本发明涉及一种锻造电渣复合高速钢轧辊及其制造方法，属于轧辊制造技术领域。
背景技术：
轧辊作为轧钢工业的重要工具，是轧钢设备的最主要消耗部件。轧辊是一种在不同状态下通过挤压的方式将金属加工成型的工作部件，其辊身要求具有高的耐磨性能、高的抗冲击强度、高的组织稳定性，而辊颈需要具有良好的韧性和抗拉强度。为了满足轧辊在使用中辊身和辊颈不同需要，以及降低制造成本通常采用多种复合方式：如离心复合、全冲洗复合、CPC复合、电渣熔复、旋转电渣复合等技术。其中离心复合生产出的半高速钢、高速钢热轧辊芯部为合金球铁，受辊颈强度限制只能用于薄板热轧。随着科学技术发展，铁素体轧制技术、低温大压下技术等高性能钢轧制技术在热轧的应用，以及高性能冷轧技术等都对轧辊辊颈强度和辊身性能提出更高要求。
热轧工作辊在轧制过程中，辊身表面与炽热的轧材接触时，温度迅速升高，随后被迅速水冷，辊身沿径向产生很陡的温度梯度，进而导致辊身近表层产生非常大的交变热应力，在这种交变热应力的循环作用下，辊身表面逐渐产生微裂纹；当出现卡钢、打滑、缠辊、粘辊等轧制事故时，轧材与轧辊间的摩擦热和轧材的变形热在极短时间内骤然增加，使局部辊面温度迅速上升，此处金属发生膨胀，形成很大压应力，引起局部弹性压缩变形，与此同时轧制机械力也大幅上升。当综合应力超过轧辊材料在此温度下的弹性极限时，即产生塑性压缩变形；当综合应力超过材料的极限强度时就会引起断辊，从而导致较大的轧制事故。随着目前轧制板材向高强钢、超薄带钢、轧制节奏向连续化发展，对热带轧辊的外层抗冷热疲劳能力、辊颈抗拉强度提出了更高的要求，传统的离心方式生产的工作层、以及芯部球墨铸铁材质将会逐步被更高性能材料所取代。
冷轧辊在工作过程中要承受很大的轧制应力，加上轧件的焊缝、夹杂、边裂等问题，其工作条件恶劣,容易导致瞬间高温，使得冷轧辊受到强烈的热冲击，容易造成裂纹、粘辊、剥落甚至报废。由于冷轧辊在工作过程中所受应力极大，冷轧辊表面常产生剥离、掉块、磨损等失效形式，因此要求其辊身表面具备相当高的硬度、耐磨性和抗裂性，同时其辊颈也要有高的抗弯强度、足够的韧性，确保抗弯曲疲劳强度等。
当前国内外市场上用来制造冷轧辊的材料主要是Cr3和Cr5系列，Cr2系列大多用于小型冷轧机以及部分装备水平较差的可逆冷轧机；Cr3系列冷轧辊大多用于可逆冷轧机以及部分大型冷轧机；目前Cr5系列是中国锻钢冷轧辊的主流材质，大多数冷轧机以及带材质量要求较高的单机架可逆冷轧机基本全部采用Cr5系列工作辊及中间辊。
随着汽车、家电、电子等行业的高速发展，对冷轧薄板及硅钢片的质量要求在不断提高，对冷轧辊的质量要求也越来越高。而上述铬钢系列的冷轧辊在轧制薄板或者硅钢片时，轧制过程中经常出现工作辊和被轧制材料之间发生打滑的现象；在工作辊被使用不久后，许多工作辊表面粗糙度急剧降低，直接影响轧制板材的表面质量以及产品合格率。这些情况都是由于工作辊的耐磨性差、表面粗糙度保持能力差造成的。常规的高碳铬钢冷轧辊由于受材质自身的限制，在具备较高耐磨性的同时，很难拥有良好的抗事故能力，因此在冷轧硅钢等对冷轧辊综合性能要求较高的使用环境下，常规高碳铬钢冷轧辊材质的局限性也就突显出来。目前这些问题一般通过频繁更换工作辊或对工作辊进行毛化和镀铬来解决，但是这些方法不仅会降低冷轧机作业率，影响生产进度，而且工作辊毛化和镀铬价格昂贵，增加了生产成本，同时还会导致环境污染，不宜大规模、长时间应用。
随着对冷轧辊耐磨性、抗事故性能等综合性能要求的不断提高，为得到更高的综合使用性能，提高冷轧辊材料合金化水平，制作合金化程度更高的冷轧辊已成为冷轧板带用辊的发展方向，锻造高速钢、半高速钢冷轧辊成为冷轧辊材质的最新发展方向。
技术实现要素：
本发明需要解决的技术问题是提供一种锻造电渣复合高速钢轧辊及其制造方法，该轧辊辊身的工作层具有高耐磨性、高粗糙度保持能力和高组织稳定性，辊颈具有高的强韧性，适应当前较高的热轧辊及冷轧辊工作要求。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种锻造电渣复合高速钢轧辊，辊身外层中的化学组分及其质量百分含量为：C 0.70～1.50％，Si 0.20～1.20％，Mn 0.20～1.00％，Cr 4.00～12.00％，Mo 2.00～6.00％，V 1.00～4.00％，W 0.80～4.00％，Ni≤0.80％，P≤0.02％，S≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质；芯部为低合金钢或辊身工作层已使用报废的锻钢工作辊。
