CN1239753C - 镍基合金复合导电辊及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明为应用于各类电镀机组的镍基合金复合导电辊及其制造方法，解决了现有导电辊使用寿命低的缺陷。它由辊轴和套筒热装而成，套筒由内套和外套热装复合而成，内套和外套之间，采用电镀方法涂敷了铜层。内套采用16Mn无缝钢板，外套采用多元镍基合金，其化学成分是(重量%)：Cr：15.0～25.0，Mo：6.0～15.0，Nb：0～8.0，Ta：0～8.0，Nb+Ta：3.0～8.0，Al：0.5～5.0，Mg：0.003～0.020，Y：0.03～0.15，Na：0.03～0.15，N：0.05～0.15，Ti：0.08～0.50，C＜0.1，Si＜1.5，Mn＜1.5，Fe＜8.0，余量为镍。本发明镍基合金复合导电辊外套利用电炉可以生产，采用离心铸造方法制造，镍基合金浇注和凝固过程中，在铸型中加入电磁场，同时采用变速离心铸造技术，获得了细小的等轴晶组织，具有优良的强韧性、耐磨性和耐蚀性。用本发明制造镍基合金复合导电辊生产工艺简单，操作方便，成本低廉。

Description

镍基合金复合导电辊及其制造方法

技术领域：本发明涉及导电辊及其制备方法，特别涉及用于各类电镀机组的镍基合金复合导电辊及其制造方法。

背景技术：现代工业的发展对薄钢板性能的要求越来越严格，具体地说，它不仅要有良好的机械性能，还要有很好的耐蚀性能。为了耐蚀和装饰，有时还需要有良好的涂装性能。如单一从材料本身考虑，任何同时具备良好的耐蚀性能和机械性能的材料，成本高，难以被广泛使用。涂镀层钢板最大优点是具有良好的耐蚀性，一般比普通冷轧碳钢板耐大气腐蚀性能高几倍到几十倍，此外，它们大多数具有良好的成型性和上漆性，有的还有良好的装饰性能。因此，国内外都在大力发展涂镀层钢板，有些国家的涂镀层钢板产量已经占冷轧板产量的50％，占钢产量的10％。电镀锌钢板是涂镀层产品中的一个主要品种，世界电镀锌设备能力从1988年的1150万t增至1992年的1567万t，目前已超过2000万t。电镀锌板的生产经过30多年的发展，目前已进入了一个崭新的阶段。自20世纪80年代以来，汽车工业的发展对电镀锌板的需求量大幅度增加，而且对品种和质量提出了更多和更苛刻的要求。与这种要求相适应，近年来国内外相继建成了一批新的电镀锌生产线，在生产工艺的改进和新品种的开发方面也取得了重大进展，主要表现在机组速度的提高和电镀电流密度的提高。随着机组速度和电镀电流密度的提高，机组产量提高，镀层厚度提高，镀层品种增加，电镀锌钢板的耐蚀性也提高。导电辊是电镀锌机组上的关键部件，在电镀过程中用以传导强大的阴极电流。在电镀槽内的导电辊和阳极板的共同作用下，将电镀槽内镀液中的锌离子在钢板表面均匀沉积，其中导电辊起电镀阴极作用，导电辊要求有低电阻，高导电性好、耐磨性和耐蚀性，导电辊质量不仅影响电镀锌钢板的质量，还对电镀锌机组的作业率和电镀锌钢板的生产成本有明显影响，因此，开发新型导电辊材质及其制造工艺是电镀锌钢板制造行业急待解决的难题。

