CN101670426A - 一种原位熔覆耐磨层强化球墨铸铁复合轧辊的制备方法 - Google Patents

一种原位熔覆耐磨层强化球墨铸铁复合轧辊的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位熔覆耐磨层强化球墨铸铁复合轧辊的制备方法，该方法首先将直径为3－5mm的合金粉芯焊丝绕制成一定大小的圆盘；然后将其紧贴奥氏体不锈钢离心机管模内壁布置，在离心机管模的外壁施加一磁感应强度为0.03－0.20T的电磁场；利用感应加热原理，将离心机管模和合金粉芯焊丝预热到350℃－600℃；随后将基体金属液浇注到离心机的管模内，在熔体的热容量和电磁加热的共同作用下，将合金粉芯焊丝熔化后，停止施加电磁场，原位凝固得到铸态的复合轧辊，并结合一定的热处理和机械加工工艺，得到芯部为球墨铸铁、表层为高铬铸铁或者硬质合金的复合轧辊。本发明确保了复合轧辊的界面结合，克服了双液离心浇注复合轧辊时工艺控制难的问题，方法的可操作性强。

Description

一种原位熔覆耐磨层强化球墨铸铁复合轧辊的制备方法
技术领域
本发明属于轧钢技术领域，涉及一种冶金轧辊制造方法，特别涉及一种原位熔覆耐磨层强化球墨铸铁复合轧辊的制备方法。
背景技术
在钢铁冶金设备中，轧辊使用非常广泛，且更换频繁、用量大。由于轧辊工作条件非常严酷，需要长时间承受轧制型材高温、热冲击和高速摩擦磨损等因素的影响，所以用传统的单一材料(如高铬铸铁、球墨铸铁、高合金高速钢、硬质合金材料等)所制成的轧辊经常因磨损、粘钢等原因失效。
高铬铸铁其组织特点为马氏体、奥氏体的基体上弥散分布M7C3型碳化物，虽硬度高、耐磨性能好，但由于高铬铸铁的韧性较低，且机加工性能差，限制了其广泛应用；球墨铸铁的耐磨性和抗热冲击性能均较差，不能满足使用要求而被淘汰，但它的制造成本较低；高合金高速钢是在普通高速钢的基础上增加碳量，同时大量添加V和W，生成较高硬度V和W的碳化物，从而获得高的耐磨性；
高合金粉末冶金液相烧结法得到的硬质合金材料轧辊，在国内外已有大量报道，由于合金成分在基体中分布的均匀性难以控制，以及表面活性剂的使用，使得材料组织中出现大量气孔缺陷，同时硬质合金只能制作较小的辊环，且成本较高，限制了硬质合金材料在轧辊方面的使用。为此，人们在复合轧辊的制备方面进行了许多研究，其中最多的是采用双液浇注的方式进行制备复合轧辊，其工艺是在离心浇注时，先浇注第一种金属液，在该金属液降低到一定温度时，再浇入第二种金属液，从而得到表层为耐磨层，而芯部为韧性较强的基体复合轧辊，该工艺的关键之处是控制好两种金属液的浇注时间间隔。但在实际生产中存在两个问题：其一，两种金属液浇注的时间间隔难以控制，间隔时间过短，两种金属液会混合在一起，得不到明显的强化层和基体层；间隔时间过长，强化层和基体层的界面结合差；其二，浇注前，需要对离心机管模预热，其预热温度难以量化，往往预热不佳，当第一层金属液浇注到离心机管模时，金属液的凝固速度太快，导致强化层和基体层的界面结合不好。这些问题的产生主要是由于实际操作的复杂性，工艺参数不能量化，实际操作完全是凭借经验进行。如果要得到性能良好的复合层，必须严格控制好离心机管模的预热以及金属液的浇注温度、和时间间隔，但实际操作过程的多样性，这些条件无法量化，致使复合轧辊的质量难以保证。因此在复合轧辊的制备过程中，对工艺参数的量化操作是非常必要的。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种原位熔覆耐磨层强化球墨铸铁复合轧辊的制备方法，该方法操作简单，方便可行，工艺参数可量化，只需浇注一种金属液，即可得到耐磨层为高铬铸铁或者硬质合金，辊芯部为球墨铸铁的复合轧辊。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种原位熔覆耐磨层强化球墨铸铁复合轧辊的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
