高铬铸铁合金材料及其制造方法和应用与流程

本发明涉及合金材料科学
技术领域：
，特别是涉及一种高铬铸铁合金材料及其制造方法和应用。
背景技术：
：轧辊是使轧材金属产生塑性变形的工具，是决定轧机效率和轧材质量的重要消耗部件。轧辊是轧钢厂轧钢机上的重要零件，利用一对或一组轧辊滚动时产生的压力来轧碾钢材。由于轧辊的工作特性，轧辊的制造材料必须同时具有较好的韧性和耐磨性。目前轧辊按制造材料主要划分为铸钢系列、铸铁系列和锻造系列三大类别。其中，铸铁系列轧辊以高铬铸铁轧辊的性能较优，然而随着科技发展，要求轧辊在同样工况下的过钢量大幅提升，因此有必要进一步提高高铬铸铁合金材料的韧性和耐磨性，从而提高高铬铸铁轧辊的使用寿命。技术实现要素：基于此发明的目的之一在于提供一种韧性和耐磨性更好的高铬铸铁合金材料。实现上述发明目的的具体技术方案如下：一种高铬铸铁合金材料，由以下质量百分含量的各元素组成：2.0％～3.5％的C，0.5％～1.5％的Si，0.5％～1.5％的Mn，12％～25％的Cr，0.2％～1.5％的Ni，0.2％～3.0％的Mo，0.5％～3.5％的Nb，0.1％～1.0％的V，0.1％～1.0％的Ti，0.01％～0.05％的N，余量为Fe。上述各元素配合形成屈氏体基体和分布在所述屈氏体基体内的颗粒，所述颗粒包括M7C3颗粒、NbC颗粒以及Ti(C，N)颗粒，其中元素M包括Cr，V，Ti及Mo。在其中一个实施例中，所述高铬铸铁合金材料由以下质量百分含量的各元素组成：2.5％～3.5％的C，1.0％～1.5％的Si，0.88％～1.5％的Mn，18.2％～25％的Cr，0.2％～0.65％的Ni，0.78％～3.0％的Mo，1.89％～3.5％的Nb，0.3％～1.0％的V，0.1％～0.5％的Ti，0.03％～0.05％的N，余量为Fe。在其中一个实施例中，所述高铬铸铁合金材料由以下质量百分含量的各元素组成：2.82％的C，1.0％的Si，0.98％的Mn，18.2％的Cr，0.65％的Ni，0.78％的Mo，1.89％的Nb，0.3％的V，0.22％的Ti，0.04％的N，余量为Fe。本发明的高铬铸铁合金材料各元素对高铬铸铁合金材料的作用，具体如下：碳：碳是影响高铬铸铁合金材料的组织和性能最显著的元素。随着含碳量的提高，高铬铸铁合金材料的抗磨性增加，但高铬铸铁合金材料的韧性将下降。铬：铬是高铬铸铁合金材料中的主要合金。铬除与碳形成M7C3颗粒外，部分溶解于基体中，提高淬透性。锰：既能进入碳化物又能溶解于基体中，锰、钼配合用能改变钼在碳化物和基体中的分配比，从而显著提高淬透性。但锰能使奥氏体稳定存在，进而强烈降低碳化物的硬度，因此锰控制在质量分数0.5％～1.5％的范围内。硅：硅有固溶强化作用，能改善共晶碳化物形态，减少残余奥氏体，但降低淬透性，因此硅控制在质量分数0.5％～1.5％的范围内。钒：钒在高铬铸铁中的作用主要是形成一定含量的碳化钒，降低了基体的碳含量促使奥氏体脱稳，提高马氏体开始转变温度Ms，从而降低残余奥氏体的含量。另一方面钒又能取代共晶碳化物中的部分铬，降低碳化物中的铬量，随钒含量的增加，共晶碳化物中铬量下降，而增加了基体铬的固溶量，促使连续冷却曲线的右移，有提高奥氏体稳定性的可能。因此钒控制在质量分数0.3％～1.0％的范围内。钛：钛元素与碳、氮元素形成Ti(C，N)颗粒，即TiC1-XNX、钛化碳(氮)。Ti(C，N)颗粒具有较高的硬度和红硬性等特点，可大大提高高铬铸铁合金材料的耐磨性。铌：在高铬铸铁合金材料的基体中的溶解度很低，在本发明中添加的铌元素基本全部以NbC颗粒存在。而且形成的NbC颗粒给M7C3颗粒提供了异质形核点，从而使得M7C3颗粒细化。本发明的高铬铸铁合金材料包括屈氏体基体及分布在屈氏体基体内的颗粒，所述颗粒包括M7C3颗粒、NbC颗粒以及Ti(C，N)颗粒。