CN103692221A - 一种超强耐磨复合轧辊的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合轧辊的制备方法，特别是一种超强耐磨复合轧辊的制备方法。采用具有超强耐磨性能的自熔性合金粉末的堆焊技术与爆炸硬化工艺或者激光表面硬化工程技术的复合技术制造。轧辊由轧辊芯部和轧辊工作层组成，轧辊工作层由在轧辊芯部上用堆焊工艺制备。轧辊芯部材质为QT400-QT800-2球铁、235-450铸钢，表面工作层复合材料组分为42CrMo粉，65镍合金粉，纳米碳化钨粉，铝粉和石墨粉。用这种复合技术制造的轧辊表面具有超强耐磨性能。轧辊所用材料的百分之八十以上都可以进入循环再制造的流程中，制造工艺具有绿色制造的特征。轧辊的形式分为板材轧辊和型材轧辊两种。

Description

一种超强耐磨复合轧辊的制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合轧辊的制备方法，特别是一种超强耐磨复合轧辊的制备方法。属于冶金机械设备绿色设计的再制造领域。

背景技术

轧辊作为轧钢过程中的一个重要消耗部件,在正常的轧制过程中,会因很多原因遭到破坏。但主要原因还是轧辊表面应力、热疲劳、冲击疲劳以及硬度、硬度均化缺陷 导致过钢量不能最大化,尤其是轧辊硬度，是衡量轧辊材料软硬程度的力学性能的重要指标。硬度并不是材料的基本性能，而只是一项实用的工程性能，用来对材料强度，热处理状态或加工硬化程度等实施简单的无损评估，根据其测试方法，硬度被定义为材料抗永久压痕的能力。轧辊都要求耐磨，但由于测量难度较大，硬度便成了日常控制指标。但硬度和耐磨性并非无条件统一的，依其随温度的变化率和结构特征，室温硬度较高的轧辊在热轧条件下不一定更耐磨，所以在选择轧辊时，除硬度外，还要看其成分、生产方法、组织结构、其他性能和残余应力。此外，硬度越高，轧辊的抗事故性越差，所以在选择轧辊硬度时，还要看轧机条件、轧制条件、轧件品种和操作经验。

轧辊的硬度指标实际包括三部分内容，即平均硬度、硬度均匀性和硬度随深度的分布，它们都是统计值。测量轧辊硬度时，测值精度取决于仪器精度、轧辊表面粗糙度、轧辊表面质量(氧化、脱碳和清洁程度)以及操作的稳定性。统计平均硬度时，把轧辊硬度视为单一真值，此时，其准确性取决于粗大误差的识别方法、测点分配、测量次数和数据分组方法等。统计轧辊硬度均匀性时，承认被测系统本身是不均匀的。此时，其准确性取决于总体数据的统计方法和把测量误差从统计结果中分解出去的方法。统计硬度随深度的分布时，须对应力的影响加以修正。这是因为轧辊硬度的测值实际上是材料硬度和残余应力影响叠加的结果，而残余应力随深度有较大的变化。残余应力主要是对动态测定的硬度值影响较大，对肖氏硬度影响最大，对里氏硬度次之，对静态测试的影响则很小，对维氏硬度几乎没有影响。

轧机在轧制生产过程中,轧辊处于复杂的应力状态。热轧轧辊的工作环境更为恶劣:轧辊与轧件接触加热,轧辊水冷引起的周期性热应力,轧制负荷引起的接触应力及残余应力等。而轧制时卡钢造成局部发热所引起的热冲击、轧辊边部压靠、局部机械应力等,都易使轧辊失效。除此之外,轧辊制造厂家方面的原因,诸如轧辊辊面砂眼、气孔、夹杂等各种缺陷形式,也会引发轧辊的失效。轧辊的主要失效形式有裂纹、剥落和断裂等,其中任何一种失效形式都会影响轧辊使用寿命，造成轧辊工作层的无谓浪费,使轧辊辊耗增加，同时降低了生产成品率，从而影响企业效益。

轧辊裂纹一般发生于轧辊表面薄层,是因多次温度循环产生的热应力所造成的逐渐破裂。在轧制过程中,轧辊受冷热交替变化剧烈,从而在轧辊表面产生严重应变,逐渐导致热疲劳裂纹的产生。这种裂纹是热循环应力、拉应力及塑性应变等多种因素综合形成的,塑性应变使得裂纹出现,拉应力使其扩展。

