本發明涉及一種新型高碳石墨鋼輥環及其制備方法。
背景技術：
經濟建設的發展對輥環的數量和質量提出了更高的要求，現有輥環在生產過程中易產生合金元素嚴重偏析，密度大的元素富集于輥環外層，密度小的元素富集于輥環內層，這樣使得輥環存在硬度低、耐磨性差、制備周期長，同時容易出現熱裂紋及抗熱疲勞性不佳等問題，直接影響輥環的產量和質量。因此，需研發一種新型的來解決上述弊端。
技術實現要素：
本發明的針對上述弊端，首先，提供一種新型高碳石墨鋼輥環的技術方案。
一種新型高碳石墨鋼輥環的制備方法，其特征在于：該新型高碳石墨鋼輥環的三層化學成分為：外層化學成分C：2.30-2.50％；Si：1.40-1.60％；Mn：0.50-1.00％；Cr：0.50-1.00％；Ni：3.00-3.50％；Mo：0.50-1.00％；V：0.30-0.60％；Nb：0.30-0.50％；P≤0.025％；S≤0.025％；Ba+Ca≥0.45％；Re≥0.20％；中間層化學成分C：2.00-2.20％；Si：1.40-1.60％；Mn：0.60-0.80％；Cr≥0.30％；Ni≥0.20％；Mo≥0.15％；P≤0.025％；S≤0.025％；芯部化學成分C：1.20-1.50％；Si：1.35-1.65％；Mn：0.50-0.80％；P≤0.025％；S≤0.025％。余量為Fe及少量殘余元素。
所述的一種新型高碳石墨鋼輥環，其特征在于：所述新型高碳石墨鋼輥環澆注時，澆注溫度為液相溫度+60-80℃。
所述的一種新型高碳石墨鋼輥環，其特征在于：所述新型高碳石墨鋼輥環表面硬度為65-75HSD，輥環表面至孔型槽底硬度落差≤2HSD。
所述的一種新型高碳石墨鋼輥環，其特征在于：所述新型高碳石墨鋼輥環基體金相組織為：球狀石墨+Mo2C6、NbC、V4C3粒狀碳化物+貝氏體+少量馬氏體。
其次，提供一種新型高碳石墨鋼輥環的制備方法的技術方案。
一種新型高碳石墨鋼輥環的制備方法，其特征在于包括以下步驟：
步驟一、確定化學成分：該新型高碳石墨鋼輥環的三層化學成分為：外層化學成分C：2.30-2.50％；Si：1.40-1.60％；Mn：0.50-1.00％；Cr：0.50-1.00％；Ni：3.00-3.50％；Mo：0.50-1.00％；V：0.30-0.60％；Nb：0.30-0.50％；P≤0.025％；S≤0.025％；Ba+Ca≥0.45％；Re≥0.20％；中間層化學成分C：2.00-2.20％；Si：1.40-1.60％；Mn：0.60-0.80％；Cr≥0.30％；Ni≥0.20％；Mo≥0.15％；P≤0.025％；S≤0.025％；芯部化學成分C：1.20-1.50％；Si：1.35-1.65％；Mn：0.50-0.80％；P≤0.025％；S≤0.025％。余量為Fe及少量殘余元素。
步驟二、澆注：該新型高碳石墨鋼輥環采用離心三層復合鑄造工藝，通過加入特殊碳化物元素V、Nb、Mo等合金，液相溫度至+120-150℃出鋼，加BaCa0.30-0.60％球化處理，球化后加0.50-0.60％CaSi孕育劑孕育，然后鎮靜3-8分鐘澆注。
步驟三、冷開箱熱處理：經冷開箱特殊熱處理，得到輥環表面硬度、基體金相組織符合要求的成品。
所述步驟二為：通過離心澆注，先澆注外層，再澆注中間層，中間層作為外層和芯部的連接層，減少兩種不同材質的鋼水澆注時的排他性，最后澆注芯部。
所述步驟三為：在熱處理時先擴散退火，消除大部分鑄造應力，再通過多次(2-3)正火+回火和水噴淬處理等工藝，使輥環形成更合理的結晶組織，達到符合設計要求的目標。
采用了上述技術方案，本發明具有以下的優點：
(1)本發明通過澆注層為外層、中間層、芯部三層，尤其對要求工作層硬度在65-75HSD之間的大型輥環φ1050mm-1400mm，減少了兩種不同材質鋼水澆注凝固的排他性，減輕了澆注過程中積聚產生的大量鑄造應力，為澆注合格毛坯輥環奠定了基礎。
(2)本發明通過加入特殊碳化物元素，如Gr、Ni、Mo、V、Nb、Re等，對液相溫度進行控制，減輕產品元素偏析，，減少產品的熱裂紋及提升產品的抗熱疲勞性。
(3)本發明經BaCa球化處理和CaSi孕育劑孕育，培植分布均勻的特殊細顆粒狀碳化物和具有抗氧化能力、起潤滑作用的球狀石墨，從而提高輥環的綜合性能，延長輥環的使用壽命。
(4)本發明通過特殊熱處理，多次正火回火，熱處理水平高于普通熱處理水平，使輥環形成更合理的結晶組織，提高了產品的硬度，減少了產品的生產周期，進而提高輥環產量和質量，減低企業的生產成本。
具體實施方式
【實施例1】本發明新型高碳石墨鋼輥環的三層化學成分為：外層化學成分C：2.30％；Si：1.50％；Mn：1.00％；Cr：1.00％；Ni：3.20％；Mo：0.60％；V：0.30％；Nb：0.30％；P：0.025％；S：0.025％；Ba+Ca：0.45％；Re：0.20％；中間層化學成分C：2.00％；Si：1.40％；Mn：0.60％；Cr：0.30％；Ni：0.20％；Mo：0.15％；P：0.025％；S：0.025％；芯部化學成分C：1.20％；Si：1.35％；Mn：0.50％；P：0.025％；S：0.025％。余量為Fe及少量殘余元素。