国内外导电辊材质与制造工艺的改进主要表现在铜导电辊用离心铸造不锈钢导电辊和镍基合金导电辊取代，明显提高了耐磨性和耐蚀性。近年来，在离心铸造镍基合金导电辊基础上，开发了冷轧哈氏合金热装复合导电辊制造技术和热等静压镍基合金导电辊制造技术。铜导电辊具有优异的导电性，但硬度低，耐磨性差。不锈钢导电辊取代铜导电辊，具有较好的耐蚀性，但基体组织为单一奥氏体，硬度较低，耐磨性仍然偏低，在高电流下，耐蚀性也很难满足使用要求。日本特公昭63-33536和日本特公昭63-33537中，报道了两种含40％～55％Cr和适量Mo、Nb、N、Ta、Ti和Al等合金元素的多元Cr-Ni合金导电辊，它们具有高硬度和高耐蚀性，具有良好的耐磨性，但由于铬是形成TCP相(主要是σ相)元素，这两种导电辊中的铬含量太高，导致塑性和韧性低，铸造和使用中易出现开裂。日本专利JP01219134A中，报道了一种镍基合金导电辊的组成，其中含有10～25％Cr、7～12％Mo、1～5％Nb、0.4～5.0％Ti、0.5～2.0％Al，还含有5～15％Co，具有优良的耐蚀性和耐磨性，但合金中含有较多昂贵的钴金属，因此，生产成本太高。中国专利CN1116247中，报道了一种离心铸造不锈耐蚀合金导电辊套筒制造方法，不锈耐蚀合金化学成分为C，Si，Mn，Cr，Al，Ti，Fe，Ni，稀土，Nb，Co，V，其中Nb，Co，V至少含有一种或一种以上。该导电辊的耐蚀性和耐磨性优于不锈钢导电辊，但低于镍基合金导电辊。用冷轧哈氏合金取代离心铸造镍基合金，克服了离心铸造组织偏析、组织粗大、铸造夹杂、气孔和裂纹等固有缺陷，使导电辊性能进一步提高。用热等静压技术取代离心铸造技术制造镍基合金导电辊，具有无偏析、组织细小、成分分布均匀、组织致密等特点。冷轧哈氏合金热装复合导电辊目前主要存在两大难题，其一是哈氏合金钢板太厚，卷板加工困难，因此，导电辊工作层厚度薄，使用寿命短；其二是国内没有制造宽厚冷轧哈氏合金板的装备和技术，全部从国外高价进口，导致导电辊生产成本高。还存在着焊缝耐蚀性差和力学性能低的不足。应用热等静压技术取代离心铸造技术制造镍基合金导电辊，热等静压装备复杂，我国目前还没有制造直径大、长度长的镍基合金套的装备和技术。目前，我国导电辊主要采用离心铸造镍基合金导电辊，离心铸造镍基合金导电辊存在组织粗大、柱状晶明显、导电性差、耐蚀性和耐磨性低等不足。导电辊套筒采用单一镍基合金制造，存在着电阻大、导电性差和强度低的不足，为克服这些不足，普遍采用加大导电辊套筒壁厚度的措施，但镍基合金成本高，采用加大导电辊套筒壁厚度的措施将显著增加导电辊镍基合金套筒重量，提高生产成本。美国专利3860099中报道了一种复合导电辊制造方法，导电辊套筒的外套采用耐蚀性和耐磨性好的镍基合金制造，内套采用低成本的碳钢制造，内套和外套通过热装直接复合在一起，但接触面电阻大，降低导电辊的导电性能。

发明内容：本发明需要解决的技术问题是，降低导电辊的成本，在保证其导电性、耐蚀性和耐磨性前提下，延长导电辊使用寿命。本发明提供一种镍基合金复合导电辊的化学组成成分及其制造方法。本发明思路是采用一种多元镍基合金制作导电辊的外套(工作层)，并采用离心铸造成形。内套(非工作层)采用高强度低合金钢，内外套采用热装方法复合在一起，为降低导电辊电阻，提高导电辊导电性能，导电辊内外套复合时，复合面加入了一层铜。其主要特点是在镍基合金中加入适量的Y、Mg、Na、N和Ti，使其组织细化，有利于镍基合金力学性能的大幅度提高，最终将导致镍基合金导电辊使用性能的提高。此外，为了克服普通离心铸造导电辊易产生偏析、粗大柱状晶等缺陷，采用了离心铸造中加入电磁场，可细化铸件组织，消除粗大的柱状晶，获得细小的等轴晶，对提高导电辊的耐磨性和耐蚀性是非常有利的。离心铸造过程中采用变速离心铸造技术，即周期性改变铸模旋转速度，使结晶前沿得到适当的切向加速度，可以细化导电辊辊身组织，提高其强韧性和耐蚀性。同时采用高温固溶处理，可以使导电辊组织和成分更加均匀，耐磨性和耐蚀性进一步提高。

本发明通过以下措施来实现：

本发明是一种镍基合金复合导电辊，导电辊套筒热装在辊轴上，导电辊套筒包括导电辊外套和导电辊内套，导电辊的外套为多元镍基合金，内套为高强度低合金钢，如16Mn无缝钢板，内外套采用热装方法复合在一起，辊轴与辊套的接触面和内套与外套的接触面上都添加了一层铜。

本发明导电辊外套的化学组成成分是(重量％)：

Cr：15.0～25.0，Mo：6.0～15.0，Nb或Ta一种或两种：3.0～8.0，Al：0.5～5.0，Mg：0.003～0.020，Y：0.03～0.15，Na：0.03～0.15，N：0.05～0.15，Ti：0.08～0.50，C＜0.1，Si＜1.5，Mn＜1.5，Fe＜8.0。

其余为Ni和不可避免的微量杂质。

本发明导电辊用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①按导电辊外套的化学组成成分重量百分比将金属铬、金属钼、金属铌、金属钽和镍板混合加热熔化。