由于NbC颗粒给M7C3颗粒提供了异质形核点，从而使得M7C3颗粒细化，M7C3颗粒团簇的尺寸为110μm左右，进而提高高铬铸铁合金材料的韧性；此外，Ti(C，N)颗粒分布在基体中，可大大提高高铬铸铁合金材料的硬度，进而提高其耐磨性。本发明高铬铸铁合金材料可广泛应用于线材热轧辊领域。其次，与不含铌、钛、氮元素的体系相比，本发明的高铬铸铁合金材料体系，其M7C3颗粒的含量增加，残余的奥氏体的含量以及奥氏体的平均尺寸减小，从而提高了高铬铸铁合金材料的硬度和耐磨性。基于此，此发明的目的之一在于提供一种韧性和耐磨性更好的高铬铸铁合金材料的制造方法。实现上述发明目的的具体技术方案如下：一种高铬铸铁合金材料的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、提供合金液，其中所述合金液由以下质量百分含量的元素组成：2.0％～3.5％的C，0.5％～1.5％的Si，0.5％～1.5％的Mn，12％～25％的Cr，0.2％～1.5％的Ni，0.2％～3.0％的Mo，0.5％～3.5％的Nb，0.1％～1.0％的V，0.1％～1.0％的Ti，0.01％～0.05％的N，余量为Fe；(2)、将所述合金液铸造成型、冷却，得到奥氏体铸态合金材料；(3)、将所述奥氏体铸态合金材料进行脱稳热处理，冷却后进行回火处理，得到所述高铬铸铁合金材料；上述各元素配合形成屈氏体基体和分布在所述屈氏体基体内的颗粒，所述颗粒包括M7C3颗粒、NbC颗粒以及Ti(C，N)颗粒，其中元素M包括Cr，V，Ti及Mo。可以理解，所述高铬铸铁合金材料的元素组成与所述合金液的元素组成基本相同。具体的，在其中一个实施例中，所述合金液由以下原料冶炼制得：优质废钢(0.25％C)、硅铁(75％Si)、高碳锰铁(75％Mn)、高碳铬铁(60％Cr)、镍板(99.99％Ni)、钼铁(55％Mo)、铌铁(60％Nb)、钒铁(50％V)、钛铁(28％Ti)及氮化铬铁(60％Cr、3.0％N)。以硅铁(75％Si)为例，表示硅的质量含量为75％的硅铁，即75硅铁。可以理解，在其他实施例中，所述合金液也可采用其他原料冶炼制得。只要原料冶炼成游离态时的合金液中的元素组成相同即可。优选的，所述合金液由以下质量百分含量的元素组成：2.5％～3.5％的C，1.0％～1.5％的Si，0.88％～1.5％的Mn，18.2％～25％的Cr，0.2％～0.65％的Ni，0.78％～3.0％的Mo，1.89％～3.5％的Nb，0.3％～1.0％的V，0.1％～0.5％的Ti，0.03％～0.05％的N，余量为Fe。更优选的，所述合金液由以下质量百分含量的元素组成：2.82％的C，1.0％的Si，0.98％的Mn，18.2％的Cr，0.65％的Ni，0.78％的Mo，1.89％的Nb，0.3％的V，0.22％的Ti，0.04％的N，余量为Fe。在其中一个实施例中，所述铸造成型为离心铸造成型。离心铸造成型方法是将合金液浇入高速旋转的铸型，使合金液在离心力作用下充填铸型并结晶。该方法特别适用于制造轧辊，一方面合金液中气体和熔渣在离心力的作用下向铸件内腔移动而排除，避免铸件的缩孔、缩松、气孔及夹渣等缺陷；另一方面，可省工、省料、降低铸件成本。在其中一个实施例中，所述合金液铸造成型的温度为1400～1500℃。优选的，合金液的出炉温度为1500～1540℃。其中，在所述合金液铸造成型、冷却过程中，M7C3颗粒即形成。在其中一个实施例中，所述奥氏体铸态合金材料进行脱稳热处理的条件为于950～1050℃下保温3～6小时。其中脱稳热处理的作用是使溶于奥氏体中的铬、碳以二次碳化物的形成析出，从而提高高铬铸铁合金材料的硬度和耐磨性。NbC颗粒的形成温度较高，在此条件下添加的铌元素基本全部可转化为NbC颗粒。在其中一个实施例中，所述步骤(2)具体为将所述合金液铸造成型24～48小时后，冷却至常温，得到奥氏体铸态合金材料。在其中一个实施例中，所述步骤(3)中冷却的条件为风冷至150～250℃，再随炉冷却至常温。