所述新型高碳石墨鋼輥環澆注時，澆注溫度為液相溫度60℃。
所述新型高碳石墨鋼輥環表面硬度設計值為65-75HSD，實物產品實測為66.2HSD，輥環表面至孔型槽底硬度落差設計值為≤2HSD，實物產品實測為1.7HSD。
所述新型高碳石墨鋼輥環基體金相組織為：球狀石墨+Mo2C6、NbC、V4C3粒狀碳化物+貝氏體+少量馬氏體。
一種新型高碳石墨鋼輥環的制備方法，其特征在于包括以下步驟：
步驟一、確定化學成分：該新型高碳石墨鋼輥環的三層化學成分為：外層化學成分C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、P、S、Ba+Ca、Re；中間層化學成分C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、P、S；芯部化學成分C、Si、Mn、P、S。余量為Fe及少量殘余元素。
步驟二、澆注：該新型高碳石墨鋼輥環采用離心三層復合鑄造工藝，通過加入特殊碳化物元素V、Nb、Mo等合金，液相溫度至125℃出鋼，加BaCa0.35％球化處理，球化后加0.50％CaSi孕育劑孕育，然后鎮靜4分鐘澆注。
步驟三、冷開箱熱處理：經冷開箱特殊熱處理，得到輥環表面硬度、基體金相組織符合要求的成品。
所述步驟二為：通過離心澆注，先澆注外層，再澆注中間層，中間層作為外層和芯部的連接層，減少兩種不同材質的鋼水澆注時的排他性，最后澆注芯部。
所述步驟三為：在熱處理時先擴散退火，消除大部分鑄造應力，再通過多次(2-3)正火+回火和水噴淬處理等工藝，使輥環形成更合理的結晶組織，達到符合設計要求的目標。
【實施例2】本發明新型高碳石墨鋼輥環的三層化學成分為：外層化學成分C：2.40％；Si：1.40％；Mn：0.70％；Cr：0.60％；Ni：3.10％；Mo：0.80％；V：0.50％；Nb：0.35％；P：0.015％；S：0.010％；Ba+Ca：0.55％；Re：0.25％；中間層化學成分C：2.05％；Si：1.50％；Mn：0.70％；Cr：0.35％；Ni：0.25％；Mo：0.25％；P：0.020％；S：0.020％；芯部化學成分C：1.30％；Si：1.45％；Mn：0.60％；P：0.015％；S：0.010％。余量為Fe及少量殘余元素。
所述新型高碳石墨鋼輥環澆注時，澆注溫度為液相溫度70℃。
所述新型高碳石墨鋼輥環表面硬度設計值為65-75HSD，實物產品實測為67.4HSD，輥環表面至孔型槽底硬度落差設計值為≤2HSD，實物產品實測為1.8HSD。
步驟二、澆注：該新型高碳石墨鋼輥環采用離心三層復合鑄造工藝，通過加入特殊碳化物元素V、Nb、Mo等合金，液相溫度至135℃出鋼，加BaCa0.40％球化處理，球化后加0.55％CaSi孕育劑孕育，然后鎮靜6分鐘澆注。
【實施例3】本發明新型高碳石墨鋼輥環的三層化學成分為：外層化學成分C：2.50％；Si：1.60％；Mn：1.00％；Cr：0.90％；Ni：3.40％；Mo：0.80％；V：0.50％；Nb：0.50％；P：0.005％；S：0.005％；Ba+Ca：0.65％；Re：0.30％；中間層化學成分C：2.20％；Si：1.60％；Mn：0.80％；Cr：0.40％；Ni：0.40％；Mo：0.25％；P：0.010％；S：0.010％；芯部化學成分C：1.50％；Si：1.55％；Mn：0.70％；P：0.017％；S：0.018％。余量為Fe及少量殘余元素。
所述新型高碳石墨鋼輥環澆注時，澆注溫度為液相溫度80℃。
所述新型高碳石墨鋼輥環表面硬度設計值為65-75HSD，實物產品實測為71.3HSD，輥環表面至孔型槽底硬度落差設計值為≤2HSD，實物產品實測為1.4HSD。
步驟二、澆注：該新型高碳石墨鋼輥環采用離心三層復合鑄造工藝，通過加入特殊碳化物元素V、Nb、Mo等合金，液相溫度至150℃出鋼，加BaCa0.60％球化處理，球化后加0.60％CaSi孕育劑孕育，然后鎮靜8分鐘澆注。
采用本發明制備的新型高碳石墨鋼輥環其優點在于，通過澆注層為外層、中間層、芯部三層，尤其對要求工作層硬度在65-75HSD之間的大型輥環φ1050mm-1400mm，減少了兩種不同材質鋼水澆注凝固的排他性，減輕了澆注過程中積聚產生的大量鑄造應力，為澆注合格毛坯輥環奠定了基礎；通過加入特殊碳化物元素，如Gr、Ni、Mo、V、Nb、Re等，對液相溫度進行控制，減輕產品元素偏析，，減少產品的熱裂紋及提升產品的抗熱疲勞性；經BaCa球化處理和CaSi孕育劑孕育，培植分布均勻的特殊細顆粒狀碳化物和具有抗氧化能力、起潤滑作用的球狀石墨，從而提高輥環的綜合性能，延長輥環的使用壽命；通過特殊熱處理，多次正火回火，熱處理水平高于普通熱處理水平，使輥環形成更合理的結晶組織，提高了產品的硬度，減少了產品的生產周期，進而提高輥環產量和質量，減低企業的生產成本。