一种高铬钢轧辊及其制造方法

摘要

本发明公开了一种髙铬钢轧辊，包括辊颈和由外层、芯部构成的辊身，其特征在于：外层的合金成分及各合金成分的重量百分含量为：C：1.0～1.8%，Si：0.4～1.0%，Mn：0.5～1.0%，P：≤0.03%，S：≤0.025%，Cr：8.0～15%，Ni：0.5～1.5%，Mo：0.5～2.0%，V：0.4～1.5%，属于机械加工和热处理技术本发明通过合理优化成型工艺以及后续的热处理工艺，实现了外层和芯部的良好结合，保证了轧辊外层均匀性，并通过合理设计辊身外层成分使其具备高耐磨性、高接触疲劳性能和高的组织稳定性，延长了轧辊的使用寿命。

权利要求

1.一种高铬钢轧辊，包括辊颈和由外层、芯部构成的辊身，其特征在于：外层的合金成分及各合金成分的重量百分含量为：C：1.0～1.8%，Si：0.4～1.0%，Mn：0.5～1.0%，P：≤

0.03%，S：≤0.025%，Cr：8.0～15%，Ni：0.5～1.5%，Mo：0.5～2.0%，V：0.4～1.5%，余量为铁及不可避免的杂质；

辊颈、芯部材质为球墨铸铁，其合金成分及各合金成分的重量百分含量为：C：2.5～

3.6%，Si：1.8～2.8%，Mn：0.4～1.0%，P：≤0.15，S：≤0.01%，Cr：≤0.2%，Ni：≤1.0%，Mo：≤

0.2%，V：≤0.2%，RE：0.01～0.05%，Mg：0.02～0.08%，余量为铁及不可避免的杂质；

制造方法由以下工艺过程组成：

（1）熔炼：辊身外层以废钢配以合金为原料，在感应炉中进行冶炼，冶炼温度为1400～

1650℃；

辊颈、芯部材质为球墨铸铁，以生铁为原料，冶炼温度为1300～1500℃，并对辊颈、芯部铁水进行孕育处理和球化处理；

（2）离心铸造：采用离心浇注方式浇注辊身的外层钢水，当辊身外层钢液熔炼完毕后转移到底漏式钢包中，启动离心机工作，将离心机的重力倍数设置为80～120G，向金属冷型工装中浇注轧辊外层钢液，其中浇注温度为1400～1500℃，浇注速度为4.0～7.0吨/分钟，浇注完毕后待金属型外部温度冷却至1080-1180℃时，降低离心机转速，使离心机的重力倍数位于80～90G之间，直至离心铸造工序完成，整个离心铸造过程所用离心时间为0.5～1.5h；

（3）合箱浇注芯部及辊颈：离心机停止转动后，将放置浇注好的辊身外层的冷型与用于浇注芯部及辊颈的砂箱进行合并，并将经过球化和孕育处理的芯部铁水通过顶注方式浇注到合并后的砂箱内，其中，浇注温度为1350℃～1450℃，浇注速度为6.0～10吨/分钟，离心机停止转动至芯部浇注完成的时间间隔4～9min；

（4）打箱清砂：待轧辊浇注结束后进行空冷，空冷5～10天后打开砂箱取出铸件，并采用荒磨机清理铸件表面附着的型砂；

（5）预备热处理：将铸件进行球化退火，退火温度650℃～950℃，保温时间5～15h，保温结束后随炉冷却；

（6）最终热处理：采用淬火加回火方法对轧辊表面进行热处理，淬火温度1000℃～1200℃，淬火保温时间1～5h；回火温度450℃～600℃，回火时间5～20h。

2.根据权利要求1所述的一种高铬钢轧辊，其特征在于：外层的合金成分及各合金成分的重量百分含量为：C：1.2～1.6%，Si：0.6～0.8%，Mn：0.6～0.9%，P：≤0.03%，S：≤0.025%，Cr：9.0～14.0%，Ni：0.6～1.3%，Mo：0.8～1.7%，V：0.6～1.3%，余量为铁及不可避免的杂质；

辊颈、芯部的合金成分及各合金成分的重量百分含量为：C：2.8～3.4%，Si：2.0～2.7%，Mn：0.5～1.0%，P：≤0.15%，S：≤0.01%，Cr：≤0.1%，Ni：≤0.8%，Mo：≤0.2%，V：≤0.2%，RE：