第一步，将用高铬合金粉或硬质合金粉制备的合金粉芯焊丝绕制成一定大小的圆盘；
第二步：在奥氏体不锈钢离心机管模的内壁涂覆一层耐火涂料
第三步，将圆盘紧贴于奥氏体不锈钢离心机管模的内壁，每圈焊丝之间紧密排列；
第四步，在奥氏体不锈钢离心机管模的外壁布置一组可产生电磁场的电磁线圈，电磁线圈与离心机管模外壁的距离为15mm；
第五步，开启离心机，离心机的转速为1100转/分钟-1200转/分钟：运转正常1分钟后，开启电磁场，施加磁感应强度为0.03-0.20T的电磁场；继续空转2min-4min，将离心机管模和合金粉芯焊丝预热到350℃-600℃；
第六步，在电磁场开启和离心机运转的状态下，浇注球墨铸铁基体金属液到离心机管模内；浇注速度为5kg/秒～20kg/秒，球墨铸铁基体金属液的浇注量根据基体层厚度的要求确定；
第七步，浇注完毕，继续施加电磁场2min-5min，使合金粉芯焊丝通过电磁感应和基体金属液所携带的热容量两个热源熔化；
第八步，关闭电磁场，让熔覆层和基体金属液从外开始降温、凝固，原位形成耐磨层，离心机继续运转2min后停止；
第九步，从离心机管模内拔出铸管，即得到铸态的复合轧辊；
第十步，根据对芯部材质的要求不同，进行一定的热处理，并结合机械加工，即得到耐磨层为高铬铸铁或硬质合金，芯部为球墨铸铁的复合轧辊。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明实现了合金粉芯焊丝和奥氏体不锈钢离心机管模的预热温度的量化操作，其量化指标是通过电磁场的工艺试验确定：下表是一组通过电磁感应加热对奥氏体不锈钢离心机管模和合金粉芯焊丝预热温度的对应关系。测试条件为：奥氏体不锈钢离心机管模的外径为215mm，壁厚为15mm，电磁线圈与奥氏体不锈钢离心机管模外壁的距离为20mm，施加电磁场时间为2min，合金粉芯焊丝的直径为3.2mm，每圈焊丝间的中心距为3.5mm；离心机转速为1100转/分钟；
电磁感应加热对奥氏体不锈钢管模2和合金粉芯焊丝1预热温度的对应关系：
 磁感应强度(T)   0.03   0.06   0.09   0.12   0.15   0.18
 预热温度(℃)   359   387   424   447   520   575
2、本发明的原位熔覆耐磨层强化球墨铸铁复合轧辊的制备方法只浇注一种金属液，避免了两种金属液浇注时的浇注温度和浇注时间难以控制的问题；
3、本发明利用了合金粉芯焊丝的一定磁导率和电磁感应加热原理，可对合金粉芯进行预热，避免了金属液接触到奥氏体不锈钢离心机管模内壁时的快速凝固，
4、本发明在浇注完金属液后，继续施加一段时间的电磁场，确保了合金粉芯焊丝的原位熔覆，同时利用了电磁场的集肤效应，将耐磨层的晶粒细化，利于耐磨层的性能发挥；确保了复合轧辊的界面结合，克服了双液浇注时工艺控制难的问题，工艺的可操作性强。
附图说明
图1是合金粉芯焊丝绕制的直径为131-325mm的圆盘；
图2是离心浇注前，合金粉丝圆盘在离心机管模内的布置；
图3是铸态的复合轧辊。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
本发明的位熔覆耐磨层强化球墨铸铁复合轧辊的制备方法，其原理是将由合金粉制备的合金粉芯焊丝紧贴奥氏体不锈钢离心机管模的内壁布置，在离心机管模的外壁施加一组电磁线圈，由于合金粉芯焊丝具有一定的磁导率，且合金粉芯焊丝和奥氏体不锈钢离心机管模的磁导率不同，故电磁感应加热对合金粉芯的加热程度大于对奥氏体不锈钢离心机管模的加热程度，同样情况下，前者的预热温度要高于后者的预热温度，这既确保了合金粉芯在随后的浇注过程中熔化，又避免了离心机管模的预热不好，导致金属液在浇注时的快速凝固。合金粉芯熔化后的熔体，在离心力的作用下，向外围分布，当停止施加电磁场后，熔体层由外及内冷却、原位凝固，得到与基体达到冶金结合的耐磨层。
离心机管模外壳采用奥氏体不锈钢材质制作，内部涂覆一层耐火涂料。
