CN109482843B - 一种双金属铸焊复合轧辊及其制备方法 - Google Patents

一种双金属铸焊复合轧辊及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双金属铸焊复合轧辊的制备方法，该方法为：铸造合金钢辊芯，抛丸清理后表面进行堆焊，然后通过感应加热，将表面具有堆焊层的合金钢辊芯加热，将融溶态的合金铸铁浇注在堆焊层上，形成铸铁凝固层，最后通过感应加热，铸铁凝固层与合金钢辊芯表面的堆焊层冶金结合，得到双金属铸焊复合轧辊。该方法制备的双金属铸焊复合轧辊的合金钢辊芯强度高、韧性好，辊身硬度高、耐磨性好，能够承受较大的轧制循环应力、强力摩擦和挤压，不易剥落和出现辊面裂纹，堆焊层既能保证堆焊的合金钢辊芯和浇注的辊身的冶金结合，不易剥落，又能降低辊身与辊芯结合的难度，节约成本，辊芯的长度和直径不受限制，制备的双金属铸焊复合轧辊选择性强。

Description

一种双金属铸焊复合轧辊及其制备方法
技术领域
本发明属于轧辊技术领域，具体涉及一种双金属铸焊复合轧辊及其制备方法。
背景技术
轧钢机广泛应用于矿山、冶金等行业，而轧辊作为轧钢生产中的主要消耗备件之一，其质量不仅关系到轧钢生产成本和轧机生产作业率，还在很大程度上影响轧材质量。轧辊是轧机的主要变形工具，由于自身材质及其所处的恶劣工作条件，经常发生失效乃至报废，主要的失效形式有辊面裂纹和剥落和轧辊断裂等。使用中的轧辊，由于轧辊在工作过程中要承受很大的轧制循环应力、强力摩擦和挤压、瞬间高温和强烈冲击，常常在正常使用周期内被迫提前下机，甚至非正常报废。
目前，离心铸造是国内制造轧辊广泛采用的方法，先浇注出辊身合金材料，凝固后浇注辊芯材料，通过高温焊合，制造出双金属部件。此方法生产的轧辊两种材质需要熔点相近，辊身主要采用合金铸铁(熔点1200℃左右)，辊芯主要采用球墨铸铁(熔点1200℃左右)。若辊芯采用高强度合金钢(熔点1400℃左右)，生产时极易造成复合界面不完整。而离心铸造出的合金铸铁/球墨铸铁轧辊的强度并不理想，由于作业环境恶劣，断裂的问题极为严重，使用寿命仅几个小时。双金属复合轧辊铸造工艺除离心复合法以外还有喷射铸造法、连续铸造法、镶铸法、电渣熔铸法等。喷射铸造、电渣熔铸成本偏高不宜大批量生产。其他方法同样受到了成本、制造较大尺寸轧辊和国内技术的限制。
2013年西安建筑科技大学于杨等人采用采用固-液双金属复合铸造的方法制备不锈钢/高铬铸铁复合材料，不锈钢包覆在高温液态高铬铸铁芯部，对复合界面、高铬铸铁部分的组织和性能进行研究。试验将直径为8mm的不锈钢棒处理好后，插入盛有熔炼好的温度为1380℃高铬铸铁液中随炉冷却到室温。利用元素由于热扩散作用相互熔渗形成了良好的冶金复合界面。生产中对轧辊的辊芯和辊身的体积和尺寸均有要求，此方法限制了轧辊的生产。
2016年江苏大学韩继炜用W6Mo5Cr4V2高速钢/35CrMo低合金钢制备复合轧辊，其方法为：将已经预热的35CrMo辊芯钢棒从马弗炉中取出后，放置在直径为600mm的水冷结晶器的辊芯安装孔中，将电磁感应线圈通电将35CrMo辊芯钢棒加热至约1050℃使其处于待浇注状态。同时在水冷结晶器内通入氮气保护以防止35CrMo辊芯钢棒高温氧化，然后采用下注法将W6Mo5Cr4V2高速钢液通过钢包浇注到水冷结晶器内，继续对所浇入的W6Mo5Cr4V2高速钢液和35CrMo辊芯钢棒加热，搅拌未凝固的W6Mo5Cr4V2高速钢液，当复合轧辊凝固后停止加热。W6Mo5Cr4V2高速钢液与已经被电磁感应加热器预热的35CrMo辊芯钢棒在钢液凝固过程中表面发生熔合，在水冷结晶器的快速冷却下成为外部为具有高硬度、高耐磨的高速钢包覆层，而芯部为具有高强度和高韧性的35CrMo合金锻钢的双金属复合轧辊。