一种轧钢机铸渗导卫板的制备方法[发明专利]

[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公布说明书
[11]公开号CN 101195156A [43]公开日2008年6月11日
[21]申请号200710178691.4[22]申请日2007.12.04
[21]申请号200710178691.4
[71]申请人北京工业大学
地址100022北京市朝阳区平乐园100号
[72]发明人符寒光 雷永平 李国芳 [74]专利代理机构北京思海天达知识产权代理有限公司代理人刘萍
[51]Int.CI.B22D 19/08 (2006.01)B22D 23/04 (2006.01)
权利要求书 1 页 说明书 7 页 附图 1 页
[54]发明名称
一种轧钢机铸渗导卫板的制备方法
[57]摘要
一种轧钢机铸渗导卫板的制备方法，属于轧钢
技术领域。

本发明首先将高碳铬铁、钒铁、钛铁、
稀土硅铁用球磨机研磨成200－300目，并搅拌均匀，
能后加入250－300目的镍包氧化铝粉，其中高碳铬
铁粉加入量为60－70％，钒铁粉加入量10－15％，
钛铁粉加入量2－5％，稀土硅铁粉加入量1－1.5％，
镍包氧化铝粉加入量15－20％。

然后加入粉末总量
2.5－
3.5％的树脂，搅拌，然后涂覆在铸型表面，
其涂覆位置对应于导卫板工作面。

合金粉末经树脂
固化时间超过30分钟后，直接将温度为1600～1650
℃中碳低合金钢钢水浇入铸型，然后开箱空冷导卫
板，导卫板经清砂、打磨后，不需要热处理可直接
使用。

本发明工艺简单，合金加入少，提高生产效
率，改善轧材表面质量，降低轧材生产成本。

200710178691.4权 利 要 求 书第1/1页 1.一种轧钢机铸渗导卫板的制备方法，其特征在于：
导卫板由耐磨合金层和铸钢母体采用铸渗法复合而成；
首先将高碳铬铁、钒铁、钛铁、稀土硅铁用球磨机研磨成200-300目，并搅拌均匀，然后加入250-300目的镍包氧化铝粉，其中高碳铬铁粉加入量为60-70％，钒铁粉加入量为10-15％，钛铁粉加入量为2-5％，稀土硅铁粉加入量为1-1.5％，镍包氧化铝粉加入量为15-20％，以上百分比均为质量百分比；
然后加入与上述合金粉末总质量比为2.5-3.5％的树脂，进一步搅拌，然后涂覆在铸型表面，其涂覆位置对应于导卫板工作面；
合金粉末经树脂固化时间超过30分钟后，直接将温度为1600～1650℃中碳低合金钢钢水浇入铸型，然后开箱空冷导卫板，导卫板经清砂、打磨后直接使用。

2.如权利要求1所述的轧钢机铸渗导卫板的制备方法，其特征在于所用中碳低合金钢的化学组成重量百分比如下：0.3-0.45C，0.3-0.6Si，0.8-1.2Mn，0.5-1.0Cr，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

200710178691.4说 明 书第1/7页
一种轧钢机铸渗导卫板的制备方法
技术领域
本发明为型钢轧机导卫板的制备方法，特别涉及一种轧钢机铸渗导卫板的制备方法，属于轧钢技术领域。

背景技术
在型材轧机生产中，导卫板是轧钢机的辅助装置之一，是必不可少的模具。

它们在服役过程中承受着炽热坯的热负荷、冲击、高速磨损、挤压和冷却水的激冷作用，因而要求材质具备较高的机械强度、硬度、耐磨性、冲击韧性以及抗氧化性能和抗热疲劳性能等。

