CN103817150B - 一种梯度结构型硬质合金辊环及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梯度结构型硬质合金辊环及其制造工艺，辊环外层和辊环芯部之间形成成分梯度，辊环外层和辊环芯部均有不同质量含量的硬质料、粘结料和/或添加剂，将硬质料、粘结料和/或添加剂球磨混料成为辊环球磨混料，将其干燥、掺蜡再干燥，把掺蜡的辊环外层球磨混料和掺蜡的辊环芯部球磨混料分层铺叠装粉，冷压成型成为辊环坯料，将辊环坯料进行烧结脱蜡成为硬质合金，经过热处理后成为硬质合金辊环，这种有成分梯度的硬质合金辊环其表面耐磨度得到明显提高，使用寿命在同等磨损条件下提高15%左右，生产成本降低，实用和推广价值显而易见。
Description
技术领域
本发明涉及一种辊环及制造工艺，尤其涉及一种在轧制板材或型材时装于轧辊辊身上的有成分梯度的硬质合金辊环及其制造工艺。
背景技术
在高速线材生产中，硬质合金辊环由于硬度高、耐磨性好等优点在线材轧机、棒材轧机上得到了较好的应用。但是硬质合金辊环价格较高，投资大，特别钨、钴价格猛涨使硬质合金辊环价格成倍增加。与整体辊环相比，复合辊环可大量节约硬质合金原料用量，生产成本比整体辊环低得多。
梯度复合型硬质合金辊环通过采用内、外层复合成分设计制备复合型硬质合金辊环，通过复合成分设计，减少了钨、钴为高价生产原料的使用含量，降低辊环的生产成本，使硬质合金复合辊环既具有单一材质硬质合金辊环的优点，又具有良好强度和韧性、延性的优点，提高了辊环使用寿命和产品质量。
在高速线材生产中，硬质合金辊环由于硬度高、耐磨性好等优点，能实现线材高速轧制，轧制产品的精度高、表面质量好，得到高度评价。但是硬质合金辊环价格较高，投资大，推广应用较为困难，而且基本上都是由瑞典SANDVIK公司制造，他们的产品已在线材轧机、棒材轧机、小型材轧机及三辊轧机系列上得到了较好的应用。与整体辊环相比，复合辊环可大量节约硬质合金用量，生产成本比整体辊环低得多，复合辊环在价格、性能上的优势，将逐步替代原来的整体辊环。
目前硬质合金辊环材料主要有WC/Co硬质合金与Ti C硬质合金和钢结硬质合金，也有部分采用内部使用铸铁的复合辊环；但是这些辊环均存轧槽表面易产生微裂纹并迅速扩展造成辊环碎裂等问题，特别是近几年国际钨、钴等价格猛涨，以钨、钴为主要生产原料的硬质合金辊环价格也随之成倍增加。
复合型硬质合金辊环通过采用内外层复合成分设计制备复合型硬质合金辊环，在保证硬质合金辊环高速轧制下耐磨等优点条件下，通过复合成分设计，减少了钨、钴为高价生产原料的使用含量，降低辊环的生产成本，使硬质合金复合辊环既具有单一材质硬质合金辊环在高温、高压力下、高摩擦力条件下轧出高质量的金属制品的优点，又具有良好强度和韧性、延性的优点，适合在有冲击的条件下工作，降低辊环的碎辊率，提高辊环使用寿命和产品质量，特别是对于大规格的辊环更能体现出这些优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高辊环表面耐磨性、延长辊环使用使命、降低辊环制造成本的有成分梯度的结构型硬质合金辊环及其制造工艺。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述的一种梯度结构型硬质合金辊环包括辊环外层和辊环芯部， 辊环外层配置在辊环芯部的外表面，在辊环外层同辊环芯部之间有互熔层。辊环外层的材质为硬质料、粘结料和添加剂，辊环芯部的材质为硬质料和粘结料，在辊环外层和辊环芯部之间形成成分梯度。
辊环外层中的硬质料的质量百分含量＝82～90、粘结料的质量百分含量＝9.0～17.8以及添加剂的质量百分含量＝0.2～1.0，该组合物中各组分质量百分含量之和为100，其中
硬质料选自WC和陶瓷，粒径为0.5μm～7.0μm，两者的质量比为WC:陶瓷＝1:1。
粘结料选自Ni和Co，粒径为1.0μm～7.0μm，两者的质量比为Ni:Co＝1.0:1.1。
添加剂选自VC、TaC和Cr
3
C
2
，它们的粒径为1.5μm～7.5μm，三者的质量比为VC:TaC:Cr
3
C
2
=1:1:1。
辊环芯部中硬质料的质量百分含量＝72～85，粘结料的质量百分含量＝15～28，该组合物中各组分质量百分含量之和为100，其中