本发明技术方案的进一步改进在于：辊身外层中的化学组分及其质量百分含量为：C 0.90～1.30％，Si 0.40～1.00％，Mn 0.40～0.90％，Cr 8.00～12.00％，Mo 3.50～5.00％，V 1.50～3.00％，W 0.90～2.00％，Ni≤0.60％，P≤0.02％，S≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种锻造电渣复合高速钢轧辊的制造方法，包括以下工艺步骤：
A、炼制筒状电极：将原料在冶炼炉中进行冶炼，然后将钢水置于精炼炉中，对钢水进行精炼，精炼完成后将钢水置于钢包中，在离心机离心力作用下以及气体保护条件下将钢水铸成筒状电极锭，之后利用电渣重熔复合方法制成ESR复合电渣钢锭；
B、锻造复合钢坯：将步骤A制得的ESR复合电渣钢锭经过加热、保温、模锻成辊坯；
C、预备热处理：对辊坯进行预备热处理，先加热至1000～1050℃保温18～25h后吹风冷却；再加热至800～850℃保温15～20h后空冷，最后进行回火处理，回火温度为630～680℃，回火时间为70～100h；
D、机加工和最终热处理：将辊坯进行粗加工，经超声波探伤检验合格之后，对辊坯的辊身表层进行连续感应淬火，淬火温度为1100～1210℃，之后将辊坯进行回火处理，回火温度为460～580℃，保温20～30h后空冷至室温；
回火完成后，按所需尺寸对辊坯进行精加工，制成轧辊，进行超声波检测、硬度测试和金相组织检验。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤A中冶炼温度为1580～1680℃，精炼温度为1600～1800℃，所使用的保护气体为氮气或惰性气体。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤A中制成筒状电极锭后，将筒状电极锭加热至700～750℃进行等温退火，然后对筒状电极锭与固态低合金钢棒进行复合电渣重熔制成ESR复合电渣钢锭。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤B中ESR复合电渣钢锭的加热温度为1080～1250℃，保温时间为30～40h。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤D中回火处理需要重复进行三次，三次回火保温时间共80h。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明中钢的化学组分中，Cr增加了钢的淬透性，提高了钢的硬度和耐磨性而且不会使钢变脆；Mo提高了钢的淬透性和热强性，防止回火脆性，保持钢的硬度稳定，增加了钢对变形、开裂和磨损等的抗力。本发明Cr、Mo、V、W等碳化物形成元素的含量较高，形成的较大液析碳化物Cr7C3赋予了冷轧辊优异的耐磨性及高粗糙度保持能力，细小弥散分布的高硬度碳化物Mo2C、VC、WC，赋予了冷轧辊基体在高温回火下得到高硬度并具有极高的组织稳定性，保证了高速钢轧辊具有优异的耐磨性、高粗糙度保持能力，因而可使冷轧辊不需要进行镀铬就可以直接用于高等级板材的轧制，在轧辊的工作过程中，抗热冲击性能明显优于常规轧辊，可使热轧工作辊更适合于轧制高强度宽板带，其表面质量明显优于普通高速钢热轧工作辊。
采用本发明材料制得的冷轧辊，其轧辊的辊身表层硬度为86～96HSD，具有优异的耐磨性、高粗糙度保持能力和高组织稳定性。在事故率较高的轧机上应用，冷轧辊综合使用性能会明显提高；冷轧辊具有优异的耐磨损性能，在连轧机后架及平整机上应用，减少了镀铬的工艺步骤，大大降低了生产成本，也免去了镀铬造成的环境污染。
采用本发明材料制得的热轧辊，其轧辊的辊身表层硬度为80～86HSD，具有优异的耐磨性、优良的氧化膜能力和高组织稳定性。在轧制高强度薄板轧机上应用，热轧辊综合使用性能会明显提高；同时热轧板材表面质量也可以显著提高。在一些特定条件下实现用热轧板代替冷轧板，减少了轧钢工艺步骤，大大降低了生产成本，节约能源消耗。