0.01～0.05%，Mg：0.02～0.08%，余量为铁及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种高铬钢轧辊，其特征在于：步骤（1）中，球化处理过程中采用球化剂为稀土镁合金，添加量为铁水总量的1.0～3.5%，孕育处理分为两次进行，第一次是包底孕育，即出炉前在包底放入硅铁孕育剂和长效孕育剂，其中硅铁孕育剂的添加量占铁水总量的0.1～0.4%，长效孕育剂的添加量占铁水总量的0.1～0.4%；第二次为随流孕育，即在浇注芯部与辊颈的过程中随流冲入硅铁孕育剂和长效孕育剂，其中硅铁孕育剂的添加量占铁水总量的0.1～0.3%，长效孕育剂的添加量占铁水总量的0.1～0.3%。

4.根据权利要求1所述的一种高铬钢轧辊，其特征在于：步骤（6）中回火处理重复三次，三次回火保温时间共计15～60h。

5.根据权利要求1所述的一种高铬钢轧辊，其特征在于：辊身外层厚度均匀性≤12mm。

说明书

一种高铬钢轧辊及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种轧辊及制造方法，尤其是一种髙铬钢轧辊及其制造方法，属于机械加工和热处理技术领域。

背景技术

[0002] 随着科技的进步，尤其是轧钢技术的不断突破，包括对更高的轧制效率、更高的轧材质量以及最低的轧制成本的不懈追求，使轧辊制造技术也在发生飞跃性的发展。

[0003] 大型轧辊的辊身是由外层的工作层和内部的芯部组成，国内生产轧辊时一般先通过离心浇注方式铸造出轧辊的外层，然后在合箱浇注内部的芯。芯部一般由铸铁材料构成而外层(工作层)是由耐磨的高合金材料制成。高铬钢材质以其优良的综合性能，成为大规格细长型轧辊的理想材料，轧辊的离心复合浇注法是一种基于离心浇注的轧辊生产方法，是相对于喷射沉积、热等静压等制备方式而言最为经济可行的复合轧辊的制造方法。

[0004] 高铬钢轧辊由于承受较大的轧制载荷，要求具有高的结合层强度以及外层厚度均匀性，为确保结合层质量，需要对成型工艺及后续的热处理工艺做进一步的改进。

发明内容

[0005] 本发明需要解决的技术问题是提供一种高铬钢轧辊及其制造方法，通过合理优化成型工艺以及后续的热处理工艺，实现了外层和芯部的良好结合，保证了轧辊外层均匀性，并通过合理设计辊身外层成分使其具备高耐磨性、高接触疲劳性能和高的组织稳定性，延长了轧辊的使用寿命。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

[0007] 一种髙铬钢轧辊，包括辊颈和由外层、芯部构成的辊身，其特征在于：外层的合金成分及各合金成分的重量百分含量为：C：1.0～1.8％，Si：0.4～1.0％， Mn：0.5～1.0％，P：≤0.03％，S：≤0.025％，Cr：8.0～15％，Ni：0.5～1.5％， Mo：0.5～2.0％，V：0.4～1.5％；

[0008] 辊颈、芯部材质为球墨铸铁，芯部合金成分及各合金成分的重量百分含量为：C：2.5～3.6％，Si：1.8～2.8％，Mn：0.4～1.0％，P：≤0.15，S：≤0.01％， Cr：≤0.2％，Ni：≤
1.0％，Mo：≤0.2％，V：≤0.2％，RE：0.01～0.05％，Mg： 0.02～0.08％。

[0009] 本发明技术方案的进一步改进在于：外层的合金成分及各合金成分的重量百分含量为：C：1.2～1.6％，Si：0.6～0.8％，Mn：0.6～0.9％，P：≤0.03％，S：≤0.025％，Cr：9.0～14.0％，Ni：0.6～1.3％，Mo：0.8～1.7％，V：0.6～1.3％；

