CN1733378A

CN1733378A - 板轧制用超硬合金制复合辊

Info

Publication number: CN1733378A
Application number: CN 200410079450
Authority: CN
Inventors: 服部敏行; 富田弘哉
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2024-08-10
Also published as: CN100420526C

Abstract

一种板轧制用超硬合金制复合辊，其包括由钢系或铁系材料组成的内层以及接合在所述内层外周上的超硬合金制外层，在上述外层中，由R＝σ_C (1－ν)/Eα(其中，σ_C：常温下四点的弯曲强度、ν：在常温下的泊松比、E：常温下的拉伸弹性模量、α：从常温至800℃的平均热膨胀系数)表示的热冲击系数R为400以上。

Description

板轧制用超硬合金制复合辊

技术领域

本发明涉及一种包括由韧性优良的钢系或铁系材料制成的内层和由高硬度的超硬合金制造的外层的、适合于板轧制的轧制用复合辊，以及评价该复合辊的耐热龟裂性的方法。

背景技术

为了提高轧制板的表面质量、辊的耐磨性等，在现有技术中，在热轧中广泛使用晶粒系铸铁辊或高速钢系辊，冷轧时广泛使用铬系或半高速钢系锻钢辊。最近开发出与高速钢系等相比耐磨性非常优良的超硬合金制辊。所述超硬合金是将Co、Ni、Fe等金属元素与碳化钨(WC)结合的烧结合金，除了碳化钨之外，也可以包含Ti、Ta、Nb等的碳化物。

例如日本专利文献特公昭58-39906号介绍了一种轧制线材用的小型套筒辊，其以0.1/1000程度的烧嵌率将WC-Co-Ni-Cr系超硬合金制套筒嵌合在韧性优良的钢制轴上，套筒的侧面通过固定环、间隔环等机械地固定在所述轴上。这种超硬合金制的套筒辊尺寸较短，其外径大约100～500毫米，长度大约10～300毫米。

日本专利文献特开平10-5823号介绍了一种复合套筒，它包括由熔炼钢系材料制成的内层套筒、扩散结合在所述内层套筒外周上的超硬合金制外层套筒、通过烧嵌固定在上述内层套筒内的轴，上述超硬合金是由硬质颗粒和实质上形成剩余部分的金属粉末构成的混合粉末的烧结体，其中上述硬质颗粒是化学元素周期表上IVB～ViB族的元素的碳化物、氮化物及碳氮化物的硬质颗粒中的至少一种，占60～90％的重量百分比，上述金属粉末是Fe、Ni、Co、Cr、Mo及W中的至少一种金属粉末，在所述外层套筒的表面上沿圆周方向施加100MPa以上的压缩残留应力。

日本专利文献特开平10-5824号介绍了一种将超硬合金制的外层扩散结合在由熔炼钢材制成的轴的外周上而形成的复合套筒，上述超硬合金是由在化学元素周期表上IVB～VIB族元素的碳化物、氮化物及碳氮化物的硬质颗粒中的至少一种硬质颗粒、和实质上形成剩余部分的Fe、Ni、Co、Cr、Mo及W中的至少一种金属粉末构成的混合粉末的烧结体，其中上述硬质颗粒占60～90％的重量百分比，在所述外层的表面上沿圆周方向施加100MPa以上的压缩残留应力。

日本专利文献特开2002-301506号介绍了一种复合辊，包括由铁系材料制成的内层、由包含碳化钨颗粒的超硬合金制成的一层以上的中间层、金属接合在上述中间层上且由包含碳化钨颗粒的超硬合金制成的外层，上述中间层中的碳化钨颗粒的含量比上述外层中碳化钨颗粒的含量少。

与现有的铸造辊和锻造辊相比，上述超硬合金辊具有非常优良的耐磨性和耐表面粗糙性。日本专利文献特开平10-5823和10-5824号所述的复合辊具有不需要特公昭58-39906号所述的组装式超硬辊中的固定部件的优点。此外，由于辊身在整个长度上由超硬合金制成的外层构成，因此适合于轧制宽板材。