剥落为轧辊主要的损坏形式,其有两种形式,一是轧辊表面裂纹引起的剥落,轧制过程中由于热冲击在辊面产生裂纹并扩展;或磨削后辊面存在残余裂纹,在随后上机轧制时裂纹扩展;或辊面局部区域应力集中,造成超出材料接触疲劳强度引起剥落。二是内部裂纹引起的剥落,可能与轧辊内部存在夹杂物和结合层缺陷有关,在轧制力作用下产生裂纹并扩展导致剥落。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种超强耐磨复合轧辊的制备方法。它将球磨铸铁的高冲击韧性和高强度与具有高耐磨性的表面工作层复合起来使得轧辊具有超强耐磨的特性。

 本发明的技术方案是：一种超强耐磨复合轧辊的制备方法，其特征是：该超强耐磨复合轧辊由轧辊芯部和轧辊工作层或辊巢工作层组成，轧辊材心部简称辊芯；轧辊工作层或辊巢工作层在轧辊芯部上用堆焊工艺制备，并用爆炸硬化工艺或激光表面硬化工艺进行硬化处理；轧辊的形式分为板材轧辊和型材轧辊两种。

    所述的板材轧辊的制备方法包括如下步骤：

    步骤1）采用牌号为QT400--QT800-2的球磨铸铁、325—450铸钢铸造板材轧辊材芯部，芯部直径比轧辊最终名义直径小5mm～50mm； 

    步骤2）采用空心焊条对辊芯进行堆焊，使辊芯表面形成堆焊层A，堆焊层A的厚度为5～50mm；空心焊条空心腔内装有复合粉末，其成分为：42CrMo粉、65镍合金粉、纳米碳化钨粉、铝粉和石墨粉；

    步骤3）对堆焊层A采用高能定向爆炸热处理工程技术，强化和均化堆焊层硬度，使其在堆焊层A表面形成爆炸硬化层；

    步骤4）对爆炸硬化层进行退火；退火温度为400℃～800℃；退火保温时间为3小时～6小时；退火后表面硬度58～63HRC。

    步骤5）对爆炸硬化层采用金刚石精细磨床，磨至使用尺寸；使成品辊的粗糙度Ra为4.6～12um。

    上述步骤1）中的辊芯直径为500mm～2000mm；辊芯表面粗糙度Ra为18～58um；

    上述步骤2）中的空心焊条的空心腔体中填充的42CrMo粉、65镍合金粉、纳米碳化钨粉、铝粉和石墨，其比例如下：42CrMo粉重量比百分含量为45%～55%，粒度为-200目全粉；65镍合金粉重量比百分含量为15%～30%，粒度为-200目全粉；纳米碳化钨重量百分比为5%～16%，粒度为20nm～200nm；铝粉重量百分比含量为12%～28%，粒度为-200目全粉；石墨重量百分比含量为1.5%～5.5%，粒度为-325目全粉；

    上述步骤2）中堆焊时辊芯表面需加热到280至300℃。

    所述的型材轧辊的制备方法包括如下步骤：

   步骤1）采用牌号为QT800-2的球磨铸铁铸造板材轧辊材心部，心部直径比轧辊最终名义直径小5mm～50mm；并在辊芯设置辊巢预留槽；

   步骤2）采用空心焊条对预留槽处进行堆焊，填满预留槽形成堆焊层B；空心焊条空心腔内装有复合粉末，其成分为：42CrMo粉、65镍合金粉、纳米碳化钨粉、铝粉和石墨粉；堆焊填实预留槽至辊芯外径一致的加工尺寸；填实预留槽即为辊巢；

   步骤3）对辊巢的外表面采用激光表面硬化技术处理，提高和均化辊巢工作层硬度；

   步骤4）对辊巢工作层进行退火；退火温度为400℃～800℃；退火保温时间为3小时～6小时；退火后表面硬度58～63HRC；

   步骤5）对辊巢工作层采用金刚石精细磨床，磨至使用尺寸；使成品辊的粗糙度Ra为4.6～12um。

所述的型材轧辊的制备方法中：

所述步骤1）中的辊芯直径为500mm～2000mm；辊巢预留槽的宽度范围为30mm～90mm、深度范围为20mm～60mm；步骤1）的辊芯表面粗糙度Ra为18～58um；

