本發(fā)明涉及一種含石墨的高速鋼軋輥制造方法，屬于機械鑄造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的傳統(tǒng)高速鋼軋輥的外層(工作層)的合金含量通常為C 1.5-2.5、Si 0.2-0.8、Mn0.4-0.8、P≤0.05、S≤0.02、Cr 4-6、Ni 0.6-1.5、Mo 3-5、W 0-3，該外層的金相組織中不含有石墨，而且這些合金元素在軋輥組織中主要以碳化物形式存在，碳化物的比例則通常在10-20％之間。顆粒狀的合金碳化物比例相對較低，基體所占面積比例相對偏大。因而，軋輥在使用過程中，特別是用于精軋成品機架、軋制溫度偏低、軋制速度偏高的情況下，軋輥基體在低溫、高速經(jīng)過的軋材及夾帶在軋材表面的氧化皮鱗片的摩擦作用下，基體優(yōu)先被磨損并使高硬碳化物支點暴露在軋輥表面，具體表現(xiàn)在軋輥(孔型)表面摩擦系數(shù)增大、光亮度下降(出現(xiàn)毛化現(xiàn)象)，嚴重時出現(xiàn)孔型表面粘鋼，影響軋材表面質(zhì)量。致使高速鋼特有的抗磨性能、保持輥型能力不能有效發(fā)揮，致使提前換輥。

此外，現(xiàn)有的傳統(tǒng)高速鋼軋輥，在用于制備軋材規(guī)格偏大、表面質(zhì)量要求較高的園棒成品機架的過程中，由于孔型偏深、軋輥孔型內(nèi)槽底與槽幫不同半徑方向存在的線速度差，導致同斷面的軋材相對固態(tài)滑移(流變)，巨大的固態(tài)滑移對軋輥孔型表面產(chǎn)生的銼力，導致軋輥孔型底部與側(cè)壁間出現(xiàn)滑移褶皺紋理，且槽底磨損加劇，影響軋材精度及表面質(zhì)量，不能使高速鋼應有的耐磨特性得到充分發(fā)揮，致使提前換輥。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明首先提供了一種含石墨的高速鋼軋輥。

所述含石墨的高速鋼軋輥的工作層的組織中含有一定量石墨，以及面積百分比總量為20-35％的MC型和/或M2C型的高硬合金碳化物、氮化物和硼化物作為支點。

具體地，所述含石墨的高速鋼軋輥的工作層的化學成分按質(zhì)量分數(shù)計包括：C 2.0-3.0％、Si 0.8-2.5％、Mn 0.2-1.0％、P≤0.05％、S≤0.02％、Cr 3-10％、Ni 0.5-3.5％、Mo 2.5-6.0％、V 3-8％、W 0-10％、B 0-0.5％，N 60-500PPM；且工作層含有當量球徑在20-50μm，面積百分比在0.5-1.5％的點、球狀石墨；同時，工作層基體組織中彌散分布著面積總百分比20-35％的MC型和/或M₂C型的、點狀和/或塊狀的高硬合金碳化物、氮化物、硼化物。

所述含石墨的高速鋼軋輥的輥軸部分采用C2.5-3.5％的高強度球墨鑄鐵材料，得到離心復合球墨鑄鐵芯的含石墨高速鋼軋輥。

在本發(fā)明的一種實施方式中，工作層的化學成分按質(zhì)量分數(shù)計包括：C 2.0-3.0％、Si0.8-2.5％、Mn 0.2-1.0％、0＜P≤0.05％、0＜S≤0.02％、Cr 3-10％、Ni 0.5-3.5％、Mo 2.5-6.0％、V 3-8％、0＜W≤10％、0＜B≤0.5％，N 60-500PPM。