在轧制板材时，存在轧钢机咬合轧制材料而停止的所谓的咬合止动事故、和以轧制材料弯折重叠状态咬合在辊间的所谓的铰入事故。一旦发生这样的轧制事故，辊表面承受极大的机械和热负荷，辊外层表面上容易产生深龟裂。所述龟裂由后续轧制引起的热和机械往复复合而向辊外层内部进展，辊出现损坏。因而，辊的重要特性是不引起这样的事故。

由于超硬合金辊WC等的碳化物的比率高，不仅钢板的烧结少，而且来自辊表面的热量少，热膨胀率也小，因此超硬合金辊比现有的铁基合金系辊的热冲击小。但是，由于超硬合金制辊是硬质的，也容易产生热龟裂，而且，一旦产生热龟裂，所述热龟裂也非常容易进展，在最严重的情况下，辊会损坏、外层剥离。

另外，目前没有适合于评价在超硬合金辊上是否容易产生热龟裂的参数。例如，超硬合金辊的机械强度不能表述直接引起热龟裂的容易程度，在具有高机械强度的超硬合金辊上也存在由热冲击引起的龟裂。实际情况是不能精确地评价这种超硬合金辊的耐热龟裂性。

发明内容

本发明的目的是提供一种轧制板材用超硬合金制复合辊，其耐磨性和耐表面粗糙性优良，难以引起热龟裂或开裂等事故。

本发明的另一个目的是提供一种准确和简单地评价轧制板材用超硬合金制复合辊的耐热龟裂性的方法。

出于与产生热应力相比在材料强度不足时产生由热冲击引起的龟裂的考虑，而相对于超硬合金制的复合辊进行升温冷却试验的结果，一旦热冲击系数R[＝σ_C(1-ν)/Eα]为400以上，可以有效地防止热冲击龟裂的产生，基于上述发现完成本发明。

也就是，本发明的板轧制用超硬合金制复合辊，其特征在于：包括由钢系或铁系材料组成的内层以及接合在所述内层外周上的超硬合金制外层，在上述外层中，由R＝σ_C(1-ν)/Eα(其中，σ_C：常温下四点的弯曲强度、ν：在常温下的泊松比、E：常温下的拉伸弹性模量、α：从常温至800℃的平均热膨胀系数)表示的热冲击系数R为400以上。

本发明的超硬合金制复合辊的优选例是将超硬合金制外层接合在由钢系或铁系材料组成的空心圆筒形内层的外周上构成的套筒。在所述套筒上，在与辊轴线垂直的截面上，上述内层的截面积与辊整体截面积之比为0.5以上。

最好在外层表面上施加向内方向的压缩残余应力。最好在上述外层和内层之间至少具有一个中间层。最好上述中间层由金属陶瓷制成。

本发明的评价由钢系或铁系材料组成的内层以及接合在所述内层外周上的超硬合金制外层所制成的板轧制用超硬合金制复合辊的耐热龟裂性的方法，其特征在于：测量上述外层的常温下四点的弯曲强度σC、在常温下的泊松比ν、常温下的拉伸弹性模量E、从常温至800℃的平均热膨胀系数α，计算由R＝σ_C(1-ν)/Eα表示的热冲击系数R，在热冲击系数R为400以上时，判断具有充分的热龟裂性。