②炉前调整成分合格后将温度升至1580～1680℃，加入铝脱氧和合金化，而后出炉。

③按导电辊外套的化学组成成分重量百分比将含镁、钇、钠、氮的变质剂和钛铁破碎至粒度小于15mm的小块，经300℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对金属液体进行复合变质处理。

④导电辊外套用离心铸造方法生产，铸型壁厚40～160mm，预热温度100～280℃，并在此温度下在铸型内表面衬上一层耐火涂料，涂料厚度0.8～6.0mm。铸型烘干后安装于离心机上待浇注。浇注时铸型温度为80～260℃。金属液体浇铸温度为1460～1560℃。镍基合金浇注和凝固过程中，在铸型中加入电磁场，电磁场的磁感应强度为0.03T～0.25T。在离心浇铸镍基合金凝固过程中，在固液相金属共存状态下，采用变速离心铸造工艺，使结晶前沿熔体产生切向加速度，切向加速度为0.05m/s²～0.25m/s²。

⑤导电辊外套粗加工后进行固溶处理，固溶处理工艺是导电辊随炉加热至1020～1250℃，保温1～6h，然后快速冷却。固溶后进行回火处理，回火处理工艺是导电辊随炉加热至500～700℃，保温3～10h，炉冷或空冷。

⑥导电辊内套采用高强度低合金钢，如16Mn无缝钢板，通过铸造、锻造、挤压或卷板加工成型。在接触面采用电镀或喷涂方法涂敷一层铜，厚度0.05～0.50mm，导电辊外套和内套采用热装方法复合在一起，过盈量为0.05～0.25mm。

⑦导电辊辊轴采用不锈钢制造，也可以采用碳钢表面包覆不锈钢板方法制造，导电辊辊轴与导电辊套筒采用热装方法复合，过盈量为0.05～0.25mm。复合前，导电辊辊轴与套筒接触面，采用电镀或喷涂方法涂敷一层铜，厚度0.05～0.50mm。导电辊辊轴与外接碳刷接触部位，采用电镀或喷涂方法涂敷一层铜，厚度0.05～0.50mm。

选用镍基合金制造导电辊工作层的主要原因是镍基合金具有优异的耐蚀性能。普通镍基合金中，通常加入Cr、Mo、Nb、Ta和Al等合金元素。导电辊性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明化学成分是这样确定的：

Cr：Cr是固溶强化元素，同时又能形成抗腐蚀的Cr₂O₃保护层，Cr₂O₃氧化物具有致密、低的阳离子空位，防止金属原子向表面扩散和氧、硫等有害元素向金属内扩散，有效地防止合金的继续腐蚀，为了提高合金抗腐蚀性能，铬含量应控制在15％以上。但镍基合金中的铬又是形成TCP相(主要是σ相)元素，降低镍基合金的塑性和韧性，综合考虑，将其含量控制在15.0％～25.0％。

Mo：Mo在镍基合金中是强有力的固溶强化元素，作用主要是形成固溶体，提高镍基合金强度和耐磨性，Mo含量过低，强化效果不明显，Mo含量过高，由于金属Mo熔点高，合金冶炼困难，此外，金属Mo价格高，加入量过多，导致镍基合金成本明显增加，综合考虑，将Mo含量控制在6.0％～15.0％。

Al：Al在镍基合金中形成γ′(Ni₃Al)相，通过γ′相在基体内弥散分布，从而强化合金，提高镍基合金的强度和耐磨性，Al还可以进入基体而使基体强化，同时，Al在合金表面形成Al₂O₃很致密的氧化物，对提高镍基合金导电辊的抗腐蚀性能起良好作用，Al含量低于0.5％时，强化和提高抗腐蚀性能效果不明显，但Al密度小，含量过高，易引起成分分布不均匀，综合考虑将Al含量控制在0.5％～5.0％。

Nb和Ta：Nb、Ta主要进入γ′，是强化和稳定γ′的主要元素，Nb、Ta加入量过低，对镍基合金的强化效果不明显，但加入量过多，由于Nb、Ta熔点高，加之价格高，导致合金熔炼困难和生产成本明显增加，综合考虑将Nb或Ta一种或两种含量控制在3.0％～8.0％。

Ti：加入Ti的目的是为了细化合金组织，提高其强度和韧性，Ti还是γ′相主要形成元素，通过γ′在基体内弥散分布，从而强化合金，提高镍基合金的强度和耐磨性，Ti含量控制在0.08％～0.50％。

C：C与镍基合金中的合金元素铬、钛等形成碳化物，从而降低了镍基合金的合金化程度，而铬的碳化物形成降低了镍基合金的抗腐蚀能力，过多的TiC或Ti(CN)的存在可造成冶金缺陷，因此将镍基合金导电辊中的碳含量控制在0.1％以下。

