CN117418096A - 一种高合金钢轧辊防止梅花瓣处淬火裂纹的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高合金钢轧辊防止梅花瓣处淬火裂纹的加工方法，属于机械加工和热处理技术领域，包括半精加工、热处理、精加工工序，在热处理前的机械半精加工工序时，加大轧辊梅花瓣处的直径余量，并加大梅花瓣的宽度及倒角；热处理采用整体一次性加热淬火，淬火前对梅花瓣部位进行防淬透保护；热处理后再在高硬度下将轧辊加工到要求的尺寸。使用本发明的方法能够在保证工作辊各部位硬度满足设计要求的情况下，避免淬火裂纹，提高成品率和生产效率，降低加工成本。

Description

一种高合金钢轧辊防止梅花瓣处淬火裂纹的加工方法

技术领域

本发明涉及一种机械零件的制造方法，尤其是一种不同部位要求不同硬度的轧辊类或轴类零件的制作方法，属于机械加工和热处理技术领域。

背景技术

在机械零件设计过程中，常常会根据不同工况和作用，对同一零件的不同部位设计出不同的形状或尺寸，或者不同的部位设计成不同的硬度或不同粗造度的要求。如轴类零件的不同部位的形状和尺寸往往不同，如齿轮轴、花键轴等就是如此；并且有时候，轴类零件的不同部位要求的硬度也不相同，如花键轴的花键部位可能不要求有高硬度，而齿轮部位则要求很高的硬度。

多辊轧机主要用来轧制冷轧不锈钢带、硅钢带、精密合金带、高温难熔合金带、稀有合金带、高精度极薄冷轧碳素钢带以及有色金属带材等，随着我国国民经济的不断发展，多辊轧机数量不断增加，以十八辊、二十辊森吉米尔轧机为代表的多辊轧机正在发挥越来越大的作用。多辊轧机的特点是塔形辊系，轧辊直径小，辊系刚度大，道次压下量大，精度高，能耗及运行成本低。

在轧钢领域，十八辊或二十辊森吉米尔轧机的两个中间传动辊就是异型的长轴类零件，其不同的部位要求的硬度不同。例如某型号的森吉米尔轧机的中间传动辊的总尺寸为1758mm×Φ236mm，辊身（工作面，Φ236mm处）为圆柱形光面，传动辊的传动端（Φ228mm处）为梅花瓣状结构，操作端（Φ108mm和Φ80mm处）为小于辊身直径的圆柱形光面。其结构如附图1、附图2所示。该传动辊的材质为H12热做模具钢，该钢种的淬透性很好，热处理后的强度很高。但如果热处理不当时，往往会出现淬裂现象，造成报废。该传动辊各部位的硬度要求为：辊身59-61HRC，传动端辊颈的梅花瓣外圆及侧壁（梅花瓣的两内侧立面）的硬度要求56-59HRC。

传统的工艺方法为：先对工作辊进行机械半精加工，在辊身加工到要求的尺寸后，轧辊两端的传动端和操作端加工成略小于辊身直径的圆柱体，并不加工梅花瓣结构；在对辊身进行淬火后，再转机械加工工序对轧辊两端的轴颈进行机械加工，并加工成要求的成品尺寸，同时加工出传动端梅花瓣的结构到成品尺寸，再转回热处理工序对传动端的轴颈和操作端的轴颈分别进行表面淬火，然后再对各梅花瓣侧面进行表面加热淬火，最后用抛修等机械精加工方法加工梅花瓣的侧面和外圆。这种方法不仅两端轴颈的硬度会出现不均匀的问题，尤其是梅花瓣侧面和顶部的硬度出现不同的硬度，而且再次对轴颈淬火时，其加热过程中会影响到已经淬火的辊身端部的硬度，使轴颈与辊身端部的过渡处出现软带。