在其中一个实施例中，所述步骤(3)中回火处理的条件为先于400～600℃保温6～12小时，随炉冷却至常温，再于400～580℃保温6～12小时，随炉冷却至常温。如此采用二次回火处理，以得到分布有M7C3颗粒、NbC颗粒以及Ti(C，N)颗粒的屈氏体。上述高铬铸铁合金材料的制造方法，其合金液中含有氮的附加物，进而通过原位反应铸造法得到Ti(C，N)颗粒，Ti(C，N)颗粒分布在基体中，可大大提高高铬铸铁合金材料的耐磨性。采用该制造方法得到的高铬铸铁合金材料，包括屈氏体基体及分布在屈氏体基体内的颗粒，所述颗粒包括M7C3颗粒、NbC颗粒以及Ti(C，N)颗粒。由于NbC颗粒给M7C3颗粒提供了异质形核点，从而使得M7C3颗粒细化，M7C3颗粒团簇的尺寸为110μm左右，进而提高高铬铸铁合金材料的韧性。本发明高铬铸铁合金材料可广泛应用于线材热轧辊领域。其次，本发明的高铬铸铁合金材料体系，与不含妮元素、氮元素的体系相比，其M7C3颗粒的含量增加，残余的奥氏体的含量以及奥氏体的平均尺寸减小，从而提高了高铬铸铁合金材料的硬度和耐磨性。基于此，此发明的目的之一在于提供一种韧性和耐磨性更好的高铬铸铁合金材料在制造轧辊中的应用。实现上述发明目的的具体技术方案如下：上述高铬铸铁合金材料在制造轧辊中的应用。在其中一个实施例中，轧辊为复合轧辊，其中复合轧辊包括芯部、中间层及处于外层的工作层。上述高铬铸铁合金材料用于制造轧辊的工作层，工作层即辊身。采用高铬铸铁合金材料制得的轧辊，韧性和耐磨性均显著提高。同工况使用时，其过钢量显著提高，进而提高了其使用寿命和工作效率。附图说明图1为实施例1和对比实施例的高铬铸铁合金材料分别制成的轧辊的工作层的径向和轴向的金相组织图，其中a、c分别为对比实施例的高铬铸铁合金材料制成轧辊的工作层的径向和轴向的金相组织图；b、d分别为实施例1的高铬铸铁合金材料制成的轧辊的工作层的径向和轴向的金相组织图；图2为实施例1的高铬铸铁合金材料制成的轧辊的工作层的扫描电镜图。具体实施方式为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的
技术领域：
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。以下结合具体实施例对本发明的高铬铸铁合金材料及其制造方法和应用作进一步详细的说明。实施例1本实施例的高铬铸铁合金材料的制造方法包括以下步骤：1)、将特定比例的优质废钢(0.25％C)、硅铁(75％Si)、高碳锰铁(75％Mn)、高碳铬铁(60％Cr)、镍板(99.99％Ni)、钼铁(55％Mo)、铌铁(60％Nb)、钒铁(50％V)、钛铁(28％Ti)及氮化铬铁(60％Cr、3.0％N)在中频炉冶炼，得到合金液。可以理解，上述各原料的具体比例可根据合金液各元素组成简单计算得到。合金液的出炉温度为1540℃。本实施例的合金液由以下质量百分含量的各元素组成：2.82％的C，1.0％的Si，0.98％的Mn，18.2％的Cr，0.65％的Ni，0.78％的Mo，1.89％的Nb，0.3％的V，0.22％的Ti，0.04％的N，余量为Fe。2)、先将合金液静置后并扒渣，然后将合金液浇注在冷型中离心铸造成型，离心铸造成型的温度为1420℃，其中离心铸造成型的温度即为浇注时中间包内的合金液的温度。合金液铸造成型48小时后，于保温地坑中缓冷，冷却至常温，得到奥氏体铸态合金材料。3)、将奥氏体铸态合金材料于960℃下保温3小时进行脱稳热处理。风冷至奥氏体铸态合金材料的表面温度为200℃，回到炉内随炉冷却至常温。再先于580℃保温8小时，随炉冷却至常温，再于480℃保温6小时，最后随炉冷却至常温，完成回火处理，得到高铬铸铁合金材料。实施例2本实施例的高铬铸铁合金材料的制造方法包括以下步骤：1)、所用原料与实施例1相同，不同之处在于原料的比例。将各原料在中频炉冶炼，得到合金液。