本发明公开了一种耐磨轧辊及其制备方法，特别涉及一种含镍、铬、铝、钨等合金元素的轧辊及其制备方法，属于耐磨材料制造领域。
背景技术：
：高镍铬钼铸铁轧辊工作过程非常复杂，工作时轧辊与轧材、支承辊均存在很强的摩擦，不仅存在磨粒磨损，并且承受较高的轧制应力，瞬时工作温度可达600～800℃。另外，在冷却水强激冷作用下，轧辊要经受很高的热疲劳，因此要求高镍铬钼铸铁轧辊应具有良好的耐磨性、热疲劳性、接触疲劳性能。为了提高轧辊性能，中国发明专利cn103590034公开了一种中镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末及合金化处理工艺，其中合金粉末包括wc、tic、b、ni、cr、co、si、mo、y2o3粉末组成。该发明还提供了一种合金粉末化处理工艺，该工艺包括将待处理轧辊表面打磨除锈、用有机溶剂去除表面油污，将前述合金粉末与清漆乙醇溶液混合，将所得的混合液均匀喷涂在轧辊待处理工作面，风干后采用激光对轧辊表面进行扫描，使合金粉末和轧辊表层熔化混合，形成激光合金化层等步骤。采用该发明所述的合金粉末及合金化处理工艺对材质为中镍铬无限冷硬铸铁的轧辊进行激光合金化处理，轧辊工作表面形成组织超细化的合金层层，增强了显微硬度，并提升了轧辊过钢量。中国发明专利cn103589932还公开了一种低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末及合金化处理工艺，其中合金粉末包括：wc、tic、ni、cr、co、si、mo、y2o3粉末组成。该发明还提供了一种合金粉末化处理工艺，该工艺包括将待处理轧辊表面打磨除锈、用有机溶剂去除表面油污，将前述合金粉末与清漆乙醇溶液混合，将所得的混合液均匀喷涂在轧辊待处理工作面，风干后采用激光对轧辊表面进行扫描，使合金粉末和轧辊表层熔化混合，形成激光合金化层等步骤。采用该发明所述的合金粉末及合金化处理工艺对材质为低镍铬无限冷硬铸铁的轧辊进行激光合金化处理，轧辊工作表面形成组织超细化的合金层层，增强了显微硬度并提升了轧辊过钢量。中国发明专利cn105127201还公开了一种加v型icdp轧辊及其生产工艺，其工作层材质为加v型高镍铬无限冷硬铸铁，芯部材质为高强度合金球墨铸铁；所述工作层材质成分的质量百分含量为：c3.0～3.4％，si0.6～1.2％，mn0.4～1.0％，p≤0.08％，s≤0.03％，ni4.0～4.5％，cr1.6～2.0％，mo0.2～0.6％，v0.7～0.8％，其余为铁和不可避免的杂质元素。该icdp轧辊与现有v、nb共同强化的改进型icdp轧辊不同之处在于，仅加v元素进行强化；由显微硬度检测可以测出vc、vn的硬度要高于nbc、nbn及nb、v的混合碳化物，即相对于现有的加v、nb型icdp轧辊具有更高的耐磨性和硬度，保证了精轧前后架次的匹配。该icdp轧辊经过轧钢企业实践使用，使用效果优异，轧辊耐磨性、抗事故能力较普通轧辊明显提高。中国发明专利cn103074539还公开了一种离心复合高镍铌耐磨铸铁轧辊及其铸造方法，包括工作层和芯层，其特征是，其工作层化学成分组成按重量百分比为：c2.9～3.6％、si0.6～1.5％、mn0.4～1.2％、p＜0.10％、s＜0.05％、ni3.01～4.8％、cr1.0～2.0％、mo0.2～2.0％、nb0.1～2.0％、v1.0～4.0％、w0.05～2.0％，其余为fe。与现有技术相比，该发明的有益效果是：块状耐磨粒子呈点、块状弥散分布与镶嵌在轧辊金属基体中；石墨以点状形态存在。