CN214108786U - 一种高碳高钒粉末高速钢复合辊环 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高碳高钒粉末高速钢复合辊环，包括：内层钢管(1)和外层粉末高速钢(2)，所述内层钢管(1)为预制的圆筒形内钢管，所述外层粉末高速钢(2)是通过热等静压方法包覆在所述内层钢管(1)外周的圆筒形高速钢管；所述内层钢管(1)的厚度与所述外层粉末高速钢(2)的厚度之比为1：(0.6‑1.5)；所述内层钢管(1)和所述外层粉末高速钢(2)在轴向方向上的长度为20cm‑300cm。该高碳高钒粉末高速钢复合辊环同时兼具有粉末冶金高速钢高的耐磨性、良好的红硬性、较高的抗压强度，又能有效降低制造成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及金属材料及冶金轧辊技术领域，特别涉及一种高碳高钒粉末高速钢复合辊环。
背景技术
轧辊是冶金和机械加工行业中一种常用的设备零部件，也是一种易损耗的工业材料，硬质合金辊环相较于传统的其它材质的辊环，具有硬度高、抗压强度大、耐磨性好、耐腐蚀性好、摩擦系数小、热传导率低、使用寿命长、轧制的产品精度高、质量好等优点，常用于高速线材轧制，但同时硬质合金辊环重量大、加工难度大、废品率高、合金资源浪费大、价格高、抗冲击和抗震性能差，在受到高速的轧制速度、轧制压力及热冲击负荷的影响，易产生裂纹并迅速扩展，造成表面剥落和碎辊发生。
目前，高速钢轧辊、高速钢辊环/辊套多采用离心铸造辊身加填芯铸造辊轴的工艺，主要有如下缺点：①当轧辊外层硼含量高时，与其他元素形成的硼化物与铁基体存在密度差异，离心铸造时，由于离心力的作用，高密度的硼化物及碳化物会向轧辊表面偏析；②内外层界面结合不良；③外层的合金元素容易扩散到芯部形成大量的碳化物，引起芯部球铁材料脆性增大、抗冲击性能下降，在轧钢过程中易发生断辊事故；④采用整体淬火工艺，硬度梯度大，热处理周期长、成本高；⑤外层高速钢材料磨损后，辊芯只有重新熔炼才能实现循环利用的问题，造成材料和能源的浪费。
粉末冶金高速钢是指通过高压惰性气体或高压水雾化高速钢水而得到的细小的高速钢粉末，然后在高温、高压下压制成形，再经烧结而成的高速钢。粉末冶金高速钢具有合金含量高、纯度高、无偏析、碳化物颗粒细小和各向同性同质等特点，因而具有极佳的韧性和机加工性、良好的红硬性、较高的抗压强度和高的耐磨性，在冲击负荷大的切削加工和模具磨损场合可替代硬质合金，得到了广泛的应用。
粉末冶金高速钢与传统铸造高速钢相比仍存在原材料价格高，工艺复杂等特点，因此在轧辊技术领域还没有大规模广泛应用。研究一种成本较低、强度性能和韧度性能都较高的复合辊环是本领域技术人员迫切需要解决的问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种高碳高钒粉末高速钢复合辊环，以及一种高碳高钒粉末高速钢复合辊环的制造方法，该高碳高钒粉末高速钢复合辊环同时兼具有粉末冶金高速钢高的耐磨性、良好的红硬性、较高的抗压强度，又能有效降低制造成本。为了解决上述问题，本实用新型提供的一种高碳高钒粉末高速钢复合辊环，其技术方案如下：
本实用新型的一种高碳高钒粉末高速钢复合辊环，所述复合辊环包括：内层钢管和外层粉末高速钢，所述内层钢管为预制的圆筒形内钢管，所述外层粉末高速钢是通过热等静压方法包覆在所述内层钢管外周的圆筒形高速钢管；所述内层钢管的厚度与所述外层粉末高速钢的厚度之比为1：(0.6-1.5)；所述内层钢管和所述外层粉末高速钢在轴向方向上的长度为20cm-300cm。
本实用新型的高碳高钒粉末高速钢复合辊环，与现有技术中的高速钢辊环相比，通过采用热等静压方法将合金粉末现制成高速钢外环，该现制的高速钢外环与预制的内层钢管相结合构成高碳高钒粉末高速钢复合辊环，在达到了耐磨性、硬度和抗压强度的同时，外层的现制高速钢外环紧紧贴附在内层钢管外周，且达到了冶金结合的相互结合性，从而内外层的结合度更高更好，进一步地提高了轧辊辊环的整体性能和稳定性能。另一方面，本实用新型的研究人员通过多次的试验和多次的现场验证，调整内层钢管与外层高速钢的厚度比例，实现了防腐蚀性、强度和抗压性的最优组合，具体试验数据见实施例部分。
