阅读说明：本技术 一种改善高速钢轧辊热处理中易断裂的辊身处理工艺 (Roller body treatment process for improving easy fracture in high-speed steel roller heat treatment ) 是由 郭平 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种改善高速钢轧辊热处理中易断裂的辊身处理工艺,涉及高速钢轧辊技术领域,具体工艺如下：1)利用六水合硝酸镍和碱性硅胶液制得Ni/Si前驱体；2)将前驱体经高温焙烧得到Ni/Si纳米复合物；3)将高速钢轧辊的辊身溶炼后进行脱氧和变质处理,然后将其浇入离心机上铸模内进行旋转；4)向钢水中依次加入纳米铜颗粒、纳米钛颗粒、纳米铌颗粒以及Ni/Si纳米复合物,形成浇铸液,待辊身温度达到1200-1250℃,将浇铸液加入到离心机上,即可完成对辊身的加工处理。本发明通过增强辊身与芯部之间结合层的强度以及减小辊身与芯部之间由于膨胀系数差异产生的应力集中,使得结合层不易出现裂纹,从而杜绝了轧辊的断辊现象。(The invention discloses a roller body treatment process for improving the easiness in fracture in heat treatment of a high-speed steel roller, which relates to the technical field of high-speed steel rollers and comprises the following specific steps: 1) preparing a Ni/Si precursor by using nickel nitrate hexahydrate and alkaline silica gel liquid; 2) roasting the precursor at high temperature to obtain a Ni/Si nano compound; 3) carrying out deoxidation and modification treatment after smelting the roll body of the high-speed steel roll, and then pouring the roll body into a casting mould on a centrifugal machine for rotation; 4) and sequentially adding nano copper particles, nano titanium particles, nano niobium particles and the Ni/Si nano composite into the molten steel to form casting liquid, and adding the casting liquid onto a centrifugal machine when the temperature of the roller body reaches 1200-1250 ℃, so as to finish the processing treatment of the roller body. The invention enhances the strength of the bonding layer between the roller body and the core part and reduces the stress concentration between the roller body and the core part caused by the difference of expansion coefficients, so that the bonding layer is not easy to crack, thereby avoiding the roller breaking phenomenon of the roller.)

一种改善高速钢轧辊热处理中易断裂的辊身处理工艺

技术领域

本发明属于高速钢轧辊技术领域，具体涉及一种改善高速钢轧辊热处理中易断裂的辊身处理工艺。

背景技术

轧辊是轧钢生产中的重要消耗备件，轧辊质量既影响扎材的表面质量和尺寸精度，也影响轧机的生产作业率，因此提高轧辊的质量是世界各国轧辊研制者不断关注的重大课题，长期以来，国内外普遍使用高铬铸铁轧辊、冷硬铸铁轧辊、半钢轧辊和高速钢轧辊。其中，高速钢轧辊是近年来发展最快且应用前景最广的热轧辊材料，它的成分是较为复杂的合金钢，在热处理工艺淬火后，即使在空气中冷却也能硬化。其工作层材料采用高碳钢，轧辊的芯部材料采用球墨铸铁、石墨钢或锻钢等，两种不同的材料通过离心铸造或者采用CPC工艺复合而成，基体组织一般为回火马氏体+贝氏体+碳化物，碳化物以高度弥散形式分布在基体中，所以高速钢轧辊具有很好的耐磨性和强韧性。