合金液的出炉温度为1530℃。本实施例的合金液由以下质量百分含量的各元素组成：3.2％的C，1.5％的Si，0.5％的Mn，21％的Cr，0.2％的Ni，1.5％的Mo，0.5％的Nb，1.0％的V，0.1％的Ti，0.05％的N，余量为Fe。2)、先将合金液静置后并扒渣，然后将合金液浇注在冷型中离心铸造成型，离心铸造成型的温度为1400℃。合金液铸造成型36小时后，于保温地坑中缓冷，冷却至常温，得到奥氏体铸态合金材料。3)、将奥氏体铸态合金材料于960℃下保温3小时进行脱稳热处理。风冷至奥氏体铸态合金材料的表面温度为250℃，回到炉内随炉冷却至常温。再先于580℃保温8小时，随炉冷却至常温，再于420℃保温6小时，最后随炉冷却至常温，完成回火处理，得到高铬铸铁合金材料。实施例3本实施例的高铬铸铁合金材料的制造方法包括以下步骤：1)、所用原料与实施例1相同，不同之处在于原料的比例。将各原料在中频炉冶炼，得到合金液。合金液的出炉温度为1530℃。合金液的出炉温度为1500℃。本实施例的合金液由以下质量百分含量的各元素组成：2.5％的C，0.5％的Si，1.5％的Mn，16％的Cr，1.0％的Ni，3.0％的Mo，3.2％的Nb，0.5％的V，0.5％的Ti，0.03％的N，余量为Fe。2)、先将合金液静置后并扒渣，然后将合金液浇注在冷型中离心铸造成型，离心铸造成型的温度为1460℃。合金液铸造成型24小时后，于保温地坑中缓冷，冷却至常温，得到奥氏体铸态合金材料。3)、将奥氏体铸态合金材料于960℃下保温3小时进行脱稳热处理。风冷至奥氏体铸态合金材料的表面温度为150℃，回到炉内随炉冷却至常温。再先于580℃保温8小时，随炉冷却至常温，再于520℃保温6小时，最后随炉冷却至常温，完成回火处理，得到高铬铸铁合金材料。实施例4本实施例的高铬铸铁合金材料的制造方法包括以下步骤：1)、所用原料与实施例1相同，不同之处在于原料的比例。将各原料在中频炉冶炼，得到合金液。合金液的出炉温度为1530℃。本实施例的合金液由以下质量百分含量的各元素组成：3.5％的C，1.5％的Si，0.5％的Mn，12％的Cr，0.2％的Ni，3.0％的Mo，0.5％的Nb，1.0％的V，0.1％的Ti，0.05％的N，余量为Fe。2)、先将合金液静置后并扒渣，然后将合金液浇注在冷型中铸造成型，铸造成型的温度为1420℃。合金液铸造成型36小时后，于保温地坑中缓冷，冷却至常温，得到奥氏体铸态合金材料。3)、将奥氏体铸态合金材料于950℃下保温4小时进行脱稳热处理。风冷至奥氏体铸态合金材料的表面温度为150℃，回到炉内随炉冷却至常温。再先于600℃保温8小时，随炉冷却至常温，再于400℃保温6小时，最后随炉冷却至常温，完成回火处理，得到高铬铸铁合金材料。实施例5本实施例的高铬铸铁合金材料的制造方法包括以下步骤：1)、所用原料与实施例1相同，不同之处在于原料的比例。将各原料在中频炉冶炼，得到合金液。合金液的出炉温度为1500℃。本实施例的合金液由以下质量百分含量的各元素组成：2.0％的C，0.5％的Si，1.5％的Mn，25％的Cr，1.5％的Ni，0.2％的Mo，3.5％的Nb，0.1％的V，0.5％的Ti，0.01％的N，余量为Fe。2)、先将合金液静置后并扒渣，然后将合金液浇注在冷型中铸造成型，铸造成型的温度为1400℃。合金液铸造成型24小时后，于保温地坑中缓冷，冷却至常温，得到奥氏体铸态合金材料。3)、将奥氏体铸态合金材料于1050℃下保温1小时进行脱稳热处理。风冷至奥氏体铸态合金材料的表面温度为200℃，回到炉内随炉冷却至常温。再先于450℃保温6小时，随炉冷却至常温，再于550℃保温8小时，最后随炉冷却至常温，完成回火处理，得到高铬铸铁合金材料。对比实施例本实施例的高铬铸铁合金材料。该高铬铸铁合金材料的制造方法包括以下步骤：1)、所用原料与实施例1相同，不同之处在于原料的比例。