作为本实用新型进一步的改进，所述内层钢管的外管面预制有若干突起或者凹坑，所述突起突出的高度或者所述凹坑内凹的深度是所述内层钢管厚度的1/15-1/6；或者，所述内层钢管的外管面预制有若干环形的凸肋或者凹槽，所述凸肋突出的高度或者所述凹槽内凹的深度是所述内层钢管厚度的1/15-1/6。这样，使得现制的合金粉末高速钢与内层钢管的附着性更好，两者结合的复合辊环整体性大大提高，在辊环的使用过程中能够完全避免内外层之间的轴向串动，提高了辊环的使用寿命。
进一步地，所述突起为正方体、长方体、圆柱体、球面体、凸弧面体或者锥形体；所述凹坑为正方体、长方体、圆柱体、球面体、凹弧面体或者锥形体。所述凸肋和所述凹槽的横截面形状为正方形、长方形、梯形、三角形、半圆形或者半椭圆形。
进一步地，所述内层钢管的化学成分以及各成分的质量百分占比为：C：0.32-0.4％、Si:0.8-1.0％、Mn:0.2-0.3％、Cr:4.8-5.5％、Mo:1.1-1.7％、V:0.8-1.2％、P≤0.03％、S≤0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，所述外层粉末高速钢(2)的化学成分以及各成分的质量百分占比为：C：2.5-3.2％、Si:0.5-1.0％、Mn:0.3-0.8％、W:2.0-4.0％、Mo:3-8％、V:8-11％、Cr:4-6％、P≤0.03％、S≤0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本实用新型的一种高碳高钒粉末高速钢复合辊环的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：
步骤一，按照预定尺寸和化学组分制作好内层钢管，清洁除杂后待用；按照预定尺寸制作好热等静压用包套，将所述热等静压用包套与所述内层钢管组合安装。
步骤二，按照预定化学组分制作好外层粉末高速钢用合金粉末，合金粉末的粒度为40μm-100μm，将合金粉末填满所述内层钢管与所述热等静压用包套围城的空间，在真空环境下用电子束将所述内层钢管与所述热等静压用包套焊接封口。
步骤三，用热等静压复合工艺，将合金粉末烧结成型为所述外层粉末高速钢，其中，热等静压复合工艺的参数为：温度为1020℃-1280℃、压力为130MPa-180MPa、保温时间为1.5h-4h。
步骤四，经过热等静压复合工艺后，再进行退火、淬火和回火的热处理程序，拆除所述热等静压用包套制造成复合辊环。
本实用新型的高碳高钒粉末高速钢复合辊环的制造方法，与现有技术中的高速钢复合辊环的制造方法相比，由于现有技术中高速钢复合辊环的内、外环通常是采用预制后组合装配而成，最多是组合装配后进行进一步的热处理，这样两者之间具有过盈性，过盈性装配会使外环在轧制时起泡或者胀坏外环；而且在过盈量一旦消失会出现内外层之间轴向串动的情况。本申请的制造方法，通过将制作外层高速钢的合金粉末填充到内层钢管外周的包套内，通过热等静压方法将合金粉末烧结成型制成外环，即预制与现制相结合，使得高速钢外层紧紧地结合在内层钢管的外周，由于在合金粉末热等静压烧结的过程中有部分合金会渗透到内层钢管内，形成了良好的冶金结合，因此两者基本形成了一体结构，整体性和硬度、强度都大大提高。
进一步地，步骤一中，所述热等静压用包套包括包套内管、包套外管、包套底板和包套盖，所述包套内管的外径比所述内层钢管的内径小0.3mm-1mm，所述包套内管的径向长度比所述内层钢管的径向长度长1mm-2mm；所述热等静压用包套与所述内层钢管同轴组装，组装时，将所述包套内管套装在所述内层钢管内部，将所述包套外管套装在所述内层钢管外部，将所述包套底板嵌入到所述包套内管与所述包套外管底部之间后焊接，在所述内层钢管与所述内层钢管之间填满合金粉末并在真空环境下将所述包套盖压扣在所述包套内管与所述包套外管顶部之间后焊接。其中，包套内管的外径比所述内层钢管的内径小0.3mm-1mm，即同轴组装后两者之间留有一定的空间，使得内层钢管在升温时能够向内部膨胀，避免其仅仅向半径外向膨胀而压缩高速钢的空间，当冷却时在高速钢外层与内层钢管之间由于冷缩而出现的空隙。