Fe：Fe降低镍基合金的耐蚀性，将其含量控制在8.0％以下。

Si：Si在镍基合金中主要固溶于基体，促使基体脆化，基体脆化的结果导致导电辊使用中出现开裂和剥落，因此将Si含量限制在1.5％以下。

Mn：Mn有使镍基合金晶粒粗化的倾向，降低导电辊的强度和耐蚀性，因此将Mn含量限制在1.5％以下。

Na：Na可降低镍基合金的结晶温度，有助于合金在液相线过冷，而合金的结晶过冷度增大，会使形核率大大增加，因此，Na使初生奥氏体晶核增多，初生奥氏体细化，初生奥氏体的细化导致镍基合金的强度和韧性提高，还有利于改善镍基合金耐蚀性，Na加入量过少，对镍基合金的性能影响不大，Na加入量过多，导致合金中夹杂物数量增多，降低镍基合金力学性能，综合考虑，将Na含量控制在0.03％～0.15％。

N：镍基合金中加入N的主要原因是结晶前N易与液态金属中的Ti和Al反应生成高熔点和高硬度的TiN和AlN，促使合金结晶晶核增多，导致合金组织细化，有利于改善镍基合金的强韧性，高硬度弥散分布的TiN和AlN的存在，还有利于改善镍基合金的耐磨性。但加入量过多，导致TiN和AlN粗大，且数量过多，反而降低镍基合金的强韧性，同时还大幅度降低镍基合金的耐蚀性，因此将其含量控制在0.05％～0.15％。

Mg：镍基合金合金中加入Mg的主要原因是它与硫有很强的亲和力，形成硫化物，从而减少硫的有害作用。同时Mg又是一个强烈偏析于晶界及相界的元素，当Mg含量合适时，晶界可以得到细小颗粒状分布的碳化物，从而大大改善镍基合金的强度和塑性，但Mg含量低于0.003％，效果不明显，而Mg含量超过0.020％时，晶界出现大块的连续分布的碳化物，导致镍基合金的强度和塑性降低，Mg含量过高时，甚至出现Ni-Ni₂Mg共晶(熔点1095℃)，恶化镍基合金的热加工性能，因此，将Mg含量控制在0.003％～0.02％.

Y：稀土加入镍基合金中具有脱硫、除气的作用，根据稀土夹杂物生成的热力学条件和应用实践，稀土元素与氧和硫的亲和力显著大于锰和铝等，稀土元素容易与氧、硫发生反应，生成小球状的RE₂O₂S、RE₂S₃等稀土夹杂物，显著地改善镍基合金沿晶界产生的脆性断裂。因此，稀土变质处理后，夹杂物数量明显减少，夹杂物趋于球化并均匀地分布在合金中，使合金的韧性提高，冲击断口上将出现大量的韧窝。但过量的稀土加入会导致稀土夹杂物呈破碎链状分布，反而有损合金的塑性和韧性。此外，稀土具有较大的原子半径，在镍中溶解度很小。由于具有很大的电负性，因此它们的化学性质很活泼，能在镍基合金中形成一系列极为稳定的化合物，成为非自发结晶核心，从而起到细化晶粒的作用。另外，稀土是表面活性元素，可以增大结晶核心产生速度，阻止晶粒生长。晶粒的细化，有利于合金塑、韧性提高。随着稀土含量的增加，晶粒细化越明显，这与稀土元素能增加奥氏体晶界迁移的激活能有关。而且结晶过程中，由于稀土元素在基体和其它相中的分配系数小(＜0.02％)，其表面活性大大增加，往往吸附在晶体生长边缘。选择吸附的结果，正在长大的晶体与合金液体界面形成一层吸附薄膜阻碍晶体长大所需原子扩散，降低了晶体长大倾向，细化合金组织。镍基合金中加入稀土，还可以改善氧化膜与合金基体的粘附性，减少氧化膜与合金基体界面处由于Cr³⁺向外迁移而形成的空穴，提高镍基合金导电辊的耐蚀性。加稀土的副作用是带来夹杂，为了充分发挥稀土的有益作用，克服其副作用，用钇基重稀土取代常用的铈基轻稀土。钇基重稀土可获得密度较小的脱氧、脱硫产物，以利于其上浮。铈稀土的脱氧、脱硫产物以Ce₂O₂S计，其密度为6.00g/cm³，钇稀土的脱氧、脱硫产物以Y₂O₂S计，密度为4.25g/cm³，按Stokes公式计算夹杂物在离心力场中上浮速度V为：

$V=\frac{d^2({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2){\mathrm{\ω}}^{2}r}{18\mathrm{\η}}---\left(1\right)$