附图说明

图1(a)是表示本发明第一实施例的超硬合金制复合辊的辊身的剖视图。

图1(b)是表示本发明第二实施例的超硬合金制复合辊的辊身的剖视图。

图1(c)是表示本发明第三实施例的超硬合金制复合辊的辊身的剖视图。

图1(d)是表示本发明第四实施例的超硬合金制复合辊的辊身的剖视图。

具体实施方式

本发明的超硬合金制复合辊可以是实心辊，也可以是将复合套筒烧嵌在轴上的组合式复合辊。图1(a)～1(d)表示了本发明的各种超硬合金制复合辊的辊身。图1(a)表示了由钢系或铁系材料组成的内层(轴材)1与超硬合金制外层2接合的实心复合辊。图1(b)表示内层1和超硬合金制外层2夹隔中间层3而接合的实心超硬合金制复合辊。图1(c)表示空心的内层1和超硬合金制外层2接合的空心超硬合金制复合辊。图1(d)表示空心的内层1和超硬合金制外层2夹隔中间层3而接合的空心超硬合金制复合辊。在各个附图中，附图标记4表示接合界面。

在任一个实施例中，外层2的热冲击系数R[＝σ_C(1-ν)/Eα]为400以上。根据从外层2切下的超硬合金的试验片在常温下测量四点的弯曲强度σ_C(MPa)、从常温至800℃的平均热膨胀系数α(℃^-1)、在常温下的泊松比ν和常温下的拉伸弹性模量E(MPa)求取热冲击系数R。

超硬合金制外层2的热冲击系数R大意味着相对于急剧的温度变化其耐龟裂性(耐热龟裂性)大，热冲击系数R优选为500以上，最好为600以上。

为了使热应力减少，最好向超硬合金制复合辊的外层表面预先施加压缩残余应力。外层表面上向内的压缩残余应力阻止所产生的热龟裂发展。压缩残余应力最好是100～500MPa。

超硬合金制复合辊(尤其，复合套筒辊)表面上的压缩残余应力因内层和外层的应变差而产生，该数值随着在与辊轴线垂直的截面上相对于辊整体截面积的内层截面积之比(内层/外层截面比)的增加而变大。因而，为了向辊表面施加大的压缩残余应力，内层/外层截面比最好在规定数值之上。各种检讨的结果是如果内层/外层截面比为0.5以上，则可以向辊表面施加充分大的压缩残余应力，优选内层/外层截面比为0.55以上，最好内层/外层截面比为0.6以上。

优选：通过使由金属陶瓷或金属组成的至少一层中间层位于超硬合金制外层和由钢系或铁系材料组成的内层之间，而使外层和内层的接合强度提高。其中，至少邻接于超硬合金制外层的中间层最好是以质量计算金属粘合剂占30％以上的超硬合金等金属陶瓷系材料。为了充分提高外层和内层的接合强度，中间层的厚度(两层以上时计算总厚度)最好为1毫米以上。

本发明的复合辊制造方法是利用真空烧结、加压烧结或热轧静水压压力机(HIP)法使超硬合金制外层金属地(扩散)接合到由钢系或铁系材料组成的内层上。

在评价这样获得的复合辊的耐热龟裂性时，(1)测量外层在常温下四点的弯曲强度σ_C、在常温下的泊松比ν、常温下的拉伸弹性模量E、从常温至800℃的平均热膨胀系数α，(2)计算出以R＝σ_C(1-ν)/Eα式表示的热冲击系数R，(3)调查热冲击系数R是否为400以上，当R为400以上时判断为具有充分的耐热龟裂性。

用下述实施例详细介绍实施例，但本发明并不局限于此。

实施例1

将以质量计算80％的平均粒径为5μm的WC粉末、以质量计算20％的平均粒径为1μm的Co粉末在球磨机内湿式混合20小时、干燥后，作为外层用超硬合金原料粉末。

使用上述外层用超硬合金原料粉末，制造外径为700毫米、内径为655毫米、长度为2000毫米的超硬合金煅烧体的空心套筒(外层)。将中间层用金属陶瓷原料粉末被分散在乙醇内所形成的悬浊液用刷子涂附在外径为650毫米、内径为500毫米、长度为2000毫米的空心圆筒的SCM440钢制内层的外周面上，干燥后，形成中间层。将上述内层设置在内径为700毫米、长度为2000毫米的HIP用容器的中央，将上述空心煅烧体套筒外装在所述内层上。