耐磨粒子弥散分布，镶嵌在基体中牢固不易脱落，极大促进了轧辊基体组织的整体耐磨性能；轧辊整体辊面磨损均匀。中国发明专利cn101177759还公开了一种离心复合改进型无限冷硬铸铁轧辊及其制备方法，其辊身化学成分是(重量％)：3.2－3.8c，3.8－4.5ni，1.2－1.8cr，0.2－0.4mo，0.2－0.5cu，1.0－1.8si，＜0.8mn，0.10－0.30nb，0.05－0.20v，0.05－0.20ti，0.04－0.07mg，0.02－0.05y，0.01－0.03sb，其余为fe和不可避免的微量杂质。该发明轧辊利用电炉便可生产，采用离心铸造方法成形，轧辊强度和硬度高，韧性、硬度均匀性和淬透性好，耐磨性和抗氧化性优良，抗激冷激热性能也很好，使用过程中不断裂、不起皮、不发生龟裂、不粘钢，使用性能明显优于高镍铬无限冷硬铸铁轧辊，生产工艺简单，不需要进行高温热处理，生产成本低。使用该发明轧辊可以显著提高轧钢机作业率，降低轧材生产成本，改善轧材表面质量，具有很好的经济和社会效益。中国发明专利cn101195158还公开了一种改进型镍铬钼无限冷硬复合铸铁轧辊的制造方法，包括原料准备，铁水熔炼和变质处理，辊颈模具的工装准备，冷却开箱，热处理，加工检验，包括下述工艺步骤：1)原料准备好后，分别进行外层铁水熔炼，芯部球墨铸铁熔炼，外层铁水熔炼时加入强化碳化物形成元素m和n，形成强化碳化的镍铬钼铸铁铁水，2)对强化碳化的镍铬钼铸铁铁水进行变质处理，对芯部球墨铸铁铁水进行球化及孕育处理，3)用离心铸造法浇铸外层强化碳化的镍铬钼铸铁铁水，待外层铁水凝固后与工装准备好的辊颈模具进行合箱，4)再用静态铸造法浇铸球墨铸铁铁水。该发明的轧辊的毫米轧钢量比传统的镍铬钼无限冷硬复合铸铁轧辊提高20％以上。中国发明专利cn1598030还公开了改进的轧辊用镍铬钼无限冷硬铸铁及复合轧辊，其特征是在镍铬钼无限冷硬铸铁(ⅳ)成分中添加有0.03－0.1％(wt)的硼和0.2－1.5％的铌。以及由此材料制成的复合轧辊。由于添加了硼和铌，使材料的耐磨性和抗热裂纹性能得到显著提高，克服了原材料的不足。由此材料为工作层制成的复合轧辊，使用寿命较原来大大提高，可使板带的轧制量提高20％以上；抗热裂纹性能的改善，显著减少了停机换辊修复次数，不仅降低了操作劳动强度，而且还可提高轧机的作业率，增加班时轧制产量。中国发明专利cn101503776还公开了一种合金铸铁轧辊生产方法，其特征在于：其包括如下制作步骤：(1)原料配制：选取清洁、无夹杂物、无油污的铸铁轧辊切屑70wt％-100wt％，废钢0-30wt％；有油污的切屑应经800℃-1000℃高温焙烧处理；所述废钢清洁少锈，厚度≥5mm，不含sb、sn有害成分；分析所述切屑和废钢的化学成份，根据需要浇注的合金铸铁轧辊的成份要求、烧损量、回收率、以及添加物的纯度来确定需要的生铁和或合金的添加量和或金属镍的添加量；所述合金包括硅铁和或铬铁和或钼铁和或锰铁；(2)空炉装炉：取所述切屑紧实铺垫在中频感应炉炉底，厚度200-300mm；其上再铺一层所述生铁，生铁上再铺一层厚度为200-400mm的紧实切屑，紧实切屑上面再加入废钢或切屑；(3)开炉升温，随着炉内所装的切屑和废钢逐渐熔化，把剩余的切屑依次装入炉内，加入切屑不能超过炉口；切屑上面用压铁压住；(4)待所有的原料熔化成铁水后，加入集渣剂覆盖，观察铁水液面情况，加入脱氧剂；升温至1460℃-1520℃，打渣；再加集渣剂覆盖集渣、打渣三次以上，并静置5分钟以上；(5)熔液取样，进行成分分析，加入集渣剂覆盖集渣、打渣，根据分析结果，添加生铁和或合金和或金属镍，调整化学成分，使成分满足设计要求；所