高速钢轧辊在热处理过程中，由于填芯时芯部的高温铁水对已凝固的外层高速钢回溶量过大，造成芯部合金总量增加，使得芯部组织尤其是结合层部位碳化物数量过高，从而导致轧辊结合层强度和芯部强度急剧降低，使得高速钢轧辊在热处理过程中易出现辊身断裂的现象。现有技术中，采用多种工艺方法来改善辊身易断裂的缺陷，例如中国发明专利CN105033227公开了一种适用于窄带钢轧机用的高钒高速钢复合轧辊的制造方法，采用离心浇注方法浇注辊身外层，浇注完辊身外层高钒高速钢水后，往辊身外层型腔内持续通入惰性气体，当高钒高速钢外层温度达到1220～1280℃时停止离心机转动，同时停止惰性气体吹入，然后合箱浇注辊身芯部铁水，该技术方案明显提高了外层高钒高速钢与芯部铁水的结合率，结合率由40％提高至100％，结合强度由以前的350Mpa左右提升至450Mpa左右，使得高钒高速钢轧辊辊身结合层抗剥落性大大提高，同时能够有效去除芯部铁水溶蚀外层的碳化物形成元素量，从而改善了辊颈组织，提高了辊颈的抗拉强度，有效杜绝了使用中的断辊现象；又例如中国发明专利CN104525889公开了一种适用于小型钢轧机、线棒材轧机的高速钢轧辊的制造方法，该技术方案包括熔炼原料、浇注成型、机械加工和热处理工艺步骤，在离心浇注高速钢铁水的基础上，首先浇注入过渡层铁水，然后再通过浇注芯部铁水来实现过渡层铁水的完全置换，该技术方案明显提高了外层高速钢与芯部铁水的结合强度，结合强度由以前的350Mpa左右提升至500Mpa以上，使得高速钢轧辊辊身结合层抗剥落性大大提高，同时能够有效去除芯部铁水溶蚀外层的碳化物形成元素量，从而改善了辊颈组织，提高了辊颈的抗拉强度，有效杜绝了使用中的断辊现象；上述技术方案均是通过提高外层高速钢与芯部铁水的结合强度，以及去除芯部铁水溶蚀外层的碳化物形成元素量，从而杜绝了使用中的断辊现象，但是上述技术方法无法解决，轧辊在热处理加热过程中，由于辊身和芯部的膨胀系数相差很大，产生的应力容易超过结合层强度，使得结合层附近形成裂纹，随着裂纹的扩散易导致轧辊断裂。

发明内容

本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种改善高速钢轧辊热处理中易断裂的辊身处理工艺。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种改善高速钢轧辊热处理中易断裂的辊身处理工艺，具体工艺方法如下：

1）称取一定量的六水合硝酸镍，用去离子水将其溶解，然后按照氨水和六水合硝酸镍的摩尔比为8-10:1，向溶液中加入相应量的质量分数为20-25%的氨水，在150-200r/min下搅拌10-20min，混匀后加入适量的平均粒径为10-20nm，质量分数为35-40%的碱性硅胶液，使得溶液pH达到11-12，室温下继续搅拌10-15h，然后使用70-80℃水浴蒸氨至溶液pH为中性，将悬浊液离心洗涤，将得到的沉淀物干燥后研磨，得到Ni/Si前驱体；本发明中，利用六水合硝酸镍和碱性溶胶液作为原料，采用蒸氨工艺得到Ni/Si前驱体，该前驱体是一种具有特殊层状结构的硅酸盐负载活性金属镍形成的，利用硅酸盐的层状结构，可以使金属Ni均匀分散在硅酸盐表面，从而可以获得高度分散的Ni纳米颗粒；

2）将适量的前驱体均匀撒入瓷舟中并将其摊平，然后维持瓷舟水平缓慢放入管式炉中，使用真空泵将管式炉中的真空度调至-0.1--0.3MPa，并且在煅烧过程中按照流量为50-70ml/cm².min，持续向管式炉中通入氮气，然后设定管式炉的温度为750-850℃，升温速率为5-8℃/min，焙烧4-5h，得到Ni/Si纳米复合物；本发明中，通过在氮气气氛下，将Ni/Si前驱体进行高温焙烧，在高温条件下使得硅酸盐的特殊层状结构被完全破坏，使得二氧化硅表面氧的不饱和化学键与表面高度分散的金属Ni原子键合形成Ni-O键，从而形成Ni/Si纳米复合物，在高温作用下，该纳米复合物可以提升与辊身接触区域的Si/C比，从而使得接触区域的液-固相结晶区间变宽，增加了初晶奥氏体数量，使得枝晶连接更加紧密，增强了原子间的结合力，从而增强浇铸层的强度；

3）使用中频感应电炉将高速钢轧辊的辊身进行溶化，辊身钢水的化学组成及其质量分数控制在：1.5-2.4％C，1.1-2.6％W，2.8-5.1％Mo，1.6-2.7％V，3.8-5.2％Cr，0.3-0.6％Mn，0.3-0.5％Si，0.2-0.5％Al，0.5-0.8%Co，S<0.035％，P<0.035％，余量Fe，当辊身钢水温度达到1600-1650℃时，将钢水出炉到钢包，然后向钢水中加入硅质多元合金脱氧剂，其化学组成及其质量分数控制在：Si50-55%，Al11-13%，Ca10-12%，Ba12-14%，Mn≤0.04%，C≤0.04%，P≤0.05%，S≤0.05%，余量为Fe，添加量为辊身钢水质量的0.3-0.7%，钢水经脱氧和扒渣后，继续向钢水中加入适量的Y基重稀土变质剂对钢水进行变质处理，添加量为辊身钢水质量的0.2-0.3%，当变质处理后的钢水降温至1440-1470℃，将其浇入离心机上铸模内，使得钢水在600-800r/min离心机上旋转10-15min；