    所述步骤2）中的空心焊条的空心腔体中填充的42CrMo粉、65镍合金粉、纳米碳化钨粉、铝粉和石墨，其比例如下：42CrMo粉重量比百分含量为45%～55%，粒度为-200目全粉；65镍合金粉重量比百分含量为15%～30%，粒度为-200目全粉；纳米碳化钨重量百分比为5%～16%，粒度为20nm～200nm；铝粉重量百分比含量为12%～28%，粒度为-200目全粉；石墨重量百分比含量为1.5%～5.5%，粒度为-325目全粉；

所述步骤2）中堆焊时辊芯表面需加热到280至300℃。

本发明的优点是：这种超强耐磨复合轧辊采用具有超强耐磨性能的自熔性合金粉末的堆焊技术与爆炸硬化工艺或者激光表面硬化工程技术的复合技术制造的新型轧辊。其轧制力是普通轧辊的两倍，轧辊所用材料的百分之八十以上都可以进入循环再制造的流程中，使轧辊的吨钢消耗减少20%，轧辊制造资源节省50%左右，提高轧辊心部基础材料的使用率。因此这种工艺具有绿色制造的特征。用这种复合技术制造的轧辊表面具有超强耐磨性能，可以有效解决轧辊表面应力、热疲劳、冲击疲劳以及硬度均化缺陷等因素造成的过钢量不能最大化的问题。

下面结合实施例及附图对本发明的制备方法做进一步的说明，但不作为对本发明的技术方案的限定。

附图说明

图1为本发明采用板材制备的轧辊的结构示意图；

图2为本发明采用型材制备的轧辊的结构示意图。 

图中：1、辊芯；2、爆炸硬化层；3、堆焊层A；4、预留槽；5、堆焊层B；6、辊巢工作层。

具体实施方式

  本发明的一种超强耐磨复合轧辊的制备方法，该超强耐磨复合轧辊由轧辊心部和轧辊工作层或辊巢工作层组成，轧辊材心部简称辊芯；轧辊工作层或辊巢工作层在轧辊心部上用堆焊工艺制备，并用爆炸硬化工艺或激光表面硬化工艺进行硬化处理；轧辊的形式分为板材轧辊和型材轧辊两种。

  所述的板材轧辊的制备方法包括如下步骤：

    步骤1）采用牌号为QT400--QT800-2的球磨铸铁铸造板材轧辊材心部，心部直径比轧辊最终名义直径小5mm～50mm； 

    步骤2）采用空心焊条对辊芯进行堆焊，使辊芯表面形成堆焊层A，堆焊层A的厚度为5～50mm；空心焊条空心腔内装有复合粉末，其成分为：42CrMo粉、65镍合金粉、纳米碳化钨粉、铝粉和石墨粉；

    步骤3）对堆焊层A采用高能定向爆炸热处理工程技术，强化和均化堆焊层硬度，使其在堆焊层A表面形成爆炸硬化层；

    步骤4）对爆炸硬化层进行退火；退火温度为400℃～800℃；退火保温时间为3小时～6小时；退火后表面硬度58～63HRC。

步骤5）对爆炸硬化层采用金刚石精细磨床，磨至使用尺寸；使成品辊的粗糙度Ra为4.6～12um。

    所述的型材轧辊的制备方法包括如下步骤：

   步骤1）采用牌号为QT400--QT800-2的球磨铸铁铸造板材轧辊材芯部，芯部直径比轧辊最终名义直径小5mm～50mm；并在辊芯设置辊巢预留槽；

   步骤2）采用空心焊条对预留槽处进行堆焊，填满预留槽形成堆焊层B；空心焊条空心腔内装有复合粉末，其成分为：42CrMo粉、65镍合金粉、纳米碳化钨粉、铝粉和石墨粉；堆焊填实预留槽至辊芯外径一致的加工尺寸；填实预留槽即为辊巢；

   步骤3）对辊巢的外表面采用激光表面硬化技术处理，提高和均化辊巢工作层硬度；

   步骤4）对辊巢工作层进行退火；退火温度为400℃～800℃；退火保温时间为3小时～6小时；退火后表面硬度58～63HRC；

   步骤5）对辊巢工作层采用金刚石精细磨床，磨至使用尺寸；使成品辊的粗糙度Ra为4.6～12um。

以上步骤中所述的激光表面硬化处理工程技术是一种通过激光快速加热和冷却使得表面发声相变而使表面硬度提高的表面工程技术。具体原理为：以高能量的激光束快速扫描工件，使被照射的金属或合金表面温度以极快速度升到高于相变点而低于熔化温度。当激光束离开被照射部位时，由于热传导的作用，处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火，进而实现工件的表面相变硬化。这一过程是在快速加热和快速冷却下完成的，所以得到的硬化层组织较细，硬度亦高于常规淬火的硬度。属于本领域公知技术这里就不做详细描述。