述合金包括硅铁和或铬铁和或钼铁和或锰铁，其中硅铁的添加量要减去用于后续变质处理时添加的孕育剂和球化剂硅铁的含量；然后再加入集渣剂覆盖集渣、打渣三次；再次取样进行成分分析，确保成分满足设计要求；(6)按常规工艺出炉，出铁水时在浇包内对铁水进行变质处理，首先在浇包底部加入球化剂和三分之一的孕育剂，其次在铁水面上加入集渣剂覆盖集渣、打渣三次以上；然后在铁水面上加入三分之二的孕育剂进行孕育处理；再加入集渣剂覆盖集渣、打渣三次以上；按常规工艺浇注，浇注时进行二次孕育处理。中国发明专利cn101509095还公开了超细晶粒高镍铬钼无限冷硬铸铁，属轧制大型船舰用轧辊材料，组成重量包括：c：2.9－3.7％，si：0.6－1.2％，mn：0.4－1.2％，ni：3.01－5.00％，cr：1.00－2.00％，mo：0.20－0.60％，余量fe，组成中还有1－3％的锑，使碳化物的网状结构得到了基本的消除，组织更加弥散，达到了改变材料的金相组织和性能，使材料的耐磨性和抗热裂纹性能得到有效的结合，综合提高材料的使用寿命。中国发明专利cn1068149还公开了钒钛无限冷硬球铁轧辊及铸造方法，其特征是化学成分中不含ni、cr、mo、cu等贵重合金元素，从辊身工作层到芯部均为球墨铸铁。铸造时，使用了稀土镁和铁镁机制球化剂组成的混合球化剂，采用了小剂量孕育剂法和型内退火工艺。该发明生产的轧辊成本低，硬度高、耐磨性好、强度高，轧制钢材时不易断辊，辊槽边不易掉块，用在中小型轧钢机的第一二机架上可代替铸钢轧辊，且其寿命比铸钢轧辊提高20％以上。尽快上述镍铬无限冷硬铸铁轧辊，具有较高的硬度和较好的耐磨性，但仍存在共晶碳化物分布不均匀，碳化物呈网状分布和疲劳性能差，断裂韧性低等不足，导致轧辊使用过程中，极易出现疲劳剥落，降低轧辊的使用寿命。技术实现要素：本发明针对高镍铬无限冷硬铸铁轧辊使用中存在的上述问题，提出在高镍铬轧辊中适当加入铝、钨元素，用于提高轧辊的高温性能，在此基础上，加入钒铁、氮化锰铁和稀土硅铁等材料，对高镍铬轧辊进行复合变质处理，用于改善共晶碳化物形态和分布，提高高镍铬轧辊的综合性能。本发明可以通过以下工艺步骤来实现。一种耐磨轧辊及其制备方法，其特征在于，采用感应电炉熔炼，具体制备工艺步骤是：(1)采用废钢、生铁、铬铁、镍板、钨铁、铌铁、硅铁、锰铁和金属铝配料，先将钨铁、铌铁、废钢、生铁和镍板在炉内混合加热熔化，上述材料全部熔化后加入铬铁，铬铁熔化后，将铁水升温至1532～1555℃，然后依次加入硅铁、锰铁和金属铝，并将铁水在1563～1587℃下扒渣并化验成分，当铁水化学组成及其质量分数为3.28～3.63％c,2.15～2.44％cr,0.064～0.095％nb,3.95～4.38％ni,2.19～2.56％w,0.69～0.88％al,0.72～0.99％si,0.25～0.51％mn,<0.035％s,<0.040％p,余量fe和不可避免的杂质时，将铁水出炉至浇包，浇包底部预先放入了铜镁合金，经200～250℃预热90～150分钟的钒铁、氮化锰铁、稀土硅铁和硼铁，上述合金尺寸为(8～15mm)×(8～15mm)×(8～15mm)，铜镁合金、钒铁、氮化锰铁、稀土硅铁和硼铁加入量分别占进入浇包内铁水质量分数的0.25～0.35％、0.35～0.45％、0.35～0.45％、0.55～0.70％和0.15～0.25％，然后对浇包内铁水进行搅拌、扒渣和静置；(2)当步骤(1)浇包内铁水温度降至1437～1470℃，将铁水浇入铸型，得到轧辊毛坯产品，轧辊毛坯经粗加工后，随炉加热至375～425℃，保温10～15小时，炉冷至温度低于180℃后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得耐磨轧辊产品。