进一步地，步骤二中，所述热等静压用包套焊接封口之前的真空环境，为压强等于或者小于1×10-3Pa。
进一步地，步骤四中，退火工艺为：950℃-1030℃、保温3h-6h，炉冷到500℃以下空冷却到常温；淬火工艺为：1050℃-1150℃、保温2h-4h，以≥200℃/h炉冷或油冷到500℃以下再空冷到常温；回火工艺为：530℃-570℃、保温2h-4h，炉冷或空冷到室温，同工艺回火2-3次。
本实用新型提供的高碳高钒粉末高速钢复合辊环以及该高碳高钒粉末高速钢复合辊环的制造方法的有益效果是：
通过采用热等静压方法将合金粉末现制成高速钢外环，该现制的高速钢外环与预制的内层钢管相结合构成高碳高钒粉末高速钢复合辊环，在达到了耐磨性、硬度和抗压强度的同时，外层的现制高速钢外环紧紧贴附在内层钢管外周，且达到了冶金结合的相互结合性，从而内外层的结合度更高更好，进一步地提高了轧辊辊环的整体性能和稳定性能。另一方面，本实用新型的研究人员通过多次的试验和多次的现场验证，调整内层钢管与外层高速钢的厚度比例，实现了防腐蚀性、强度和抗压性的最优组合，具体试验数据见实施例部分。
通过采用热等静压方法现制高速钢外层，即通过将制作外层高速钢的合金粉末填充到内层钢管外周的包套内，通过热等静压方法将合金粉末烧结成型制成外环，即预制与现制相结合，使得高速钢外层紧紧地结合在内层钢管的外周，由于在合金粉末热等静压烧结的过程中有部分合金会渗透到内层钢管内，形成了良好的冶金结合，因此两者基本形成了一体结构，整体性和硬度、强度都大大提高。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型高碳高钒粉末高速钢复合辊环第一种形式的纵截面结构示意图；
图2是本实用新型高碳高钒粉末高速钢复合辊环第二种形式的纵截面结构示意图；
图3是本实用新型高碳高钒粉末高速钢复合辊环第三种形式的纵截面结构示意图；
图4是本实用新型高碳高钒粉末高速钢复合辊环第四种形式的纵截面结构示意图；
图5是本实用新型高碳高钒粉末高速钢复合辊环第五种形式的纵截面结构示意图；
图6是本实用新型高碳高钒粉末高速钢复合辊环制造方法中热等静压用包套的纵截面结构示意图；
图7是本实用新型高碳高钒粉末高速钢复合辊环制造方法中热等静压用包套装配后的纵截面结构示意图。
图中标记如下：
1-内层钢管；11-突起；12-凹坑；13-凸肋；14-凹槽；2-外层粉末高速钢；3-热等静压用包套；31-包套内管；32-包套外管；33-包套底板；34-包套盖。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型实施例中的技术方案，并使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。
在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例一
请参考图1至图5，本实施例的一种高碳高钒粉末高速钢复合辊环，该复合辊环包括：内层钢管1和外层粉末高速钢2，内层钢管1为预制的圆筒形内钢管，外层粉末高速钢2是通过热等静压方法包覆在内层钢管1外周的圆筒形高速钢管；内层钢管1的厚度与外层粉末高速钢2的厚度之比为1：(0.6-1.5)；内层钢管1和外层粉末高速钢2在轴向方向上的长度为20cm-300cm。优选地，内层钢管1的厚度与外层粉末高速钢2的厚度之比为1：(0.9-1.2)。
作为本实施进一步的改进方式，参见图2和图3，内层钢管1的外管面预制有若干突起11或者凹坑12，突起11突出的高度或者凹坑12内凹的深度是内层钢管1厚度的1/15-1/6。其中，突起11和凹坑12可以单独设置在内层钢管1的外管面上，也可以同时设置在内层钢管1的外管面上，突起11和凹坑12的形状结构可以是方形突块/凹坑、圆柱形突块/凹坑、球面型突块/凹坑或者其他不规则形状结构的突块/凹坑。
