CN101695713B

CN101695713B - Wc复合导辊及其制造方法

Info

Publication number: CN101695713B
Application number: CN2009101850021A
Authority: CN
Inventors: 杜晓东; 杜炤鑫; 杜怡林; 袁霞
Original assignee: SHANGHAI SHANGYA ELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI SHANGYA ELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: CN101695713A

Abstract

WC复合导辊及其制造方法，复合导辊是在钢基体的表面有复合材料层，其特征是钢基体是碳含量按重量百分比为0.2～0.7％的碳素钢或合金钢；复合材料层按重量百分比的材料成分是：WC为10～50％、C为0.2～0.8％、Cr为0～3.0％、Mo为0～2.0％、Mn为0～2.0％、RE为0.11-0.5％、其它金属和非金属元素总量不超过5％，余量为Fe。将复合材料粉体以等离子喷涂的涂敷方法涂敷于钢基体表面，并采用氩弧重熔方法使其与钢基体一起重熔，在钢基体表面形成复合材料层；或直接将复合材料粉体喷洒于钢基体表面，并采用氩弧重熔方法使其与钢基体一起重熔。本发明复合导辊硬度高、耐磨性好、脆性低、可热处理、可机械加工、成本低、性价比高。

Description

WC复合导辊及其制造方法

技术领域

本发明涉及线棒型材轧机导辊及其制备方法。

背景技术

导辊是线、棒、型材成型设备的关键零件和主要消耗件，其市场需求量很大。目前，国内外采用的导辊主要有高铬铸铁、高铬铸钢、镍铬冷硬铸铁、Cr12MoV钢、高速钢和硬质合金等。前几类导辊成本低，但使用寿命短；高速钢导辊中偏析严重，共晶碳化物易呈网状分布，脆性大，易破碎；硬质合金寿命长，但价格昂贵，性价比不高。国内外也有采用表面涂敷合金或复合材料的方法，但涂敷的复合材料通常是WC-Co复合材料、WC-Ni复合材料、TiC-Ti复合材料等价格昂贵的复合材料，且不可通过热处理明显改善熔覆层组织和性能，涂覆工艺采用单一喷涂工艺或激光熔覆工艺、或真空熔结工艺。涂覆工艺采用单一喷涂工艺只能与钢基体形成机械结合；采用激光熔覆，成本高，熔覆层浅；真空熔结熔覆工艺虽可形成冶金结合，但熔覆的是价格昂贵的低熔点Ni基合金，成本高，工艺复杂，性能提高有限。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种具备硬度高，耐磨性好，脆性较低，可热处理，可机械加工，成本低，性价比高等优良性能的WC复合导辊及其制造方法。

本发明解决技术问题所采用如下技术方案。

本发明WC复合导辊是在钢基体的表面有复合材料层，其特点是：

所述钢基体是碳含量按重量百分比为0.2～0.7％的碳素钢或合金钢；

所述复合材料层按重量百分比的材料成分为：

WC为10～50％、 C为0.2～0.8％、 Cr为0～3.0％、

Mo为0～2.0％、 Mn为0～2.0％、 RE为0.11-0.5％、

其它金属和非金属元素总量不超过5％，余量为Fe。

本发明WC复合导辊的制造方法的特点是将所述复合材料粉体以等离子喷涂的涂敷方法涂敷于钢基体表面，并采用氩弧重熔方法使其与钢基体一起重熔，在钢基体表面形成复合材料层；或直接将复合材料粉体喷洒于钢基体表面，并采用氩弧重熔方法使其与钢基体一起重熔，在钢基体表面形成复合材料层，使复合材料与所述钢基体之间形成冶金结合。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明复合材料中以WC颗粒为硬质相颗粒，以钢为复合材料熔覆层的基体材料，并加入稀土，组成RE-WC-钢复合材料涂层，WC具有强化、硬化、提高耐磨性的作用，稀土具有细化、净化熔覆层基体，改善碳化物形态与分布的作用，钢基体具有粘接硬质相颗粒，保证材料的韧性、强度、可热处理性和可加工性的作用。与已有技术中WC-Co、WC-Ni复合材料、TiC-Ti钢复合材料等表面熔敷材料相比，具有成本低廉、原材料丰富、节约贵重金属的特点。