如上所述铜镁合金的化学成分质量分数％为：80-85cu，15-20mg。如上所述硼铁的化学成分质量分数％为：19.0-21.0b,≤0.5c,≤2.0si,≤0.5al,≤0.02s,≤0.10p,余量fe。如上所述氮化锰铁的化学成分质量分数％为：60～63mn,5.0～6.0n,≤0.5c,≤1.0si,≤0.08p,≤0.04s,余量fe。如上所述稀土硅铁的化学成分质量分数％为：27.0～30.0re,38.0～42.0si,<3.0mn,<5.0ca,<3.0ti，余量为fe。如上所述钒铁的化学成分质量分数％为：50～65v,≤2.0si,≤0.05p,≤0.05s,余量fe。本发明耐磨轧辊采用废钢、生铁、铬铁、镍板、钨铁、铌铁、硅铁、锰铁和金属铝配料，主要原因是上述原料国内来源充足。为了提高冶炼效率，降低合金元素烧损，本发明在铁水冶炼过程中，先将钨铁、铌铁、废钢、生铁和镍板在炉内混合加热熔化，上述材料全部熔化后加入铬铁，铬铁熔化后，将铁水升温至1532～1555℃，然后依次加入硅铁、锰铁和金属铝，并将铁水在1563～1587℃下扒渣并化验成分，当铁水化学组成及其质量分数为3.28～3.63％c,2.15～2.44％cr,0.064～0.095％nb,3.95～4.38％ni,2.19～2.56％w,0.69～0.88％al,0.72～0.99％si,0.25～0.51％mn,<0.035％s,<0.040％p,余量fe和不可避免的杂质时，将铁水出炉至浇包。铁水中含有的2.15～2.44％cr和2.19～2.56％w,主要是为了获得高硬度的共晶碳化物，提高材料耐磨性，加入2.19～2.56％w和0.69～0.88％al，还可以提高基体的抗高温软化能力，提高轧辊高温耐磨性。0.69～0.88％al的加入，还可以提高轧辊表面抗氧化能力，确保轧辊在热轧过程中，在辊表面生成致密氧化膜，降低轧制摩擦系数，提高轧辊使用寿命，并改善轧材表面质量。加入3.95～4.38％ni主要是为了提高淬透性，防止轧辊基体组织中出现低硬度珠光体基体。镍的加入还可以提高轧辊强度和基体塑性，有利于防止轧辊使用中发生脆性剥落。加入适量硅和铝，还可以促进石墨的形成，提高轧辊疲劳性能。0.064～0.095％nb的加入主要是有利于细化晶粒，改善碳化物形态和分布。0.25～0.51％mn的加入有利于提高淬透性。为了进一步提高轧辊性，在浇包底部预先放入了铜镁合金，经200～250℃预热90～150分钟的钒铁、氮化锰铁、稀土硅铁和硼铁，上述合金尺寸为(8～15mm)×(8～15mm)×(8～15mm)，铜镁合金、钒铁、氮化锰铁、稀土硅铁和硼铁加入量分别占进入浇包内铁水质量分数的0.25～0.35％、0.35～0.45％、0.35～0.45％、0.55～0.70％和0.15～0.25％，加入上述合金主要是为了改善石墨和碳化物的形态、尺寸和分布，提高轧辊的力学性能和疲劳性能。轧辊毛坯经粗加工后，随炉加热至375～425℃，保温10～15小时，炉冷至温度低于180℃后出炉空冷至室温，主要是为了稳定组织，消除应力，提高轧辊强度和韧性。本发明与现有技术相比，具有以下优点：1、本发明轧辊材料硬度高，超过85hsd，耐磨性好；2、本发明轧辊生产工艺简便，无需复杂的热处理工序，效率高，能耗低；3、本发明轧辊经过铜镁合金、钒铁、氮化锰铁、稀土硅铁和硼铁复合微合金化处理后，石墨分布均匀，尺寸细小，且石墨与基体结合良好，不易剥落，鱼骨状连续分布的碳化物转变为颗粒状，分布弥散，大幅度提高轧辊的疲劳性能，轧辊使用寿命达到普通高镍铬无限冷硬铸铁的1.6～1.8倍，推广应用具有良好的经济和社会效益。