这种传统分段淬火强化的工艺方法还存在工序复杂，淬火、强化次数较多，需要将零件反复在机械加工设备和热处理工序之间转移；热处理时因操作端辊颈直径不同、需更换不同感应器，梅花瓣部位强化又需更换不同的热处理设备，整个过程比较繁琐、淬火和强化效率较低，劳动强度较大；梅花瓣部位强化过程中，外圆及侧壁各部位的硬度相差较大，硬度均匀性较差，且梅花瓣强化时不是在外圆和侧壁的过渡部位出现软带，就是过渡部位因重复加热形成开裂的质量事故，造成产品报废。

为了使梅花瓣各部位的硬度能够一致，克服上述出现软带、裂纹的缺陷，技术人员将上述轧辊改为机械加工完成后进行整体淬火。这种整体淬火是在淬火前的机械半精加工过程中将辊身、辊身两端轴颈的外圆和梅花瓣各部分均加工成型，仅留有少量的仅供精磨和抛修加工而去除的加工余量。由于H12钢具有很高的淬透性，在其淬火过程中，钢材的组织会发生剧烈转变，形成马氏体时会使钢材的组织产生膨胀，不但会引起整根轧辊的变形，而且容易在薄壁及尖角处出现裂纹。如按照上述半精加工方法加工后的工作辊在整体淬火时，梅花瓣的根部会出现裂纹，或者在梅花瓣的外圆处出现崩边或崩角事故，造成整根工作辊报废。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种带梅花瓣或其它复杂结构的高合金钢轧辊的制作方法，在保证工作辊各部位硬度满足设计要求的情况下，避免淬火裂纹，提高成品率和生产效率，降低加工成本。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种高合金钢轧辊防止梅花瓣处淬火裂纹的加工方法，包括半精加工、热处理、精加工工序，在热处理前的机械半精加工工序时，加大轧辊梅花瓣处的直径余量，并加大梅花瓣的宽度及倒角；热处理采用整体一次性加热淬火，淬火前对梅花瓣部位进行防淬透保护；热处理后再在高硬度下将轧辊加工到要求的尺寸。

本发明的技术方案的进一步改进在于：所述半精加工工序的轧辊梅花瓣处直径的余量为4-11mm，梅花瓣宽度加大3-6mm，倒角半径加大2-4mm。

本发明的技术方案的进一步改进在于：所述半精加工工序转热处理前对梅花瓣的外圆和侧面进行抛光。

本发明的技术方案的进一步改进在于：所述淬火前对梅花瓣部位进行防淬透保护是在梅花瓣部位包裹一层耐火泥，再用保护套包裹在耐火泥的外面。

本发明的技术方案的进一步改进在于：所述耐火泥的包裹厚度为1-10mm。

本发明的技术方案的进一步改进在于：所述保护套为梅花瓣的仿形结构，保护套的壁厚为3-10mm。

本发明的技术方案的进一步改进在于：在保护套的壁上开有将保护套捆绑在轧辊上的孔。

本发明的技术方案的进一步改进在于：热处理时将轧辊垂直放入淬火加热炉，分段升温到淬火温度并保温；保温完成后垂直进入淬火冷却液中，待整根轧辊全部冷却到马氏体转变温度后，将轧辊从冷却液中吊出放入回火炉内回火。

本发明的技术方案的进一步改进在于：半精加工时在轧辊的与梅花瓣相对的另一端加工出垂直吊装轧辊的吊槽。

本发明技术方案的进一步改进在于：

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明提供的一种高合金钢轧辊防止梅花瓣处淬火裂纹的加工方法，不但能够保证工作辊各部位硬度满足设计要求，而且能够避免最终产品上出现淬火裂纹，能够提高成品率和生产效率，使成品率达到百分之百，不再出现废品。并且简化了生产工序，缩短了生产周期，降低了轧辊的生产加工成本。使用本发明的工艺方法比原来的多次分段淬火工艺的综合生产效率提高了约30%，生产成本降低了约15%。

本发明在热处理前的半精加工工序中对轧辊进行机械时，加大了轧辊梅花瓣处的直径余量和梅花瓣的宽度及倒角，加大了梅花瓣的尺寸，这样可以减少淬火时梅花瓣处的裂纹发生，能够保证即使在淬火后出现微小的裂纹，也可以在后续机械加工中将裂纹去除，而不影响轧辊的硬度和机械尺寸。如果在半精加工的最后转热处理工序前对梅花瓣的各面进行抛光，能起到更好的效果。