硬质料选自WC和陶瓷，粒径为1.0μm～10.0μm，两者的质量比为WC:陶瓷＝1.0:1.1。
粘结料选自Fe，径粒为2.0μm～12.0μm；
用于辊环外层中的硬质料、粘结料和添加剂放入球磨机内球磨混料成为辊环外层球磨混料，当辊环外层球磨混料均匀后取出在50℃～120℃下干燥12h～24h，向干燥后的辊环外层球磨混料中掺蜡，控制掺入蜡质量与辊环外层球磨混料质量之比为（0.8～2.5）：100，再将掺有蜡的辊环外层球磨混料自然干燥。所述蜡为工业用蜡。
将用于辊环芯部中的硬质料和粘结料放入球磨机内球磨混料成为辊环芯部球磨混料，当辊环芯部球磨混料均匀后取出在50℃～120℃干燥14h～24h，向干燥后的辊环芯部球磨混料中掺蜡，掺入蜡的质量与辊环芯部球磨混料的质量之比（0.8～2.5）：100，再将掺有蜡的辊环芯部球磨混料自然干燥，所述掺入的蜡为工业蜡。
将掺蜡干燥后的辊环外层球磨混料和掺蜡干燥后的辊环芯部球磨混料分层铺叠装粉，冷压成型为辊环坯料，控制冷压机压强为150MPa～300MPa，把冷压成型的辊环坯料在温度1400℃～1650℃下进行烧结，烧结时间为0.5h～1.5h，对辊环的坯料进行烧结脱蜡成为硬质合金辊环，对烧结脱蜡后的辊环在900℃～1250℃/10min～45min淬水，在450℃～750℃/1.0h～3.0h回火。
采用如上技术方案提供的一种梯度结构型硬质合金辊环及其制造工艺与现有技术相比，技术效果在于：
①由于所述的硬质合金辊环分为辊环外层和辊环芯部，辊环外层和辊环芯部的硬质料中都有微米级的（工业）陶瓷粉，它能提高辊环的表面耐磨度，使辊环的表面耐磨性得到明显改善。
②为成分梯度的硬质合金辊环的使用寿命在同等磨损条件年提高10%～20%。
③由于所述的硬质合金辊环通过复合材料设计，减少了高价的钨、钴含量，降低了辊环制作成本，使硬质合金辊环具有良好强度、韧性和延性的优点，降低了辊环的破辊率，在提高辊环使用寿命的同时又可提高产品质量。
附图说明
图1为本发明所述的一种梯度结构型硬度合金辊环的正向剖视示意图，亦为本发明的商要附图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
所述的一种梯度结构型硬质合金辊环包括辊环外层1和辊环芯部2，辊环外层1配置在辊环芯部2的外表面，在辊环外层1同辊环芯部2之间有互熔层3。
一、有关辊环外层1和辊环芯部2材质的选用：
辊环外层1的材质为硬质料、粘结料及添加剂，而辊环芯部2的材质为硬质料和粘结料，辊环外层1和辊环芯部2之间形成成分梯度，即采用了不同粒径的相同材质，也采用了不同粒径的不同材质。
辊环外层1中各材质的质量百分含量（wt%）为：硬质料=82～90、粘结料=9.0～17.8及添加剂=0.2～1.0，使该组合物（混合物）中各组分的质量百分含量之和为100，其中
硬质料选自碳化钨WC和陶瓷，两者的质量比为WC:陶瓷=1:1，所述陶瓷为工业用陶瓷（如铝基75瓷）），它们的粒径为0.5μm～7.0μm。粘结料选自镍（Ni）和钴（ Co），镍和钴的粒径为1.0μm～7.0μm，两者的质量配比为Ni:Co=1.0:1.1。添加剂选自碳化钒（VC）、碳化钽（TaC）和碳化铬（Cr
3
C
2
），它们的粒径为1.5μm～7.5μm，三者的质量比为VC:TaC:Cr
3
C
2
=1:1:1。
辊环芯部2中各材质的质量百分含量（wt%）为：硬质料=72～85，粘结料= 15～20，使该组合物（混合物）中各组分的质量百分含量之和为100，其中
硬质料选自（中颗粒）碳化钨（WC）和陶瓷，它们的粒径为1.0μm～10.0μm，两者的质量配比为WC:陶瓷＝1.0:1.1，所述陶瓷为工业用陶瓷（如铝基95瓷）；粘结料选自铁，即Fe基，粒径为2.0μm～12.0μm。
上述WC、VC、TaC及Cr
3
C
2
及陶瓷在材料中起到提供耐磨硬质相的作用，主要起到增强辊环耐磨性、延长辊环工作寿命的作用，而Ni、Co和Fe在材料中的作用为粘接（结））各硬质陶瓷颗粒，使辊环具有足够强度和塑性、韧性，适合在一定冲击作用力下工作。
二、辊环的制造工艺：
将辊环外层1所采用的其质量百分含量（wt%）为82～90的硬质料用碳化钨粉和陶瓷粉、9.0～17.8的粘结料用镍粉和钴粉以及0.2～1.0的添加剂碳化钒粉、碳化钽粉和碳化铬粉（同时或分批）放入球磨机内环磨混料成为辊环外层球磨混料，当辊环外层球磨混料均匀后取出在50℃～120℃下干燥12h～24h，向干燥后的辊环外层球磨混料中掺蜡（即向干燥后的辊环外层球磨混料中掺入微米级工业用蜡粒），掺入的蜡的质（重）量与辊环外层球磨混料质量（重量）之比控制在（0.8～2.5）：100，再将掺有蜡的辊环外层球磨混料自然干燥。