提高导卫板的寿命不仅可增加轧钢产量，而且可提高轧材表面质量和降低工人劳动强度。

目前，优质导卫板多数采用高铬镍合金钢制作，刘炳(线材轧机导卫板热处理工艺的制定，《金属热处理》2005年第30卷第11期)研究了一种含0.9～1.2C，15～17C r，3.0～4.5Ni，0.8～1.2Si，0.6～1.0Mn，＜0.05S，＜0.05P的高铬镍合金钢导卫板，耐磨性好。

这种导卫板因碳含量高，脆性较大，且含有较多合金元素，生产成本较高。

中国发明专利C N1088271提供了一种高温耐磨合金及其制造技术。

它是以C r为主要合金元素，并同时加有N i、M o、W、C u、N、C、S i、M n等多种元素的铁基合金。

在制备过程中，采用稀土与碱土元素合成的中间合金进行变质处理后，其显微组织具有孤立的细块状与断条状的M7C3等高硬度合金碳化物，和过饱和固溶强化程度较高，而稳定性适中的奥氏体基体。

这种合金在交变受热的高温下不发生γ→α相变，但具有高温析出硬化效应，用作交变受热的高温耐磨材料，较好地缓解了耐磨性与热疲劳性能的矛盾。

在交变受热达900℃以上的轧机导卫装置上应用，大大提高了耐用性，由于加入有价格昂贵的N i、M o、W、C u等合金元素，因此生产成本高，较难推广应用。

中国发明专利C N1142435则公开了一种焊接陶瓷复合导卫板，该发明研制一种含碳纤维的陶瓷材料做为轧制导卫板工作面的复合导卫板。

陶瓷材料采用复合层结构，上层为工作层，下层为焊接层，用黄铜将压制的陶瓷块钎焊在导卫板的铜材或铸钢材基体上，该复合导卫板具有热导率高，减磨性好，抗热冲击韧性高，但陶瓷材料与导卫板基体钎焊结合，陶瓷层使用中易产生剥
落，复合导卫板使用的可靠性较差，影响轧机生产效率的发挥和钢材产量，并存在着发生事故的隐患。

中国发明专利C N1706635还公开了双金属复合导卫板及其制作方法，该发明所述的导卫板由基体(1)和耐磨层(2)构成，其基体采用韧性好的中碳钢或低合金钢制作；耐磨层采用高钒高速钢材料制作，该高钒高速钢的主要元素为：C：1.8-3.5％、V：7-12％、C r：4-5％、M o：2-4％、N i：0.5-1.5％、余量为铁。

该发明制作双金属复合导卫板的方法是将基体与耐磨层采用浇铸方法成形，从而使基体与高钒高速钢复合层形成良好的冶金结合，得到高硬度、高耐磨性的工作层。

同时由于基体材料是韧性好的中碳钢或低合金，保证了导卫板整体韧性，不易断裂。

该发明制备双金属复合导卫板生产过程中需要两套独立的熔化设备，工艺复杂，结合层质量不易控制。

在铸件表面采用铸渗方法铸渗合金和耐磨硬质颗粒，是提高铸件表面硬度、改善铸件表面耐磨性的廉价而有效的方法，中国发明专利C N101053898公开了制备颗粒增强金属基表面复合材料的真空实型铸渗方法，根据零件结构，对泡沫材料进行切割或用发泡技术直接制备可汽化的模样，将增强颗粒制备成与复合材料所需耐磨表面形状相适应的预制块，固定在需要合金化的泡沫材料模样表面，然后将模型埋入干砂中，振实后在负压状态下浇注金属液，其间通过抽真空形成的负压，将泡沫塑料和涂胶在浇注过程中因汽化而产生的气体抽走，同时借助真空密封技术，提高金属液的充型能力，以利金属液在颗粒间的渗透，从而获得更厚更致密的复合层，使制备的碳化钨颗粒增强金属基表面复合材料具有较高的表面质量和增强体体积分数，较均匀的增强体分布以及优异的抗冲击磨损性能。