2、本发明复合材料采用等离子喷涂的涂敷方法涂敷于钢基体表面，或直接将经预处理的复合材料粉体或WC粉体喷洒于钢基体表面，并采用氩弧重熔方法使其与钢基体一起重熔，在钢基体表面形成复合材料层，在复合材料与所述钢基体之间形成冶金结合，其工艺简单、成本低，复合材料与基体界面结合良好。

以下通过具体实施方式对本发明作进一步描述：

具体实施方式

本实施例WC复合导辊是在钢基体的表面有复合材料层，其中，钢基体是碳含量按重量百分比为0.2～0.7％的碳素钢或合金钢；

复合材料按重量百分比的成分为：

WC 10～50％、C 0.2～0.8％、Cr 0～3.0％、

Mo 0～1.0％、Mn 0～2.0％、RE 0.11-0.5％其它金属和非金属元素总量不超过5％，余量为Fe。

其中，其它金属和非金属元素包括：Ti、Ni、Nb、V、Zr、RE、Si、B、N、H、O、Al、Cu、Co、Mg、Ca、Zn、K、Sn、Pb。

本发明复合材料按重量百分比的材料成分举例如下表：

组	WC	C	Cr	Mo	Mn	Ti	Ni	Nb	V	Zr	RE	Si	B	Fe
															1	10	0.5	0	0	0	0	0	0	0	0	0.11	0	0	余量
2	15	0.4	0.5	0.5	0.5	1.0	0	0	0.5	0	0.2	1.0	0	余量
															3	25	0.5	2	1	0	0	0	0.5	0	0	0.2	1.0	0.2	余量
4	35	0.3	1.0	0.5	0.5	0	0.5	0	0	0.2	0.2	0.5	0	余量
															5	50	0.5	3.0	2.0	2.0	1.0	1.0	0	0.3	0	0.2	2.0	0.5	余量
6	50	0.8	3.0	2.0	2.0	1.0	1.0	0	0.3	0	0.2	2.0	0.5	余量
															7	50	0.5	0	0	0.5	0	0	0	0	0	0.2	0	0	余量
8	50	0.5	3.0	2.0	2.0	1.0	1.0	0	0.3	0	0.5	2.0	0.5	余量

上表中的第一组，WC在复合材料中起到增强作用，可提高合金耐磨性。由于相对含量少，耐磨性提高幅度有限。但由于基体的连续性好，一定量的RE可净化、细化组织，减少WC的桥接，改善WC的形态与分布状态，复合材料韧性优良，在承受接触应力时，不易发生脆性剥落。

上表中的第二组，WC量较第一组增加50％，硬质颗粒对复合材料的增强作用明显提高，抗磨能力较之第一组好。同时加入一定量Cr、Mo、Si等元素，可提高复合材料的耐热性，同时C量略有降低，可提高复合材料的韧性，结果将导致复合材料抗热疲劳性能的提高；Mo有固溶强化的作用，Ti、V有细化晶粒、提高强度和塑韧性的作用；RE可净化、细化组织，减少WC的桥接，改善WC的形态与分布状态。热轧导辊工作时，导辊表面会反复受到加热、激冷的作用，热疲劳剥落和断裂是其主要失效形式之一，而上述成分的复合材料可具有较好的抗热疲劳剥落和断裂的能力。

上表中的第三组，WC量较第二组进一步增加，硬质颗粒对复合材料的增强作用提高，抗磨能力较之第二组好。由于加入的Cr、Mo等元素比第二组多，可提高复合材料的耐热性及抗热疲劳剥落和断裂的能力。Ti、V量减为0，可降低成本，但细化晶粒、提高强度效果下降。但由于Mn量也减为0，复合材料晶粒粗化倾向降低，不致过于粗化。增加0.1％含碳量，可增加复合材料的硬度。上述复合材料具有较好的耐磨性、抗热疲劳性，成本较第二组低。

