔体，在1480℃温度下出炉，并浇铸到金属轧辊模具中，待铸型冷却下来，打开该模具取出高速钢轧辊试样； 第四步，高速钢轧辊试样的热处理 除将第三步制得的高速钢轧辊试样放入高温电阻加热退火炉中之外，其他工艺操作均同实施例1第六步，制得高速钢轧辊产品I-A。
表1和表2列出了本实施例未加变质剂和用本发明变质剂细化分别制得的高速钢轧辊产品I-A和I-B的基本力学性能测试平均值结果。
表1 未加变质剂和用本发明变质剂细化分别制得的 高速钢轧辊产品I-A和I-B的硬度比较
表2 未加变质剂和用本发明变质剂细化分别制得的 高速钢轧辊产品I-A和I-B的拉伸强度比较
比较表1和表2数据可知，和未加入变质剂制得的高速钢轧辊产品I-A相比，经用本发明的变质剂孕育细化后制得的高速钢轧辊产品I-B的硬度和拉伸强度均有明显提高，轧辊用高速钢合金的韧性和弹性模量也略有提高。这证明经用本发明的变质剂孕育细化后制得的高速钢轧辊产品I-B的综合力学性能明显优于未加入变质剂制得的高速钢轧辊产品I-A。
众所周知，材料性能的高低取决于其微观组织的优劣。为了更好的表示出本发明变质剂的作用，我们通过金相观察和对比分析加入本发明变质剂对组成成分为前面第二步的(1)轧辊用高速钢合金配料I所列的轧辊用高速钢合金铸态和热处理态的显微组织的影响，其结果如图4至图7所示。
图4是本实施例中未加变质剂和用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态的金相组织对照图。其中图4(a)是未加变质剂在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态的金相组织图；4(b)是用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态的金相组织图。两种轧辊用高速钢合金铸态试样的金相组织比较如下(其中，4A-1#为未加变质剂在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态试样，4B-1#为用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态试样) 4(a) 4(b) 材料名称4A-1# 材料名称4B-1# 工艺未加变质剂细化的铸造工艺经变质剂细化的铸造 组织马氏体+共晶碳化物 组织马氏体+共晶碳化物 放大倍数200X放大倍数200X 侵蚀剂4％硝酸酒精 侵蚀剂4％硝酸酒精 图5是本实施例中未加变质剂和用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下轧辊用高速钢合金铸态再经950℃淬火+550℃回火的热处理后的金相组织对照图。其中图5(a)是未加变质剂在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态再经950℃淬火+550℃回火的热处理后的金相组织图；5(b)是用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态再经950℃淬火+550℃回火的热处理后的金相组织图。两种轧辊用高速钢合金铸态经950℃淬火+550℃回火的热处理后的试样的金相组织比较如下(其中，4A-2#-1为未加变质剂在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态经950℃淬火+550℃回火的热处理后的试样，4B-2#-1为用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态经950℃淬火+550℃回火的热处理后的试样) 5(a) 5(b) 材料名称4A-2#-1 材料名称4B-2#-1 工艺未加变质剂细化的铸造工艺经变质剂细化的铸造 组织M回+A’+C共+C二次 组织M回+A’+C共+C二次 放大倍数200X放大倍数200X 侵蚀剂4％硝酸酒精 侵蚀剂4％硝酸酒精 图6是本实施例中未加变质剂和用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下轧辊用高速钢合金铸态再经1050℃淬火+550℃回火的热处理后的金相组织对照图。其中图6(a)是未加变质剂在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态再经1050℃淬火+550℃回火的热处理后的金相组织图；6(b)是用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态再经1050℃淬火+550℃回火的热处理后的金相组织图。