4）取用少量的经过脱氧和变质处理的温度为1430-1480℃辊身钢水，按照钢水质量的0.1-0.5%、0.4-0.8%、0.02-0.05%以及1.0-1.8%，向钢水中依次加入少量的纳米铜颗粒、纳米钛颗粒、纳米铌颗粒以及Ni/Si纳米复合物，保温30-50min，形成浇铸液，然后待离心机铸模内的辊身温度达到1200-1250℃，将离心机的转速调至1000-1300r/min，将浇铸液加入到离心机上，在离心机上旋转20-30min，然后在1220-1260℃下保温1-2h，即可完成对辊身的加工处理；本发明中，通过将含有铜、钛、铌以及Ni/Si纳米复合物的钢水作为浇铸液，通过离心机的高速旋转，将浇铸液旋涂在辊身的内表面，形成浇铸层，添加的金属钛和金属铌可以细化浇铸液的晶粒组织，提高浇铸层的强度；添加的金属铜可以与辊身外层回溶的高速钢中的铁液互溶形成液态固溶体，使得碳原子解脱与铁的结合，加强了石墨化作用，使得游离析出的碳原子以石墨球形存在和生长，从而使得浇铸液具有良好的石墨形态和组织均匀性，细小的石墨球能够减小石墨周围基体的应力集中，增大金属原子间的结合力，从而可以提高浇铸层的韧性；添加的Ni/Si纳米复合物中的金属Ni则可以与铜形成高熔点的二元合金相，并且以颗粒形式弥散分布于浇铸层的内部，从而可以避免铜析出造成浇铸层易出现裂纹缺陷。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明提供的高速钢轧辊辊身的处理工艺，通过在高速钢轧辊的辊身与芯部之间形成浇铸层，当在浇注辊芯的球墨铸铁铁水时，浇铸层中含有的Ni/Si纳米复合物在回溶过程中会部分渗入到辊身与芯部之间的结合层中，使得结合层的枝晶连接更加紧密，增强了原子间的结合力，从而增强辊身与芯部之间结合层的强度，同时由于形成的浇铸层具有高韧性，可以减小辊身与芯部之间由于膨胀系数差异产生的应力集中，从而使得轧辊热处理过程中产生的应力远低于结合层的强度，使得结合层不易出现裂纹，从而杜绝了轧辊的断辊现象。

具体实施方式

下面结合具体实施方法对本发明做进一步的说明。

实施例1

一种改善高速钢轧辊热处理中易断裂的辊身处理工艺，具体工艺方法如下：

1）称取一定量的六水合硝酸镍，用去离子水将其溶解，然后按照氨水和六水合硝酸镍的摩尔比为8:1，向溶液中加入相应量的质量分数为20%的氨水，在150r/min下搅拌10min，混匀后加入适量的平均粒径为10nm，质量分数为35%的碱性硅胶液，使得溶液pH达到11，室温下继续搅拌10h，然后使用70℃水浴蒸氨至溶液pH为中性，将悬浊液离心洗涤，将得到的沉淀物干燥后研磨，得到Ni/Si前驱体；

2）将适量的前驱体均匀撒入瓷舟中并将其摊平，然后维持瓷舟水平缓慢放入管式炉中，使用真空泵将管式炉中的真空度调至-0.1MPa，并且在煅烧过程中按照流量为50ml/cm².min，持续向管式炉中通入氮气，然后设定管式炉的温度为750℃，升温速率为5℃/min，焙烧4h，得到Ni/Si纳米复合物；

3）使用中频感应电炉将高速钢轧辊的辊身进行溶化，辊身钢水的化学组成及其质量分数控制在：1.5％C，1.1％W，2.8％Mo，1.6％V，3.8％Cr，0.3％Mn，0.35％Si，0.2％Al，0.5%Co，S0.035％，P0.035％，余量Fe，当辊身钢水温度达到1600℃时，将钢水出炉到钢包，然后向钢水中加入硅质多元合金脱氧剂，其化学组成及其质量分数控制在：Si50%，Al11%，Ca10%，Ba12%，Mn0.04%，C0.04%，P0.05%，S0.05%，余量为Fe，添加量为辊身钢水质量的0.3%，钢水经脱氧和扒渣后，继续向钢水中加入适量的Y基重稀土变质剂对钢水进行变质处理，添加量为辊身钢水质量的0.2%，当变质处理后的钢水降温至1440℃，将其浇入离心机上铸模内，使得钢水在600r/min离心机上旋转10min；