将辊环芯部2所采用的其质量百分含量（wt%）为72～85的硬质料用碳化钨粉和陶瓷粉及15～28的粘结料用铁粉（同时或分批）放入球磨机内球磨混料成为辊环芯部球磨混料，当辊环芯部球磨混料均匀后取出在50℃～120℃干燥14h～24h，向干燥后的辊环芯部球磨混料中掺蜡（即向干燥后的辊环芯部球磨混料中掺入微米级工业用蜡粒），控制掺蜡的质量与辊环芯部球磨混料质量之比为（0.8～2.5）：100，再将掺有蜡的辊环芯部球磨混料自然干燥。
将掺蜡干燥的辊环外层球磨混料和掺蜡干燥的辊环芯部球磨混料分层铺叠装粉，装粉时（最佳）选择辊环外层球磨混料和辊环芯部球磨混料相同的重量（质量）比，或根据需要进行适当调配。用冷压机冷压成型为辊环坯料，冷压机的压强控制在150MPa～300MPa。把冷压成型的辊环坯料在温度为1400℃～1650℃下烧结0.5h～1.5 h对辊环坯料进行烧结脱蜡（脱脂），严格控制烧结参数，使在辊环外层1和辊环芯部2的交界面处形成互熔层3，结合紧密成为硬质合金辊环，辊环外层1和辊环芯部2中各成分只在互熔层3中渗透，不会有过深的扩散。将烧结脱蜡后的辊环在900℃～1250℃/10min～45min淬火，其后在450℃～750℃/1.0h～3.0h回火，对经热处理后的辊环进行精密加工变成所述的成分梯度结构型硬度合金辊环，可根据用户（或现场）需要在辊环外层1的表面加工不同规格的孔型。
Claims (1)
1.一种梯度结构型硬度合金辊环制造工艺，包括辊环外层（1）和辊环芯部（2），辊环外层（1）配置在辊环芯部（2）的外表面，在辊环外层（1）同辊环芯部（2）之间有互熔层（3），其特征在于：辊环外层（1）的材质为硬质料、粘结料和添加剂，辊环芯部（2）的材质为硬质料和粘结料，在辊环外层（1）和辊环芯部（2）之间形成成分梯度；
辊环外层（1）中的硬质料的质量百分含量＝82～90、粘结料的质量百分含量＝9.0～17.8以及添加剂的质量百分含量＝0.2～1.0，辊环外层（1）组合物中各组分质量百分含量之和为100，其中：
硬质料选自WC和陶瓷，粒径为0.5μm～7.0μm，质量比为WC:陶瓷＝1:1；
粘结料选自Ni和Co，粒径为1.0μm～7.0μm，质量比为Ni:Co＝1.0:1.1；
添加剂选自VC、TaC和Cr
3
C
2
，粒径为1.5μm～7.5μm，质量比为VC:TaC:Cr
3
C
2
=1:1:1；
辊环芯部（2）中硬质料的质量百分含量＝72～85，粘结料的质量百分含量＝15～28，辊环芯部（2）组合物中各组分质量百分含量之和为100，其中，
硬质料选自WC和陶瓷，粒径为1.0μm～10.0μm，质量比为WC:陶瓷＝1.0:1.1；
粘结料选自Fe，径粒为2.0μm～12.0μm；
所述陶瓷为工业用陶瓷；
将用于辊环外层（1）中的硬质料、粘结料和添加剂放入球磨机内球磨混料成为辊环外层球磨混料，当辊环外层球磨混料均匀后取出在50℃～120℃下干燥12h～24h，向干燥后的辊环外层球磨混料中掺蜡，控制掺入蜡质量与辊环外层球磨混料质量之比为(0.8～2.5):100，再将掺有蜡的辊环外层球磨混料自然干燥；
将用于辊环芯部（2）中的硬质料和粘结料放入球磨机内球磨混料成为辊环芯部球磨混料，当辊环芯部球磨混料均匀后取出在50℃～120℃干燥14h～24h，向干燥后的辊环芯部球磨混料中掺蜡，掺入蜡的质量与辊环芯部球磨混料的质量之比(0.8～2.5):100，再将掺有蜡的辊环芯部球磨混料自然干燥；
所述蜡为工业用蜡；将掺蜡干燥后的辊环外层球磨混料和掺蜡干燥后的辊环芯部球磨混料分层铺叠装粉，冷压成型为辊环坯料，控制冷压机压强为150MPa～300MPa，把冷压成型的辊环坯料在温度1400℃～1650℃下进行烧结，烧结时间为0.5h～1.5h，对辊环的坯料进行烧结脱蜡成为硬质合金辊环，对烧结脱蜡后的辊环在900℃～1250℃/10min～45min淬火，在450℃～750℃/1.0h～3.0h回火。
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