将钢制盖焊接在HIP用容器上，在700℃下脱气后密封。确认HIP用容器内没有泄漏后，在1300℃下、以1000个大气压下进行HIP处理，冷却后，利用机械加工除去HIP用容器，由超音波探伤确认外层、中间层和内层的接合完好。由此，获得在与轴线垂直的截面上相对于内套筒整体截面积的内层截面积比例为0.75的轧制板用超硬合金制复合套筒。

对于从该复合套筒外层切下的试验片由JISR1601测量常温四点的弯曲强度σ_C、从常温至800℃的平均热膨胀系数α、在常温下的泊松比ν和常温下的拉伸弹性模量E，根据由此获得的数值，计算热冲击系数R[＝σ_C(1-ν)/Eα]，而且，在外层的轴方向中央部贴上应变仪，利用破坏法测量外层表面的面方向的压缩残余应力。进一步，在复合套筒的直径方向上，切下包含内层、中间层和外层的试验片，由JISR1601测量抗弯强度，结果如表1所示。

实施例2

将以质量计算80％平均粒径为10μm的WC粉末、以质量计算20％平均粒径为1μm的Co粉末在球磨机内湿式混合10小时，干燥后，作为外层用超硬合金原料粉末。

将外径为650毫米、内径为500毫米、长度为2000毫米的空心圆筒状锻钢制内层设置在内径为710毫米、长度为2000毫米的HIP用容器内，作为隔墙，在其周围配置内径为510毫米、厚度为2毫米的钢管。

在HIP用容器和所述隔墙之间填充上述外层用超硬合金原料粉末，在上述隔墙和内层之间填充形成中间层用金属陶瓷粉末。然后将所述隔墙拔出，将钢制盖焊接在HIP用容器上，在700℃下脱气后密封HIP用容器。确认HIP用容器内没有泄漏后，在1300℃下、以1000个大气压下进行HIP处理，冷却后，利用机械加工除去HIP用容器。由此获得内层/外层截面比为0.75的超硬合金制复合辊。

对于该复合辊，与实施例1相同，测量常温四点的弯曲强度σ_C、从常温至800℃的平均热膨胀系数α、在常温下的泊松比ν和常温下的拉伸弹性模量E，根据由此获得的数值，计算热冲击系数R[＝σ_C(1-ν)/Eα]，而且测量外层表面内面方向的压缩残余应力以及包含内层、中间层和外层的试验片的测量抗弯强度，结果如表1所示。

实施例3

将以质量计算70％的平均粒径为5μm的WC粉末、以质量计算30％的平均粒径为1μm的Co粉末在立式球磨机内湿式混合5小时，干燥后，作成外层用超硬合金原料粉末。使用所述外层用超硬合金原料粉末，制造外径为300毫米、内径为200毫米、长度为1000毫米的空心套筒(外层)成形体。将该空心套筒外装在由外径为180毫米、长度为1000毫米的实心SCM440钢材组成的内层上。

由此获得的复合体在1350℃下进行真空烧结。对于所获得的复合辊进行超声波探伤检查，确认外层和内层接合完好。由此获得在与辊轴线垂直的截面上，内层相对于辊整体截面积的比例为0.8的超硬合金制复合辊。

对于该复合辊，与实施例1相同，常温测量四点的弯曲强度σ_C、从常温至800℃的平均热膨胀系数α、在常温下的泊松比ν和常温下的拉伸弹性模量E，根据由此获得的数值，计算热冲击系数R[＝σ_C(1-ν)/Eα]，而且测量外层表面内面方向的压缩残余应力以及包含内层、中间层和外层的试验片的测量抗弯强度，结果如表1所示。

