CN1179804C - 仿生非光滑耐磨轧辊 - Google Patents

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Abstract

本发明属于轧制型材用的轧辊。该技术方案是为提高轧辊表面耐磨性能，提供一种仿生非光滑耐磨轧辊，有效地提高型材轧辊的使用寿命。该轧辊由耐磨材料辊皮和具有较好韧性的芯部材料复合而成，其特点是辊皮具有微米级的凸包或凹坑，其凸包或凹坑直径为50～200微米、其高度或深度为25～100微米，其分布密度为200～5000个/100平方毫米。

Description

仿生非光滑耐磨轧辊
技术领域
本发明属于轧制型材用的轧辊。
背景技术
轧钢厂使用的轧辊，在轧制各种线材、棒材、窄带钢、中带钢、无缝钢管的过程中，轧辊处在高温、高负荷和高速度的条件下工作，使用工况条件苛刻，要求轧辊具有高的强韧性、耐磨性、耐表面粗糙性和耐热裂性，因此，对制造轧辊的材料和工艺要求高。
目前，轧钢厂使用的轧辊，大多数仍然使用高合金无限冷硬轧辊和合金半钢轧辊，这些轧辊大都是采用同一种材料生产。对同一种材料，耐磨性和韧性往往是相互矛盾的两个指标，而轧辊要求表面有高的耐磨性，芯部要有好的韧性，但是，生产中它们又是相互制约的。如果轧辊的耐磨性高，韧性就明显不足，生产中时常出现断辊现象；如果韧性好了，耐磨性又很差。因此，现有材料和工艺制造的轧辊，生产效率低，成本高，以某钢铁公司为例，型材轧辊每班八小时需更换三次轧辊，高速线材轧辊每天工作前要用2个小时更换轧辊。如果能将轧辊的使用寿命提高三倍，则生产效率可提高25％，生产成本将降低10％。
发明内容
本发明的目的是为提高轧辊表面耐磨性能，提供一种仿生非光滑耐磨轧辊，有效地提高型材轧辊的使用寿命。
本发明仿生非光滑耐磨轧辊是由耐磨材料辊皮和具有较好韧性的芯部材料复合而成，其特征在于辊皮具有微米级的凸包或凹坑、波纹、鳞片状的非光滑表面。
轧辊表层的非光滑形态是通过对生物体材料的结构和磨擦行为研究提出来的仿生新思想。通过对某些生物如蜣螂、海生贝类、穿山甲、竹材等的研究发现，生物体表具有的减粘耐磨功能，是与其体表的非光滑形态有密切关系，体表的非光滑形态在磨料磨损过程中，可使磨料粒在磨擦过程中发生滚动而大大减轻了对其体表的损伤，这是生物经过亿万年的进化优化，逐渐形成与生存环境相适应的特征。不同的生物体具有不同的非光滑形态，有凸包、凹坑、波纹、鳞片等形态。根据生物体表的非光滑形态的耐磨效应，由此提出了仿生非光滑耐磨轧辊。轧辊表面的非光滑形态，根据轧辊实际工况条件，可以是凸包、凹坑、波纹、鳞片等形态。非光滑单元体大小在微米尺寸，凸包、凹坑型尺寸范围直径在50-200微米，凸包高度和凹坑深度在25-100微米，每一百平方毫米分布着200-5000个凸包或凹坑。非光滑单元体形态、分布规律和尺寸大小对提高轧辊表层的耐磨性有重要作用，设计合理的非光滑形态会显著提高轧辊表层工作部位的耐磨性。
本发明之轧辊所述的芯部采用低碳钢或球墨铸铁等韧性材料，所述的辊皮材料是按如下成分(Wt％)的高碳、高钒高速钢铸造而成：C 1.0～4.5，V 1.0～15.0，Cr 2.0～5.0，Mo 2.0～5.0，W 2.0～5.0，Fe余量，其中：Si≤0.35，Mn≤0.35，P≤0.03。