4）取用少量的经过脱氧和变质处理的温度为1430℃辊身钢水，按照钢水质量的0.1%、0.4%、0.02%以及1.0%，向钢水中依次加入少量的纳米铜颗粒、纳米钛颗粒、纳米铌颗粒以及Ni/Si纳米复合物，保温30min，形成浇铸液，然后待离心机铸模内的辊身温度达到1200℃，将离心机的转速调至1000r/min，将浇铸液加入到离心机上，在离心机上旋转20min，然后在1220℃下保温1h，即可完成对辊身的加工处理。

实施例2

一种改善高速钢轧辊热处理中易断裂的辊身处理工艺，具体工艺方法如下：

1）称取一定量的六水合硝酸镍，用去离子水将其溶解，然后按照氨水和六水合硝酸镍的摩尔比为9 :1，向溶液中加入相应量的质量分数为23%的氨水，在180r/min下搅拌15min，混匀后加入适量的平均粒径为15nm，质量分数为37%的碱性硅胶液，使得溶液pH达到11.5，室温下继续搅拌12h，然后使用75℃水浴蒸氨至溶液pH为中性，将悬浊液离心洗涤，将得到的沉淀物干燥后研磨，得到Ni/Si前驱体；

2）将适量的前驱体均匀撒入瓷舟中并将其摊平，然后维持瓷舟水平缓慢放入管式炉中，使用真空泵将管式炉中的真空度调至-0.2MPa，并且在煅烧过程中按照流量为60ml/cm².min，持续向管式炉中通入氮气，然后设定管式炉的温度为800℃，升温速率为7℃/min，焙烧4.5h，得到Ni/Si纳米复合物；

3）使用中频感应电炉将高速钢轧辊的辊身进行溶化，辊身钢水的化学组成及其质量分数控制在：1.8％C，2.1％W，3.6％Mo，1.9％V，34.2％Cr，0.5％Mn，0.4％Si，0.3％Al，0.7%Co，S0.025％，P0.025％，余量Fe，当辊身钢水温度达到1620℃时，将钢水出炉到钢包，然后向钢水中加入硅质多元合金脱氧剂，其化学组成及其质量分数控制在：Si52%，Al12%，Ca11%，Ba13%，Mn0.03%，C0.03%，P0.04%，S0.04%，余量为Fe，添加量为辊身钢水质量的0.5%，钢水经脱氧和扒渣后，继续向钢水中加入适量的Y基重稀土变质剂对钢水进行变质处理，添加量为辊身钢水质量的0.25%，当变质处理后的钢水降温至1450℃，将其浇入离心机上铸模内，使得钢水在700r/min离心机上旋转12min；

4）取用少量的经过脱氧和变质处理的温度为1450℃辊身钢水，按照钢水质量的0.3%、0.6%、0.04%以及1.5%，向钢水中依次加入少量的纳米铜颗粒、纳米钛颗粒、纳米铌颗粒以及Ni/Si纳米复合物，保温40min，形成浇铸液，然后待离心机铸模内的辊身温度达到1220℃，将离心机的转速调至1200r/min，将浇铸液加入到离心机上，在离心机上旋转25min，然后在1240℃下保温1.5h，即可完成对辊身的加工处理。

实施例3

一种改善高速钢轧辊热处理中易断裂的辊身处理工艺，具体工艺方法如下：

1）称取一定量的六水合硝酸镍，用去离子水将其溶解，然后按照氨水和六水合硝酸镍的摩尔比为10:1，向溶液中加入相应量的质量分数为25%的氨水，在200r/min下搅拌20min，混匀后加入适量的平均粒径为20nm，质量分数为35-40%的碱性硅胶液，使得溶液pH达到12，室温下继续搅拌15h，然后使用80℃水浴蒸氨至溶液pH为中性，将悬浊液离心洗涤，将得到的沉淀物干燥后研磨，得到Ni/Si前驱体；

2）将适量的前驱体均匀撒入瓷舟中并将其摊平，然后维持瓷舟水平缓慢放入管式炉中，使用真空泵将管式炉中的真空度调至-0.3MPa，并且在煅烧过程中按照流量为70ml/cm².min，持续向管式炉中通入氮气，然后设定管式炉的温度为850℃，升温速率为8℃/min，焙烧5h，得到Ni/Si纳米复合物；