该方法采用低注式生产上浪费金属，同时由于两种钢熔点相近浇注过程中很难保证结合区的完整性，金相图或SEM图中复合界面结合区不平整，同时外层的水冷结晶器生产出来的辊身裂纹问题不容易控制，利用快速冷却法制备辊身，辊身的耐磨性和硬度较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种双金属铸焊复合轧辊的制备方法，该方法制备的双金属铸焊复合轧辊的合金钢辊芯的强度高、韧性好、不易断裂，辊身硬度高、耐磨性好，本发明制备的双金属铸焊复合轧辊能够承受较大的轧制循环应力、强力摩擦和挤压，堆焊层通过堆焊与合金钢辊芯紧密结合，通过感应加热将合金钢辊芯表面的堆焊层与合金铸铁冶金结合，实现了堆焊的合金钢辊芯和浇注的辊身的冶金结合，制备的双金属铸焊复合轧辊不易剥落和出现辊面裂纹，本发明的堆焊层既能保证堆焊的合金钢辊芯和浇注的辊身的冶金结合，不易剥落，又能降低辊身与合金钢辊芯结合的难度，节约了成本，合金钢辊芯的长度和合金钢辊芯直径不受限制，制备的双金属铸焊复合轧辊可选择性强。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种双金属铸焊复合轧辊的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、制备合金钢辊芯：采用砂型铸造法铸造合金钢辊芯；
步骤二、制备堆焊层：将步骤一中铸造的合金钢辊芯进行抛丸清理，在抛丸清理后的合金钢辊芯的表面堆焊高铬铸铁焊丝，得到表面具有堆焊层的合金钢辊芯；
步骤三、制备双金属铸焊复合轧辊：采用感应加热法，将步骤二中表面具有堆焊层的合金钢辊芯加热到900℃～1100℃，将温度为1350℃～1400℃的融溶态的合金铸铁浇注在堆焊层上，形成铸铁凝固层，再通过感应加热，在温度为1320℃～1350℃的条件下，使铸铁凝固层与合金钢辊芯表面的堆焊层冶金结合5min～15min后，自然冷却至室温，得到双金属铸焊复合轧辊。
优选地，步骤一中所述合金钢辊芯包括以下质量百分数的组分：C 0.22％～0.30％、Si 1.5％、Mn 1.97％、Cr 1.62％、Mo 0.459％、余量为Fe。
优选地，步骤二中所述堆焊层包括以下质量百分数的组分：C 2.0％～3.6％、Cr15.0％～26.0％、余量为Fe。
优选地，步骤三中所述合金铸铁包括以下质量百分数的组分：C 3.0％～3.4％、Mn1.0％～1.5％、Cr 25.0％～26.0％、B 0.1％～0.2％、Ni 0.3％～0.5％、Mo 0.6％～2.0％、余量为Fe。
优选地，步骤一中所述合金钢辊芯的熔点为1420℃，步骤二中所述堆焊层的熔点为1200℃～1220℃，步骤三中所述合金铸铁的熔点为1200℃～1220℃。
优选地，步骤二中所述堆焊层的厚度为3mm～10mm。
优选地，步骤三中感应加热的频率为300kHz～3000kHz。
本发明步骤三中合金铸铁的浇注的方法为：首先制备砂箱，砂箱位于表面具有堆焊层的合金钢辊芯的外围，砂箱和合金钢辊芯均在地面上直立放置，采用顶注式通过砂箱上方的烧冒口将融溶态的合金铸铁浇注在堆焊层上。
本发明步骤三中感应加热通过在砂箱外侧水平缠绕多圈感应线圈，感应线圈缠绕实现了感应加热。
本发明的双金属铸焊复合轧辊的制备过程中的截面的示意图如图1所示，在本发明的制备过程中，通过堆焊使合金钢辊芯表面形成堆焊层，再将融溶态的合金铸铁浇注在堆焊层上，形成铸铁凝固层后，通过感应加热使铸铁凝固层与合金钢辊芯表面的堆焊层冶金结合，铸铁凝固层的合金铸铁与合金钢辊芯结合度增强，使得本发明制备的双金属铸焊复合轧辊能够承受较大的轧制循环应力、强力摩擦和挤压。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明选用合金钢作为合金钢辊芯，合金钢的含C量低，合金钢辊芯的强度高、韧性好、不易断裂，能够承受很大的轧制循环应力；辊身含Cr量高、硬度高、耐磨性好，制备的双金属铸焊复合轧辊能够承受较大的轧制循环应力、强力摩擦和挤压。
