高速钢复合轧辊及其制备方法 【技术领域】
本发明为一种高速钢轧辊及其制备方法，特别涉及一种高速钢复合轧辊及其制备方法，属于轧钢技术领域。
背景技术
轧辊是轧钢生产中消耗量较大的冶金备件，轧辊质量的高低直接决定轧材的表面质量、尺寸精度和轧机生产作业率，提高轧辊性能，延长轧辊使用寿命，降低轧辊生产成本，是国内外轧钢使用企业和轧辊制造企业不断关注的重要课题，其中高碳高钒高速钢轧辊因硬度高、耐磨性好而备受轧钢企业关注，并已得到广泛应用。
中国发明专利CN101220440公开了一种轧辊及其生产工艺，轧辊由W6Mo5Cr4V2高速钢制成，生产工艺如下：a.材料准备；b.加工毛坯两端面；c.加工两端中心孔；d.粗车加工；e.在成品长度外钻吊装孔；f.进行调质处理使辊身硬度达到40-50HSD；g.修正两端中心孔；h.半精车加工；i.对辊身进行粗磨；j.调质处理使辊身表面淬火硬度达到88-93HSD；k.加工两端长度至要求尺寸；l.进行精车加工；m.粗磨辊身和辊颈；n.进行除应力处理；o.修两端中心孔；p.精磨辊身和辊颈；q.超精磨辊身和辊颈至成品。中国发明专利CN1197415还公开了一种性能良好的高速钢热轧轧辊。该轧辊的特征在于，具有一外层，所述外层的成分重量百分比为：2.4-2.9％C，＜1.0％Si，＜1.0％Mn，12-18％Cr，3-9％Mo，3-8％V，0.5-4.0％Nb，且同时满足下述(1)、(2)两式：(1)0.27≤Mo(％)/Cr(％)≤0.7；(2)C(％)+0.2.Cr(％)≤6.2，其余为Fe和不可避免的杂质。
中国发明专利CN101225500还公开了一种轧辊用高钼高钒微偏析铸造高速钢。其具体化学成分如下(wt％)：C 1.2～2.8％，Si 0.2～1.0％，Mn 0.2～1.0％，Ni 0.3～1.2％，Cr 3.0～6.0％，Mo 5.0～10.0％，V 5.0～12.0％，Al 0.1～0.7％，P≤0.025％，S≤0.025％，其余为铁。该发明特点是在高速钢中增加Mo、V含量来替代传统轧辊用高速钢中的W元素，以减少重元素W在离心铸造时造成的比重偏析，但钒及其形成的碳化物密度低，离心铸造过程中易富集于轧辊内表面，导致轧辊性能不均匀。中国发明专利CN1803339还公开了一种低裂纹型高速钢轧辊及其离心铸造方法，制成的该低裂纹型高速钢轧辊的化学成分的重量百分比为：C：1.5％～2.0％，W：3.0％～6.0％，Mo：1.5％～3.0％，V：3.0％～10.0％，Cr：3.0％～10.0％，Ni：1.5％～3.0％，Mn＜1.5％，Si＜1.5％，RE：0.08％～0.20％，K：0.05％～0.15％，Mg：0.04％～0.10％，其中，0.20＜RE+K+Mg＜0.40，余量为Fe和不可避免的微量杂质。其制造工艺采用变速离心铸造、变流量浇注和变速凝固冷却，调整铸型与轧辊内的温度场和应力场分布，消除离心铸造高速钢轧辊裂纹，但铸造工艺复杂，操作麻烦，轧辊质量的稳定性较差。中国发明专利CN100999804还公开了一种新型高碳高钨高速钢轧辊及其制备方法，该发明中高碳高钨高速钢轧辊含有：碳2.0％～3.0％，钨6.0％～18.0％，钒2.0％～4.0％，钼1.0％～3.0％，铬3.0％～9.0％，硅小于1.2％，锰小于1.2％；制成的该高碳高钨高速钢轧辊含有钒、钨系的MC型复合碳化物。该发明中高碳高钨高速钢轧辊的制备方法是，将高碳高钨高速钢加热到1580℃～1620℃后脱氧；在1400℃～1500℃浇铸，同时对离心铸型施加0.05T～0.25T的稳恒磁场，并以600-1800转/分钟转速旋转至成型。