两种轧辊用高速钢合金铸态经1050℃淬火+550℃回火的热处理后的试样的金相组织比较如下(其中，4A-2#-2为未加变质剂在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态经1050℃淬火+550℃回火的热处理后的试样，4B-2#-2为用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态经1050℃淬火+550℃回火的热处理后的试样) 6(a) 6(b) 材料名称4A-2#-2 材料名称4B-2#-2 工艺未加变质剂细化的铸造工艺经变质剂细化的铸造 组织M回+A’+C共+C二次 组织M回+A’+C共+C二次 放大倍数200X放大倍数200X 侵蚀剂4％硝酸酒精 侵蚀剂4％硝酸酒精 图7是本实施例中未加变质剂和用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下轧辊用高速钢合金铸态再经1150℃淬火+550℃回火的热处理后的金相组织对照图。其中图7(a)是未加变质剂在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态再经1150℃淬火+550℃回火的热处理后的金相组织图；7(b)是用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态再经1150℃淬火+550℃回火的热处理后的金相组织图。两种轧辊用高速钢合金铸态经1150℃淬火+550℃回火的热处理后的试样的金相组织比较如下(其中，4A-2#-3为未加变质剂在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态经1150℃淬火+550℃回火的热处理后的试样，4B-2#-3为用本发明变质剂细化后在同种浇铸条件下形成的轧辊用高速钢合金铸态经1150℃淬火+550℃回火的热处理后的试样) 7(a) 7(b) 材料名称4A-2#-3 材料名称4B-2#-3 工艺未加变质剂细化的铸造工艺经变质剂细化的铸造 组织M回+A’+C共+C二次 组织M回+A’+C共+C二次 放大倍数200X放大倍数200X 侵蚀剂4％硝酸酒精 侵蚀剂4％硝酸酒精 从图4至图7的金相组织观察可以看出 未加变质剂和用本发明变质剂细化分别制得的两种高速钢合金铸态组织均为马氏体+碳化物。
未加变质剂和用本发明变质剂细化分别制得的两种高速钢合金经淬火+回火的热处理态的组织均为M回+A’+C共+C二次，其中M回为回火马氏体，A’为残余奥氏体，C共为共晶碳化物，C二次为二次碳化物。
对照铸态组织(见图4)，可见本发明变质剂对马氏体+共晶碳化物的细化效果都很明显；对照浇铸后热处理态组织(见图5、图6和图7)，可见本发明变质剂对M回+A’+C共+C二次的细化效果都很明显。因此可以得出本发明变质剂在孕育细化轧辊用高速钢合金铸态和热处理态的显微组织方面具有独特优势的结论。
实施例2 第一步，变质剂的制备 采用快淬甩带法分别制备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 称取50g商购包钢三峰稀土有限公司生产的Fe-Ce-Si-Ca中间合金，放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，调节电极位置，使之与坩埚内Fe-Ce-Si-Ca中间合金料之间的距离为0.5mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至真空度高于5×10-3Pa后，用氩气洗炉，随后充入氩气至真空度为0.04Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至500A，将坩埚内的合金熔化，待该合金全部熔化成液态时，倾斜坩埚，使得该合金液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮上，钼轮表面温度为10℃，钼轮边缘线速度为30m/s，该熔融液态合金与钼轮接触后，迅速凝固，并形成薄带状由钼轮切线方向飞出，经挡板阻挡后落入炉体下部的收藏室，由此快淬得到平均厚度为0.3mm，平均宽度为0.5mm，平均长度为1.5mm的薄片状用于轧辊用高速钢合金组织变质细化的纳米晶稀土硅铁孕育细化剂II； 称取50g商购东港市宏伟硼合金有限公司生产的Fe-B中间合金，工艺操作步骤同上，快淬得到平均厚度为0.7mm，平均宽度为2.5mm，平均长度为3mm的薄片状用于轧辊用高速钢合金组织变质细化的纳米晶硼铁细化剂II； 将上述快淬甩带法制得的薄片状纳米晶稀土硅铁孕育细化剂和薄片状纳米晶硼铁细化剂一起密封保存，构成用于轧辊用高速钢合金铸造的变质剂II； 第二步，配料 (1)轧辊用高速钢合金配料II 同实施例1； (2)分别称取由第一步制得的密封保存的薄片状用于轧辊用高速钢合金组织变质细化的纳米晶稀土硅铁孕育细化剂II和的薄片状用于轧辊用高速钢合金组织变质细化的纳米晶硼铁细化剂II，操作过程中确保所有材料干燥，两者一起构成变质剂配料II。