在本發(fā)明的一種實施方式中，在外層材料內(nèi)層與輥軸材料之間還包含一層中間層。中間層材質(zhì)可使用含碳C1.2-2.5的半鋼。

本發(fā)明還提供一種制造所述含石墨的高速鋼軋輥的方法，是通過動態(tài)離心鑄造制備外層筒體、中間層，并且在靜態(tài)與上下輥頸部分的箱體組合，在外層筒體處于高溫固態(tài)下，澆入高溫液態(tài)的芯部金屬液，從而使內(nèi)外材料實現(xiàn)離心復合鑄造成型。

所述通過動態(tài)離心鑄造制備外層筒體，是在外層金屬液體出爐過程中，變質(zhì)析出合金的碳、氮、硼化物，以降低液態(tài)金屬中的合金含量；再進行石墨孕育變質(zhì)處理，在高速鋼外層筒體的基體組織中形成一定量的石墨。

所述通過動態(tài)離心鑄造制備外層筒體，是在外層金屬液體出爐過程中，先添加顆粒變質(zhì)劑促使液態(tài)Cr、Mo、V、W等合金元素以高溫固態(tài)的形態(tài)形成微小、彌散的高熔點碳化物、氮化物、硼化物懸浮顆粒并析出，再在此基礎(chǔ)上添加顆粒變質(zhì)劑，使金屬液中溶解狀態(tài)的剩余碳，在隨后的澆注凝固階段部分以微小點球狀析出。

所述通過動態(tài)離心鑄造制備外層筒體包括爐料準備，冶煉，出爐碳、氮、硼化物變質(zhì)處理，石墨變質(zhì)孕育處理，起包澆注，含石墨的高速鋼筒體凝固與石墨析出。

所述澆入高溫液態(tài)的芯部金屬液，是將帶有中間層的外層筒體及筒體鑄型與預先制備好的下輥頸箱體、上輥頸箱體、中注管等進行組箱；然后澆入制備好球墨鑄鐵金屬液；控制球墨鑄鐵金屬液的澆入溫度，應滿足≥中間層金屬液在液相線溫度上過熱10～50度，即T_L中+(10～50)℃，同時應滿足≥芯部金屬液在液相線溫度上有50～100過熱度，即T_L芯+(50～100)℃。

在本發(fā)明的一種實施方式中，鑄造外層筒體的金屬液按質(zhì)量分數(shù)組成：C 2.0-3.0％、Si0.8-2.5％、Mn 0.2-1.0％、0＜P≤0.05％、0＜S≤0.02％、Cr 3-10％、Ni 0.5-3.5％、Mo 2.5-6.0％、V 3-8％、0＜W≤10％、0＜B≤0.5％，N 60-500PPM，進行爐料準備。

在本發(fā)明的一種實施方式中，金屬液采用中頻爐進行冶煉，控制爐前含Si量＝成品含Si量-0.35％；控制爐前含V量＝成品含V量-0.25％；外層金屬液的出爐溫度T_出＝外層金屬液的液相線溫度(T_L外)+(240～300)℃。

在本發(fā)明的一種實施方式中，出爐碳、氮、硼化物變質(zhì)處理包括以下步驟：隨出爐金屬流，沖入顆粒度為0.2-1mm的含釩50～80％的釩合金顆粒變質(zhì)劑，進行碳、氮、硼化物變質(zhì)處理；釩合金沖入質(zhì)量＝外層金屬液出爐質(zhì)量W_外×0.25％/(釩合金實際含釩質(zhì)量分數(shù)-原始爐內(nèi)含釩質(zhì)量分數(shù))/釩合金吸收率％；變質(zhì)處理過程中，充分攪拌，使釩合金顆粒變質(zhì)劑充分溶解，并依靠合金液滴的濃度起伏原理進行催化，促使液態(tài)Cr、Mo、V、W等合金元素以高溫固態(tài)的形態(tài)形成微小、彌散的高熔點碳化物、氮化物、硼化物懸浮顆粒從高溫金屬液中析出。