但是，电磁场的加入，轧辊外层组织不致密，降低轧辊耐磨性。日本专利JP2006/304932也公开了一种离心铸造复合轧辊，外层含有C：2.5～9％、Si：0.1～3.5％、Mn：0.1～3.5％、V：11～40％，余量为Fe及不可避免的杂质构成；中间层，由形成于上述外层内面的高速钢类合金构成；内层，由形成于上述中间层内面的铸铁或铸钢构成。但是上述高速钢轧辊都含有较多价格昂贵的钨、钼、钒、铌、钴等合金元素，导致轧辊生产成本高，推广使用的竞争力差，而且高速钢轧辊都要进行高温热处理，既浪费能源，污染环境，且高温加热和保温过程中，使辊芯组织粗化，辊芯性能下降，导致轧辊使用中易发生断辊事故，影响轧机的正常运行。
【发明内容】
本发明目的是解决现有高速钢轧辊使用中存在的上述问题，提供一种外层是高速钢、辊芯是球铁，且外层和辊芯通过离心复合方法紧密结合在一起的高速钢复合轧辊及其制备方法，提高高速钢的硬度，改善其耐磨性，使其铸态具有高硬度，使辊芯保持高强度，确保轧辊的安全使用。
本发明的目的可以通过以下措施来实现：
本发明高速钢复合轧辊，其特征在于，包括外层和辊芯，所述外层的化学组成成分(质量分数，％)是：0.5-0.8C，1.5-1.8B，8.0-11.0Cr，4.0-5.5Mo，1.0-1.2V，2.0-2.5Al，0.1-0.4Ni，0.04-0.08Mg，0.06-0.15Ti，Si＜0.7，Mn＜0.4，S＜0.04，P＜0.05，余量为Fe；所述辊芯是球墨铸铁。
上述高速钢复合轧辊的制备方法，其特征在于，该方法将复合轧辊外层和辊芯分别用电炉熔炼，采用离心铸造方法复合成形，其工艺步骤是：
1)轧辊外层高速钢的钢水熔炼
①将普通废钢、铬铁和钼铁混合放入炉中加热熔化，钢水熔清后加入0.1％-0.3％的硅钙合金预脱氧；
②炉前调整成分合格后将温度升至1540℃～1580℃，加入铝脱氧和合金化，而后依次加入钒铁、硼铁和钛铁，钢水温度达到1540℃～1580℃时出炉；
③将镁镍合金置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行合金化处理；
2)轧辊用离心铸造方法复合而成的工艺步骤是：
①先将高速钢钢水浇入在离心机上旋转的铸型内，钢水浇注温度为1430℃～1460℃；
②外层钢水浇注完毕6～18分钟后，用非接触式测温仪测量辊身内层温度，当温度为1230℃～1290℃时，浇入辊芯球墨铸铁铁水，铁水浇注温度为1330℃～1360℃；
3)高速钢复合轧辊热处理
高速钢复合轧辊辊面温度低于300℃时，将轧辊毛坯置于加热炉内进行去应力退火处理，加热温度350～450℃，保温时间6～20小时，然后炉冷至温度低于200℃，出炉空冷至室温，最后加工至规定尺寸和精度。
轧辊材质的性能是由金相组织决定的，而轧辊的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明化学成分是这样确定的：
碳和硼：加入碳和硼，部分溶于基体，提高基体淬硬性和淬透性，部分形成高硬度的碳硼化合物，有利于改善轧辊耐磨性，加入量过少，轧辊硬度低，耐磨性差，加入量过多，则脆性大，使用中易开裂和剥落，合适的碳加入量是0.5-0.8％，合适的硼加入量是1.5-1.8％。
铬：加入铬的目的是提高基体的淬透性，另外，铬还可以提高轧辊的抗氧化性能，铬还可以防止轧辊使用中表面出现粗化现象，有利于改善轧材表面质量，合适的铬加入量是8.0-11.0％。
钼：轧辊中加入钼主要是为了提高轧辊的红硬性，改善轧辊的高温耐磨性能，提高轧辊使用寿命，但是，钼的价格较高，加入过多将使轧辊生产成本增加，合适的钼加入量是4.0-5.5％。