本发明的电渣重熔复合方法，为均匀定向的快速顺序凝固复合方式，彻底避免了大型钢锭中心凝固偏析，提高了复合钢锭质量，实现不同使用功能采用不同材料最佳配合。热处理方法保证了轧辊的性能，其淬火、回火的温度和时间，使轧辊具有最佳机械性能和使用性能。
筒状电极的成型，两种不同化学组分材料用电渣冶金复合方法生产复合钢锭，最终制成的ESR复合电渣钢锭，辊身外层为高合金高速钢材料，芯部及辊颈为低合金钢材料。
本发明制得的锻造电渣复合高速钢轧辊，辊身表层硬度为80～100HSD，外层具有优异的耐磨性、高粗糙度保持能力和高组织稳定性等，芯部及辊颈硬度为30～45HSD，具有优异的韧性、高的抗拉强度。本发明的生产工艺可以节省大量的合金资源，满足冷轧、热轧工作辊轧制高性能板材需要，降低了生产成本，具有较高的推广应用价值。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1
一种锻造电渣复合高速钢轧辊，所述冷轧辊中外层的化学组分及其质量百分含量设计目标为：C 0.9～1.0％，Si 0.4～0.6％，Mn 0.4～0.9％，Cr 5.0～8.0％，Mo 3.8～4.0％，V 1.5～2.0％，W 0.90～2.00％，Ni 0.5～0.6％，P≤0.02％，S≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。芯部材质为：C 0.8～1.00％，Si 0.40～0.80％，Mn 0.40～1.00％，Cr 2.00～6.00％，Mo 0.15～0.70％，V 0.05～0.20％，Ni≤0.80％，P≤0.02％，S≤0.02％。
所述冷轧辊的制作方法包括以下工艺步骤：
A、炼制筒状钢锭：将所需原料在冶炼炉中进行冶炼，冶炼温度为1580～1680℃，本实施例为1630℃，然后将钢水置于精炼炉中，开始对钢水进行精炼，精炼温度为1600～1800℃，本实施例为1650℃，精炼完成后将钢水置于钢包中，在气体保护条件下(如氮气或惰性气体氩气)，进行离心浇注成筒状电极锭。
将筒状电极锭加热至720℃进行等温退火后，对筒状电极锭与固态低合金钢棒(或辊身工作层已使用报废的锻钢工作辊，均作为芯部成分)进行复合电渣重熔制成ESR复合电渣钢锭，具体步骤为：将筒状电极锭和固态低合金棒(或辊身工作层已使用报废的锻钢工作辊)均浸在水冷铸模的渣池中，通入电流，电流通过电极并加热将筒状电极锭熔化成金属液，熔化后的金属液到达水冷铸模的底部逐渐与固态低合金棒(或辊身工作层已使用报废的锻钢工作辊)凝固成新的复合钢锭，重新复合凝固成的中部表层钢锭即为最终得到的ESR复合电渣钢锭。
对ESR复合电渣钢锭外层进行化学组分分析，得到ESR复合电渣钢锭的化学组分及其质量百分含量为：C 0.95.％，Si 0.5％，Mn 0.4％，Cr 8.0％，Mo 4.0％，V 2.0％，W 1.5％，Ni 0.6％，P 0.02％，S 0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。芯部化学组分及其质量百分含量为：C 0.82.％，Si 0.5％，Mn 0.4％，Cr 3.0％，Mo 0.5％，V 0.12％，Ni 0.4％，P 0.02％，S 0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质；
B、锻造复合钢坯：将步骤A得到的ESR复合电渣钢锭进行1200℃加热、保温35h后，出炉，通过模锻一系列变形工序后制成辊坯；
C、预备热处理：对辊坯进行预备热处理，先加热至1030℃保温20h后吹风冷却；再加热至820℃保温15h后空冷，最后进行回火处理，回火温度为650℃，回火时间为80h；
D、机加工和最终热处理：将辊坯按照要求的尺寸先进行机械粗加工，通过超声波探伤检验合格之后，利用感应淬火机床对辊坯的辊身表层进行感应吹风淬火，淬火温度为1100～1180℃。
淬火完成后对辊坯进行回火处理：将辊坯加热至460～560℃，保温30h后空冷至室温。淬火完成后的回火处理需要重复进行三次，第二次、第三次的回火温度均为460～560℃，第二次、第三次的回火保温时间分别为20h、30h，三次回火保温时间共80h。