(3)按重量百分比为轧辊用高速钢合金配料II∶薄片状纳米晶稀土硅铁孕育剂II∶薄片状纳米晶硼铁细化剂II＝100∶1.5∶1.5，根据实际需要分别称取上述的轧辊用高速钢合金配料II和变质剂配料II； 第三步，轧辊用高速钢合金的熔炼和脱氧 将第二步称取的轧辊用高速钢合金配料II放入10Kg真空感应电炉中进行熔炼，先抽真空至炉内真空度为6.67×10-3Pa，开始加热，当真空感应电炉中的轧辊用高速钢合金配料II加热到1500℃并全部熔化后，加入该轧辊用高速钢合金配料II重量百分数1.0％的铝饼进行脱氧； 第四步，用变质剂对轧辊用高速钢合金材料组织进行晶粒和组织孕育细化处理 保温在第三步熔化温度的条件下，向第三步真空感应电炉中熔炼和脱氧后的熔化轧辊用高速钢合金熔体中加入第二步称取的密封保存的变质剂配料II，磁力搅拌后静置5秒，对轧辊用高速钢合金材料组织进行晶粒和组织孕育细化处理，制得孕育细化后的轧辊用高速钢合金熔体； 第五步，轧辊用高速钢合金熔体的浇铸 浇铸前将金属轧辊模具在温度为400℃加热炉内烘烤模具0.8小时，将由第四步制得的孕育细化后的真空感应电炉中的轧辊用高速钢合金熔体，在1490℃温度下出炉，并浇铸到金属轧辊模具中，待铸型冷却下来，打开该模具取出高速钢轧辊试样； 第六步，高速钢轧辊试样的热处理 (1)退火 同实施例1； (2)淬火 同实施例1； (3)回火 将上述完成淬火的高速钢轧辊试样进行两次回火，两次回火的工艺相同，步骤是，将完成淬火的高速钢轧辊试样加热至设定的550℃温度，保温45分钟后降低30℃，再保温10分钟，然后再升至设定550℃温度保温45分钟，最后空冷至室温，制得高速钢轧辊产品II。
实施例3 第一步，变质剂的制备 采用快淬甩带法分别制备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 称取50g商购包钢三峰稀土有限公司生产的Fe-Ce-Si-Ca中间合金，放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，调节电极位置，使之与坩埚内Fe-Ce-Si-Ca中间合金料之间的距离为1.5mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至真空度高于5×10-3Pa后，用氩气洗炉，随后充入氩气至真空度为0.05Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至600A，将坩埚内的合金熔化，待该合金全部熔化成液态时，倾斜坩埚，使得该合金液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮上，钼轮表面温度为15℃，钼轮边缘线速度为40m/s，该熔融液态合金与钼轮接触后，迅速凝固，并形成薄带状由钼轮切线方向飞出，经挡板阻挡后落入炉体下部的收藏室，由此快淬得到平均厚度为0.1mm，平均宽度为0.2mm，平均长度为1mm的薄片状用于轧辊用高速钢合金组织变质细化的纳米晶稀土硅铁孕育细化剂III； 称取50g商购东港市宏伟硼合金有限公司生产的Fe-B中间合金，工艺操作步骤同上，快淬得到平均厚度为0.3mm，平均宽度为1mm，平均长度为2mm的薄片状用于轧辊用高速钢合金组织变质细化的纳米晶硼铁细化剂III； 将上述快淬甩带法制得的薄片状纳米晶稀土硅铁孕育细化剂和薄片状纳米晶硼铁细化剂一起密封保存，构成用于轧辊用高速钢合金的铸造的变质剂III； 第二步，配料 (1)轧辊用高速钢合金配料III 同实施例1； (2)分别称取由第一步制得的密封保存的薄片状用于轧辊用高速钢合金组织变质细化的纳米晶稀土硅铁孕育细化剂III和的薄片状用于轧辊用高速钢合金组织变质细化的纳米晶硼铁细化剂III，操作过程中确保所有材料干燥，两者一起构成变质剂配料III。