2、本发明通过堆焊在合金钢辊芯表面形成堆焊层，将堆焊层与合金钢辊芯冶金结合，再将温度为1350℃～1400℃的融溶态的合金铸铁浇注在堆焊层上，形成铸铁凝固层，铸铁凝固层和堆焊层的原料组成相近，熔点相近，通过感应加热，铸铁凝固层与合金钢辊芯表面的堆焊层实现冶金结合，而合金钢辊芯的熔点高于感应加热的温度，铸铁凝固层与合金钢辊芯表面的堆焊层冶金结合的过程中合金钢辊芯不熔化，实现了堆焊的合金钢辊芯和浇注的辊身的冶金结合，结合强度高、不易剥落和出现辊面裂纹。
3、本发明控制堆焊层的厚度为3mm～10mm，既能保证堆焊的合金钢辊芯和浇注的辊身的冶金结合，不易剥落，又能降低辊身与合金钢辊芯结合的难度，节约了成本，并且本发明的制备方法，合金钢辊芯的长度和合金钢辊芯直径不受限制，制备的双金属铸焊复合轧辊可选择性强。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明双金属铸焊复合轧辊的制备过程中的截面的示意图。
图2是本发明实施例1制备的双金属铸焊复合轧辊的金相图。
附图标记说明：
1—合金钢辊芯； 2—堆焊层；3—铸铁凝固层。
具体实施方式
实施例1
本实施例的双金属铸焊复合轧辊的制备方法包括以下步骤：
步骤一、制备合金钢辊芯：采用砂型铸造法铸造合金钢辊芯；所述合金钢辊芯包括以下质量百分数的组分：C 0.26％、Si 1.5％、Mn 1.97％、Cr1.62％、Mo 0.459％、余量为Fe；合金钢辊芯的熔点为1420℃；
步骤二、制备堆焊层：将步骤一中铸造的合金钢辊芯进行抛丸清理，在抛丸清理后的合金钢辊芯的表面堆焊高铬铸铁焊丝，得到表面具有堆焊层的合金钢辊芯；所述堆焊层包括以下质量百分数的组分：C 2.0％、Cr15.0％、余量为Fe；所述堆焊层的熔点为1200℃，堆焊层的厚度为6.5mm；
步骤三、制备双金属铸焊复合轧辊：首先制备砂箱，砂箱位于步骤二中的得到的表面具有堆焊层的合金钢辊芯的外围，砂箱和合金钢辊芯均在地面上直立放置，砂箱外侧水平缠绕多圈感应线圈，通过感应加热，将表面具有堆焊层的合金钢辊芯加热到1000℃，采用顶注式将温度为1380℃的融溶态的合金铸铁通过砂箱上方的开设的烧冒口浇注在堆焊层上，形成铸铁凝固层，再通过感应加热，在温度为1335℃的条件下，使铸铁凝固层与合金钢辊芯表面的堆焊层冶金结合10min后，自然冷却至室温，得到双金属铸焊复合轧辊；所述合金铸铁包括以下质量百分数的组分：C 3.2％、Mn 1.25％、Cr 25.5％、B 0.15％、Ni 0.4％、Mo 1.3％、余量为Fe；感应加热的频率为3000kHz；合金铸铁的熔点为1210℃。
图2是本实施例制备的双金属铸焊复合轧辊的金相图，从金相图中可以清晰看出堆焊的合金钢辊芯和浇注的辊身的结合区组织致密，熔合区宽，结合平直整齐，达到良好的冶金结合。
对比例1
对比例1的双金属铸焊复合轧辊的制备方法同实施例1，堆焊层的厚度为2.0mm。
对比例2
本对比例的双金属复合轧辊的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、制备合金钢辊芯：同实施例1的步骤一；
步骤二、制备双金属复合轧辊：将步骤一中铸造的合金钢辊芯进行抛丸清理，制备砂箱，砂箱位于抛丸清理的合金钢辊芯的外围，砂箱和合金钢辊芯均在地面上直立放置，砂箱外侧水平缠绕多圈感应线圈，通过感应加热，将合金钢辊芯加热到1000℃，采用顶注式将温度为1380℃的融溶态的合金铸铁通过砂箱上方的开设的烧冒口浇注在合金钢辊芯上，形成铸铁凝固层，再通过感应加热，在温度为1335℃的条件下，使铸铁凝固层与合金钢辊芯结合10min后，自然冷却至室温，得到双金属铸焊复合轧辊；所述所述合金铸铁的原料组成和感应加热的频率同实施例1。