附图说明图1本发明轧辊显微组织照片。具体实施方式以下结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。实施例1：一种耐磨轧辊及其制备方法，其特征在于采用3吨工频感应电炉熔炼，具体制备工艺步骤是：①采用废钢、生铁、铬铁、镍板、钨铁、铌铁、硅铁、锰铁和金属铝配料，先将钨铁、铌铁、废钢、生铁和镍板在炉内混合加热熔化，上述材料全部熔化后加入铬铁，铬铁熔化后，将铁水升温至1532℃，然后依次加入硅铁、锰铁和金属铝，并将铁水在1563℃下扒渣并化验成分，当铁水化学组成及其质量分数为3.28％c,2.44％cr,0.064％nb,3.95％ni,2.19％w,0.88％al,0.72％si,0.51％mn,0.031％s,0.034％p,余量fe和不可避免的杂质时，将铁水出炉至浇包，浇包底部预先放入了铜镁合金(铜镁合金的化学成分质量分数％为：80.27cu，19.73mg)，经200℃预热150分钟的钒铁(钒铁的化学成分质量分数％为：50.84v,1.17si,0.028p,0.035s,余量fe)、氮化锰铁(氮化锰铁的化学成分质量分数％为：62.94mn,5.08n,0.36c,0.61si,0.058p,0.027s,余量fe)、稀土硅铁(稀土硅铁的化学成分质量分数％为：27.48re,41.60si,2.48mn,2.19ca,2.07ti，余量为fe)和硼铁(硼铁的化学成分质量分数％为：19.52b,0.37c,1.26si,0.33al,0.016s,0.063p,余量fe)，上述合金尺寸为(8～15mm)×(8～15mm)×(8～15mm)，铜镁合金、钒铁、氮化锰铁、稀土硅铁和硼铁加入量分别占进入浇包内铁水质量分数的0.25％、0.45％、0.35％、0.70％和0.15％，然后对浇包内铁水进行搅拌、扒渣和静置；②当步骤①浇包内铁水温度降至1454℃，将铁水浇入铸型，得到轧辊毛坯产品，轧辊毛坯经粗加工后，随炉加热至390℃，保温12小时，炉冷至温度低于180℃后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得耐磨轧辊产品，轧辊力学性能见表1。实施例2：一种耐磨轧辊及其制备方法，其特征在于采用1.5吨中频感应电炉熔炼，具体制备工艺步骤是：①采用废钢、生铁、铬铁、镍板、钨铁、铌铁、硅铁、锰铁和金属铝配料，先将钨铁、铌铁、废钢、生铁和镍板在炉内混合加热熔化，上述材料全部熔化后加入铬铁，铬铁熔化后，将铁水升温至1555℃，然后依次加入硅铁、锰铁和金属铝，并将铁水在1587℃下扒渣并化验成分，当铁水化学组成及其质量分数为3.63％c,2.15％cr,0.095％nb,4.38％ni,2.56％w,0.69％al,0.99％si,0.25％mn,0.028％s,0.037％p,余量fe和不可避免的杂质时，将铁水出炉至浇包，浇包底部预先放入了铜镁合金(铜镁合金的化学成分质量分数％为：82.63cu，17.37mg)，经250℃预热90分钟的钒铁(钒铁的化学成分质量分数％为：56.26v,1.50si,0.038p,0.041s,余量fe)、氮化锰铁(氮化锰铁的化学成分质量分数％为：61.84mn,5.57n,0.36c,0.85si,0.062p,0.027s,余量fe)、稀土硅铁(稀土硅铁的化学成分质量分数％为：28.25re,39.90si,1.81mn,3.07ca,