上表中的第四组，WC量较第三组进一步增加，硬质颗粒对复合材料的增强作用提高，抗磨能力较之第三组好。由于复合材料中作为粘结相的钢百分比下降，及WC溶解量增加导致作为粘结相的钢中碳含量增加，复合材料的韧性会下降，脆性会增加，加入Ni有提高韧性的作用。

上表中的第五组，WC量较第四组明显增加，复合材料的硬度、耐磨性很高，合金元素量大，成本高。大量合金元素存在可明显提高复合材料中作为粘结相的钢的韧性、耐热性、抗热疲劳性，可改善复合材料由于钢的比例下降而牺牲的韧性和抗疲劳性，RE仍起到净化、细化组织，减少WC的桥接，改善WC的形态与分布状态的作用。

上表中的第六组，C量较第五组明显增加，对提高硬度和耐磨性有利，但韧性会下降，若碳含量再增加，韧性的下降会明显降低合金性能与寿命。

上表中的第七组，C量较第五组有明显降低，对提高表面复合材料韧性有利，可降低表面裂纹产生的可能性，同时合金元素含量明显降低，可降低合金成本。

上表中的第八组，C量较第五组有明显降低，对提高表面复合材料韧性有利，可降低表面裂纹产生的可能性，同时合金元素含量明显降低，可降低合金成本。较之第五组，RE含量增加，对合金的净化、细化，改善WC的状态有利，但若再进一步增加，则会对熔覆层性能产生不利作用。

实施例1：

按重量百分比计，复合材料的成分为：25％WC、1.0％Cr、1.0％Mo、0.5％Nb，0.2％RE、Ti、Ni、Mn、V、Zr、Si或B合金元素总量不超过2％，复合材料的钢基体中碳含量为0.4％，余量为Fe；将上述复合材料原料经混料、球磨，制成粉体，采用等离子喷涂的方法涂敷于金属表面，使其与金属表面结合。为防止起皮，喷涂层厚度不超过1mm。采用氩弧重熔的重熔加工方法，使表面涂覆层重熔，与钢基体形成冶金结合。具体氩弧重熔工艺为：电流为70A，焊速为130mm/min，氩气流量为10L/mim，为保证电弧较稳定、熔化效率高、熔层深而窄、工件收缩应力和应变小，氩弧采用直流正接进行搭接烧熔。

实施例2：

按重量百分比计，复合材料的成分为：15％WC、1.0％Cr、1.0％Mo、0.5％Nb，0.2％RE、Ti、Ni、Mn、V、Zr、Si或B合金元素总量不超过2％，复合材料的钢基体中碳含量为0.4％，余量为Fe；将上述复合材料原料经混料、球磨，制成粉体，采用等离子喷涂的方法涂敷于金属表面，使其与金属表面结合，喷涂层厚度不超过1mm。采用氩弧重熔的重熔加工方法，使表面涂覆层重熔，与钢基体形成冶金结合。具体氩弧重熔工艺为：电流为70A，焊速为130mm/min，氩气流量为10L/mim，为保证电弧较稳定、熔化效率高、熔层深而窄、工件收缩应力和应变小，氩弧采用直流正接进行搭接烧熔。

实施例3：

按重量百分比计，复合材料的成分为：25％WC、1.0％Cr、1.0％Mo、0.5％Nb，0.2％RE、Ti、Ni、Mn、V、Zr、Si或B合金元素总量不超过2％，复合材料的钢基体中碳含量为0.4％，余量为Fe；将上述复合材料原料经混料、球磨，制成粉体，直接将经预处理的复合材料粉体喷洒于钢基体表面，并采用氩弧重熔方法边喷撒边熔化，使其与钢基体一起重熔，在钢基体表面形成复合材料层，在复合材料与所述钢基体之间形成冶金结合。具体氩弧重熔工艺为：电流70A，焊速为130mm/min，氩气流量为10L/mim，为保证电弧较稳定、熔化效率高、熔层深而窄、工件收缩应力和应变小，氩弧采用直流正接进行搭接烧熔。