(3)按重量百分比为轧辊用高速钢合金配料III∶薄片状纳米晶稀土硅铁孕育剂III∶薄片状纳米晶硼铁细化剂III＝100∶1.5∶1.5，根据实际需要分别称取上述的轧辊用高速钢合金配料III和变质剂配料III； 第三步，轧辊用高速钢合金的熔炼和脱氧 将第二步称取的轧辊用高速钢合金配料III放入10Kg真空感应电炉中进行熔炼，先抽真空至炉内真空度为6.67×10-3Pa，开始加热，当真空感应电炉中的轧辊用高速钢合金配料III加热到1550℃并全部熔化后，加入该轧辊用高速钢合金配料III重量百分数1.5％的铝饼进行脱氧； 第四步，用变质剂对轧辊用高速钢合金材料组织进行晶粒和组织孕育细化处理 保温在第三步熔化温度的条件下，向第三步真空感应电炉中熔炼和脱氧后的熔化轧辊用高速钢合金熔体中加入第二步称取的密封保存的变质剂配料III，磁力搅拌后静置5秒，对轧辊用高速钢合金材料组织进行晶粒和组织孕育细化处理，制得孕育细化后的轧辊用高速钢合金熔体； 第五步，轧辊用高速钢合金熔体的浇铸 浇铸前将金属轧辊模具在温度为400℃加热炉内烘烤模具1.0小时，将由第四步制得的孕育细化后的真空感应电炉中的轧辊用高速钢合金熔体，在1510℃温度下出炉，并浇铸到金属轧辊模具中，待铸型冷却下来，打开该模具取出高速钢轧辊试样； 第六步，高速钢轧辊试样的热处理 (1)退火 同实施例1； (2)淬火 同实施例1； (3)回火 将上述完成淬火的高速钢轧辊试样进行两次回火，两次回火的工艺相同，步骤是，将完成淬火的高速钢轧辊试样加热至设定的580℃温度，保温45分钟后降低30℃，再保温10分钟，然后再升至设定580℃温度保温45分钟，最后空冷至室温，制得高速钢轧辊产品III。
图1是实施例1～3所制得的纳米晶稀土硅铁孕育细化剂显微组织的扫描电镜照片，它表明经过纳米晶稀土硅铁孕育细化的高速钢轧辊铸态组织中的碳化物组织非常细小均匀，其碳化物为宽为400纳米、长为2～4微米的晶须状。
图2是实施例1～3所制得的纳米晶硼铁细化剂显微组织的扫描电镜照片，它表明经过纳米晶纳米晶硼铁细化剂细化的高速钢轧辊铸态组织中的基体晶粒和碳化物组织细小均匀，其基体晶粒尺寸约为20～30微米，大部分碳化物颗粒直径为2～3微米、少部分碳化物颗粒直径为4～7微米。
图3是实施例1～3所制得变质剂的XRD图谱。其中 (a)是纳米晶稀土硅铁孕育细化剂的XRD图谱，采用Scherrer公式计算孕育剂稀土硅铁的平均粒径为D＝Kλ/βcosθ。该式中，D为晶粒尺寸(nm)，K为Scherrer常数(K＝0.89)，λ为X射线波长(λ＝0.154056nm)，β为衍射峰半高宽(FWHM)，θ为衍射角。根据图3(a)可知，选择衍射角较小的最强峰计算β＝0.0043611，θ＝16.3°，计算得晶粒直经Dc＝32.76nm，证明稀土硅铁孕育细化剂的晶粒达到纳米级。
(b)是纳米晶硼铁孕育剂的XRD图谱。同样，采用Scherrer公式可计算出纳米晶硼铁孕育剂的晶粒直经。根据图3(b)可知，选择衍射角较小的最强峰计算β＝0.0017356，θ＝32.55°，计算得晶粒直经Dc＝93.76nm，证明硼铁细化剂的晶粒达到纳米级。
上述实施例1～3中，所说的金属模具是高速钢合金的浇铸模具。
上述实施例1～3中，所说的制得的高速钢轧辊产品是热轧高速钢轧辊及其力学性能标准试样。
上述实施例1～3中，所述Fe-Ce-Si-Ca中间合金和Fe-B中间合金原料由供应商提供，是公知的；所涉及到的设备和工艺操作方法均为本技术领域技术人员所公知的。
权利要求
1.高速钢轧辊的铸造工艺，其特征在于采用由用快淬甩带法分别制得的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，具体步骤是
第一步，变质剂的制备
采用快淬甩带法分别制备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
称取所需量的Fe-Ce-Si-Ca中间合金，其组成成分的质量百分数是30.7％Fe+30％Ce+37.5％Si+1.8％Ca，放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，调节电极位置，使之与水冷铜坩埚内的合金料之间的距离为0.5～1.5mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至真空度高于5×10-3Pa后，用氩气洗炉，随后充入氩气至真空度为0.04～0.05PA，起弧后调节弧电流逐步上升至500～600A，将坩埚内的合金熔化，待该合金全部熔化成液态时，倾斜坩埚，使得该合金液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮上，钼轮表面温度为10～15℃，钼轮边缘线速度为30～40m/s，该熔融液态合金与钼轮接触后，迅速凝固，并形成薄带状由钼轮切线方向飞出，经挡板阻挡后落入炉体下部的收藏室，由此快淬得到平均厚度为0.1～0.3mm、平均宽度为0.2～0.5mm和平均长度为1～1.5mm的薄片状纳米晶稀土硅铁孕育细化剂；