回火完成后，将辊坯按照交货尺寸要求进行精加工，制得最终要求的冷轧辊。之后对冷轧辊进行超声波检测、硬度测试、金相组织检验。
经最后测试得到冷轧辊的辊身表层肖氏硬度为90～96HSD，超声波检测及金相组织均达到要求。
实施例2
实施例2中工艺步骤与实施例1中的工艺步骤相同，与实施例1的区别在于：
本实施例中热轧辊外层的化学组分及其质量百分含量设计目标为：
C 1.2～1.3％，Si 0.60～0.9％，Mn 0.40～0.9％，Cr 10.8～12.0％，Mo 3.8～4.0％，V 2.8～3.0％，W 1.4～1.5％，Ni 0.4～0.6％，P≤0.015％，S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质。芯部化学组分及其质量百分含量的设计目标为：C 0.40～0.80％，Si 0.20～0.80％，Mn 0.20～1.00％，Cr 0.80～1.20％，Mo 0.15～0.60％，Ni≤0.80％，P≤0.02％，S≤0.02％。
经过对电渣复合钢锭进行化学组分分析，电渣钢锭外层中化学组分及其质量百分含量为：C 1.26％，Si 0.8％，Mn 0.61％，Cr 11.0％，Mo 3.9％，V 3.0％，W 1.2％，Ni 0.4％，P 0.014％，S 0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质。芯部化学组分及其质量百分含量的为：C 0.43.％，Si 0.46％，Mn 0.42％，Cr 0.8％，Mo 0.4％，Ni 0.6％，P 0.02％，S 0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
步骤A中制成筒状电极锭后，将筒状电极锭加热至715℃进行等温退火后，对筒状电极锭与固态低合金钢棒进行复合电渣重熔制成ESR复合电渣钢锭。
步骤B中将得到的ESR复合电渣钢锭进行1120℃加热、保温30h后，出炉，通过模锻一系列变形工序后制成辊坯；
步骤C预备热处理：对辊坯进行预备热处理，先加热至1015℃保温18h后吹风冷却；再加热至810℃保温17h后空冷，最后进行回火处理，回火温度为640℃，回火时间为70h；
步骤D中的淬火温度为1100℃；三次回火温度分别为540℃、550℃、560℃、三次回火时间分别为23h、28h、29h。
最终生产完成后得到热轧辊的辊身表层肖氏硬度为82～84HSD，超声波检测及金相组织均达到要求。
实施例3
实施例3中工艺步骤与实施例1中的工艺步骤相同，与实施例1的区别在于：本实施例中冷轧辊的外层化学组分及其质量百分含量设计目标为：
C 0.9～1.0％，Si 0.9～1.0％，Mn 0.40～0.50％，Cr 11.5～12.0％，Mo 3.8～4.0％，V 3.8～4.0％，W 0.9～1.0％，Ni 0.35～0.45％，P≤0.01％，S≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。芯部化学组分及其质量百分含量的设计目标为：C 0.40～0.60％，Si 0.20～0.80％，Mn 0.20～0.80％，Cr 0.80～1.20％，Mo 0.15～0.60％，Ni≤0.80％，P≤0.02％，S≤0.02％。
经过对复合电渣钢锭进行化学组分分析，电渣钢锭外层中化学组分及其质量百分含量为：C 0.96％，Si 1.0％，Mn 0.56％，Cr 12.0％，Mo 3.8％，V 4.0％，W 1.0％，Ni 0.4％，P 0.01％，S 0.009％，其余为Fe和不可避免的杂质。芯部化学组分及其质量百分含量为：：C 0.45％，Si 0.570％，Mn 0.66％，Cr 0.90％，Mo 0.60％，Ni 0.70％，P 0.020％，S 0.012％。
步骤A中制成筒状电极锭后，将筒状电极锭加热至700℃进行等温退火后，对筒状电极锭与固态低合金钢棒进行复合电渣重熔制成ESR复合电渣钢锭。
步骤B中将得到的ESR复合电渣钢锭进行1080℃加热、保温38h后，出炉，通过模锻一系列变形工序后制成辊坯；
步骤C预备热处理：对辊坯进行预备热处理，先加热至1025℃保温22h后吹风冷却；再加热至830℃保温18h后空冷，最后进行回火处理，回火温度为660℃，回火时间为76h；