导辊工作时受到强烈的摩擦磨损，要求其表面必须有高的耐磨性。WC是一种高硬度的硬质相，维氏硬度33400MPa，与钢基体润湿性良好。WC颗粒分散分布于钢基体中，钢基体起到粘结WC颗粒和支撑的作用，WC颗粒起到强化、硬化和抗磨的作用，该类复合材料具有较高的耐磨性。在导辊表面熔敷一层该复合材料，可有效提高导辊表面耐磨性，同时成本提高的幅度很小。在WC-钢复合材料的烧结法制备过程中，固相烧结时，复合材料致密度低，孔隙率高；液相烧结时，WC偏聚、桥接严重，且由于高温停留时间长，WC在钢中溶解量大，一方面降低了WC的强化、硬化作用，另一方面使基体中高碳，降低了基体韧性。本发明在制造导辊表面覆层时是将复合材料粉体以等离子喷涂的涂敷方法涂敷于钢基体表面，或直接将经预处理的复合材料粉体或WC粉体喷洒于钢基体表面，同时采用氩弧重熔方法使其与钢基体一起重熔，在钢基体表面形成复合材料层，其熔化速度快，高温停留时间短，界面反应较少，WC溶解量小，WC也来不及产生比重偏聚，因此WC在复合涂层中分布状态好，桥接少，与钢的结合较好，硬质颗粒不易剥落，基体含碳量较低，韧性好，复合材料熔覆层的强硬度、韧性较优，与钢基体呈冶金结合，不易剥落，耐磨性较优。

表面熔敷的复合材料的性能一方面取决于WC的状态及其含量，WC含量过低，对熔覆层的强化、硬化作用不足，WC含量过高，复合材料中作为粘结相的钢百分比下降，熔覆WC溶解绝对量增加导致作为粘结相的钢中碳含量增加，复合材料的韧性会下降，脆性增加，将降低熔覆层性能，因此WC重量百分比取10-50％较理想。另一方面，表面熔敷的复合材料的性能也取决于复合材料中作为粘结相的钢的成分。本发明所制备的表面熔敷的复合材料中作为粘结相的钢中加入了适当的合金元素，具体分析如下：

C在0.20-0.80％之间，可保证钢基体相有好的强度、韧性的配合，使其可以支撑WC粒子和保证复合材料韧性；Cr可以提高钢的强度，能较明显提高钢的冲击韧性，可提高钢的抗氧化性；Mo、Ti、V可细化晶粒，减少过热倾向，提高回火稳定性，Mo还能减少回火脆性。Ni能大大提高钢的淬透性和耐蚀性，Mn能提高合金硬度、Si能增加钢的淬透性；适量的RE可净化、细化晶粒，减少WC的桥接，改善WC的形态与分布状态，改善WC与钢的界面结合，RE含量过低，上述作用不明显，RE含量过高，对熔覆层组织性能反有不利作用。

相对于国内外使用导辊中性能较好的高合金钢导辊和硬质合金导辊，本发明由于将WC复合材料熔敷于碳素钢或低合金钢基体表面，钢基体合金元素少，成本低，熔敷层较薄，且WC溶解少，利用率高，所以，制成的导辊成本低，性价比高。

本发明的WC复合材料表面熔敷导辊与其他材质的导辊相比有较高的耐磨性(比Cr12MoV钢导辊耐磨性提高2～3倍)。使用中无断裂，寿命比Cr12MoV钢导辊提高2倍。成本与Cr12MoV钢导辊基本相近，比硬质合金导辊降低50％，比高速钢导辊降低30％。

Claims

1.WC复合导辊，是在钢基体的表面有复合材料层，其特征是：

所述复合材料层按重量百分比的材料成分为：

WC为10～50％、C为0.2～0.8％、Cr为0～3.0％、

Mo为0～2.0％、Mn为0～2.0％、RE为0.11-0.5％、

其它金属和非金属元素总量不超过5％，余量为Fe；

将所述复合材料粉体以等离子喷涂的涂敷方法涂敷于钢基体表面，并采用氩弧重熔方法使其与钢基体一起重熔，在钢基体表面形成复合材料层；或直接将复合材料粉体喷洒于钢基体表面，并采用氩弧重熔方法使其与钢基体一起重熔，在钢基体表面形成复合材料层，使复合材料与所述钢基体之间形成冶金结合。