表1是实施例1、对比例1和对比例2制备的复合轧辊的性能对比试验结果，表2摩擦磨损实验的参数，表1和表2结果显示实施例1制备的双金属铸焊复合轧辊洛氏硬度、冲击试验、硬度、抗拉强度、剪切强度和摩擦磨损性能均强于对比例1和对比例2的复合轧辊，并且堆焊层的厚度选择能够优化双金属铸焊复合轧辊的抗拉强度和剪切强度。
表1实施例1、对比例1和对比例2制备的复合轧辊的性能
Figure BDA0001932526690000071
表2摩擦磨损实验参数
参数值
冲击功 0～0.5kg·m
砂流量 0～50kg/h
预磨时间 30min
磨损时间 90min
冲击次数 100转/min
磨料粒度 1mm～5mm
本发明选用合金钢作为合金钢辊芯，合金钢的含C量低，合金钢辊芯的强度高、韧性好、不易断裂，能够承受很大的轧制循环应力；辊身含Cr量高、硬度高、耐磨性好，制备的双金属铸焊复合轧辊能够承受较大的轧制循环应力、强力摩擦和挤压。
本发明通过堆焊在合金钢辊芯表面形成堆焊层，将堆焊层与合金钢辊芯冶金结合，再将温度为1380℃的融溶态的合金铸铁浇注在堆焊层上，形成铸铁凝固层，铸铁凝固层和堆焊层的原料组成相近，熔点相近，通过感应加热，铸铁凝固层与合金钢辊芯表面的堆焊层冶金结合，而合金钢辊芯的熔点高于感应加热的温度，铸铁凝固层与合金钢辊芯表面的堆焊层冶金结合的过程中合金钢辊芯不熔化，实现了堆焊的合金钢辊芯和浇注的辊身的冶金结合，结合强度高、不易剥落和出现辊面裂纹。
本发明控制堆焊层厚度为6.5mm，既能保证堆焊的合金钢辊芯和浇注的辊身的冶金结合，不易剥落，又能降低辊身与合金钢辊芯结合的难度，节约了成本，并且本发明的制备方法，合金钢辊芯的长度和合金钢辊芯直径不受限制，制备的双金属铸焊复合轧辊可选择性强。
实施例2
本实施例的双金属铸焊复合轧辊的制备方法包括以下步骤：
步骤一、制备合金钢辊芯：采用砂型铸造法铸造合金钢辊芯；所述合金钢辊芯包括以下质量百分数的组分：C 0.22％、Si 1.5％、Mn 1.97％、Cr1.62％、Mo 0.459％、余量为Fe；合金钢辊芯的熔点为1420℃；
步骤二、制备堆焊层：将步骤一中铸造的合金钢辊芯进行抛丸清理，在抛丸清理后的合金钢辊芯的表面堆焊高铬铸铁焊丝，得到表面具有堆焊层的合金钢辊芯；所述堆焊层包括以下质量百分数的组分：C 2.8％、Cr20.0％、余量为Fe；所述堆焊层的熔点为1200℃，堆焊层的厚度为3mm；
步骤三、制备双金属铸焊复合轧辊：首先制备砂箱，砂箱位于步骤二中的得到的表面具有堆焊层的合金钢辊芯的外围，砂箱和合金钢辊芯均在地面上直立放置，砂箱外侧水平缠绕多圈感应线圈，通过感应加热，将步骤二中表面具有堆焊层的合金钢辊芯加热到900℃，采用顶注式将温度为1350℃的融溶态的合金铸铁通过砂箱上方开设的浇冒口浇注在堆焊层上，形成铸铁凝固层，再通过感应加热，在温度为1320℃的条件下，使铸铁凝固层与合金钢辊芯表面的堆焊层冶金结合15min后，自然冷却至室温，得到双金属铸焊复合轧辊；所述合金铸铁包括以下质量百分数的组分：C3.0％、Mn 1.0％、Cr 25.0％、B 0.2％、Ni0.5％、Mo 2.0％、余量为Fe；感应加热的频率为1650kHz；合金铸铁的熔点为1200℃。
表3是实施例2制备的双金属铸焊复合轧辊的性能表，结果显示，实施例2制备的双金属铸焊复合轧辊洛氏硬度、冲击试验、硬度、抗拉强度、剪切强度和摩擦磨损性能良好。
表3实施例2制备的双金属铸焊复合轧辊的性能
Figure BDA0001932526690000091
实施例3
本实施例的双金属铸焊复合轧辊的制备方法包括以下步骤：
步骤一、制备合金钢辊芯：采用砂型铸造法铸造合金钢辊芯；所述合金钢辊芯包括以下质量百分数的组分：C 0.22％、Si 1.5％、Mn 1.97％、Cr1.62％、Mo 0.459％、余量为Fe；合金钢辊芯的熔点为1420℃；