[0010] 辊颈、芯部合金成分及各合金成分的重量百分含量为：C：2.8～3.4％，Si： 2.0～2.7％，Mn：0.5～1.8％，P：≤0.15％，S：≤0.01％，Cr：≤0.1％，Ni：≤0.8％， Mo：≤0.2％，V：≤0.2％，RE：0.01～0.05％，Mg：0.02～0.08％。

[0011] 一种髙铬钢轧辊的制造方法，其特征在于：包括以下工艺过程：

[0012] (1)熔炼：辊身外层以废钢配以合金为原料，在感应炉中进行冶炼，冶炼温度为1400～1650℃；

[0013] 辊颈、芯部材质为球墨铸铁，以生铁为原料，冶炼温度为1300～1500℃，并对辊颈、芯部铁水进行孕育处理和球化处理；

[0014] (2)离心铸造：采用离心浇注方式浇注辊身的外层钢水，当辊身外层钢液熔炼完毕后转移到底漏式钢包中，启动离心机工作，将离心机重力倍数设置为 80～120G，向金属冷型工装中浇注轧辊外层钢液，其中浇注温度为1400～ 1500℃，浇注速度为4.0～7.0吨/分钟，浇注完毕后待金属型外部温度冷却至 1080-1180℃时，降低离心机转速，使离心机的重力参数位于80～90G之间，直至离心铸造工序完成，整个离心铸造过程所用离心时间为0.5～1.5h；

[0015] (3)合箱浇注芯部及辊颈：离心机停止转动后，将放置浇注好的辊身外层的冷型与用于浇注芯部及辊颈的砂箱进行合并，并将经过球化和孕育处理的芯部铁水通过顶注方式浇注到合并后的砂箱内，其中，浇注温度为1350℃～ 1450℃，浇注速度为6.0～10吨/分钟，离心机停止转动至芯部浇注完成的时间间隔4-9min；

[0016] (4)打箱清砂：待轧辊浇注结束后进行空冷，空冷5～10天后打开砂箱取出铸件，并采用荒磨机清理铸件表面附着的型砂；

[0017] (5)预备热处理：将铸件进行球化退火，退火温度650℃～950℃，保温时间5～15h，保温结束后随炉冷却；

[0018] (6)最终热处理：采用淬火加回火方法对轧辊表面进行热处理，淬火温度 1000℃～1200℃，淬火保温时间1～5h；回火温度450℃～600℃，回火时间5～ 20h。

[0019] 本发明技术方案的进一步改进在于：步骤(1)中，球化处理过程中采用球化剂为稀土镁合金，添加量为铁水总量的1.0～3.5％，孕育处理分为两次进行，第一次是包底孕育，即出炉前在包底放入硅铁孕育剂和长效孕育剂，其中硅铁孕育剂的添加量占铁水总量的0.1～0.4％，长效孕育剂的添加量占铁水总量的0.1～0.4％；第二次为随流孕育，即浇注芯部与辊颈过程中随流冲入硅铁孕育剂和长效孕育剂，其中硅铁孕育剂的添加量占铁水总量的0.1～0.3％，长效孕育剂的添加量占铁水总量的0.1～0.3％。

[0020] 本发明技术方案的进一步改进在于：步骤(6)中回火处理重复三次，三次回火保温时间共计15～60h。

[0021] 本发明技术方案的进一步改进在于：辊身外层厚度均匀性≤12mm。

[0022] 由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

[0023] 本发明合理设计轧辊的化学成分，通过优化设计合金元素Cr、Ni、Mo、V 的加入量，确保得到高硬度的碳化物，细小弥散分布的高硬度碳化物Mo2C、 VC能够赋予材料良好的热处理工艺性能，基体在经过预处理和最终热处理两道工序后，能够提高辊身的耐磨性和硬度，并具有极高的组织稳定性，另外， Cr、Ni的合理加入，既能提高钢的淬透性还能形成稳定的马氏体组织，提高轧辊的耐磨性，并与普通铬钢材料相比使用寿命提高了2倍以上。

[0024] 本发明中在浇注轧辊外层过程，离心速度采用阶段性变化，首先在开始浇注将离心机的重力倍数设置为80～120G，通过高速离心使轧辊外层在浇注过程中具有较高的致密度；浇注完毕后待金属型外部温度冷却过程，降低离心机转速，使离心机的重力参数位于80～90G之间，为金属的充分凝固提供了时间。