钒：轧辊中加入钒可形成高硬度的V(C，B)型含钒碳硼化合物，有利于改善轧辊耐磨性，钒还有细化轧辊组织的作用，但是，钒及其形成的V(C，B)型含钒碳硼化合物密度低，在离心浇注过程中易出现偏析，因此合适的钒加入量是1.0-1.2％。
铝和镍：铝和镍是非碳化物和硼化物形成元素，主要溶于基体，铝可以提高基体红硬性和轧辊硬度，镍可以提高轧辊强度，但是铝的加入易使轧辊组织中出现夹杂物，损害轧辊的强度、韧性，降低热疲劳性能，合适地铝加入量是2.0-2.5％，合适的镍加入量是0.1-0.4％。
镁和钛：在轧辊中加入适量镁可以改善碳硼化合物的形态和分布，加入钛可以细化轧辊凝固组织，合适的镁加入量是0.04-0.08％，合适的钛加入量是0.06-0.15％。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1)本发明轧辊铸态硬度高，大于89HSD，取消了高温淬火，节约能源，缩短了生产周期。
2)本发明轧辊只在350～450℃进行去应力退火处理，辊芯保持高强度，达到510～570Mpa，外层硬度维持在82～87HSD。
3)本发明轧辊不含铌、钴、钨等昂贵合金元素，且钒元素加入量也较少，其生产成本比高碳高钒高速钢轧辊降低20～25％。
4)本发明轧辊采用离心复合铸造方法生产，工艺简便，生产效率高。
5)本发明轧辊在棒材和带钢轧机上使用，安全可靠，无剥落和断辊现象出现，使用寿命比高镍铬无限冷硬铸铁轧辊提高3～5倍，比高碳高钒高速钢轧辊提高20～25％。
【附图说明】
图1是本发高速钢复合轧辊示意图，1-辊芯(材质是球墨铸铁)，2-外层(材质是本发明含硼高速钢材料)
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明做进一步详述：
实施例1：
高速钢复合轧辊的外层(2)和辊芯(1)分别用500公斤和1500公斤电炉熔炼，采用离心铸造方法复合成形，其工艺步骤是：
1)轧辊外层(2)高速钢的钢水熔炼
①将普通废钢、铬铁和钼铁按权利要求1的复合轧辊外层(2)成分要求混合放入炉中加热熔化，钢水熔清后加入0.1％的硅钙合金预脱氧；
②炉前调整成分合格后将温度升至1543℃，加入铝脱氧和合金化，而后依次加入钒铁、硼铁和钛铁，钢水温度达到1546℃时出炉；
③将镁镍合金置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行合金化处理；
2)轧辊用离心铸造方法复合而成的工艺步骤是：
①先将高速钢钢水浇入在离心机上旋转的铸型内，钢水浇注温度为1437℃；
②外层(2)钢水浇注完毕6分钟后，用非接触式测温仪测量外层(2)内表面温度，当温度为1264℃时，浇入辊芯(1)球墨铸铁铁水，铁水浇注温度为1338℃；
3)高速钢复合轧辊热处理
高速钢复合轧辊辊面温度低于300℃时，将轧辊毛坯置于加热炉内进行去应力退火处理，加热温度350℃，保温时间20小时，然后炉冷至温度低于200℃，出炉空冷至室温，最后加工至规定尺寸和精度。复合轧辊外层(2)成分见表1，轧辊外层(2)硬度达到86.3HSD，辊芯(1)强度达到560Mpa。
实施例2：
高速钢复合轧辊的外层(2)和辊芯(1)分别用500公斤和1500公斤电炉熔炼，采用离心铸造方法复合成形，其工艺步骤是：
1)轧辊外层(2)高速钢的钢水熔炼
①将普通废钢、铬铁和钼铁按权利要求1的复合轧辊外层(2)成分要求混合放入炉中加热熔化，钢水熔清后加入0.3％的硅钙合金预脱氧；