该材料是在高速钢含有Cr、Mo、W的基础上，通过增加C、V含量，来改变碳化物的类型和数量，获得更多的MC型碳化物，并对V，C，Cr，Mo，W系合金进行了系统研究，根据高碳、高钒高速钢成分-组织-性能(σw、K1C、HRC、耐磨性等)之间的关系、影响规律及作用机制，建立了C、V含量与初生相的准三元状态图及Fe-C、Fe-V准二元状态图，获得了合金成分与凝固组织的关系，可根据轧辊的性能和成本要求及合金组织要求，设计合金成分。所述的高碳、高钒高速钢，其成分是(重量百分比Wt％)：铁(Fe)余量，钒(V)1.0-15.0，碳(C)1.0-4.5，铬(Cr)2.0-5.0，钼(Mo)2.0-5.0，钨(W)2.0-5.0，硅(Si)≤0.35，锰(Mn)≤0.35，磷(P)≤0.03，硫(S)≤0.03。所述的高碳、高钒高速钢，具有优异的力学性能和耐磨性，在含碳量大大高于65Cr4W3Mo2VNi、65Cr4W3Mo2V及W18Cr4V的情况下，其K1C值仍大大高于上述合金的K1C值，而抗弯强度与其相当。
本发明的仿生非光滑复合耐磨轧辊，其制备方法是：将耐磨材料高碳、高钒高速钢按上述组成部分的重量百分比(Wt％)配制冶炼后，采用离心铸造方法浇铸轧辊的耐磨辊皮，芯部注入低碳钢或球铁等韧性材料，使两种材料性能差异很大的材料复合在一起，形成表面耐磨，芯部又有韧性的复合轧辊。然后按照仿生学理论，由计算机设计轧辊表面具有耐磨效果的仿生非光滑形态图案，非光滑形态可以是凸包或凹坑。采用经过特殊调制具有高能量、高密度和高重复频率的YAG激光，在辅助气体的配合下，结合计算机图像处理和机床数控加工技术，在轧辊表层加工出仿生非光滑单元体，形成高耐磨性的仿生非光滑复合耐磨轧辊。
本发明具有以下优点：利用仿生非光滑技术将复合耐磨轧辊表面处理出具有不同形态、尺寸和分布规律的不光滑仿生形态图案，不仅具有高速钢复合耐磨轧辊的硬度高、耐磨性好、硬度落差小、高温时的红硬性和不易断辊等优点，而且具有仿生非光滑耐磨表面形态，使耐磨性进一步得到提高。其使用寿命较现在使用的冷硬铸铁轧辊的寿命提高4-6倍，生产仿生非光滑复合耐磨轧辊的成本仅较现在使用的冷硬铸铁轧辊的成本提高20-30％左右，具有高的性能价格比。
附图说明
图1是本发明仿生非光滑耐磨轧辊的结构形态示意图；
图2是辊皮具有凸包状表面的示意图；
图3是辊皮具有凹坑状表面的示意图。
具体实施方式
实施例1
仿生非光滑耐磨轧辊，芯体是低碳钢或球铁、辊皮是上述技术方案成分的高碳、高钒高速钢，辊皮表面为凸包状，参照图2，其直径：a1＝50微米、高度：h1＝25微米，其分布密度为2000个/100平方毫米。
实施例2
仿生非光滑耐磨轧辊，芯体是低碳钢或球铁、辊皮是上述技术方案成分的高碳、高钒高速钢，辊皮表面为凹坑状，参照图3，其直径：a2＝120微米、高度h2＝50微米，其分布密度为1000个/100平方毫米。

Claims (2)

1.一种仿生非光滑耐磨轧辊，由耐磨材料辊皮和具有较好韧性的芯部材料复合而成，其特征在于辊皮具有微米级的凸包或凹坑的非光滑表面，其所述的辊皮表面的凸包或凹坑的直径为50～200微米、其高度或深度为25～100微米，其分布密度为200～5000个/100平方毫米。
2.根据权利要求1所述的一种仿生非光滑耐磨轧辊，其特征在于所述的辊皮材料是按如下成分(Wt％)的高碳、高钒高速钢铸造而成：C 1.0～4.5，V 1.0～15.0，Cr 2.0～5.0，Mo 2.0～5.0，W 2.0～5.0，Fe余量，其中：Si≤0.35，Mn≤0.35，P≤0.03。
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