[0025] 进一步的，本发明是在冷型冷却至1080-1180℃之间时，开始降低离心转速，避免出现，冷型温度过低将不能实现外层与芯部良好的冶金结合；冷型温度过高，造成外层厚度偏薄及芯部合金量大，机械性能下降，不能满足用户要求。

[0026] 本发明通过外层及芯部浇注温度的合理匹配，将外层厚度均匀性控制在≤12mm。

[0027] 芯部的孕育处理分为两次，包括包底孕育和随流孕育，包底孕育能够促进石墨的析出，降低有球化剂造成的过冷度倾向，随流孕育可以增加铸件的延伸率，防止球化剂过早衰退造成球化不良。

[0028] 本发明通过合理的调配热处理方法以及工艺参数，使髙铬钢轧辊具有最佳机械性能和使用性能。

具体实施方式

[0029] 下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

[0030] 实施例1

[0031] 一种髙铬钢轧辊，包括辊颈和由外层、芯部构成的辊身，其特征在于：外层的合金成分及各合金成分的重量百分含量为：C：1.1～1.6％，Si：0.5～0.9％， Mn：0.5～0.8％，P：≤0.03％，S：≤0.025％，Cr：8.0～12％，Ni：0.7～1.4％， Mo：0.9～1.6％，V：0.5～1.3％；

[0032] 辊颈、芯部材质为球墨铸铁，其合金成分及各合金成分的重量百分含量为： C：2.5～3.6％，Si：1.8～2.8％，Mn：0.4～1.0％，P：≤0.15，S：≤0.01％，Cr：≤0.2％，Ni：≤1.0％，Mo：≤0.2％，V：≤0.2％，RE：0.01～0.05％，Mg：0.02～ 0.08％。

[0033] 上述适用于一种髙铬钢轧辊的制造方法，其特征在于：包括以下工艺过程：

[0034] (1)熔炼：辊身外层以废钢配以合金为原料，在感应炉中进行冶炼，冶炼温度为1400～1650℃；

[0035] 辊颈、芯部材质为球墨铸铁，以生铁为原料，冶炼温度为1300～1500℃，并对辊颈、芯部铁水进行孕育处理和球化处理；

[0036] 对辊身的外层进行合金元素进行分析，得到辊身外层的合金成分及各合金成分的重量百分含量为：C：1.3％，Si：0.7％，Mn：0.7％，P：≤0.03％，S：≤0.025％， Cr：10％，Ni：0.8％，Mo：1.2％，V：0.8％；

[0037] 其中，球化处理过程中采用球化剂为稀土镁合金，添加量为铁水总量的 1.5％，孕育处理分为两次进行，第一次是包底孕育，即出炉前在包底放入硅铁孕育剂和长效孕育剂，其中硅铁孕育剂的添加量占铁水总量的0.3％，长效孕育剂的添加量占铁水总量的0.2％；第二次为随流孕育，即在浇注芯部与辊颈的过程中随流冲入硅铁孕育剂和长效孕育剂，其中硅铁孕育剂的添加量占铁水总量的0.1％，长效孕育剂的添加量占铁水总量的0.2％。其中长效孕育剂可以为硅钡孕育剂、锶硅孕育剂或者其他复合孕育剂。

[0038] (2)离心铸造：采用离心浇注方式浇注辊身的外层钢水，当辊身外层钢液熔炼完毕后转移到底漏式钢包中，启动离心机工作，将离心机的重力倍数设置为85G，向金属冷型工装中浇注轧辊外层钢液，其中浇注温度为1420℃，浇注速度为4.5吨/分钟，浇注完毕后待金属型外部温度冷却至1100℃时，降低离心机转速，使离心机的重力倍数调整为80G，直至离心铸造工序完成，整个离心铸造过程所用离心时间为0.8h；

[0039] (3)合箱浇注芯部及辊颈：离心机停止转动后，将放置浇注好的辊身外层的冷型与用于浇注芯部及辊颈的砂箱进行合并，并将经过球化和孕育处理的辊颈、芯部铁水通过顶注方式浇注到合并后的砂箱内，其中，浇注温度为1350℃，浇注速度为6.0吨/分钟，离心机停止转动至芯部浇注完成的时间间隔4-9min；

