CN106040347A - 挤压辊套及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及挤压辊套及其制造方法。本发明的挤压辊套包括辊套基体和镶件，其中，所述辊套基体与所述镶件通过镶铸方式彼此结合，所述辊套基体的强度低于所述镶件，所述辊套基体的韧性高于所述镶件，并且所述辊套基体为筒状，所述镶件设置于所述辊套基体的外周面。本发明的挤压辊套的制造方法包括如下步骤：预制镶件，制作所述挤压辊套的铸型，采用镶铸工艺形成所述挤压辊套，以及对所述挤压辊套进行热处理。本发明的挤压辊套耐磨性和抗疲劳性能好，使用寿命长，并且生产成本低。

Description

挤压辊套及其制造方法
技术领域
本发明涉及用于辊压机的挤压辊套及该挤压辊套的制造方法。
背景技术
辊压机是在预粉磨、联合粉磨和终粉磨系统中常见的主机设备。
首先根据图1说明现有的挤压辊的工作原理。图1中，两个具有相同结构的挤压辊以彼此间具有一定间距的方式并排布置。挤压辊的辊体2的外周面上设置有沿着周向等间隔配置的多列辊牙1。两个挤压辊的各个辊牙1形成的列交错对应，使得一个挤压辊上的每一个条辊牙列均对应于另一个挤压辊上的两条相邻辊牙列之间的间隙。
物料P从上方落到两个挤压辊之间，经过辊牙1的挤压和破碎，物料P变得碎小，并且落下。容易理解，在对物料P进行挤压破碎时，辊牙1会受到很大的摩擦力，因而非常容易磨损。一般会采用具有高强度高耐磨性的材料来形成辊牙1。
从辊压机的工作状况可以看出，辊面的磨损实际上是辊面高应力磨料磨损和辊面亚表层疲劳磨损共同作用的结果，这就要求辊面具有较高的硬度和韧性。
为提高辊压机辊面的耐磨性，已知在压辊的表面上设置硬质合金制成的辊牙的技术。现有技术中，可以通过堆焊在压辊表面上形成硬质合金辊牙。但是不同母材材质和工况条件需选用不同的焊丝，焊接材料和焊接工艺选择不当，很容易造成辊面的局部剥落、疲劳破坏等情况，严重时需要离线修复，运转率低。且辊面正常磨损情况下，亦需要定期的在线修复，且较为频繁。因此，焊接辊牙的方式在一定程度上提高了生产企业的运行成本，并大大降低了生产效率。
为了提高辊牙与辊面的接合强度，现有技术中还采用了铸造方式来形成一体式的挤压辊。在这种技术中，由于形成辊牙的硬质合金与形成辊体的钢材的材料不同，因此难以同时浇铸出辊牙和辊体，需要在铸造时使辊牙和辊体分别凝固成型。例如，可以采用离心铸造的方式，使得位于铸型的型腔空间内的外周的部分辊套和辊牙首先铸出，等外层部分辊套和辊牙成型后，再向铸型内浇入钢水铸出内部分辊体。由于两部分的材料不同，因此在铸造后的冷却或热处理过程中，材料的收缩/膨胀率也不同，从而在辊体中的异性材料接合部之间很容易产生不期望的应力残余，使得挤压辊的实际耐磨性和抗疲劳性下降，影响使用寿命，另外，这种铸造方式的设备和工艺都很复杂，需要金属模具，成材率低，使用中经常出现整体断裂，造成生产成本昂贵和质量不稳定等问题。
发明内容
本发明的第一方面提供一种挤压辊套，其耐磨性和抗疲劳性能好，使用寿命长，并且生产成本低。本发明的第二方面提供用于第一方面的挤压辊套的制造方法。
本发明第一方面的挤压辊套包括辊套基体和镶件，其中，所述辊套基体与所述镶件通过镶铸方式彼此结合，所述辊套基体的强度低于所述镶件，所述辊套基体的韧性高于所述镶件，并且所述辊套基体为筒状，所述镶件设置于所述辊套基体的外周面。