1.48ti，余量为fe)和硼铁(硼铁的化学成分质量分数％为：19.92b,0.43c,1.53si,0.29al,0.007s,0.065p,余量fe)，上述合金尺寸为(8～15mm)×(8～15mm)×(8～15mm)，铜镁合金、钒铁、氮化锰铁、稀土硅铁和硼铁加入量分别占进入浇包内铁水质量分数的0.3％、0.4％、0.4％、0.6％和0.2％，然后对浇包内铁水进行搅拌、扒渣和静置；②当步骤①浇包内铁水温度降至1470℃，将铁水浇入铸型，得到轧辊毛坯产品，轧辊毛坯经粗加工后，随炉加热至375℃，保温15小时，炉冷至温度低于180℃后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得耐磨轧辊产品，轧辊力学性能见表1。实施例3：一种耐磨轧辊及其制备方法，其特征在于采用1000公斤中频感应电炉熔炼，具体制备工艺步骤是：①采用废钢、生铁、铬铁、镍板、钨铁、铌铁、硅铁、锰铁和金属铝配料，先将钨铁、铌铁、废钢、生铁和镍板在炉内混合加热熔化，上述材料全部熔化后加入铬铁，铬铁熔化后，将铁水升温至1547℃，然后依次加入硅铁、锰铁和金属铝，并将铁水在1574℃下扒渣并化验成分，当铁水化学组成及其质量分数为3.47％c,2.36％cr,0.088％nb,4.20％ni,2.32％w,0.75％al,0.79％si,0.46％mn,0.033％s,0.029％p,余量fe和不可避免的杂质时，将铁水出炉至浇包，浇包底部预先放入了铜镁合金(铜镁合金的化学成分质量分数％为：84.80cu，15.20mg)，经220℃预热120分钟的钒铁(钒铁的化学成分质量分数％为：64.20v,0.94si,0.038p,0.031s,余量fe)、氮化锰铁(氮化锰铁的化学成分质量分数％为：60.17mn,5.93n,0.28c,0.71si,0.064p,0.035s,余量fe)、稀土硅铁(稀土硅铁的化学成分质量分数％为：29.65re,38.06si,1.73mn,3.48ca,1.09ti，余量为fe)和硼铁(硼铁的化学成分质量分数％为：19.17b,0.24c,1.16si,0.32al,0.010s,0.071p,余量fe)，上述合金尺寸为(8～15mm)×(8～15mm)×(8～15mm)，铜镁合金、钒铁、氮化锰铁、稀土硅铁和硼铁加入量分别占进入浇包内铁水质量分数的0.35％、0.35％、0.45％、0.55％和0.25％，然后对浇包内铁水进行搅拌、扒渣和静置；②当步骤①浇包内铁水温度降至1437℃，将铁水浇入铸型，得到轧辊毛坯产品，轧辊毛坯经粗加工后，随炉加热至425℃，保温10小时，炉冷至温度低于180℃后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得耐磨轧辊产品，轧辊力学性能见表1。表1耐磨轧辊力学性能力学性能硬度/hsd抗弯强度/mpa冲击韧性/j.cm-2实施例185.712158.2实施例287.212658.8实施例386.112508.1本发明轧辊材料硬度高，耐磨性好，且生产工艺简便，无需复杂的热处理工序，具有效率高、能耗低等优点。本发明轧辊经过铜镁合金、钒铁、氮化锰铁、稀土硅铁和硼铁复合微合金化处理后，石墨分布均匀，尺寸细小，且石墨与基体结合良好，不易剥落，鱼骨状连续分布的碳化物转变为颗粒状，分布弥散，大幅度提高轧辊的疲劳性能，轧辊使用寿命达到普通高镍铬无限冷硬铸铁的1.6～1.8倍，推广应用本发明轧辊，可降低轧辊消耗，延长轧机作业率，减轻工人劳动强度，改善轧材表面质量，具有良好的经济和社会效益。当前第1页12