[0040] (4)打箱清砂：待轧辊浇注结束后进行空冷，空冷5～10天后打开砂箱取出铸件，并采用荒磨机清理铸件表面附着的型砂；

[0041] (5)预备热处理：将铸件进行球化退火，退火温度700℃，保温时间8小时，保温结束后随炉冷却；

[0042] (6)最终热处理：采用淬火加回火方法对轧辊表面进行热处理，淬火温度 1050℃，淬火保温时间5h；回火处理重复三次，第一次回火温度500℃，回火时间10h；第二次回火温度550℃，回火时间为15h；第一次回火温度500℃，回火时间15h；三次回火保温时间共计40h。

[0043] 实施例2

[0044] 一种髙铬钢轧辊，包括辊颈和由外层、芯部构成的辊身，其特征在于：外层的合金成分及各合金成分的重量百分含量为：C：1.3～1.5％，Si：0.6～0.7％， Mn：0.7～1.0％，P：≤0.03％，S：≤0.025％，Cr：10～12％，Ni：0.8～1.2％， Mo：1.0～1.8％，V：0.8～1.2％；

[0045] 上述适用于一种髙铬钢轧辊的制造方法，其特征在于：包括以下工艺过程：

[0046] (1)熔炼：辊身外层以废钢配以合金为原料，在感应炉中进行冶炼，冶炼温度为1400～1650℃；

[0047] 辊颈、芯部材质为球墨铸铁，以生铁为原料，冶炼温度为1300～1500℃，并对辊颈、芯部铁水进行孕育处理和球化处理；

[0048] 对辊身的外层进行合金元素进行分析，得到辊身外层的合金成分及各合金成分的重量百分含量为：C：1.5％，Si：0.7％，Mn：0.9％，P：≤0.03％，S：≤0.025％，Cr：11％，Ni：1.0％，Mo：1.4％，V：1.0％；

[0049] 其中，球化处理过程中采用球化剂为稀土镁合金，添加量为铁水总量的 2.0％，孕育处理分为两次进行，第一次是包底孕育，即出炉前在包底放入硅铁孕育剂和长效孕育剂，其中硅铁孕育剂的添加量占铁水总量的0.2％，长效孕育剂的添加量占铁水总量的0.1％；第二次为随流孕育，即浇注芯部与辊颈过程中随流冲入硅铁孕育剂和长效孕育剂，其中硅铁孕育剂的添加量占铁水总量的 0.3％，长效孕育剂的添加量占铁水总量的0.1％。

[0050] (2)离心铸造：采用采用离心浇注方式浇注辊身的外层钢水，当辊身外层钢液熔炼完毕后转移到底漏式钢包中，启动离心机工作，将离心机参数设置为重力倍数100G，向金属冷型工装中浇注轧辊外层钢液，其中浇注温度为1450℃，浇注速度为6吨/分钟，浇注完毕后待金属型外部温度冷却至1120℃时，降低离心机转速，使离心机的重力倍数调整为85G，直至离心铸造工序完成，整个离心铸造过程所用离心时间为1h；

[0051] (3)合箱浇注芯部及辊颈：离心机停止转动后，将放置浇注好的辊身外层的冷型与用于浇注芯部及辊颈的砂箱进行合并，并将经过球化和孕育处理的芯部铁水通过顶注方式浇注到合并后的砂箱内，其中，浇注温度为1450℃，浇注速度为5.5吨/分钟，离心机停止转动至芯部浇注完成的时间间隔4-9min；

[0052] (4)打箱清砂：待轧辊浇注结束后进行空冷，空冷5～10天后打开砂箱取出铸件，并采用荒磨机清理铸件表面附着的型砂；

[0053] (5)预备热处理：将铸件进行球化退火，退火温度750℃，保温时间8小时，保温结束后随炉冷却；

[0054] (6)最终热处理：采用淬火加回火方法对轧辊表面进行热处理，淬火温度 1100℃，淬火保温时间4h；回火处理重复三次，第一次回火温度450℃，回火时间5h；第二次回火温度550℃，回火时间为10h；第一次回火温度600℃，回火时间10h；三次回火保温时间共计25h。