该发明操作较麻烦，而且增强颗粒制备成与复合材料所需耐磨表面形状相适应的预制块后，直接固定在需要合金化的泡沫材料模样表面时，在喷涂料和烘干过程中易脱落，不易得到质量稳定的铸渗耐磨层。

发明内容
本发明目的是提供一种轧钢机铸渗导卫板的制备方法。

本发明是在导卫板工作部位，采用铸渗技术，制备一层厚度5～8m m，硬度大于60H R C的耐磨合金层，而导卫板的非工作部位，采用普通中碳低合金钢浇注成形。

其主要特点是将含高碳铬铁粉、钒铁粉、钛铁粉、稀土硅铁粉和镍包氧化铝颗粒
的原料，先搅拌使其均匀，并加入适量树脂，进一步搅拌，使树脂均匀分布在合金粉末和镍包氧化铝颗粒中，然后涂覆在铸型表面，其涂覆位置对应于导卫板工作面。

合金粉末经树脂固化后，将高温钢水直接浇入铸型，合金粉末在高温钢水作用下，在合金粉末周围的钢水凝固后，可得到基体为马氏体加少量残留奥氏体，并含有V C，T i C和M7C3型碳化物以及氧化铝颗粒的复合组织，具有高硬度和优异的耐磨性，最终将使导卫板使用寿命大幅度提高。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：
导卫板由耐磨合金层和铸钢母体采用铸渗法复合而成；
首先将高碳铬铁、钒铁、钛铁、稀土硅铁用球磨机研磨成200-300目，并搅拌均匀，然后加入250-300目的镍包氧化铝粉，其中高碳铬铁粉加入量为60-70％，钒铁粉加入量为10-15％，钛铁粉加入量为2-5％，稀土硅铁粉加入量为1-1.5％，镍包氧化铝粉加入量为15-20％，以上百分比均为质量百分比；
然后加入与上述合金粉末总质量比为2.5-3.5％的树脂，进一步搅拌，然后涂覆在铸型表面，其涂覆位置对应于导卫板工作面；
合金粉末经树脂固化时间超过30分钟后，直接将温度为1600～1650℃中碳低合金钢钢水浇入铸型，然后开箱空冷导卫板，导卫板经清砂、打磨后直接使用。

所用中碳低合金钢的化学组成重量百分比如下：0.3-0.45C，0.3-0.6S i，0.8-1.2Mn，0.5-1.0Cr，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

本发明采用铸渗技术将导卫板工作部位复合硬度高且与基体结合好的耐磨合金层。

首先，在导卫板工作部位铸渗耐磨合金层时选用的主要合金原料有：高碳铬铁、钒铁、钛铁、稀土硅铁。

选用高碳铬铁的目的是利用铬和碳在高温钢水作用下，形成硬度高的M7C3型碳化物，有利于改善耐磨合金层的硬度，提高耐磨合金层的耐磨性。

另外，部分铬溶于基体，还有利于改善导卫板的抗氧化性能。

高碳铬铁加入量太少，M7C3型碳化物数量太少，对提高硬度、改善耐磨性的影响不大，高碳铬铁加入量过多，导致其他合金粉末加入量减少，不利于改善耐磨合金层的综合性能，高碳铬铁粉加入量为60-70％时，综合效果最好。

加入钒铁的目的有两个方面，首先，在高温钢水作用下，钒与高碳铬铁中的部分碳形成高硬度V C，有利于提高耐磨合金层硬度和
改善耐磨合金层耐磨性，另外，部分钒溶于基体，而溶于基体中的钒易促使二次碳化物的析出，降低了奥氏体的稳定性，使部分基体转变成马氏体，促进合金层基体硬度提高和合金层耐磨性改善，钒铁粉加入量过少，对合金层性能影响不大，加入量过多，则增加生产成本，合适的钒铁粉加入量是10-15％。