以下是发明人给出的实施例，需要说明的是，这些实施例是本发明较优的例子，主要用于理解本发明，本发明不限于这些实施例。
实施例1：制备原位熔覆硬质合金耐磨层强化球墨铸铁复合轧辊：
技术要求：合金粉芯焊丝1的直径3.2mm；复合轧辊长度为1m；其外径为192mm；内径为162mm；耐磨层4厚度为3.5mm；合金粉芯焊丝1中合金粉化学成分为(wt.％)：Cr：12.0，B：3.0，Si：3.0，C：0.6，Fe≤3.8，WC(W2C)：25.0，Ni：余量。
第一步：采用上述成分制备的直径为3.2mm的合金粉芯焊丝1，绕制成直径为190mm的圆盘(见图1)；
第二步：在奥氏体不锈钢离心机管模的内壁涂覆一层耐火涂料；
第三步：将合金粉芯焊丝1制成的圆盘紧贴奥氏体不锈钢离心机管模2的内壁，奥氏体不锈钢离心机管模2的内径为192mm，硬质合金粉芯焊丝1每圈之间紧密排列(见图2)；
第四步：在离心机管模2的外壁布置一组产生电磁场的电磁线圈3，电磁线圈3与奥氏体不锈钢离心机管模2外壁的距离为15mm；
第五步：开启离心机，离心机的转速为1200转/分钟：运转正常后1min，开启电磁线圈3，产生的电磁场的磁感应强度为0.06T；空转2min，将合金粉芯焊丝预热到350℃～400℃；
第六步：在电磁场开启的状态下，浇注球墨铸铁基体金属液到离心机管模2内；球墨铸铁基体金属液的浇注温度1300℃-1330℃之间，浇注速度为5.0kg/s：浇注量为70kg；
第七步：浇注完毕，继续施加电磁场2min；使合金粉芯焊丝1通过电磁感应和基体金属液所携带的热容量两个热源熔化，原位生成耐磨层4；
第八步：关闭电磁线圈3，离心机继续运转2min后停止；
第九步：从离心机管模2内拔出铸管，即可得到铸态的复合轧辊(图3)；
第十步：进行热处理，结合机械加工，即可得到耐磨层4为硬质合金，辊芯5为球墨铸铁的复合轧辊。
实施例2：制备原位熔覆高铬铸铁强化球墨铸铁复合轧辊：
技术要求：合金粉芯焊丝1的直径3.2mm；复合轧辊长度为1m；其外径为245mm；内径为185mm；耐磨层4厚度为4mm；合金粉芯焊丝1中合金粉化学成分为(wt.％)：Cr：27.21，C：3.20，Si：1.44，Mn：0.12，P≤0.028，S≤0.016，余量：Fe。
第一步：采用上述化学成分制备的直径为3.2mm合金粉芯焊丝1，绕制成直径为243mm的圆盘(图1)；
第二步：在奥氏体不锈钢离心机管模的内壁涂覆一层耐火涂料；
第三步：将合金粉芯焊丝1制成的圆盘紧贴奥氏体不锈钢离心机管模2的内壁，离心机管模2的内径为245mm，合金粉芯焊丝1每圈之间紧密排列(图2)；
第四步：在奥氏体不锈钢离心机管模2的外壁布置一组产生电磁场的电磁线圈3，电磁线圈3与离心机管模2外壁的距离为15mm；
第五步：开启离心机，离心机的转速为1150转/分钟：运转正常后1min，开启电磁线圈3，产生的电磁场的磁感应强度为0.12T；空转2min，将合金粉芯焊丝预热到400℃～450℃；
第六步：在电磁场开启的状态下，浇注球墨铸铁基体金属液到离心机管模2内；浇注温度1350℃-1370℃之间，浇注速度为5.6kg/s：浇注量为170kg；
第七步：浇注完毕，继续施加电磁场3min，使合金粉芯焊丝1通过电磁感应和基体金属液所携带的热容量两个热源熔化，原位生成耐磨层4；
第八步：关闭电磁线圈3，离心机继续运转2min后停止；
第九步：从离心机管模2内拔出铸管，即可得到铸态的复合轧辊(图3)；
第十步：进行热处理，结合机械加工，即可得到耐磨层4为高铬铸铁，辊芯5为球墨铸铁的复合轧辊。
实施例3：制备原位熔覆高铬铸铁强化球墨铸铁复合轧辊：
技术要求：合金粉芯焊丝1的直径5.0mm；复合轧辊长度为1m；其外径为325mm；内径为245mm；耐磨层4厚度为5mm；合金粉芯焊丝1中合金粉化学成分为(wt.％)：Cr：27.21，C：3.20，Si：1.44，Mn：0.12，P≤0.028，S≤0.016，余量：Fe。
第一步：采用上述化学成分制备的直径为5.0mm合金粉芯焊丝1，绕制成直径为323mm的圆盘(图1)；