辊套基体韧性高，可以提供良好的抗疲劳性能。设置于辊套基体的镶件强度高，可以提供良好的耐磨性。辊套基体和镶件通过镶铸方式彼此结合，这种结合属于冶金结合的情形。冶金结合的结合强度远高于现有的焊接结合方式，并且在铸造后的冷却或热处理过程中不易产生应力残余。因此本发明的挤压辊套能够克服现有技术的缺点，提高挤压辊套的耐磨性和抗疲劳性能，延长使用寿命。另外，本发明的挤压辊套对铸造设备没有特殊要求，铸造工艺的难度也不高，因此生产成本低。
优选地，所述镶件由硬质合金或金属陶瓷制成。优选地，所述镶件被构造成沿所述挤压辊套的周向以交替方式配置的多个板条列和多个铸钉列，其中，每个板条列均由一根呈直线状的板条构成，每个铸钉列均由沿所述挤压辊套的轴向大致沿直线排成一列的多个铸钉构成。优选地，每个所述板条列在所述挤压辊套的周向上的宽度与每个所述铸钉列在所述挤压辊套的周向上的宽度相同，并且每个所述铸钉的外径均小于每个所述铸钉列在所述挤压辊套的周向上的宽度。
镶件由硬质合金或金属陶瓷制成，并且采用了板条列和铸钉列的形式。板条列和铸钉列彼此是分离的构件，在铸造时，板条列和铸钉列之间的空隙中会被辊套基体的材料熔液填充，在铸件冷却/热处理时，填充到镶件和辊套基体之间的这些材料熔液会吸收由于材料的收缩/膨胀率不同而造成的变形，从而防止产生不期望的残余应力。所述残余应力最大不超过1/4屈服极限，屈服极限是指材料在外力作用下出现屈服现象时的最小应力。
板条列和铸钉列沿挤压辊套的周向以交替方式配置，具有如下优点：一方面，辊压机中的两个辊彼此抵压对物料进行挤压或磨碎时，方便使一个辊上的板条列和另一个辊上的铸钉列对位配合，从而顺利进行对物料的挤压或磨碎；另一方面，布置成列的板条列和铸钉列在安置到用于铸造挤压辊套的砂型中时也方便定位和放置。
本发明第二方面的挤压辊套的制造方法，包括如下步骤：预制镶件，制作所述挤压辊套的铸型，采用镶铸工艺形成所述挤压辊套，以及对所述挤压辊套进行热处理。
由于辊套基体和镶件的材料不相同，所以不便于一次性铸造成型。先预制镶件，然后将预制好的镶件布置于挤压辊套的铸型中，并采用如上所述的镶铸工艺使镶件和辊套基体冶金结合。这样就能够实现本发明第一方面中的挤压辊套。而且，可以通过购买现成的镶件的方式，进一步降低制造难度。
优选地，所述镶铸工艺包括：将所述镶件布置于所述铸型中的预定位置，熔炼用于制造辊套基体的材料，并且向所述铸型中浇入用于制造辊套基体的材料的熔液。
将预制好的镶件布置在铸型中的预定位置，然后浇入用于制造辊套基体的材料的熔液。比起通过离心铸造来形成辊套基体和辊牙的方式，这一操作难度大为降低，因此能够极大地节省生产成本，并提高生产效率。
优选地，所述镶件包括板条和铸钉。
优选地，所述铸型为铸造砂型，在所述镶铸工艺中对所述镶件和所述铸造砂型均进行预热，其中，对所述镶件的预热温度在200℃～350℃的范围内，对所述铸造砂型的预热温度在200℃～260℃的范围内并且保温0.5小时～1小时，在熔炼用于制造辊套基体的材料时，熔炼温度在1400℃～1600℃的范围内。优选地，在向所述铸型中浇入用于制造辊套基体的材料的熔液时，浇铸温度在1400℃～1600℃的范围内。优选地，在对铸造成型的所述挤压辊套进行热处理后，所述镶件的硬度至少为HRC54。