加入钛铁的主要目的是利用钛铁粉与高碳铬铁中的部分碳在高温钢水作用下，发生以下反应：[T i]+[C]＝T i C(s)，且T i C有较高的形成温度(熔点为3160℃)，T i C会在钢水凝固过程中作为先析出相而析出。

T i C属于二元间隙过渡金属难熔化合物，具有面心立方N a C l型晶体结构，晶格常数为a＝0.4392n m。

而M7C3碳化物为密排六方点阵结构，晶格常数为a＝0.2892n m，c＝0.454n m。

两者晶格常数相近，根据T u m b u l l[T u m b u l l D，V o n n e g u t B. Nucleation Catalysis.Industrial and Engineering Chemistry.1952，44(6)：1292-1298]提出的错配度理论，高熔点化合物能否成为新结晶相的非自发晶核，可用两相晶格间的错配度来判定，即：
式中：δ-两相晶格间的错配度，αC-化合物低指数面的点阵间距，αN-新结晶相低指数面的点阵间距。

Bramfitt[Bramfitt B L.Planar lattice disregistry theory and its application on
heterogistry nuclei of metal.Metall.Trans.，1970，1(7)：1987-1995]的研究结果表明，在非均质形核时，两相错配度小于6％的核心最有效，两相错配度为6％～12％的核心中等有效，而两相错配度大于12％的核心无效。

T i C和M7C3碳化物晶格间的错配度为3.37％，远小于6％，因此，T i C可以起到作为M7C3碳化物的异质核心的作用，促进M7C3碳化物的细化，可以提高合金层的强度和韧性，并改善合金层的热疲劳性能，有利于提高导卫板使用寿命。

加入稀土硅铁粉的主要目的是利用稀土在高温钢水作用下具有细化耐磨层凝固组织和净化凝固组织的作用，有利于改善耐磨合金层强度和韧性，可以提高耐磨合金层的热疲劳性能，最终可延长导卫板的使用寿命。

稀土硅铁粉加入量过多，反而增加凝固组织中夹杂物数量，不利于改善凝固组织性能，合适的稀土硅铁粉加入量是1-1.5％。

在合金粉末中加入一定数量的氧化铝，主要是利用氧化铝的高硬度和良好的高温稳定性，有利于明显改善合金层的耐磨性。

为了保证氧化铝颗粒使用中不剥落，因此选用镍包氧化铝粉，且加入量为15 -20％时效果最好。

本发明效果：
①用本发明制造的导卫板，生产工艺简便，导卫板工作部位的金相组织中含有25％～35％高硬度碳化物和15％左右的A l2O3硬质颗粒，基体组织是马氏体加少量奥氏体，导致导卫板工作部位宏观硬度高，达到60H R C以上，具有优良的耐磨性。

②用本发明制造的导卫板，非工作部位(导卫板母体)采用高强度低合金铸钢，强韧性好，导卫板使用过程中不会弯曲和断裂，耐磨合金层与导卫板母体是牢固的冶金结合，使用过程中，耐磨合金层不会开裂和剥落。

③用本发明制造的导卫板，耐磨层厚度5～8m m，合金原料加入量少，生产成本比整体合金钢铸造导卫板明显降低。

④本发明导卫板的使用寿命比整体合金钢铸造导卫板提高3-5倍。

附图说明
图1轧钢机铸渗导卫板浇注示意图。

图中的标号分别表示：1-排气孔；2-浇冒口；3-铸型上型；4-型腔；5-铸型下型；6-涂覆合金粉末。

具体实施方式
本发明首先用球磨机将高碳铬铁、钒铁、钛铁和稀土硅铁研磨成200-300目，并搅拌均匀，能后加入250-300目的镍包氧化铝粉，其中高碳铬铁粉加入量为60-70％，钒铁粉加入量10-15％，钛铁粉加入量2-5％，稀土硅铁粉加入量1-1.5％，镍包氧化铝粉加入量15-20％。

