多元高铬钼铸钢导卫板的研制.docx

多元高铬钼铸钢导卫板的研制洪桃生符寒光(宝山钢集团公司)(北京冶金设备研究院)摘 要 以 Cr 、Mo 为主要合金元素 ,用 Ni 、Mn 、Si 、V 、Ti 合金化处理 ,用 Y - K - Na变质处理 ,研制成功了性能优良的多元高铬钼铸钢 ,用于制作轧钢机导卫板 ,使用寿命 比高镍铬合金导卫板提高了 50 %以上 ,成本降低 30 % ,综合效益良好 。关键词 高铬钼铸钢 微合金化 变质处理 导卫板STUDY AND MANUFACTURE OF HIGH Cr Mo CAST STEEL GUID EHong Taosheng(Baoshan Steel Group Corp . ) Fu Hanguang(Beijing Research Institute of Mefullurgical Equipment)Synopsis The multi - component high Cr Mo cast steel with excellent properties has beensuccessfully produced using Cr ,Mo ,Ni ,Mn ,Si ,V ,Ti and Y - K - Na as modifier. The newly devel2oped steel is used for manufucturing the rolling millguide . The service life of the guide is raised by50 % in comparison with that of the high Ni Cr guide and its production cost cut down by 30 %. The composite economical efficiencies are good.Key words micro alloying righ Cr Mocast steel modification guide金化处理 ,用 Y - K - Na 变质处理 ,研制成功了性能优良的多元高铬钼铸钢导卫板 ,用于高速线材 轧机 ,获得了良好的效果 。1前言导卫板是轧钢厂消耗量很大的损件之一 ,它可使轧件顺利地进行轧槽并导出轧槽或控制轧件 按一定方向运动 ,因此导卫板是线材生产中的重要部件 ,由于普通导卫板使用寿命低 ,更换频繁 ,因此直接影响线材轧机生产作业率和人身安全 ,提高导卫板的使用寿命已成为线材生中的关键问 题 。我国 1997 年生产线材 1975 万 t ,占世界线材 总产量的 30 % ,80 年代以来 ,我国已建成高速线 材轧机 28 套 ,其中引进新轧机 13 套 ,二手设备 5套 ,国 内 自 制 10 套 , 年 生 产 能 力 合 计 约 907 万2导卫板化学成分设计导卫板工作时 ,其表面不仅与高温轧件接触 ,而且与其做相对高速运动 ,因此 ,在工作一段时间 后表面形成氧化疲劳层 ,工作时间较长时 ,疲劳层 逐渐脱落成为硬质磨粒 ,使导卫板表面产生沟槽 而失效 。导卫板表面粘合被轧金属后也导致其失效 ,所以要求导卫板既要抗高温氧化且更能抗高 温磨损 ,即不仅要求材料有一定的高温硬度 ,而且 更要能降低相对摩擦系数 ,此外还要有良好的韧 性 ,以满足抗冲击的要求 。根据导卫板的使用工况 ,我们认识应用多元高铬钼铸钢制作导卫板将t 1。随着线材轧机速度的提高 ,对导卫板性能提出了更高的要求 ,为此开展了高线导卫板的研制 ,以 Cr 、Mo 为主要合金元素 ,用 Ni 、Mn 、Si 、V 、Ti 合联系人 :符寒光 ,高级工程师 ,北京市 (100029) 北京冶金设备研究院47 性 ,Mn 还有脱氧去硫作用 ,但 w (Mn) 较高时 ,有使钢的晶粒粗化的倾向 ,并增加钢的回火脆敏感性 ,因此 w (Mn) 控制在 0 . 