在本發(fā)明的一種實施方式中，石墨變質(zhì)孕育處理包括以下步驟：當外層金屬液溫度＝外層金屬液液相線溫度(T_L外)+(120～150)℃，扒除金屬液表面殘渣，在金屬液表面加入顆粒度為0.5-1.5mm的含硅75-80％的硅鋯鋁孕育合金顆粒，進行石墨的變質(zhì)孕育處理；硅鋯鋁孕育合金顆粒加入質(zhì)量＝外層金屬液出爐質(zhì)量W_外×0.35％/硅鋯鋁孕育合金顆粒實際含硅質(zhì)量分數(shù)/硅鋯鋁孕育合金顆粒的吸收率％；進行充分攪拌，使硅鋯鋁孕育合金顆粒充分溶解以微小液滴形式懸浮于金屬液之中，并依靠合金微小液滴的濃度起伏原理進行催化，使金屬液中以溶解狀態(tài)的剩余碳，在隨后的澆注凝固階段以微小點球狀析出。

在本發(fā)明的一種實施方式中，起包澆注主要包括以下步驟：控制澆注溫度＝外層金屬液液相線溫度(T_L外)+(90～120)℃；扒除金屬液表面殘渣，在金屬液表面撒入1mm左右厚度的脫水硼砂或螢石輔助化渣使高熔點氧化物雜質(zhì)稀釋，并與金屬液分離凈化；將金屬液通過澆注漏斗、經(jīng)橫向流槽澆入高速旋轉(zhuǎn)中的離心鑄型中，然后在旋轉(zhuǎn)著的筒狀金屬液內(nèi)表面散入3-4mm厚玻璃保護渣，起到內(nèi)表面保溫、防氧化作用。

在本發(fā)明的一種實施方式中，含石墨的高速鋼筒體凝固與石墨析出，是監(jiān)控離心鑄型中筒狀金屬液內(nèi)表面溫度，金屬液溫度在液相線T_L外與固相線T_S外之間，在懸浮于金屬液之中極微小的液態(tài)變質(zhì)合金的濃度起伏催化作用下，金屬液中以溶解狀態(tài)的剩余碳，部分以微小點球狀石墨形式從液態(tài)金屬中析出；凝固結(jié)束溫度＝外層金屬液的固相線溫度T_S外-(80～200)℃。

在本發(fā)明的一種實施方式中，中間層的澆注：當高速旋轉(zhuǎn)的外層金屬筒體內(nèi)腔溫度，達到其固相線溫度T_S外-(80～200)℃時，澆入制備好的中間層材質(zhì)金屬液，控制中間層金屬液的澆入溫度≥外層金屬液液相線溫度T_L外+(120～150)℃，同時應滿足≥中間層材料液相線溫度T_L中+(50～200)℃。澆入內(nèi)腔的中間層金屬液，通過對已凝固的外層動態(tài)沖刷和溶蝕作用下，將已凝固外層溶蝕10-20mm，并與外層形成良好的冶金結(jié)合，少量的外層合金進入中間層，使該層材料起到緩沖外層合金，同時具有良好強韌性的過渡層。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，有以下幾點顯著優(yōu)點：

(1)本發(fā)明在傳統(tǒng)高速鋼組分中引入了B、N化學元素，在原高速鋼耐磨合金支點類型由以往單一的碳化物支點，形成了以碳化物、氮化物及硼化物組成的復合類型。得到的軋輥組織，具備了碳化物、硼化物的高耐磨特性，同時具備了氮化物抗事故特性，提高了軋輥組織的綜合使用性能。此外，工作層基體組織中彌散分布著面積總百分比20-35％的MC型和/或M₂C型的、點狀和/或塊狀的高硬合金碳化物、氮化物、硼化物，含量高、種類多，可減緩基體提前過渡磨損造成的單一碳化物凸起造成摩擦系數(shù)提高問題，且降低了輥面毛化的粗糙度級別，從而充分發(fā)揮高速鋼固有的耐磨特性，起到延長高速鋼軋輥在線時間，提高軋材表面質(zhì)量的有益效果。