式中：V-夹杂物上浮速度，m/s；d-夹杂物直径，m；ρ₁-金属液体的密度，N/m³；ρ₂-夹杂物的密度，N/m³；ω-铸型旋转的角速度，rad/s；r-液态金属中任意点的旋转半径，m；η-液体的动力粘度，N·s/m²。可见后者的上浮速度较前者增大1倍，这是使用钇稀土获得洁净组织对合金污染少的重要原因。Y的加入量0.03％～0.15％时，效果较好。

不可避免的微量杂质是原料中带入的，其中有P和S，均是有害元素，为了保证导电辊的强度、韧性和耐蚀性，我们将P含量控制在0.05％以下，S含量控制在0.05％以下。

普通离心铸造镍基合金套筒组织中，外壁为很薄的一层细等轴晶，然后是占管厚大部分的柱状晶，内壁为较粗大的等轴晶。细等轴晶组织具有优异的强韧性和耐磨性，还有良好的耐蚀性，因此镍基合金导电辊获得细小的等轴晶组织对提高导电辊使用寿命是非常有利的。通常细化晶粒的措施，如降低浇铸温度、改善铸模散热条件、机械振动以及加小球状冷铁，这些方法对模铸行之有效，但对离心浇铸很难取得令人满意的效果。离心铸造镍基合金套筒时加入电磁场，既可以抑制元素的重力偏析，因为电磁力的切向分量减小了金属熔体的周向运动速度，从而减缓了原子簇团的径向运动，与此同时，在电磁场作用下，金属熔体流动十分剧烈，从模壁上冲刷下来的晶核和从枝晶上熔蚀、折断的晶核增多，有更多可以长大的核心，这样导致奥氏体细小，由粗大的柱状晶变成细小的等轴晶。但磁感应强度过小，电磁力小，不能抑制元素的偏析。由于固液界面前沿附近金属熔体重力倍数随着磁感应强度的增大而下降，磁感应强度过大，金属熔体的实际重力系数将低于获得致密铸件所必须的重力系数，导致导电辊工作层产生疏松。电磁场的磁感应强度控制在0.03T～0.25T，既可消除离心铸造镍基合金导电辊的元素偏析，还可保证镍基合金导电辊在离心铸造条件下获得致密的组织，同时还可以获得细小的等轴晶组织。

在离心浇铸镍基合金凝固过程中，在固液相金属共存状态下，以一定规律提高铸型转速，使结晶前沿熔体产生加速度对枝晶产生切向力，可使枝晶折断、脱落，形成晶核，从而可以达到细化晶粒的效果。此外，在变速离心铸造条件下，使熔体相对流动加强，紊流区扩大，减小了凝固前沿温度梯度，并使凝固前沿扩散边界层减薄，浓度梯度增加，从而使两相区内成分过冷度增加，这一切都为等轴晶生长创造了条件，因此采用变速离心铸造技术后，离心铸造镍基合金导电辊组织细化效果显著。采用变速离心铸造工艺，结晶前沿熔体产生切向加速度小于0.05m/s²时，导电辊组织细化效果不明显，结晶前沿熔体产生切向加速度大于0.25m/s²时，铸型内的金属液体紊流严重，镍基合金中的气体和夹杂物不易向内壁聚集，易残留在导电辊内，严重影响导电辊的使用，采用变速离心铸造工艺，结晶前沿熔体产生切向加速度控制在0.05m/s²～0.25m/s²时，既可以获得细小致密的等轴晶组织，还会获得气孔和夹杂少镍基合金导电辊套筒。

合金材质的性能还与热处理工艺有直接关系，其制订依据是：

普通离心铸造镍基合金套筒，在铸造后自然冷却过程中，由于冷却速度较慢，奥氏体中易出现较多分布不均匀的析出物，降低导电辊的耐蚀性。将导电辊套筒在高温下重新奥氏体化，然后快速冷却，可以得到耐蚀性好的奥氏体组织。固溶加热温度低于1020℃，奥氏体化时间太长，固溶加热温度高于1250℃，奥氏体组织粗大，降低导电辊的耐蚀性和强韧性，在1020～1250℃进行固溶处理，保温1～6h后快速冷却，可以获得组织细小、性能好的奥氏体组织。导电辊套筒固溶处理后，由于冷却太快，套筒应力大，经500～700℃回火处理后，可以消除应力，稳定组织，改善导电辊性能。回火温度低于500℃，应力消除不充分，回火温度高于700℃，奥氏体中将产生较多析出物，而且析出相聚集长大，降低导电辊的强度和耐蚀性。