8 %1 . 4 % 。是可行的 。普通多元高铬钼铸钢具有较好的耐磨性和抗氧化性能 ,韧性稍低 ,通过变质处理有望在 保持其高耐磨性的前提下提高其强韧性 。其化学成分设计如下 。2. 1碳C 是影 响 高 铬 钼 铸 钢 硬 度 和 韧 性 的 主 要 元 素 ,w ( C) 含量高时 ,组织中碳化物数量多 ,基体硬 度高 ,耐磨性好 ,适量碳化物的存在对提抗粘钢性 能也是有益的 。但 w ( C) 含量过高 ,使韧性下降 , 若 C 含量过低 ,则使熔点升高 ,流动性下降 ,且降 低耐磨性 ,因此 w ( C) 以 0 . 8 %1 . 5 %为宜 。2. 2铬Cr 部分溶于基体中 ,增加高铬钢的淬透性和 抗氧化性 ,部分形成碳化物 ,有利于耐磨性的提高和抗粘钢性能的改善 。研究表明2 ,基体组织中Cr7 C3 型碳化物数量的多少主要取决于 w ( Cr) 和 w( C) ,其关系式为 :w ( Cr7 C3) = 11 . 8w ( C) + 0 . 5w ( Cr) - 13 . 4在上述含 C 量条件下 w ( Cr) 小于 8 %时 ,不 能析出高硬度的 Cr7 C3 型碳化物 ,w ( Cr) 超过 18 % 时 ,则形成的 C23 C6 型碳化物增多 ,使导卫板的耐 磨性 降 低 , 韧 性 下 降 , 综 合 考 虑 将 w ( Cr) 控 制 在10 %16 % 。2. 3钼Mo 是缩小 相区的元素 ,有细化晶粒 、增加 淬硬层深度 、提高回火稳定性和减弱甚至消除钢 的回火脆性的作用3 。Mo 又是碳化物形成元素 , 钢中加入 Mo 可在回火时析出高硬度的 Mo2C ,产 生二次硬化 ,显著提高钢的耐磨性 。w (Mo ) 达到0 . 8 %以上时 ,有利于形成贝氏体 ,从而提高钢的图 1 w ( Si) 对 6 %Cr 钢在 800 时氧化失重的影响 4 曲线 1 50 h ;曲线 2 100 h2 . 6 镍Ni 能提高钢的疲劳能力 ,还与铁以互溶的形 式存在于钢中 , 使之强化 ,Ni 由于降低临界转变 温度和降低钢中各元素的扩散速度 ,因而提高钢 的淬透性 ,但 Ni 增加奥氏体的稳定性 ,含量过高 , 淬火组织中残余奥氏体增多 , 硬度下降 , 耐磨性降 ,因此将 w (Ni) 控制在 0 . 5 %0 . 8 % 。2 . 7 钾和钠K、Na 可降低多元高铬钼铸钢的初晶结晶温 度和共晶结晶温度 ,初晶结晶温度和共晶结晶温 度的下降 ,有助于钢水在液相线和共晶区过冷 ,而 合金的结晶过冷度增大 ,会使形核率大大增中 ,因此 , K、Na 使初晶奥氏体晶核增多 ,初晶奥氏体得 以细化 ,初晶奥氏体的细化导致共晶反应时残留 钢液相互被隔开的趋势增强 ,进而导致共晶组织 的细化 。此外 , K、Na 在共晶结晶时选择性地吸附 在共晶碳化物择优生长方向的表面上 ,形成吸附热强性 ,增加导卫板抗龟裂能力2控制在 1 . 2 %2 . 0 % 。2. 4硅Si 在 高 温 下 能 形 成 一 层 保 护 性 好 , 致 密 的SiO2 膜 ,提高钢的抗氧化性 ,实践表明 ,钢中 w ( Si)达到 1 %2 %时 ,就有较明显的抗氧化效果 (图1) ,钢中 w (Si) 过多 (超过 2 %) 时 ,会导致钢铁力学 性能变坏 ,因此 w (Si) 控制在 1. 2 %1. 5 %。2. 5锰Mn 能提高淬透性和强化基体 ,使碳化物稳定 和弥散 ,w (Mn) 小于 1 . 5 %时还可增加钢的热强。