称取所需量的Fe-B中间合金，其组成成分的质量百分数是78.61％Fe+20.76％B+0.35％Si+0.108％Al+0.018％P+0.15％C+0.004％S，放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，调节电极位置，使之与坩埚内的合金料之间的距离为0.5～1.5mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至真空度高于5×10-3Pa后，用氩气洗炉，随后充入氩气至真空度为0.04～0.05PA，起弧后调节弧电流逐步上升至500～600A，将坩埚内的合金熔化，待该合金全部熔化成液态时，倾斜坩埚，使得该合金液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮上，钼轮表面温度为10～15℃，钼轮边缘线速度为30～40m/s，该熔融液态合金与钼轮接触后，迅速凝固，并形成薄带状由钼轮切线方向飞出，经挡板阻挡后落入炉体下部的收藏室，由此快淬得到平均厚度为0.3～0.7mm、平均宽度为1～2.5mm和平均长度为2～3mm的薄片状纳米晶硼铁细化剂；
将上述快淬甩带法制得的薄片状纳米晶稀土硅铁孕育细化剂和薄片状纳米晶硼铁细化剂密封保存，一起构成用于以下轧辊用高速钢合金的铸造工艺中的变质剂。
第二步，配料
(1)轧辊用高速钢合金配料
按下面所列组成成分的重量百分数配制轧辊用高速钢合金配料
C＝2.0％、Cr＝4.0％、W＝2.15％、Mo＝4.0％、V＝6.65％、Ni＝1.0％、S≤0.03、P≤0.03和其余为Fe；
(2)变质剂配料
分别称取由第一步制得的密封保存的平均厚度为0.1～0.3mm、平均宽度为0.2～0.5mm和平均长度为1～1.5mm的薄片状纳米晶稀土硅铁孕育细化剂和平均厚度为0.3～0.7mm、平均宽度为1～2.5mm和平均长度为2～3mm的薄片状纳米晶硼铁细化剂，操作过程中确保所有材料干燥，两者一起构成用于轧辊用高速钢合金铸造的变质剂配料，
(3)按重量百分比为，轧辊用高速钢合金配料∶薄片状纳米晶稀土硅铁孕育剂∶薄片状纳米晶硼铁细化剂＝100∶1.5∶1.5，根据实际需要分别称取上述的轧辊用高速钢合金配料和变质剂配料；
第三步，轧辊用高速钢合金的熔炼和脱氧
将第二步称取的轧辊用高速钢合金配料放入10Kg真空感应电炉中进行熔炼，先抽真空至炉内真空度为6.67×10-3Pa，再开始加热，当真空感应电炉中的轧辊用高速钢合金配料加热到1480～1550℃并全部熔化后，加入该轧辊用高速钢合金配料重量百分数0.6～1.5％的铝饼进行脱氧；
第四步，用变质剂对轧辊用高速钢合金材料组织进行晶粒和组织孕育细化处理
保温在第三步熔化温度的条件下，向第三步真空感应电炉中熔炼和脱氧后的熔化轧辊用高速钢合金熔体中加入第二步称取的密封保存的变质剂配料，磁力搅拌后静置5秒，对轧辊用高速钢合金材料组织进行晶粒和组织孕育细化处理，制得孕育细化后的轧辊用高速钢合金熔体；
第五步，轧辊用高速钢合金熔体的浇铸
浇铸前将金属轧辊模具在温度为400℃加热炉内烘烤0.5～1.0小时，将由第四步制得的孕育细化后的真空感应电炉中的轧辊用高速钢合金熔体，在1480℃～1510℃温度下出炉，并浇铸到上述烘烤后的金属轧辊模具中，待铸型冷却下来，打开该模具取出高速钢轧辊试样；
第六步，高速钢轧辊试样的热处理
(1)退火
将第五步制得的高速钢轧辊试样放入高温电阻加热退火炉中加热至850℃，保温3小时，然后在半小时内冷却到600℃以下，再后随炉冷却至室温，完成均匀化退火；
(2)淬火
将上述完成均匀化退火的高速钢轧辊试样进行淬火，分别采用950℃、1050℃、1150℃进行正交试验，确定最佳淬火温度，淬火时间试验设计为30分钟，然后进行油淬，完成高速钢轧辊试样的淬火，淬火介质为20号机油；
(3)回火
将上述完成淬火的高速钢轧辊试样进行两次回火，两次回火的工艺相同，步骤是，将完成淬火的高速钢轧辊试样加热至设定的530℃～580℃温度，保温45分钟后降低30℃，再保温10分钟，然后再升至设定530℃～580℃温度保温45分钟，最后空冷至室温，制得高速钢轧辊产品。
2.根据权利要求1所述高速钢轧辊的铸造工艺，其特征在于所说的金属模具是高速钢合金的浇铸模具。
3.根据权利要求1所述高速钢轧辊的铸造工艺，其特征在于所说的制得的高速钢轧辊产品是热轧高速钢轧辊及其力学性能标准试样。
全文摘要
本发明轧辊用高速钢合金的铸造工艺，涉及金属铸造工艺，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。
文档编号B22D11/16GK101812646SQ20101015230
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月22日 优先权日2010年4月22日
发明者崔春翔, 刘双进, 戚玉敏, 梁敏, 祖宁 申请人:河北工业大学