目前金属套筒的复合方法主要有铸造复合法和热装复合法，铸造复合法具有工艺简便、复合层结合强度高等特点，但需要两套独立的熔化设备，而且套筒高温热处理时，复合层易开裂，内套低合金钢的组织易粗大，导致强度和韧性大幅度下降。选用热装复合法时，复合层的控制很重要，提高过盈量，尽管可以降低导电辊的接触电阻，但过盈量过大，套筒外套因内应力过大，易产生裂纹，而且过盈量太大，热装时套筒外套的加热温度要求高，但加热温度太高，镍基合金中易产生析出物，降低导电辊耐蚀性。过盈量为0.05～0.25mm时，套筒内外套可以良好结合。为了降低套筒内外套的接触电阻，在接触面用电镀或喷涂方法涂敷一层厚度0.05～0.50mm的铜，可以降低接触电阻，提高导电辊的导电性能。

导电辊辊轴在腐蚀环境下使用，直接采用不锈钢制造，具有较好的耐蚀性。采用碳钢表面包覆不锈钢板方法制造，也可以获得高的耐蚀性。导电辊辊轴与导电辊套筒采用热装方法复合，操作简便，过盈量为0.05～0.25mm，并在导电辊辊轴与套筒接触面涂敷厚度0.05～0.50mm的铜，可保证导电辊辊轴和套筒结合紧密和接触电阻小。

本发明镍基合金复合导电辊与现有技术相比具有如下特点：

①通过调整镍基合金化学成分，同时加入镁、钇、钠、氮和钛等微量元素进行复合变质处理，可细化镍基合金组织，提高力学性能、耐蚀性和耐磨性。本发明镍基合金导电辊与普通镍基合金导电辊性能对比见表1。

           表1  本发明镍基合金导电辊与普通镍基合金导电辊性能对比

导电辊材料      硬度         σ_b      延伸率   α_k     耐磨性      腐蚀量

                (Hs)         MPa       ％       J/cm²  mm².mm^-3   g.m^-2.h^-1

本发明镍基合金  32.1～36.0   780～840  53～59   65～71   150～180    1.06～1.41

普通镍基合金    30.8         763       50.5     62.2     133.7       1.58

②本发明离心铸造镍基合金导电辊时加入电磁场，可以抑制元素的重力偏析，因为电磁力的切向分量减小了金属熔体的周向运动速度，从而减缓了原子簇团的径向运动，此外，在电磁场作用下，金属熔体流动十分剧烈，从模壁上冲刷下来的晶核和从枝晶上熔蚀、折断的晶核增多，有更多可以长大的核心，这样导致奥氏体细小，由粗大的柱状晶变成细小的等轴晶，可以明显改善镍基合金导电辊的强韧性、耐磨性和耐蚀性。

③本发明在离心浇铸镍基合金凝固过程中，在固液相金属共存状态下，采用变速离心铸造方式，使结晶前沿熔体产生加速度对枝晶产生切向力，可使枝晶折断、脱落，形成晶核，从而可以达到细化晶粒的效果。此外，在变速离心铸造条件下，使熔体相对流动加强，紊流区扩大，减小了凝固前沿温度梯度，并使凝固前沿扩散边界层减薄，浓度梯度增加，从而使两相区内成分过冷度增加，这一切都为等轴晶生长创造了条件，因此采用变速离心铸造技术后，离心铸造镍基合金导电辊组织细化效果显著，有利于改善镍基合金导电辊的强韧性、耐磨性和耐蚀性。

④本发明镍基合金导电辊套筒采用镍基合金和低合金高强度钢复合，复合方式采用热装复合，在接触面用电镀或喷涂方法涂敷一层厚度0.05～0.50mm的铜，可以降低接触电阻，提高导电辊的导电性能，用本发明制造镍基合金复合导电辊比普通整体导电辊可节约生产成本25％以上。

⑤用本发明制造镍基合金复合导电辊生产工艺简单，操作方便，导电辊辊身组织是细小的等轴晶奥氏体组织，具有优异的强韧性、耐磨性和耐蚀性。本发明镍基合金复合导电辊具有很好的使用效果，应用于宽带连续电镀锌机组上，本发明镍基合金复合导电辊的镀锌板产量为16600～17830t/mm，普通镍基合金导电辊的镀锌板产量为12500t/mm。使用本发明导电辊可以减少更换导电辊时间，提高电镀锌机组的作业率，降低电镀锌钢板生产成本，具有很好的经济效益。