②炉前调整成分合格后将温度升至1573℃，加入铝脱氧和合金化，而后依次加入钒铁、硼铁和钛铁，钢水温度达到1578℃时出炉；
③将镁镍合金置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行合金化处理；
2)轧辊用离心铸造方法复合而成的工艺步骤是：
①先将高速钢钢水浇入在离心机上旋转的铸型内，钢水浇注温度为1455℃；
②外层(2)钢水浇注完毕18分钟后，用非接触式测温仪测量外层(2)内表面温度，当温度为1236℃时，浇入辊芯(1)球墨铸铁铁水，铁水浇注温度为1358℃；
3)高速钢复合轧辊热处理
高速钢复合轧辊辊面温度低于300℃时，将轧辊毛坯置于加热炉内进行去应力退火处理，加热温度450℃，保温时间6小时，然后炉冷至温度低于200℃，出炉空冷至室温，最后加工至规定尺寸和精度。复合轧辊外层(2)成分见表1，轧辊外层(2)硬度达到82.7HSD，辊芯(1)强度达到525Mpa。
实施例3：
高速钢复合轧辊的外层(2)和辊芯(1)分别用750公斤和3000公斤电炉熔炼，采用离心铸造方法复合成形，其工艺步骤是：
1)轧辊外层(2)高速钢的钢水熔炼
①将普通废钢、铬铁和钼铁按权利要求1的复合轧辊外层(2)成分要求混合放入炉中加热熔化，钢水熔清后加入0.2％的硅钙合金预脱氧；
②炉前调整成分合格后将温度升至1562℃，加入铝脱氧和合金化，而后依次加入钒铁、硼铁和钛铁，钢水温度达到1565℃时出炉；
③将镁镍合金置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行合金化处理；
2)轧辊用离心铸造方法复合而成的工艺步骤是：
①先将高速钢钢水浇入在离心机上旋转的铸型内，钢水浇注温度为1447℃；
②外层(2)钢水浇注完毕12分钟后，用非接触式测温仪测量外层(2)内表面温度，当温度为1260℃时，浇入辊芯(1)球墨铸铁铁水，铁水浇注温度为1349℃；
3)高速钢复合轧辊热处理
高速钢复合轧辊辊面温度低于300℃时，将轧辊毛坯置于加热炉内进行去应力退火处理，加热温度400℃，保温时间12小时，然后炉冷至温度低于200℃，出炉空冷至室温，最后加工至规定尺寸和精度。复合轧辊外层(2)成分见表1，轧辊外层(2)硬度达到84.7HSD，辊芯(1)强度达到540Mpa。
表1复合轧辊外层成分(质量分数，％)
元素 C B Cr Mo V Al Ni 实施例1 0.79 1.53 10.95 4.04 1.00 2.46 0.11 实施例2 0.52 1.80 8.01 5.46 1.17 2.37 0.25 实施例3 0.65 1.68 9.80 4.82 1.15 2.01 0.38 元素 Mg Ti Si Mn S P Fe 实施例1 0.04 0.14 0.63 0.29 0.026 0.041 余量 实施例2 0.06 0.06 0.47 0.30 0.021 0.035 余量 实施例3 0.08 0.09 0.58 0.36 0.027 0.043 余量
目前，本发明轧辊已在热轧带钢轧机和棒材轧机上进行了工业使用考核，本发明轧辊外层和辊芯结合良好，外层硬度高，耐磨性好，辊芯强度高，轧辊使用中无脱套、断辊和剥落现象出现，轧辊使用安全可靠，其使用寿命比高镍铬无限冷硬铸铁轧辊提高3～5倍，比高碳高钒高速钢轧辊提高20～25％，而生产成本仅比高镍铬无限冷硬铸铁轧辊提高30～35％，比高碳高钒高速钢轧辊降低20～25％。使用本发明轧辊，可提高轧机作业率，降低轧材生产成本，具有良好的经济和社会效益。