步骤D中的淬火温度为1120℃；三次回火温度分别为510℃、540℃、570℃三次回火时间分别为25h、30h、25h。
最终生产完成后得到冷轧辊的辊身表层肖氏硬度为90～93HSD，超声波检测及金相组织均达到要求。
实施例4
实施例4中工艺步骤与实施例1中的工艺步骤相同，与实施例1的区别在于：本实施例中热轧辊的外层化学组分及其质量百分含量设计目标为：
C 1.1～1.2％，Si 0.8～1.2％，Mn 0.40～0.60％，Cr 8.5～9.5％，Mo 4.8～5.0％，V 2.5～3.0％，W 1.3～1.4％，Ni 0.05～0.15％，P≤0.02％，S≤0.018％，其余为Fe和不可避免的杂质。芯部及辊颈部位化学组分及其质量百分含量的设计目标为：C 0.40～0.80％，Si 0.20～0.60％，Mn 0.20～0.60％，Cr 0.80～1.20％，Mo 0.15～0.60％，Ni≤0.80％，P≤0.02％，S≤0.02％。
经过对复合电渣钢锭进行化学组分分析，电渣钢锭外层中化学组分及其质量百分含量为：C 1.2％，Si 1.0％，Mn 0.57％，Cr 9.1％，Mo 4.8％，V 2.8％，W 1.35％，Ni 0.1％，P 0.018％，S 0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质。芯部及辊颈部位化学组分及其质量百分含量为：C 0.60％，Si 0.50％，Mn 0.60％，Cr 1.20％，Mo 0.35％，Ni 0.40％，P 0.018％，S 0.012％。
步骤A中制成筒状电极锭后，将筒状电极锭加热至740℃进行等温退火后，对筒状电极锭与固态低合金钢棒进行复合电渣重熔制成ESR复合电渣钢锭。
步骤B中将得到的ESR复合电渣钢锭进行1200℃加热、保温38h后，出炉，通过模锻一系列变形工序后制成辊坯；
步骤C预备热处理：对辊坯进行预备热处理，先加热至1040℃保温23h后吹风冷却；再加热至840℃保温19h后空冷，最后进行回火处理，回火温度为670℃，回火时间为90h；
步骤D中的淬火温度为1100℃；回火温度分别为560℃、570℃、580℃，三次回火时间分别为23h、28h、29h。
最终生产完成后得到热轧辊的辊身表层肖氏硬度为82～85HSD，超声波检测及金相组织均达到要求。
实施例5
实施例5中工艺步骤与实施例1中的工艺步骤相同，与实施例1的区别在于：本实施例中冷轧辊的外层化学组分及其质量百分含量为：
C 1.0～1.1％，Si 0.2～0.3％，Mn 0.9～1.0％，Cr 8.5～9.0％，Mo 3.5～4.0％，V 2.0～2.2％，W 1.2～1.5％，Ni 0.7～0.8％，P≤0.015％，S≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。芯部及辊颈部位化学组分及其质量百分含量为：C 0.43％，Si 0.42％，Mn 0.6％，Cr 5.0％，Mo 0.5％，Ni 0.8％，P 0.013％，S 0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质。
步骤A中制成筒状电极锭后，将筒状电极锭加热至750℃进行等温退火后，对筒状电极锭与固态低合金钢棒进行复合电渣重熔制成ESR复合电渣钢锭。
步骤B中将得到的ESR复合电渣钢锭进行1250℃加热、保温40h后，出炉，通过模锻一系列变形工序后制成辊坯；
步骤C预备热处理：对辊坯进行预备热处理，先加热至1050℃保温25h后吹风冷却；再加热至850℃保温20h后空冷，最后进行回火处理，回火温度为680℃，回火时间为100h；
步骤D中的淬火温度为1140℃；三次回火温度分别为500℃、520℃、540℃、三次回火时间分别为25h、28h、27h。
最终生产完成后得到冷轧辊的辊身表层肖氏硬度为92～96HSD，超声波检测及金相组织均达到要求。
与常规冷轧辊相比，使用本发明所生产的冷轧辊在工作过程中，抗热冲击性能好，冷轧辊的使用寿命延长，不用再频繁更换冷轧辊，加快了生产进度。
与常规热轧辊相比，使用本发明所生产的热轧辊在工作过程中，抗热冲击性能好，热轧辊的使用寿命延长，辊颈抗拉强度可以实现大于800MPa以上。