步骤二、制备堆焊层：将步骤一中铸造的合金钢辊芯进行抛丸清理，在抛丸清理后的合金钢辊芯的表面堆焊高铬铸铁焊丝，得到表面具有堆焊层的合金钢辊芯；所述堆焊层包括以下质量百分数的组分：C 3.6％、Cr26.0％、余量为Fe；所述堆焊层的熔点为1220℃，堆焊层的厚度为10mm；
步骤三、制备双金属铸焊复合轧辊：首先制备砂箱，砂箱位于步骤二中的得到的表面具有堆焊层的合金钢辊芯的外围，砂箱和合金钢辊芯均在地面上直立放置，砂箱外侧水平缠绕多圈感应线圈，通过感应加热，将步骤二中表面具有堆焊层的合金钢辊芯加热到1100℃，采用顶注式将温度为1400℃的融溶态的合金铸铁通过砂箱上方的开设的冒口浇注在合金钢辊芯上，形成铸铁凝固层，再通过感应加热，在温度为1350℃的条件下，使铸铁凝固层与合金钢辊芯表面的堆焊层冶金结合5min后，自然冷却至室温，得到双金属铸焊复合轧辊；所述合金铸铁包括以下质量百分数的组分：C 3.4％、Mn 1.4％、Cr 26.0％、B 0.1％、Ni 0.3％、Mo 0.6％、余量为Fe；感应加热的频率为1650kHz；合金铸铁的熔点为1220℃。
表4是实施例3制备的双金属铸焊复合轧辊的性能表，结果显示，实施例3制备的双金属铸焊复合轧辊洛氏硬度、冲击试验、硬度、抗拉强度、剪切强度和摩擦磨损性能良好。
表4实施例3制备的双金属铸焊复合轧辊的性能
Figure BDA0001932526690000101
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种双金属铸焊复合轧辊的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、制备合金钢辊芯：采用砂型铸造法铸造合金钢辊芯，所述合金钢辊芯的熔点为1420℃；
步骤二、制备堆焊层：将步骤一中铸造的合金钢辊芯进行抛丸清理，在抛丸清理后的合金钢辊芯的表面堆焊高铬铸铁焊丝，得到表面具有堆焊层的合金钢辊芯；
步骤三、制备双金属铸焊复合轧辊：通过感应加热，将步骤二中表面具有堆焊层的合金钢辊芯加热到900℃～1100℃，将温度为1350℃～1400℃的融溶态的合金铸铁浇注在堆焊层上，形成铸铁凝固层，再通过感应加热，在温度为1320℃～1350℃的条件下，使铸铁凝固层与合金钢辊芯表面的堆焊层冶金结合5min～15min后，自然冷却至室温，得到双金属铸焊复合轧辊。
2.根据权利要求1所述的一种双金属铸焊复合轧辊的制备方法，其特征在于，步骤一中所述合金钢辊芯包括以下质量百分数的组分：C 0.22％～0.30％、Si 1.5％、Mn 1.97％、Cr1.62％、Mo 0.459％、余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种双金属铸焊复合轧辊的制备方法，其特征在于，步骤二中所述堆焊层包括以下质量百分数的组分：C 2.0％～3.6％、Cr 15.0％～26.0％、余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的一种双金属铸焊复合轧辊的制备方法，其特征在于，步骤三中所述合金铸铁包括以下质量百分数的组分：C 3.0％～3.4％、Mn 1.0％～1.5％、Cr 25.0％～26.0％、B 0.1％～0.2％、Ni 0.3％～0.5％、Mo 0.6％～2.0％、余量为Fe。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中所述堆焊层的熔点为1200℃～1220℃，步骤三中所述合金铸铁的熔点为1200℃～1220℃。
6.根据权利要求1所述的一种双金属铸焊复合轧辊的制备方法，其特征在于，步骤二中所述堆焊层的厚度为3mm～10mm。
7.根据权利要求1所述的一种双金属铸焊复合轧辊的制备方法，其特征在于，步骤三中感应加热的频率为300kHz～3000kHz。
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