将各原料在中频炉冶炼，得到合金液。合金液的出炉温度为1450～1500℃。本实施例的合金液由以下质量百分含量的各元素组成：3.04％的C，0.98％的Si，1.04％的Mn，18.6％的Cr，1.05％的Ni，1.23％的Mo，0.25％的V，0.15％的Ti，余量为Fe。2)、先将合金液静置后并扒渣，然后将合金液浇注在冷型中铸造成型，离心铸造成型的温度为1450℃。合金液离心铸造成型48小时后，于保温地坑中缓冷，冷却至常温，得到奥氏体铸态合金材料。3)、将奥氏体铸态合金材料于950℃下保温3小时进行脱稳热处理。风冷至奥氏体铸态合金材料的表面温度为200℃，回到炉内随炉冷却至常温。再先于580℃保温8小时，随炉冷却至常温，再于480℃保温6小时，最后随炉冷却至常温，完成回火处理，得到高铬铸铁合金材料。性能检测(一)将实施例1和对比实施例得到的高铬铸铁合金材料分别进行硬度、韧性和抗拉强度的性能测试，得到数据如表1，其中硬度为肖氏硬度值。由此可见，本实施例1得到的高铬铸铁合金材料的硬度、冲击韧性以及抗拉强度均有提高，进而提高了其耐磨性。表1组别肖氏硬度值/(HSD)冲击韧性/(J/cm2)抗拉强度/(MPa)实施例184.612.3658对比实施例82.19.5563进一步采用实施例1和对比实施例得到的高铬铸铁合金材料制造轧辊。具体的，轧辊为复合轧辊，其芯部和中间层采用常规方法和材质制得，其工作层分别采用实施例1和对比实施例的高铬铸铁合金材料制得。两种轧辊在相同工况下使用，工作层采用实施例1的高铬铸铁合金材料制得的轧辊，其过钢量提高了50％左右，提高了轧辊的使用寿命和工作效率。金相检测(二)将实施例1和对比实施例得到的高铬铸铁合金材料分别制造成轧辊的工作层，并将两者的轧辊的工作层进行径向和轴向上的金相组织分析，得到金相组织图，如图1所示。图1的金相组织a和金相组织b中标号为1的区域为屈氏体组织，标号为2的区域为M7C3颗粒组织，标号为3的区域为奥氏体组织。由此可看出，实施例1和对比实施例的高铬铸铁合金材料制成的轧辊的工作层，其均为高铬铸铁合金材料。该高铬铸铁合金材料包含屈氏体基体，且屈氏体基体内分布有M7C3颗粒，并均残留有部分奥氏体组织。此外，实施例1高铬铸铁合金材料的屈氏体基体中还含有少量NbC颗粒和Ti(C、N)颗粒，由于NbC颗粒和Ti(C、N)颗粒的含量较少，在金相组织图上无法标记。比较金相组织a和金相组织b发现，在同样倍数下得到的金相组织，本实施例1的M7C3颗粒组织和奥氏体组织更细化。进一步从图1中金相组织c和金相组织d计算得到：对比实施例高铬铸铁合金材料的金相组织c中，奥氏体的平均尺寸为70μm左右，M7C3颗粒团簇的尺寸为200μm左右。实施例1高铬铸铁合金材料的金相组织d，奥氏体的平均尺寸为35μm左右，M7C3颗粒团簇的尺寸为110μm左右。进一步从图1中金相组织a和金相组织b计算得到：对比实施例高铬铸铁合金材料的金相组织a中，M7C3颗粒的质量百分含量为32％左右，奥氏体的质量百分含量为26％左右。实施例1高铬铸铁合金材料的金相组织b中，M7C3颗粒的质量百分含量为35％左右，奥氏体的质量百分含量为8％左右。能谱检测(三)采取实施例1的高铬铸铁合金材料制成的轧辊的工作层进行扫描电镜，得到扫描电镜图和能谱数据。扫描电镜图如图2所示，实施例1的高铬铸铁合金材料，其表面平整。对实施例1的高铬铸铁合金材料在扫描电镜下选点(图2中的十字标记处)进行能谱分析，得到能谱数据见表2。从表2的数据可看出，实施例1的高铬铸铁合金材料含有Nb元素，且在该处的Nb元素和C元素的原子百分比接近比1：1。由此说明实施例1的高铬铸铁合金材料的基体内分布有NbC颗粒。表2元素Wt％At％C11.0747.63Fe0.910.84Nb81.3645.25Ti6.666.28以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页1 2 3