在镶铸工艺中对镶件和铸造砂型均可以进行预热。当在上述温度范围内对镶件和铸型进行预热/保温时，可以防止在浇铸时镶件因温度升高速度过快而产生不期望的金相组织微观裂纹和热膨胀不均匀造成的变形。1400℃是用于制造辊套基体的中碳合金钢的熔炼温度范围的下限值，同时也是粉末冶金钢结硬质合金的烧结温度范围的上限值。在1400℃～1600℃的浇铸温度范围内进行浇铸，能够避免镶件因为温度过高而破坏其微观金相组织，同时还能够保证中碳合金钢的良好的浇铸性能。热处理后硬度至少为HRC54的镶件具有足够的强度，在对一般的诸如煤炭、水泥等的物料进行挤压和磨碎时能够向物料施加可靠的破坏力。
附图说明
图1示出了一对现有技术的挤压辊的工作原理示意图。
图2示出了作为本发明第一方面的一个实施方式的挤压辊套的外周面的局部。
图3是示出了用于制造挤压辊套的铸造砂型的一个示例的截面图。
图4是示出了本发明的镶件布置于铸造砂型中的情形的截面图。
附图标记说明：
1辊牙；2辊体；10辊套基体；20板条；30铸钉；100砂芯；200透气层；300冷却水箱；P物料；d宽度。
具体实施方式
以下参照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的第一方面提供一种挤压辊套。图2示出了作为本发明第一方面的一个实施方式的挤压辊套的外周面的局部。本实施方式的挤压辊套包括筒状的辊套基体10、板条20和铸钉30。板条20和铸钉30构成本发明的镶件，并且可以通过镶铸方式布置在辊套基体10的外周面。
板条20和铸钉30被构造成沿挤压辊套的周向(即、辊套基体10的周向)以交替方式配置的多个板条列和多个铸钉列。每个板条列均由一根呈直线状的板条20构成，每个铸钉列均由沿挤压辊套的轴向大致沿直线排成一列的多个铸钉30构成。在挤压辊套的周向上，每个板条列和每个铸钉列的宽度均为d。宽度d例如可以是10mm～15mm。铸钉30的外径小于宽度d。铸钉30只要沿挤压辊套的轴向排列在宽度d的范围内即可，不需要严格保持直线排列。
板条20和铸钉30的顶部均可以是圆弧状的，并且在镶铸于辊套基体10的外周面后，板条20和铸钉30的一部分均嵌入辊套基体10的材料内，但是板条20和铸钉30的圆弧端露在辊套基体10外。容易理解，铸钉30的顶部既可以在图4所示的辊套基体的直径方向上超出板条20的顶部，也可以是相互平齐，又或者是板条20的顶部在图4所示的辊套基体的直径方向上超出铸钉30的顶部。
本实施方式的挤压辊套可以安装于图1所示的辊体2，并用铸钉30和板条20来代替辊牙1。容易理解，在需要挤压或磨碎物料时，可以使一个挤压辊套上的板条列对应另一个挤压辊套上的铸钉列。
以下说明辊套基体10、板条20和铸钉30的成分。板条20和铸钉30可以由硬质合金或金属陶瓷制成。在本实施方式中采用硬质合金作为板条20和铸钉30的材料的示例。辊套基体10采用中碳合金钢或低碳合金钢制成。
板条20和铸钉30(即、镶件)可以采用粉末冶金钢结硬质合金预先制成。需要说明的是，可以从市场中购买得到预制好的镶件。也可以购买用硬质合金或金属陶瓷制成的板材、棒材等，然后通过机械加工得到期望的镶件。例如，可以通过线切割加工，将买到的板材、棒材等加工成具有期望形状的镶件。
以下结合图3和图4说明作为本发明的挤压辊套的制造方法的一个实施方式。
图3中示出了制造挤压辊套的铸造砂型的截面。该铸造砂型包括位于中央的砂芯100、位于最外侧的冷却水箱300和紧贴冷却水箱300的内壁的透气层200。在完成浇铸后，可以抽走砂芯100。辊套基体10、板条20和铸钉30的位置处于砂芯100和透气层200之间。冷却水箱300不仅用于在铸造后对铸件快速冷却，还起到外围砂箱的作用。透气层200可以采用内嵌矿砂的砂料填充而成。矿砂的颗粒大，其周围容易形成气隙，方便透气。