因此 w (Mo)薄膜 ,阻碍钢液中的 Fe 、 、 等原子长入共晶碳Cr C化物晶体 ,降低了共晶碳化物 010 方向长大速度增大 ,导致共晶碳化物变成不规则的团块状 。K、 Na 不仅吸附在碳化物择优长大方向表面上阻碍 碳化物在该方向的生长 ,而且易促进碳化物的孪晶形成 ,导致碳化物形态的团球化 。初晶奥氏体 的细化和共晶碳化物形态的改善 ,用利于高铬铸48 钢机械性能 , 特别是冲击韧性的大幅度提高 , K、Na 加入量过少 ,对高铬铸钢的性能影响不大 , 加 入量过多 ,导致合金中夹杂物数量增多 ,对机械性能也有不良影响 ,综合考虑 ,将 w ( K) 控制在 0 . 04%0 . 12 % ,w (Na) 控制在 0 . 05 %0 . 15 % 。2. 8 钒和钛V 和钢中碳 、氮 、氧都有极强的亲和力 ,与之 形成的极为稳定的化合物 。这此化合物微粒 ,可 以作为新相的结晶核心 ,因此 V 元素有明显的细化晶粒作用 ,此外钢中加入微量的 V 有利于提高 钢的高温强度 。加入 Ti 的目的是为了细化钢的 组织 ,提高其强 度 和 韧 性 , Ti 还 可 提 高 钢 的 抗 氧 化性 ,加入量过多 ,增大钢的热裂倾向 ,因此 w (V) 控制在 0 . 15 %0 . 3 % ,w ( Ti ) 控制在 0 . 2 %0 . 4 % 。2. 9 Y 基铼RE 加入钢中具有脱硫 、除气的作用 ,同时 RE 与液态金属反应生成的细小粒子 ,加速凝固的形 核作用 ,表面活性 RE 元素在流动的晶体表面形成吸附原子薄膜 ,降低流动离子的速度 , RE 元素 的这些特性能细化高速钢的晶粒 ,限制树枝晶偏析 ,提高机械性能 、抗氧化性和耐磨性 。但加 RE副作用是带来夹杂 , 为了既能充分发挥 RE 的有 益作用 ,又能克服上述副作用 ,我们用钇基重稀土取代常用的铈基轻稀土 。采用钇基重稀土可获得 比重较小的脱氧 、脱硫产物 ,以利于其上浮 ,铈稀 土的脱氧 、脱硫产物以 Ce2O2 S 计 ,其密度为 6 . 00g/ cm3 ,钇稀土的脱氧 、脱硫产物以 Y2O2 S 计 ,其密 度为 6 . 00 g/ cm3 , 钇 稀 土 的 脱 氧 、脱 硫 产 物 以Y2O2 S 计 ,密度 4 . 25 g/ cm3 ,按 Stokes 公式计算夹杂物的上浮速度 V 为5 :r2 (液 - 杂 )2V =9V 夹杂物上浮速度/ ms - 1r 夹杂物半径/ m液 金属液体的密度/ Nm - 3杂 夹杂物的密度/ Nm - 3液体的动力粘度/ Nsm - 2可见后者的上浮速度较前者增大 1 倍 ,这是 使用钇稀土获得 洁 净 组 织 对 钢 污 染 少 的 重 要 原因 。Y 的加入量 0 . 10 %0 . 15 %时 ,效果较好 。 导卫板的成分见表 1 。式中表 1 导卫板的设计成分 (w)% C Cr Mo Si Mn Ni K Na V Ti S P Y( 加入量) 0 . 81 . 5 1016 1 . 22 . 0 1 . 21 . 5 0 . 81 . 4 0 . 50 . 8 0 . 040 . 12 0 . 050 . 15 0 . 150 . 30 0 . 20 . 4 0 . 04 0 . 05 0 . 100 . 15 出炉 。将含 Y、K、Na 的变质剂和钒铁 、钛铁破碎至粒度小于 15 mm 的小块 ,经 250 以下烘干后 ,置于浇包底部 ,用包内冲入法对钢水进行复合变 质处理 。导卫板用潮模砂型铸造 ,浇注温度 1 4401 480 ;浇注 810 min 后开箱 ,打掉浇冒口 ,清理残根 、飞边和毛刺 。3导卫板的制造和应用3. 