热处理采用整体一次性加热淬火，使热处理工艺较原来的三次热处理多段多部位分别热处理大大简化，降低了热处理的成本。淬火前对梅花瓣等易淬裂的部位进行防淬透保护，能够避免复杂结构处出现淬火裂纹；热处理后再在高硬度下将轧辊加工到要求的尺寸，虽然因轧辊的硬度高而增加加工难度，但目前的刀具和机械加工设备的加工能力已经完全能够顺利完成，增加不了太多的精加工成本。在梅花瓣部位涂抹包裹耐火泥后，耐火泥能够减缓高合金钢的冷却速度，使淬火时高合金钢中的奥氏体向马氏体转变过程变的较为缓和，因此能够减少裂纹的发生。在耐火泥外面用保护套包裹在耐火泥，能够防止耐火泥在加热或冷却过程中开裂或脱落而失去保护作用，保护套本身也能够阻碍淬火时冷却液的流动，阻止高合金钢与冷却液的热交换，从而降低轧辊梅花瓣部位的冷却速度，并且保护套的材质一般为低碳钢，其淬透性低于高合金钢，加上耐火泥的作用，能够使梅花瓣的各部分、以及内外层得到均匀的硬度。可以根据预想控制的梅花瓣的硬度选择耐火泥的涂抹包裹厚度在1-10mm，保护套的壁厚为3-10mm。本发明的保护套做成仿梅花瓣状时，在保护套的壁上开的孔可以穿入铁丝，将保护套捆绑在轧辊上。

附图说明

图1是本发明所涉及一种零件的主视图；

图2是图1的左端面视图；

图3为一种防护套的仿形结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

针对本文背景技术中提到的加工森吉米尔轧机带梅花瓣的工作辊时存在的问题，本发明还是坚持用最节约热处理成本的一次整体淬火方法对工作辊进行热处理，但是在热处理前的预先机械半精加工和热处理过程中采取了防止淬火裂纹的措施，从而保证了淬火质量并达到热处理硬度要求。具体方法是：

本发明的一种高合金钢轧辊防止梅花瓣处淬火裂纹的加工方法，包括半精加工、热处理、精加工工序。在热处理前的机械半精加工工序时，加大了轧辊梅花瓣处的直径，在直径方向留出更多的后续加工余量，并加大梅花瓣的宽度及梅花瓣各处的倒角；一般情况下，在半精加工工序可将轧辊梅花瓣处直径加大到比要求尺寸多4-11mm，即为后续机械加工留出4-11mm的余量，而梅花瓣宽度（或称为厚度）需要比要求的尺寸大3-6mm，梅花瓣的各处倒角半径也要比要求的半径大2-4mm。为了进一步克服淬火裂纹还可以在半精加工工序转热处理前对梅花瓣的外圆和侧面进行抛光。

本发明的热处理工序仍采用整体一次性加热淬火，淬火前对梅花瓣部位进行防淬透保护；热处理后再转到机械加工工序，在高硬度下将轧辊加工到要求的尺寸。所述淬火前对梅花瓣部位进行防淬透保护是在梅花瓣部位涂抹包裹一层耐火泥，耐火泥的包裹厚度可以根据材质淬透性能设定在1-10mm；涂抹耐火泥后再用保护套将耐火泥包裹住。保护套可以是梅花瓣的仿形结构，如图3所示，其可以套在图1、图2所示工作辊的梅花瓣的外面；保护套的壁厚可以为3-10mm。为了防止加热和冷却过程中保护套脱离梅花瓣而落，可以在保护套的壁上打上两个对称的孔，孔内穿入铁丝，用铁丝将保护套捆绑在轧辊上。