(2)石墨的密度遠小于金屬液的密度，無法通過直接添加的方式使之與金屬液體均勻混合。本發(fā)明通過先碳、氮、硼化物變質(zhì)處理，再石墨變質(zhì)孕育處理這兩步，在原組織內(nèi)析出石墨，從而使得高速鋼軋輥除保留了傳統(tǒng)高速鋼特有的高溫抗磨的優(yōu)點外，同時還解決了原傳統(tǒng)高速鋼軋輥摩擦系數(shù)大的問題，充分發(fā)揮高速鋼的耐磨性能，起到在軋制中軋輥與工件間的潤滑作用，阻止粘鋼現(xiàn)象的發(fā)生；而且石墨的導熱性能、潤滑特性，能改善了高速鋼軋輥對熱沖擊、熱裂敏感性、易粘鋼、易表面毛化的弊端，特別在成品架使用時，軋材表面光亮程度顯著改善。

(3)本發(fā)明所述含石墨的高速鋼軋輥采用外筒體離心鑄造、外筒體與芯軸分兩次澆注的復合制造方法，因此使得其芯軸材料具備了可選擇性，含石墨的高速鋼高性能與經(jīng)濟性得到統(tǒng)一。

(4)本發(fā)明還可以在外層材料與輥軸材料之間設(shè)置一層中間過渡層，使得外層筒體高耐磨基礎(chǔ)上，整體強韌性得到提高。由于中間層是在液態(tài)離心動態(tài)下填入到外層半凝固的筒體內(nèi)，從而使結(jié)合界面質(zhì)量更容易控制；由于該過渡層的緩沖作用，使芯軸材料在用液態(tài)填芯方法時，外層合金避免了過渡向心部擴散，從而避免了芯軸的合金過高導致的脆性增大，避免了離心復合軋輥的制造和使用過程中斷輥事故發(fā)生。

綜上所述，本發(fā)明的含石墨的高速鋼軋輥，具有軋材質(zhì)量高、壽命長、耐磨、抗事故、相對成本低、可應用范圍廣的綜合特性，可廣泛用于鋼鐵冶金軋鋼領(lǐng)域，要求耐磨性好、軋材質(zhì)量要求高的型鋼、板帶、棒線材軋制領(lǐng)域，適用于粗軋、中軋、精軋機架，特別是涉及鋼鐵冶金領(lǐng)域要求軋材表面質(zhì)量高的成品機架用含石墨的高速鋼軋輥領(lǐng)域，具有產(chǎn)業(yè)的廣泛利用價值。

附圖說明

圖1、含石墨的高速鋼軋輥拋光狀態(tài)下石墨組織示意圖。

圖2、含石墨的高速鋼軋輥拋光腐蝕狀態(tài)下組織示意圖。

圖3、含石墨的高速鋼離心復合軋輥結(jié)構(gòu)示意圖，1：外層，2：中間層，3：輥身，4：輥頸。

圖4、含石墨的高速鋼外層復合筒體澆注示意圖。

圖5、含石墨的高速鋼球墨鑄鐵芯填芯離心復合填芯澆注示意圖。

具體實施方式

實施例1一種含石墨的離心高速鋼軋輥的外層筒體(工作層)制造方法

1)外層化學成分按質(zhì)量分數(shù)組成(％)：C 2.0-3.0％、Si 0.8-2.5％、Mn 0.2-1.0％、0＜P≤0.05％、0＜S≤0.02％、Cr 3-10％、Ni 0.5-3.5％、Mo 2.5-6.0％、V 3-8％、0＜W≤10％、0＜B≤0.5％，N 60-500PPM，進行爐料準備；