图3和图4中示出了板条20和铸钉30布置于辊套基体10的外周面的情形，其中，图3的截面是沿辊套基体10的轴线方向截取的，图4的截面是沿垂直于辊套基体10的轴线方向的方向截取的。
本实施方式的制造方法包括如下步骤：预制板条20和铸钉30；制作例如图3所示的铸造砂型；采用镶铸工艺形成挤压辊套；以及对挤压辊套进行热处理。
虽然已经说明了作为镶件的板条20和铸钉30可以从市场上购得，但是，也可以采用粉末冶金钢硬质合金通过铸造制成板条20和铸钉30。
在上述制造方法中，镶铸工艺包括：对预制好的板条20和铸钉30进行预热，对铸造砂型进行预热，将板条20和铸钉30布置于铸造砂型中的预定位置，熔炼用于制造辊套基体10的中碳合金钢，并且向铸造砂型中浇入中碳合金钢熔液。需要说明的是，对板条20和铸钉30以及铸造砂型的预热以及将板条20和铸钉30布置于铸造砂型中的预定位置的步骤没有先后顺序上的特殊要求。另外，还可以选择对预制好的板条20和铸钉30涂敷硼酸以增加润湿性，从而促进镶铸时板条20和铸钉30与辊套基体10的冶金结合。
以下详细说明各步骤。
用粉末冶金钢结硬质合金预制板条20和铸钉30的过程中，依次采用“称量→混料→高能球磨→烘干→研磨过筛→压制/装料→烧结→磨抛→喷涂”工艺步骤得到板条20和铸钉30。其中，烧结方法为气压烧结、放电等离子体活化烧结或微波烧结中的一种。烧结温度在1300℃～1400℃的范围内，烧结体最终形状为板条和铸钉。
在制作铸造砂型时，需要预留用于放置板条20和铸钉30的空间或位置。例如，如图4所示，当板条20和铸钉30布置于辊套基体10的外周面时，需要在透气层200的内周面处预留空间或位置。
在镶铸工艺中，板条20、铸钉30和铸造砂型都可以进行预热。板条20和铸钉30的预热温度在200℃～350℃的范围内。铸造砂型的预热温度在200℃～260℃的范围内并且需要保温0.5小时～1小时。板条20、铸钉30和铸造砂型可以分别预热然后再组合在一起。或者可以先将板条20和铸钉30预热、然后将预热了的板条20和铸钉30与铸造砂型组合在一起一同预热。也可以先将板条20和铸钉30布置于铸造砂型中预留的空间或位置处，然后与铸造砂型一同进行预热(也可以一同对砂芯100和透气层200进行预热)。在合金钢熔炼电弧炉中对用于形成辊套基体10的中碳合金钢进行熔炼，熔炼温度在1400℃～1600℃的范围内。然后向铸造砂型中浇入用于形成辊套基体10的中碳合金钢熔液，浇铸时的浇铸温度在1400℃～1600℃的范围内。在1400℃～1600℃的浇注温度范围内，板条20和铸钉30的材料中的硬质相不会熔化，因此板条20和铸钉30均能够保持其固有形状。但是板条20和铸钉30的材料中的一部分基质原料会熔化，因而在浇铸后，板条20和铸钉30的材料与液态的中碳合金钢会产生冶金结合。冶金结合的镶件与辊套基体之间没有明显的分界线，两种材料混凝在一起，其结合强度远远高于传统的焊接结合。
另外，在浇铸用于形成辊套基体10的中碳合金钢熔液时，板条20和铸钉30之前的缝隙中会填充合金钢熔液。这些缝隙中的合金钢熔液会在冷却凝固的过程中吸收由于不同材料的收缩/膨胀率不同而造成的变形，从而避免残留有不期望的应力。