 以上步骤中所述的高能定向爆炸热处理工程技术:由于爆炸热处理复合轧辊表面过程中，金属结构之间发生高速震荡而使轧辊工作层组织硬化。同时，消除了轧辊工作界面的残余应力，爆炸热处理使复合板材轧辊工作面的应力均化度提高。热处理温度与爆炸热处理复合轧辊工作层的母材材料及复合条件有关，因此对每一批复合产品，都要选择适当的热处理温度。例如：有研究结果认为：对不锈钢/高碳钢爆炸复合板，在650℃退火以后，熔化区的成分没有变化；但在850℃退火以后，碳钢脱碳很严重，且在不锈钢表面形成碳化铬颗粒，因而使不锈钢的抗腐蚀性能下降。属于本领域公知技术这里就不做详细描述。

实施例1

如图1所示，直径为1200mm的板材轧辊制备方法

步骤1）用铸造法制备板材轧辊的芯部，材料为QT800-2。芯部直径为1160毫米。粗加工后的表面粗糙度Ra为32um。

步骤2）将辊芯1表面需加热到290℃，采用空心焊条对辊芯进行堆焊，使辊芯表面形成堆焊层A 3，堆焊层A的厚度为24mm；空心焊条空心腔内装有复合粉末，其成分为：42CrMo粉、65镍合金粉、纳米碳化钨粉、铝粉和石墨粉。其重量百分比分别为50%，20%，8%，20%和2%。纳米碳化钨粒度为80纳米，石墨粉粒度为-325目，其余均为-200目全粉。

步骤3）对堆焊层A3采用高能定向爆炸热处理工程技术，强化和均化堆焊层A硬度，使其在堆焊层A表面形成爆炸硬化层2，爆炸硬化层2厚度大于16mm；堆焊层A3和爆炸硬化层2组成了轧辊工作层。

步骤4）将轧辊置于退火炉中退火。退火温度为560℃，退火保温时间为4.5小时。退火后表面硬度为59～61HRC。

步骤5）磨削轧辊表面至直径尺寸1200mm,表面粗糙度Ra为6.3。

实施例2

如图2所示，直径为800mm的型材轧辊制备方法

步骤1） 用铸造法制备板材轧辊的芯部，材料为QT800-2。芯部直径为795毫米。粗加工后的表面粗糙度Ra为32um。预留槽4尺寸为宽度50毫米，深度40毫米，每个预留槽间距120毫米。

   步骤2）采用空心焊条对预留槽4处进行堆焊，填满预留槽形成堆焊层B 5，堆焊层B的厚度为59毫米（即：比芯部表面高出19毫米）；填实预留槽即为辊巢；空心焊条空心腔内装有复合粉末，其成分为：42CrMo粉、65镍合金粉、纳米碳化钨粉、铝粉和石墨粉。其重量百分比分别为45%，25%，12%，15%和3%。纳米碳化钨粒度为60纳米，石墨粉粒度为-325目，其余均为-200目全粉。一般 堆焊层B 5的厚度要高出预留槽4深度10毫米以上。  

   步骤3）对辊巢的外表面采用激光表面硬化技术处理，提高和均化辊巢工作层6硬度。

步骤4）将轧辊置于退火炉中退火。退火温度为620℃，退火保温时间为6小时。退火后辊巢的外表面硬度为60～62HRC。

步骤5）磨削轧辊表面至直径尺寸800mm,表面粗糙度Ra为6.3。

本发明的成品辊使用后，当其堆焊的爆炸硬化层或辊巢工作层用最大过钢量后，将轧辊返厂进行探伤和疲劳综合评价，再重复型材轧辊制备方法或板材轧辊制备方法中的步骤2~4的工艺后进入多次重复使用的再制造流程；本发明轧辊所用材料的百分之八十以上都可以进入循环再制造的流程中，使轧辊的吨钢消耗减少40%，轧辊制造资源节省50%左右，提高轧辊心部基础材料的使用率。

本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (5)