3）使用中频感应电炉将高速钢轧辊的辊身进行溶化，辊身钢水的化学组成及其质量分数控制在：2.4％C，2.6％W，5.1％Mo，2.7％V，5.2％Cr，0.6％Mn，0.5％Si，0.5％Al，00.8%Co，S0.02％，P0.02％，余量Fe，当辊身钢水温度达到1650℃时，将钢水出炉到钢包，然后向钢水中加入硅质多元合金脱氧剂，其化学组成及其质量分数控制在：Si55%，Al13%，Ca12%，Ba14%，Mn0.02%，C0.02%，P0.03%，S0.03%，余量为Fe，添加量为辊身钢水质量的0.7%，钢水经脱氧和扒渣后，继续向钢水中加入适量的Y基重稀土变质剂对钢水进行变质处理，添加量为辊身钢水质量的0.3%，当变质处理后的钢水降温至1470℃，将其浇入离心机上铸模内，使得钢水在800r/min离心机上旋转15min；

4）取用少量的经过脱氧和变质处理的温度为1480℃辊身钢水，按照钢水质量的0.5%、0.8%、0.05%以及1.8%，向钢水中依次加入少量的纳米铜颗粒、纳米钛颗粒、纳米铌颗粒以及Ni/Si纳米复合物，保温50min，形成浇铸液，然后待离心机铸模内的辊身温度达到1250℃，将离心机的转速调至1300r/min，将浇铸液加入到离心机上，在离心机上旋转30min，然后在1260℃下保温2h，即可完成对辊身的加工处理。

实施例4

使用中频感应电炉将高速钢轧辊的辊身进行溶化，辊身钢水的化学组成及其质量分数控制在：1.5％C，1.1％W，2.8％Mo，1.6％V，3.8％Cr，0.3％Mn，0.3-0.5％Si，0.2-0.5％Al，0.5-0.8%Co，S<0.035％，P<0.035％，余量Fe，当辊身钢水温度达到1600℃时，将钢水出炉到钢包，然后向钢水中加入硅质多元合金脱氧剂，其化学组成及其质量分数控制在：Si50%，Al11%，Ca10%，Ba12%，Mn0.04%，C0.04%，P0.05%，S0.05%，余量为Fe，添加量为辊身钢水质量的0.3%，钢水经脱氧和扒渣后，继续向钢水中加入适量的Y基重稀土变质剂对钢水进行变质处理，添加量为辊身钢水质量的0.2%，当变质处理后的钢水降温至1440℃，将其浇入离心机上铸模内，使得钢水在600r/min离心机上旋转10min，待温度达到1200℃即可。

实验方法：

分别采用实施例1-4提供的工艺加工制得高速钢轧辊的辊身，各实施例提供辊身试样30件，然后控制辊身温度为1200℃时，在静态下浇注辊芯的球墨铸铁铁水，球墨铸铁铁水的化学组成质量分数：3.5％C，2.1％Si，0.3％Mn，0.04％Mg，0.25％Ni，0.02％Sb，S0.008％，P0.030％，余量Fe；球墨铸铁铁水浇注温度为1320℃，球墨铸铁铁水浇注完毕12小时后，取出高速钢复合轧辊进缓冷坑，然后进行粗加工；粗加工后的高速钢复合轧辊随炉加热至1050℃，保温4小时后出炉风冷至温度低于300℃，继续入炉加热至550℃，保温12小时后随炉冷至温度低于200℃，继续在炉内重新加热至510℃，保温12小时后，随炉冷至温度低于150℃，出炉空冷至室温，再经精加工获得高速钢复合轧辊；

试验一：使用济南科盛试验设备有限公司提供TUD320超声波探伤仪对获得的高速钢轧辊的结合层进行测试，测试结果发现，实施例1-3提供的试样，结合层均未发现明显的裂纹缺陷，实施例4提供的试验中，有2件试样的结合层未发现明显裂纹缺陷，有6件试验的结合层裂纹较多，并且裂纹明显，剩余的试样中，结合层中出现少量细小裂纹，不太明显。

试验二：从实施例1-4中结合层未出现裂纹缺陷的高速钢轧辊中挑选一件作为试样，进行轧辊结合层弯曲应力试验，在高速钢轧辊的断口，从芯部沿径向直至外层切取直径10mm的圆棒，每个试样切取圆棒15根，然后将圆棒在万能材料试验机上进行弯曲试验，载荷加在跨度为100mm的结合层处，经试验发现，实施例1中的圆棒发生断裂时，最大正应力平均为767.52MPa；实施例2中的圆棒发生断裂时，最大正应力平均为786.31MPa；实施例3中的圆棒发生断裂时，最大正应力平均为773.69MPa；而实施例4中的圆棒发生断裂时，最大正应力平均为689.25MPa。

通过上述试验可知，本发明提供的工艺方法，通过提高高速钢轧辊的辊身与芯部之间结合层的强度以及减小辊身与芯部之间在热处理过程中因膨胀系数差异产生的应力集中，使得结合层不易出现裂纹，从而杜绝了轧辊的断辊现象。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。