2)采用中頻爐進行冶煉；

3)控制爐前含Si量＝成品含Si量-0.35％；控制爐前含V量＝成品含V量-0.25％；

4)用金屬熱分析儀測定外層金屬液的液、固相線溫度(T_L、T_S)；

5)控制出爐溫度T_出＝外層金屬液的液相線溫度(T_L外)+(240～300)℃；

6)出爐碳、氮、硼化物變質(zhì)處理：

出爐過程隨金屬流，沖入顆粒度為0.2-1mm的釩合金(含V50～80％)顆粒變質(zhì)劑，進行碳、氮、硼化物變質(zhì)處理；釩合金沖入量＝外層金屬液出爐質(zhì)量W_外×0.25％/(釩合金實際含V％量-原始爐內(nèi)含V％量)/V合金吸收率％；

變質(zhì)處理過程中，充分攪拌，使釩合金顆粒變質(zhì)劑充分溶解，并依靠合金液滴的濃度起伏原理進行催化，促使液態(tài)Cr、Mo、V、W等合金元素以高溫固態(tài)的形態(tài)形成微小、彌散的高熔點碳化物、氮化物、硼化物懸浮顆粒從高溫金屬液中析出，同時使得處于溶解狀態(tài)的Cr、Mo、V、W合金元素濃度得到降低，從而為高速鋼下一步石墨化打下基礎(chǔ)。

7)石墨變質(zhì)孕育處理：

控制外層金屬液溫度＝外層金屬液液相線溫度(T_L外)+(120～150)℃，扒除金屬液表面殘渣，在金屬液表面加入顆粒度為0.5-1.5mm的硅鋯鋁(SiZrAl其中Si 75-80％)孕育合金顆粒，進行石墨的變質(zhì)孕育處理；硅鋯鋁孕育合金顆粒加入量＝外層金屬液出爐質(zhì)量W_外×0.35％/SiZrAl合金實際含Si％量/合金Si的吸收率％；

進行充分攪拌，使硅鋯鋁孕育合金顆粒充分溶解以微小液滴形式懸浮于金屬液之中，并依靠合金微小液滴的濃度起伏原理進行催化，使金屬液中以溶解狀態(tài)的剩余碳，在隨后的澆注凝固階段部分以微小點球狀析出。

8)起包澆注：

控制澆注溫度＝外層金屬液液相線溫度(T_L外)+(90～120)℃。

扒除金屬液表面殘渣，在金屬液表面撒入1mm左右厚度的脫水硼砂(Na₂B₄O₇)或螢石(CaF₂)輔助化渣使高熔點氧化物雜質(zhì)稀釋，并與金屬液分離凈化；

將金屬液通過澆注漏斗、經(jīng)橫向流槽澆入高速旋轉(zhuǎn)中的離心鑄型中，然后在旋轉(zhuǎn)著的金屬液筒狀內(nèi)表面散入3-4mm厚玻璃保護渣，起到內(nèi)表面保溫、防氧化作用；

9)含石墨的高速鋼筒體凝固與石墨析出

監(jiān)控離心鑄型中筒狀金屬液內(nèi)表面溫度，金屬液溫度在液相線T_L外與固相線T_S外之間，在懸浮于金屬液之中極微小的液態(tài)變質(zhì)合金的濃度起伏催化作用下，金屬液中以溶解狀態(tài)的剩余碳，部分以微小點球狀石墨形式從液態(tài)金屬中析出；

凝固結(jié)束溫度＝外層金屬液的固相線溫度T_S外-(80～200)℃，即過冷度80～200℃時，外層筒體離心鑄造結(jié)束；

含石墨的高速鋼筒體，經(jīng)后續(xù)鑄態(tài)保溫、脫模、退火、機械加工、淬火+回火后，即可得到含有當量球徑在20-50μm，面積百分比在0.5-1.5％的點、球狀石墨，同時基體組織中還含有彌散分布著面積百分比總量為20-35％的MC、M₂C型點、塊狀(Cr、Mo、V、W)高硬合金碳化物、氮化物、硼化物的高速鋼軋輥的外層；