本发明的方法在热处理时，是将整体的轧辊垂直放入淬火加热炉，并使加热炉分段升温，如先升温到750-900℃，保温0.5-5h，再升温到淬火温度（H12钢为960-1090℃）并保温（根据轧辊大小可以设定在1-6h）；保温完成后将轧辊垂直吊出井式淬火加热炉，并吊入淬火冷却液中，使轧辊垂直进入冷却液淬火；待整根轧辊全部冷却到马氏体转变温度后（一般冷却时间在10-40min），将轧辊从冷却液中吊出并放入回火炉内回火（回火温度可以为300-600℃，保温时间10-30h）。回火结束后，检查轧辊表面各部位的外观质量、硬度、变形量，并检查金相组织等；然后对轧辊进行精加工、超声波探伤、表面波探伤等。

为了淬火加热和冷却时吊装方便，在半精加工时可以在轧辊的与梅花瓣相对的另一端加工出垂直吊装轧辊的吊槽，以便热处理时用多位吊具竖直吊装工作辊。

实施例1：

本实施例的森吉米尔轧机工作辊的外部尺寸为φ128mm×1100mm，轧辊传动端的梅花瓣尺寸为φ120mm×52mm（梅花瓣的厚度），轧辊材质为H12。

生产过程工艺方案如下：

1、半精加工时将轧辊传动端的梅花瓣附近的直径加工成φ126mm，比图纸设计要求大6mm；把梅花瓣宽度也加大6mm,加工成58mm；梅花瓣外圆处的倒角由原来R1mm加大为R4mm；并对梅花瓣的外圆和内侧（每个瓣的两面）抛光。在轧辊的操作端（相对于梅花瓣端的另一端）的图纸要求的较小直径处加工出吊槽。

2、热处理工序时，在梅花瓣的外圆和两侧面涂抹耐火泥，使耐火泥的厚度达到5mm，使耐火泥包裹住梅花瓣，然后将保护套套装在梅花瓣上，将耐火泥罩住，将铁丝穿过保护套上的两个对称的孔，用铁丝将保护套固定到梅花瓣上。本实施例的保护套为与梅花瓣对应的形状，保护套的钢板厚度为5mm，保护套的材料为45钢。

3、将轧辊吊挂至多位吊具上，轧辊操作端的吊槽卡入吊具中；轧辊通过多位吊具放入高温井式炉中；并以80℃/h升温至780℃，在此温度保温1h；再升温至1000℃，保温2h；加热保温结束后，迅速垂直落入冷却液中，冷却10分钟；然后装炉回火，回火温度为540℃，回火时间为15h。

4、待轧辊冷却后，检测轧辊各部位的硬度和有无裂纹。经检测，辊身硬度为59-61HRC，梅花瓣各处硬度为56-59HRC，轧辊操作端的硬度为58-60HRC，各部分硬度符合技术要求；梅花瓣部位无裂纹。

实施例2：

本实施例的森吉米尔轧机工作辊的尺寸为φ178mm×1680mm，轧辊传动端的梅花瓣尺寸为φ170mm×56mm，轧辊材质为X63CrMoV51。本实施例与实施例1的区别在于半精加工时所留的加工余量、以及热处理的各工艺参数稍有不同，具体如下：

半精加工时将轧辊传动端的梅花瓣附近的直径加工成φ175mm，比图纸设计要求大5mm；把梅花瓣宽度也加大7mm,加工成63mm；梅花瓣外圆处的倒角由原来R2mm加大为R5mm。

热处理工序时，在梅花瓣的外圆和两侧面涂抹耐火泥的厚度达到10mm，所使用的保护套的钢板厚度为3mm。轧辊装入淬火加热炉后，以70℃/h升温至800℃×1h；再升温至970℃，保温5h；淬火冷却时的冷却时间为20分钟；回火为480℃×20h。