1.一种超强耐磨复合轧辊的制备方法，其特征是：该超强耐磨复合轧辊由轧辊芯部和轧辊工作层或辊巢工作层组成，轧辊材心部简称辊芯；轧辊工作层或辊巢工作层在轧辊芯部上用堆焊工艺制备，并用爆炸硬化工艺或激光表面硬化工艺进行硬化处理；轧辊的形式分为板材轧辊和型材轧辊两种。

2.根据权利要求1所述的一种超强耐磨复合轧辊的制备方法，其特征是：所述的板材轧辊的制备方法包括如下步骤：

步骤1）采用牌号为QT400--QT800-2的球磨铸铁或235—450铸钢铸造板材轧辊材心部，心部直径比轧辊最终名义直径小5mm～50mm； 

步骤2）采用空心焊条对辊芯进行堆焊，使辊芯表面形成堆焊层A，堆焊层A的厚度为5～50mm；空心焊条空心腔内装有复合粉末，其成分为：42CrMo粉、65镍合金粉、纳米碳化钨粉、铝粉和石墨粉；

步骤3）对堆焊层A采用高能定向爆炸热处理工程技术，强化和均化堆焊层A硬度，使其在堆焊层A表面形成爆炸硬化层；

步骤4）对爆炸硬化层进行退火；退火温度为400℃～800℃；退火保温时间为3小时～6小时；退火后表面硬度58～63HRC；

步骤5）对爆炸硬化层采用金刚石精细磨床，磨至使用尺寸；使成品辊的粗糙度Ra为4.6～12um。

3.根据权利要求2所述的一种超强耐磨复合轧辊的制备方法，其特征是：

所述步骤1）中的辊芯直径为500mm～2000mm；辊芯表面粗糙度Ra为18～58um；

所述步骤2）中的空心焊条的空心腔体中填充的42CrMo粉、65镍合金粉、纳米碳化钨粉、铝粉和石墨，其比例如下：42CrMo粉重量比百分含量为45%～55%，粒度为-200目全粉；65镍合金粉重量比百分含量为15%～30%，粒度为-200目全粉；纳米碳化钨重量百分比为5%～16%，粒度为20nm～200nm；铝粉重量百分比含量为12%～28%，粒度为-200目全粉；石墨重量百分比含量为1.5%～5.5%，粒度为-325目全粉；

所述的步骤2）中堆焊时辊芯表面需加热到280至300℃。

4.根据权利要求1所述的一种超强耐磨复合轧辊的制备方法，其特征是：所述的型材轧辊的制备方法包括如下步骤：

步骤1）采用牌号为QT400---QT800-2的球磨铸铁235—450铸钢铸造板材轧辊材心部，芯部直径比轧辊最终成名直径小5mm～50mm；并在辊芯设置辊巢预留槽；

步骤2）采用空心焊条对预留槽处进行堆焊，填满预留槽形成堆焊层B；空心焊条空心腔内装有复合粉末，其成分为：42CrMo粉、65镍合金粉、纳米碳化钨粉、铝粉和石墨粉；堆焊填实预留槽至辊芯外径一致的加工尺寸；填实预留槽即为辊巢；

步骤3）对辊巢的外表面采用激光表面硬化技术处理，提高和均化辊巢工作层硬度；因为激光升温快、熔池小、变形小、表面应力均匀，目前已经在国内形成了成熟的工艺实施基地；

步骤4）对辊巢工作层进行退火；退火温度为400℃～800℃；退火保温时间为3小时～6小时；退火后表面硬度58～63HRC；

步骤5）对辊巢工作层采用金刚石精细磨床，磨至使用尺寸；使成品辊的粗糙度Ra为4.6～12um。

5.根据权利要求4所述的一种超强耐磨复合轧辊的制备方法，其特征是：

所述步骤1）中的辊芯直径为500mm～2000mm；辊巢预留槽的宽度范围为30mm～90mm、深度范围为20mm～60mm；步骤1）的辊芯表面粗糙度Ra为18～58um；

所述步骤2）中的空心焊条的空心腔体中填充的42CrMo粉、65镍合金粉、纳米碳化钨粉、铝粉和石墨，其比例如下：42CrMo粉重量比百分含量为45%～55%，粒度为-200目全粉；65镍合金粉重量比百分含量为15%～30%，粒度为-200目全粉；纳米碳化钨重量百分比为5%～16%，粒度为20nm～200nm；铝粉重量百分比含量为12%～28%，粒度为-200目全粉；石墨重量百分比含量为1.5%～5.5%，粒度为-325目全粉；

所述步骤2）中堆焊时辊芯表面需加热到280至300℃。

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