然后加入粉末总量2.5-3.5％的树脂，进一步搅拌，然后涂覆在铸型下型5的表面，涂覆合金粉末6的涂覆位置对应于导卫板工作面。

合金粉末经树脂固化时间超过30分钟后，直接将温度为1600～1650℃中碳低合金钢钢水通过浇冒口2浇入型腔4，合金钢的主要化学组成(重量％)如下：0.3-0.45C，0.3-0.6S i，0.8-1.2M n，0.5-1.0C r，其余为F e和不可避免的微量杂质，铸型中的气体经铸型上型3中的排气孔1排出。

然后开箱空冷导卫板，导卫板经清砂、打磨后，不需要热处理可直接使用。

实施例1：
首先用球磨机将高碳铬铁、钒铁、钛铁和稀土硅铁研磨成200-300目，并搅拌均匀，能后加入250-300目的镍包氧化铝粉，其中高碳铬铁粉加入量为64.3％，钒铁粉加入量12.8％，钛铁粉加入量3.1％，稀土硅铁粉加入量1.2％，镍包氧化铝粉加入量18.6％。

然后加入粉末总量2.9％的酚醛树脂，进一步搅拌，然后涂覆在铸型下型5的表面，涂覆合金粉末6的涂覆位置对应于导卫板工作面。

合金粉末经酚醛树脂固化时间超过30分钟后，直接将温度为1637℃中碳低合金钢钢水通过浇冒口2浇入型腔4，合金钢的主要化学组成(重量％)如下：0.41C，0.47Si，0.95Mn，0.88Cr，其余为Fe和不可避免的微量杂质，铸型中的气体经铸型上型3中的排气孔1排出。

然后开箱空冷导卫板，导卫板经清砂、打磨后，不需要热处理可直接使用。

实施例2：
首先用球磨机将高碳铬铁、钒铁、钛铁和稀土硅铁研磨成200-300目，并搅拌均匀，能后加入250-300目的镍包氧化铝粉，其中高碳铬铁粉加入量为65.7％，钒铁粉加入量13.3％，钛铁粉加入量2.8％，稀土硅铁粉加入量1.3％，镍包氧化铝粉加入量16.9％。

然后加入粉末总量3.2％的呋喃树脂，进一步搅拌，然后涂覆在铸型下型5的表面，涂覆合金粉末6的涂覆位置对应于导卫板工作面。

合金粉末经呋喃树脂固化时间超过30分钟后，直接将温度为1628℃中碳低合金钢钢水通过浇冒口2浇入型腔4，合金钢的主要化学组成(重量％)如下：0.39C，0.51Si，1.14Mn，0.86Cr，其余为Fe和不可避免的微量杂质，铸型中的气体经铸型上型3中的排气孔1排出。

然后开箱空冷导卫板，导卫板经清砂、打磨后，不需要热处理可直接使用。

本发明轧钢机铸渗导卫板母体与耐磨层是良好的冶金结合，耐磨合金层厚度达5～8m m，导卫板工作部位的金相组织中含有25％～35％高硬度碳化物和15％左右的A l2O3硬质颗粒，基体组织是马氏体加少量奥氏体，导致导卫板工作部位宏观硬度高，达到60HRC以上，具有优良的耐磨性。

将本发明导卫板应用于线材轧机和棒材轧机上，导卫板使用过程中不会弯曲和断裂，耐磨合金层与基体是牢固的冶金结合，使用过程中，耐磨合金层不会开裂和剥落。

耐磨合金层还有良好的抗氧化和抗热疲劳性能，导卫板的使用寿命比整体合金钢铸造导卫板提高3-5倍。

本发明导卫板生产工艺简单，不需要热处理，节省能耗，合金加入少，生产成本低。

使用本发明导卫板，可以提高轧钢机生产效率，改善轧材表面质量，减轻工人劳动强度，降低轧材生产成本，具有良好的经济和社会效益。

200710178691.4说 明 书 附 图第1/1页。