附图说明：

附图为本发明电辊结构示意图

图中：1-辊轴，2-套筒，3-内套，4-外套，5-套间铜层，6-轴套间铜层，7-轴面铜层。

具体实施方式：下面结合实施例对本发明作进一步详述：

实施例1：

导电辊辊轴1采用35^#锻钢制造，为了提高其耐蚀性，辊轴的外露部位用厚度3mm的不锈钢板包覆。导电辊套筒2由内套3和外套4组成，内套3采用16Mn无缝钢管加工而成，外套4采用离心铸造方法制造。内套3和外套4之间，采用电镀方法涂敷了厚度为0.13mm的套间铜层5，外套和内套的过盈量为0.11mm。导电辊辊轴1和导电辊套筒2之间，采用电镀方法涂敷了厚度为0.16mm的轴套间铜层6，辊轴1和套筒2的过盈量为0.14mm。导电辊辊轴与外接碳刷接触部位，采用电镀方法涂敷轴面铜层7，厚度0.20mm。

外套4的制造工艺如下：

1、配料：各种物料的用量，按总量100％计(重量％)

金属镍60.1，              金属铬18.5，

金属钼10.0，              金属铌3.8，

金属铝2.0，               钛铁1.2，

含钠物质1.2，             氮化铬铁1.5，

镁镍合金1.2，             钇基稀土0.5。

2、熔炼：用500公斤中频感应电炉熔炼

①将300.5公斤金属镍、50公斤金属钼、92.5公斤金属铬和19公斤金属铌混合装入炉中熔化；

②温度升至1620℃时加入10公斤铝进行脱氧和合金化，即刻出金属液到浇包内，浇包内预先放置有粒度小于15mm，并经230℃烘干过的6公斤含钠物质、6公斤钛铁、7.5公斤氮化铬铁、6公斤镁镍合和2.5公斤钇基稀土；

③镍基合金套筒离心铸造时采用铸铁铸型，铸型壁厚130mm，铸型预热温度200℃，并在此温度下在铸型内表面衬上一层耐火涂料，涂料厚度1.5mm。铸型烘干后安装于离心机上待浇注。浇注时铸型温度为180℃。金属液体浇铸温度为1530℃。镍基合金浇注和凝固过程中，在铸型中加入电磁场，电磁场的磁感应强度为0.08T。在离心浇铸镍基合金凝固过程中，在固液相金属共存状态下，采用变速离心铸造工艺，使结晶前沿熔体产生切向加速度，切向加速度为0.11m/s²。；

④套筒4的固溶处理工艺是随炉加热至1150℃，保温3h，然后快速冷却。固溶后进行回火处理，回火处理工艺是随炉加热至650℃，保温6h，炉冷。从套筒4上取样进行化学分析，其成分如下(重量％)：0.03C，9.83Mo，18.63Cr，3.66Nb，0.95Al，0.009Mg，0.07Na，0.12N，0.31Ti，0.07Y，0.53Si，0.67Mn，3.29Fe，0.013S，0.036P，其余为Ni。在导电辊套筒实体上切取试样，测试导电辊的硬度和力学性能，结果如下：硬度33.7Hs，抗拉强度827MPa，延伸率56.2％，冲击韧性68.6J/cm²。同时还测试了导电辊的电阻为0.045mΩ。

取本发明镍基合金复合导电辊进行装机使用，结果如下：使用条件是速度为80m/min的连续电镀锌机组，镀槽数量6个，电流44KA，导电辊直径350mm，辊面长度1800mm。使用本发明导电辊生产电镀锌板产量为17250t/mm，普通镍基合金导电辊生产电镀锌板产量为12500t/mm。

实施例2：

导电辊辊轴1采用1Cr18Ni9Ti锻件制造。导电辊套筒2由内套3和外套4组成，内套3采用16Mn无缝钢板卷板焊接加工而成，外套4采用离心铸造方法制造。内套3和外套4之间，采用电镀方法涂敷了厚度为0.15mm的套间铜层5，外套和内套的过盈量为0.13mm。导电辊辊轴1和导电辊套筒2之间，采用电镀方法涂敷了厚度为0.15mm的轴套间铜层6，辊轴1和套筒2的过盈量为0.15mm。导电辊辊轴与外接碳刷接触部位，采用电镀方法涂敷轴面铜层7，厚度0.18mm。

外套4的制造工艺如下：

1、配料：各种物料的用量，按总量100％计(重量％)

金属镍57.2，             金属铬20，

金属钼8.0，              金属铌2.0，

金属钽3.5，              金属铝3.8，

含钠物质1.0，            氮化铬铁1.1，

镁镍合金1.5，            钛铁1.0，

钇基稀土0.9。

2、熔炼：用500公斤中频感应电炉熔炼

①将286公斤金属镍、40公斤金属钼、100公斤金属铬、10公斤金属铌和17.5公斤金属钽混合装入炉中熔化；

②温度升至1650℃时加入19公斤铝进行脱氧和合金化，即刻出金属液到浇包内，浇包内预先放置有粒度小于15mm，并经230℃烘干过的5公斤含钠物质、5公斤钛铁、5.5公斤氮化铬铁、7.5公斤镁镍合和4.5公斤钇基稀土；