10)中間層金屬的復合澆注：

接步驟9)，當高速旋轉(zhuǎn)的外層金屬筒體內(nèi)腔溫度，達到其固相線溫度負80～200過冷度(即T_S外-(80～200))℃時，澆入制備好的中間層材質(zhì)金屬液，控制中間層金屬液的澆入溫度≥外層金屬液液相線溫度120～150度過熱度(即T_L外+120～150))℃，同時應滿足≥中間層材料液相線溫度50～200度過熱度(即T_L中+50～200)℃。澆入內(nèi)腔的中間層金屬液，通過對已凝固的外層動態(tài)沖刷和溶蝕作用下，將已凝固外層溶蝕10-20mm，并與外層形成良好的冶金結(jié)合，少量的外層合金進入中間層，使該層材料起到緩沖外層合金，同時具有良好強韌性的過渡層。

中間層材質(zhì)使用含碳C1.2-2.5％的半鋼。

中間層金屬凝固結(jié)束溫度＝中間層金屬固相線溫度以下過冷80-120℃，即T_S中-(80～200)℃時，具有中間層的含石墨的高速鋼筒體離心制備完成；

有中間層的含石墨的高速鋼筒體，經(jīng)后續(xù)鑄態(tài)保溫、脫模、退火、機械加工、淬火+回火后，即可得到外層含有當量球徑在20-50μm，面積百分比在0.5-1.5％的點、球狀石墨；同時基體組織中還含有彌散分布著面積百分比總量為20-35％的MC、M₂C型點、塊狀(Cr、Mo、V、W)高硬合金碳化物、氮化物、硼化物的高速鋼筒體。

實施例2一種含石墨的高速鋼離心球墨鑄鐵芯軸復合軋輥制造方法

接上述實施例1的10)步驟，當中間層金屬凝固結(jié)束溫度＝中間層金屬液在固相線溫度下過冷80～200℃，即T_S中-(80～200)℃時，離心機停轉(zhuǎn)；將帶有中間層的外層筒體及筒體鑄型與預先制備好的下輥頸箱體、上輥頸箱體、中注管等進行組箱；然后澆入制備好的含碳C2.5-3.5％的高強度球墨鑄鐵金屬液；控制球墨鑄鐵金屬液的澆入溫度，應滿足≥中間層金屬液在液相線溫度上過熱10～50度，即T_L中+(10～50)℃，同時應滿足≥心部材料在液相線溫度上有50～100過熱度，即T_L芯+(50～100)℃。

澆入的球墨鑄鐵芯軸金屬液，在強大的對流沖擊作用下，首先要將已凝固的中間層溶蝕5-20mm，保證了心部球墨鑄鐵材料與中間層的充分冶金結(jié)合，同時足夠的過熱溫度，借助于冒口的保溫作用，實現(xiàn)順序凝固，得到中心致密無結(jié)合層缺陷的含石墨的高速鋼離心球墨鑄鐵芯復合軋輥。

填芯金屬液由下箱砂型、經(jīng)中部金屬型筒體內(nèi)腔、上輥頸冒口砂型上表面下50～100mm，停止?jié)沧ⅲ缓竺翱诒砻婕尤氡貏?，填芯結(jié)束。含石墨的高速鋼離心復合球墨鑄鐵芯軋輥澆注結(jié)束。

含石墨的高速鋼離心球墨鑄鐵芯復合軋輥，經(jīng)后續(xù)鑄態(tài)保溫、脫模、退火、機械加工、淬火+回火后，即可得到外層含有當量球徑在20-50μm，面積百分比在0.5-1.5％的點、球狀石墨；同時基體組織中還含有彌散分布著面積百分比總量為20-35％的MC、M₂C型點、塊狀(Cr、Mo、V、W)高硬合金碳化物、氮化物、硼化物的高速鋼軋輥。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可做各種的改動與修飾，因此本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求書所界定的為準。