经检测，辊身硬度为58-60HRC，梅花瓣各处硬度为55-57HRC，轧辊操作端的硬度为58-59HRC，各部分硬度符合技术要求；梅花瓣部位无裂纹。

实例3：

本实施例的森吉米尔轧机工作辊的尺寸为φ240mm×2260mm，轧辊传动端的梅花瓣尺寸为φ230mm×60mm，轧辊材质为H11。本实施例在半精加工时将轧辊传动端的梅花瓣附近的直径加工成φ238mm，比图纸设计要求大8mm；把梅花瓣宽度也加大8mm,加工成68mm；梅花瓣外圆处的倒角由原来R2mm加大为R5mm。热处理工序时，在梅花瓣的外圆和两侧面涂抹耐火泥的厚度为1mm，所使用的保护套的钢板厚度为4mm。淬火加热时，以50℃/h升温至880℃×4h；再升温至1010℃，保温5h；淬火冷却时的冷却时间为28分钟；回火为520℃×25h。

经检测，辊身硬度为57-59HRC，梅花瓣各处硬度为55-57HRC，轧辊操作端的硬度为56-58HRC，各部分硬度符合技术要求；梅花瓣部位无裂纹。

本发明的方法经过多批次的生产实验，如果在半精加工时轧辊梅花瓣部位各处的加工余量取下限（如直径加大4mm、梅花瓣宽度加大3mm、倒角半径加大2mm）时，可以适当加大包裹耐火泥的厚度（如取8-10mm厚），耐火泥较厚时保护套的钢材厚度可以不做要求。当半精加工时轧辊梅花瓣部位各处的加工余量取上限（如直径加大11mm、梅花瓣宽度加大6mm、倒角半径加大4mm）时，可以适当减少包裹耐火泥的厚度（如取1-6mm厚的任意厚度），耐火泥较薄时，可以用适当厚度（如用8-10mm的钢板）的保护套，以保证不出现裂纹。

Claims (9)

1.一种高合金钢轧辊防止梅花瓣处淬火裂纹的加工方法，包括半精加工、热处理、精加工工序，其特征在于：在热处理前的机械半精加工工序时，加大轧辊梅花瓣处的直径余量，并加大梅花瓣的宽度及倒角；热处理采用整体一次性加热淬火，淬火前对梅花瓣部位进行防淬透保护；热处理后再在高硬度下将轧辊加工到要求的尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种高合金钢轧辊防止梅花瓣处淬火裂纹的加工方法，其特征在于：所述半精加工工序的轧辊梅花瓣处直径的余量为4-11mm，梅花瓣宽度加大3-6mm，倒角半径加大2-4mm。

3.根据权利要求2所述的高合金钢轧辊防止梅花瓣处淬火裂纹的加工方法，其特征在于：所述半精加工工序转热处理前对梅花瓣的外圆和侧面进行抛光。

4.根据权利要求1所述的一种高合金钢轧辊防止梅花瓣处淬火裂纹的加工方法，其特征在于：所述淬火前对梅花瓣部位进行防淬透保护是在梅花瓣部位包裹一层耐火泥，再用保护套包裹在耐火泥的外面。

5.根据权利要求4所述的一种高合金钢轧辊防止梅花瓣处淬火裂纹的加工方法，其特征在于：所述耐火泥的包裹厚度为1-10mm。

6.根据权利要求4所述的一种高合金钢轧辊防止梅花瓣处淬火裂纹的加工方法，其特征在于：所述保护套为梅花瓣的仿形结构，保护套的壁厚为3-10mm。

7.根据权利要求6所述的一种高合金钢轧辊防止梅花瓣处淬火裂纹的加工方法，其特征在于：在保护套的壁上开有将保护套捆绑在轧辊上的孔。

8.根据权利要求1所述的一种高合金钢轧辊防止梅花瓣处淬火裂纹的加工方法，其特征在于：热处理时将轧辊垂直放入淬火加热炉，分段升温到淬火温度并保温；保温完成后垂直进入淬火冷却液中，待整根轧辊全部冷却到马氏体转变温度后，将轧辊从冷却液中吊出放入回火炉内回火。

9.根据权利要求8所述的一种高合金钢轧辊防止梅花瓣处淬火裂纹的加工方法，其特征在于：半精加工时在轧辊的与梅花瓣相对的另一端加工出垂直吊装轧辊的吊槽。