第二步：在奥氏体不锈钢离心机管模的内壁涂覆一层耐火涂料；
第三步：将合金粉芯焊丝1制成的圆盘紧贴奥氏体不锈钢离心机管模2的内壁，奥氏体不锈钢离心机管模2的内径为325mm，合金粉芯焊丝1每圈之间紧密排列(图2)；
第四步：在奥氏体不锈钢离心机管模2的外壁布置一组产生电磁场的电磁线圈3，电磁线圈3与离心机管模2外壁的距离为15mm；
第五步：开启离心机，离心机的转速为1100转/分钟：运转正常后1min，开启电磁线圈3，产生的电磁场的磁感应强度为0.15T；空转2min；将合金粉芯焊丝预热到500-550℃；
第六步：在电磁场开启的状态下，浇注球墨铸铁基体金属液到离心机管模2内；浇注温度1380℃-1420℃之间，浇注速度为7.8kg/s：浇注量为230kg；
第七步：浇注完毕，继续施加电磁场4min，使合金粉芯焊丝1通过电磁感应和基体金属液所携带的热容量两个热源熔化，原位生成耐磨层4；
第八步：关闭电磁线圈3，离心机继续运转2min后停止；
第九步：从离心机管模2内拔出铸管，即可得到铸态的复合轧辊(图3)；
第十步：进行热处理，结合机械加工，即可得到耐磨层4为高铬铸铁，辊芯5为球墨铸铁的复合轧辊。

Claims (7)

1、一种原位熔覆耐磨层强化球墨铸铁复合轧辊的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
第一步，将用高铬合金粉或硬质合金粉制备的合金粉芯焊丝绕制成一定大小的圆盘；
第二步：在奥氏体不锈钢离心机管模的内壁涂覆一层耐火涂料；
第三步，将圆盘紧贴于奥氏体不锈钢离心机管模的内壁，每圈焊丝之间紧密排列；
第四步，在奥氏体不锈钢离心机管模的外壁布置一组可产生电磁场的电磁线圈，电磁线圈与离心机管模外壁的距离为15mm；
第五步，开启离心机，离心机的转速为1100转/分钟-1200转/分钟：运转正常1分钟后，开启电磁场，施加磁感应强度为0.03-0.20T的电磁场；继续空转2min-4min，将离心机管模和合金粉芯焊丝预热到350℃-600℃；
第六步，在电磁场开启和离心机运转的状态下，浇注球墨铸铁基体金属液到离心机管模内；浇注速度为5kg/秒-20kg/秒，球墨铸铁基体金属液的浇注量根据基体层厚度的要求确定；
第七步，浇注完毕，继续施加电磁场2min～5min，使合金粉芯焊丝通过电磁感应和基体金属液所携带的热容量两个热源熔化；
第八步，关闭电磁场，让熔覆层和基体金属液从外开始降温、凝固，原位形成耐磨层，离心机继续运转2min后停止；
第九步，从离心机管模内拔出铸管，即得到铸态的复合轧辊；
第十步，根据对芯部材质的要求不同，进行一定的热处理，并结合机械加工，即得到耐磨层为高铬铸铁或硬质合金，芯部为球墨铸铁的复合轧辊。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的合金粉芯焊丝的直径为3mm-5mm。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的圆盘直径比所需轧辊直径小2mm。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的耐磨层厚度为3mm～6mm；轧辊的外径在135mm～325mm之间变化。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的球墨铸铁基体液的浇注温度为1400℃-1520℃之间，所述的离心机转速为1100转/分钟～1200转/分钟。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的合金粉芯焊丝具有一定的磁导率。
7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的离心机管模外壳采用奥氏体不锈钢材质制作，内部涂覆一层耐火涂料。
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