在完成浇铸后，对得到的挤压辊套进行热处理，使板条20和铸钉30的淬火态组织为碳化物+马氏体，硬度至少为HRC54，优选地在HRC54～64的范围内，从而完成挤压辊套的制造。上述热处理具体可以包括但不限于淬火、回火、调质等手段，只要能够达到硬度要求即可。
尽管已经参照示例性实施方式说明了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施方式。例如，每个板条列和每个铸钉列的宽度可以彼此不相同，只要不影响对物料的挤压破碎即可。权利要求书的范围应符合最宽泛的解释，以包含所有的这些变型、等同结构和功能。

Claims (10)

1.一种挤压辊套，其包括辊套基体和镶件，其特征在于，
所述辊套基体与所述镶件通过镶铸方式彼此结合，所述辊套基体的强度低于所述镶件，所述辊套基体的韧性高于所述镶件，并且
所述辊套基体为筒状，所述镶件设置于所述辊套基体的外周面，所述镶件由硬质合金或金属陶瓷制成；
所述镶铸方式的结合属于冶金结合方式，能使所述挤压辊套的沿横截面的残余应力减少到一定数值以下。
2.根据权利要求1所述的挤压辊套，其特征在于，所述残余应力最大不超过1/4屈服极限；所述残余应力的采用电场应变测量方法是：设所述辊套基体与所述镶件在结合前的纵向的初始应力为σy0，结合后的纵向应力为σy1，则两者的差值为σy＝E(σy0-σy1)，其中E＝20.58*10^10Pa。
3.根据权利要求1或2所述的挤压辊套，其特征在于，
所述镶件被构造成沿所述挤压辊套的周向以交替方式配置的多个板条列和多个铸钉列，其中，
每个板条列均由一根呈直线状的板条构成，
每个铸钉列均由沿所述挤压辊套的轴向大致沿直线排成一列的多个铸钉构成。
4.根据权利要求3所述的挤压辊套，其特征在于，
每个所述板条列在所述挤压辊套的周向上的宽度与每个所述铸钉列在所述挤压辊套的周向上的宽度相同，并且
每个所述铸钉的外径均小于每个所述铸钉列在所述挤压辊套的周向上的宽度。
5.一种挤压辊套的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
预制镶件，
制作所述挤压辊套的铸型，
采用镶铸工艺形成所述挤压辊套，以及
对所述挤压辊套进行热处理。
6.根据权利要求5所述的挤压辊套的制造方法，其特征在于，
所述镶铸工艺包括：
将所述镶件布置于所述铸型中的预定位置，
熔炼用于制造辊套基体的材料，并且
向所述铸型中浇入用于制造辊套基体的材料的熔液。
7.根据权利要求5或6所述的挤压辊套的制造方法，其特征在于，
所述镶件包括板条和铸钉。
8.根据权利要求6所述的挤压辊套的制造方法，其特征在于，
所述铸型为铸造砂型，在所述镶铸工艺中对所述镶件和所述铸造砂型均进行预热，其中，
对所述镶件的预热温度在200℃～350℃的范围内，对所述铸造砂型的预热温度在200℃～260℃的范围内并且保温0.5小时～1小时，
在熔炼用于制造辊套基体的材料时，熔炼温度在1400℃～1600℃的范围内。
9.根据权利要求6所述的挤压辊套的制造方法，其特征在于，
在向所述铸型中浇入用于制造辊套基体的材料的熔液时，浇铸温度在1400℃～1600℃的范围内。
10.根据权利要求5或6所述的挤压辊套的制造方法，其特征在于，
在对铸造成型的所述挤压辊套进行热处理后，所述镶件的硬度至少为HRC54。
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