1导卫板的熔炼和铸造多元高铬钼铸钢用 500 kg 碱性中频感应电炉 熔炼 , 炉衬配比见表 2 。用普通废钢 、碳素铬铁 、中碳铬铁 、钼铁 、硅铁 、锰铁和镍板配炉料 。熔炼中先加普通废钢 、钼铁和镍板和镍板 ,钢水熔清后 加入碳素铬铁和中碳铬铁 ,出炉前加入硅铁和锰铁 ,然后用硅钙粉对钢液进行扩散脱氧 ,插铝终脱氧 。用铝粉扩散脱氧时 , ,因铝的氧化产生了大量 的 Al2O3 ,而 Al2O3 由于炉衬 ( 主要成分是 MgO) 可表 2 炉衬的成分和配比配比/ %化学成分 (w) / %镁砂种类镁砂尺寸/ mmMgOSiO2CaOFeO大颗粒镁砂大颗粒镁砂 镁砂粉310353035923211390854634 216形成铝镁尖晶石 ,熔点 ( 2 135) 较高 ,较难成为熔融态而粘附于炉衬上或滞留于粘渣层中 ,使 炉衬急剧增厚 ,使钢水熔炼时间加长 ,炉龄降低 ,选用硅钙粉扩散脱氧可减少钢液中 Al2O3 含量 ,提高炉衬寿命 。钢水温度升至 1 5801 620 后180220注 :炉衬填加剂是水玻璃 ,加入量为 9 %12 % 。3 . 2导卫板的热处理导热板热处理在 45 kW 箱式电阻炉内进行 。49 3 . 4 多元高铬钼铸钢导卫板的应用多元高铬钼铸钢导卫板在某高速线材轧机的9 号机架上进行了上机考核 ,轧制 6 . 5 mm 线材 ,轧制速度 85 m/ s ,结果表明 ( 图 3) ,与其它导卫板 相比 , 多元高铬钼铸钢导卫板具有强度高 、韧性 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 ,使用效果明显优于高铬铸铁导卫板和高镍铬 合金导卫板 ,生产工艺简单 ,生产成本比高镍铬全金导卫板低 30 %以上 。使用多元高铬钼铸钢导 卫板可以显著提高轧机作业率 ,降低轧材生产成 本 ,具有很好的经济效益 。首先通过膨胀试验 ,测得了多元高铬钼铸钢铁奥氏体化温度约为 820890 。为了使多元高铬 钼铸钢 获 得 高 硬 度 、优 异 的 耐 磨 性 和 抗 热 裂 性能 ,我们研究 了 淬 火 加 热 温 度 对 其 硬 度 的 影 响 ,结果表明 ( 见图 2) ,由于多元高铬钼铸钢加热到980 以前 ,基体组织中的碳化物未见有明显变 化 ,因此硬 度 值 变 化 不 大 , 淬 火 加 热 温 度 达 到 1000 后 ,共晶碳化物开始溶于基体 ,固溶于奥氏 体中的 C 、Cr 、Mo 、Mn 、Ni 等 元 素 过 多 , 高 温 奥 氏体中的 C 、Cr 、Mo 、Mn 、Ni 等 元 素 过 多 , 高 温 奥 氏 体的稳 定 性 增 大 , 淬 火 组 织 中 残 留 奥 氏 体 量 增 多 ,硬度反而降低 ,因此选择淬火温度为 1 0201 050 。为 了 稳 定 淬 火 组 织 和 消 除 淬 火 应 力 ,导卫板在 450 进 行 回 火 处 理 。导 卫 板 热 处 理 工艺如下 :1 0201 050 2 h ,风冷 + 4304603 h ,炉冷 。图 3 各种导卫板使用效果对比A 多元高铬钼铸钢导卫板B 高镍铬合金导卫板C 高铬铸铁导卫板4结论图 2 淬火温度对多元高铬钼铸钢硬度的影响(1) 高铬钼铸钢经 Ni 、Mn 、Si 、V 、Ti 合金化处理和 Y - K - Na 变 质 处 理 后 , 具 有 组 织 致 密 , 强 度 、硬度高 ,韧性好等特点 ,综合力学性能优良 。(2) 多元高铬钼铸钢用于制作导卫板 ,生产工 艺简便 ,成本低廉 。多元高铬钼铸钢导卫板应用于高速线材轧机上 ,使用安全 、可靠 ,寿命比高镍 铬合金导卫板提高 50 %以上 ,可显著提高轧机作 业率 ,降低轧材生产成本 ,值得广泛推广