[0055] 实施例3

[0056] 一种髙铬钢轧辊，包括辊颈和由外层、芯部构成的辊身，其特征在于：外层的合金成分及各合金成分的重量百分含量为：C：1.4～1.8％，Si：0.8～1.0％， Mn：0.8～1.0％，P：≤0.03％，S：≤0.025％，Cr：11～15％，Ni：0.5～1.2％，Mo：1.2～2.0％，V：0.8～1.5％；

[0057] 上述适用于一种髙铬钢轧辊的制造方法，其特征在于：包括以下工艺过程：

[0058] (1)熔炼：辊身外层以废钢配以合金为原料，在感应炉中进行冶炼，冶炼温度为1400～1650℃；芯部材质为球墨铸铁，以生铁为原料，冶炼温度为1300～ 1500℃，并对芯部铁水进行孕育处理和球化处理；

[0059] 对辊身的外层进行合金元素进行分析，得到辊身外层的合金成分及各合金成分的重量百分含量为：C：1.7％，Si：0.9％，Mn：1.0％，P：≤0.03％，S：≤0.025％， Cr：14％，Ni：1.1％，Mo：1.9％，V：1.4％；

[0060] 其中，球化处理过程中采用球化剂为稀土镁合金，添加量为铁水总量的 3.0％，孕育处理分为两次进行，第一次是包底孕育，即出炉前在包底放入硅铁孕育剂和长效孕育剂，其中硅铁孕育剂的添加量占铁水总量的0.2％，长效孕育剂的添加量占铁水总量的0.1％；第二次为随流孕育，即浇注芯部与辊颈过程中随流冲入硅铁孕育剂和长效孕育剂，其中硅铁孕育剂的添加量占铁水总量的 0.3％，长效孕育剂的添加量占铁水总量的0.3％。

[0061] (2)离心铸造：采用采用离心浇注方式浇注辊身的外层钢水，当辊身外层钢液熔炼完毕后转移到底漏式钢包中，启动离心机工作，将离心机参数设置为重力倍数110G，向金属冷型工装中浇注轧辊外层钢液，其中浇注温度为1500℃，浇注速度为6.5吨/分钟，浇注完毕后待金属型外部温度冷却至1160℃时，降低离心机转速，使离心机的重力倍数调整为90G，直至离心铸造工序完成，整个离心铸造过程所用离心时间为1.5h。

[0062] (3)合箱浇注芯部及辊颈：离心机停止转动后，将放置浇注好的辊身外层的冷型与用于浇注芯部及辊颈的砂箱进行合并，并将经过球化和孕育处理的芯部铁水通过顶注方式浇注到合并后的砂箱内，其中，浇注温度为1400℃，浇注速度为8吨/分钟，离心机停止转动至芯部浇注完成的时间间隔4-9min；

[0063] (4)打箱清砂：待轧辊浇注结束后进行空冷，空冷5～10天后打开砂箱取出铸件，并采用球墨机清理铸件表面附着的型砂；

[0064] (5)预备热处理：将铸件进行球化退火，退火温度850℃，保温时间12 小时，保温结束后随炉冷却；

[0065] (6)最终热处理：采用淬火加回火方法对轧辊表面进行热处理，淬火温度 1100℃，淬火保温时间3h；回火处理重复三次，第一次回火温度450℃，回火时间6h；第二次回火温度600℃，回火时间为12h；第一次回火温度500℃，回火时间12h；三次回火保温时间共计30h。

[0066] 将实施例1～实施例3制备的用于中厚板轧机的高铬钢轧辊进行了性能测试，包括辊身强度、辊颈抗拉强度、辊身外层厚度均匀性、超声波探伤，其中超声波探伤执行标准GB/T1503-2008，其检测结果见下表。

[0067] 表1高铬钢轧辊性能检测结果

[0068]

[0069] 通过上表中数据可以得知，外层厚度均匀性小，而其他材质的相近规格产品外层厚度差一般大于20mm，另外本发明生产的髙铬轧辊组织过渡均匀，探伤结果符合GB/T1503-2008标准中的要求。

[0070] 上述实施例是对本发明做进一步详细说明，本领域技术人员可以根据本实施例所提供的方法和参数进行拓展，达到本发明中所涉及的其它参数范围，均能够实现本发明的目的。