表1

No.	σ_C ⁽¹⁾(MPa)	α⁽²⁾(℃-1)	ν⁽³⁾	E⁽⁴⁾(MPa)	R⁽⁵⁾	RCS⁽⁶⁾(MPa)	BS⁽⁷⁾(MPa)
No.	σ_C ⁽¹⁾(MPa)	α⁽²⁾(℃-1)	ν⁽³⁾	E⁽⁴⁾(MPa)	R⁽⁵⁾	RCS⁽⁶⁾(MPa)	BS⁽⁷⁾(MPa)	实施例1	2000	6.5×10^-6	0.22	5.0×10⁵	480	-402	1630
实施例2	2000	6.2×10^-6	0.22	5.2×10⁵	484	-412	1780	实施例1	2000	6.5×10^-6	0.22	5.0×10⁵	480	-402	1630
实施例2	2000	6.2×10^-6	0.22	5.2×10⁵	484	-412	1780	实施例3	2000	8.0×10^-6	0.22	4.3×10⁵	453	-650	1230

(1)常温下四点的弯曲强度。

(2)从常温至800℃的平均热膨胀系数。

(3)在常温下的泊松比。

(4)常温下的拉伸弹性模量。

(5)热冲击系数[＝σ_C(1-ν)Eα]。

(6)外层表面的面方向的压缩残余应力。

(7)以包含内层和外层的方式在复合套筒的直径方向上切下的试验片的抗弯强度。

如表1所示，实施例1～3中任一个的超硬合金制复合辊的热冲击系数R都超过400，具有充分的抗弯强度。

将实施例1和2的各个超硬合金制复合套筒烧嵌在铬钼钢的轴材上。机械加工成规定尺寸，制成超硬合金制复合辊。使用实施例1和2的各超硬合金制复合辊，在热轧薄板终轧试验台上进行钢板(厚度2毫米、宽度800毫米)轧制，观察轧制后的辊表面，确认辊表面非常干净，耐磨性和耐表面粗糙性非常良好。而且在辊表面上，热龟裂的产生轻微，龟裂的发展被遏制。

由于本发明的板轧制用超硬合金制复合辊的热冲击系数R为400以上，耐磨性和耐表面粗糙性优异，同时可以遏制由热冲击引起的龟裂。通过向外层施加压缩残余应力，可以遏制初期龟裂的发生和进展。

Claims

1.一种板轧制用超硬合金制复合辊，其特征在于：由内层和超硬合金制的外层构成，内层由钢系或铁系材料制成，外层接合在所述内层的外周上，在上述外层上，由R＝σ_C(1-ν)/Eα表示的热冲击系数R为400以上，其中，σ_C为常温下四点的弯曲强度、ν为常温下的泊松比、E为常温下的拉伸弹性模量、α为从常温至800℃的平均热膨胀系数。

2.如权利要求1所述板轧制用超硬合金制复合辊，其特征在于：具有套筒辊结构，该套筒辊通过将超硬合金制的外层接合在由钢系或铁系材料制成的空心圆筒形内层的外周上而构成，在与辊的轴线垂直的截面上，上述内层的截面积与辊整体的截面积之比为0.5以上。

3.如权利要求1或2所述板轧制用超硬合金制复合辊，其特征在于：在外层表面上施加向面内方向的压缩残余应力。

4.如权利要求1～3之任一项所述板轧制用超硬合金制复合辊，其特征在于：在上述外层和上述内层之间至少具有一层中间层。

5.如权利要求4所述板轧制用超硬合金制复合辊，其特征在于：上述中间层由金属陶瓷制成。

6.一种评价板轧制用超硬合金制复合辊的耐热龟裂性的方法，所述复合辊由内层和超硬合金制的外层构成，内层由钢系或铁系材料制成，外层接合在所述内层的外周上，其特征在于，测量上述外层的、常温下四点的弯曲强度σ_C、常温下的泊松比ν、常温下的拉伸弹性模量E、及从常温至800℃的平均热膨胀系数α，计算出由R＝σ_C(1-ν)/Eα式表示的热冲击系数R，当上述热冲击系数R为400以上时，判定具有充分的耐热龟裂性。