③镍基合金套筒离心铸造时采用铸铁铸型，铸型壁厚100mm，铸型预热温度130℃，并在此温度下在铸型内表面衬上一层耐火涂料，涂料厚度1.4mm。铸型烘干后安装于离心机上待浇注。浇注时铸型温度为130℃。金属液体浇铸温度为1500℃。镍基合金浇注和凝固过程中，在铸型中加入电磁场，电磁场的磁感应强度为0.16T。在离心浇铸镍基合金凝固过程中，在固液相金属共存状态下，采用变速离心铸造工艺，使结晶前沿熔体产生切向加速度，切向加速度为0.18m/s²；

④套筒4的固溶处理工艺是随炉加热至1100℃，保温2h，然后快速冷却。固溶后进行回火处理，回火处理工艺是随炉加热至600℃，保温4h，炉冷。从套筒4上取样进行化学分析，其成分如下(重量％)：0.04C，7.88Mo，20.14Cr，1.97Nb，3.46Ta，1.91Al，0.011Mg，0.06Na，0.09N，0.15Ti，0.11Y，0.58Si，0.66Mn，3.54Fe，0.012S，0.032P，其余为Ni。在导电辊套筒实体上切取试样，测试导电辊的硬度和力学性能，结果如下：硬度32.9Hs，抗拉强度814MPa，延伸率57.5％，冲击韧性70.3J/cm²。同时还测试了导电辊的电阻为0.048mΩ。

取本发明镍基合金复合导电辊进行装机使用，结果如下：使用条件是速度为80m/min的连续电镀锌机组，镀槽数量6个，电流44KA，导电辊直径350mm，辊面长度1800mm。使用本发明导电辊生产电镀锌板产量为17130t/mm，普通镍基合金导电辊生产电镀锌板产量为12500t/mm。

Claims (5)

1、一种用于各类电镀机组的镍基合金复合导电辊，导电辊套筒热装复合在辊轴上，导电辊套筒包括导电辊外套和导电辊内套，导电辊的外套为镍基合金，内套为16Mn无缝钢板，内外套采用热装方法复合在一起，辊轴与辊套的接触面和内套与外套的接触面上都添加了一层铜，其特征在于导电辊外套采用多元镍基合金，其化学成分重量百分比为：

Cr：15.0～25.0％，Mo：6.0～15.0％，Nb：0～8.0％，Ta：0～8.0％，Nb+Ta：3.0～8.0％，Al：0.5～5.0％，Mg：0.003～0.020％，Y：0.03～0.15％，Na：0.03～0.15％，N：0.05～0.15％，Ti：0.08～0.50％，C＜0.1％，Si＜1.5％，Mn＜1.5％，Fe＜8.0％，余量为Ni和不可避免的微量杂质。

2、权利要求1所述的镍基合金复合导电辊制造方法，其特征在于导电辊外套用电炉生产，其工艺步骤是：

①按导电辊外套的化学组成成分重量百分比将金属铬、金属钼、金属铌、金属钽和镍板混合加热熔化；

②炉前调整成分合格后将温度升至1580～1680℃，加入铝脱氧和合金化，而后出炉；

③按导电辊外套的化学组成成分重量百分比将含镁、钇、钠、氮的变质剂和钛铁破碎至粒度小于15mm的小块，经300℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对金属液体进行复合变质处理；

④导电辊外套用离心铸造方法生产，铸型壁厚40～160mm，预热温度100～280℃，并在此温度下在铸型内表面衬上一层耐火涂料，涂料厚度0.8～6.0mm，铸型烘干后安装于离心机上待浇注，浇注时铸型温度为80～260℃，金属液体浇铸温度为1460～1560℃；

⑤导电辊外套粗加工后进行固溶处理，固溶处理工艺是导电辊随炉加热至1020～1250℃，保温1～6h，然后快速冷却，固溶后进行回火处理，回火处理工艺是导电辊随炉加热至500～700℃，保温3～10h，炉冷或空冷。

3、根据权利要求2所述的镍基合金复合导电辊制造方法，其特征在于导电辊外套浇注和凝固过程中，在铸型中加入电磁场，电磁场的磁感应强度为0.03T～0.25T。

4、根据权利要求2或3所述的镍基合金复合导电辊制造方法，其特征在于导电辊外套在离心浇铸凝固过程中，在固液相金属共存状态下，采用变速离心铸造工艺，使结晶前沿熔体产生切向加速度，切向加速度为0.05m/s²～0.25m/s²。

5、根据权利要求2所述的镍基合金复合导电辊制造方法，其特征在于导电辊辊轴与外接碳刷接触部位，采用电镀或喷涂方法涂敷一层轴面铜层，厚度0.05～0.50mm。

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