参见图4和图5，内层钢管1的外管面预制有若干环形的凸肋13或者凹槽14，凸肋13突出的高度或者凹槽14内凹的深度是内层钢管1厚度的1/15-1/6。其中，凸肋13和凹槽14可以单独设置在内层钢管1的外管面上，也可以同时设置在内层钢管1的外管面上，凸肋13和凹槽14的形状结构可以是方形凸肋/凹槽、半圆形凸肋/凹槽、倒梯形凸肋/凹槽或者其他不规则形状结构的凸肋/凹槽。
进一步优选的实施方式，内层钢管1的化学成分以及各成分的质量百分占比为：C：0.32-0.4％、Si:0.8-1.0％、Mn:0.2-0.3％、Cr:4.8-5.5％、Mo:1.1-1.7％、V:0.8-1.2％、P≤0.03％、S≤0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质。优选地，内层钢管1的化学成分以及各成分的质量百分占比为：C：0.35-0.38％、Si:0.85-0.95％、Mn:0.23-0.26％、Cr:5.0-5.2％、Mo:1.3-1.5％、V:0.95-1.05％、P≤0.02％、S≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
外层粉末高速钢2的化学成分以及各成分的质量百分占比为：C：2.5-3.2％、Si:0.5-1.0％、Mn:0.3-0.8％、W:2.0-4.0％、Mo:3-8％、V:8-11％、Cr:4-6％、P≤0.03％、S≤0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质。优选地，外层粉末高速钢2的化学成分以及各成分的质量百分占比为：C：2.8-3.0％、Si:0.75-0.80％、Mn:0.45-0.65％、W:2.5-3.5％、Mo:4.5-6.5％、V:9-10％、Cr:4.5-5.5％、P≤0.025％、S≤0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质。
实施例二
请参考图6和图7，本实施例的一种高碳高钒粉末高速钢复合辊环的制造方法，该制造方法包括以下步骤：
步骤一，按照预定尺寸和化学组分制作好内层钢管1，清洁除杂后待用；按照预定尺寸制作好热等静压用包套3，将热等静压用包套3与内层钢管1组合安装。
步骤二，按照预定化学组分制作好外层粉末高速钢2用合金粉末，合金粉末的粒度为40μm-100μm，将合金粉末填满内层钢管1与热等静压用包套3围城的空间，在真空环境下用电子束将所述内层钢管1与热等静压用包套3焊接封口。
步骤三，用热等静压复合工艺，将合金粉末烧结成型为外层粉末高速钢2，其中，热等静压复合工艺的参数为：温度为1020℃-1280℃、压力为130MPa-180MPa、保温时间为1.5h-4h。优选地，热等静压复合工艺的参数为：温度为1100℃-1250℃、压力为145MPa-160MPa、保温时间为2.5h-3.5h；进一步优选地，热等静压复合工艺的参数为：温度为1150℃-1200℃、压力为150MPa、保温时间为3h。
步骤四，经过热等静压复合工艺后，再进行退火、淬火和回火的热处理程序，拆除热等静压用包套3制造成复合辊环。
其中，热等静压用包套3包括包套内管31、包套外管32、包套底板33和包套盖34，包套内管31的外径比内层钢管1的内径小0.3mm-1mm，包套内管31的径向长度比内层钢管1的径向长度长1mm-2mm。
热等静压用包套3与内层钢管1同轴组装，组装时，将包套内管31套装在内层钢管1内部，将包套外管32套装在内层钢管1外部，将包套底板33嵌入到包套内管31与包套外管32底部之间后焊接，在内层钢管1与内层钢管1之间填满合金粉末并在真空环境下将包套盖34压扣在包套内管31与包套外管32顶部之间后焊接。这样，组装后的包套内管31与内层钢管1之间留有一定的膨胀空间，内层钢管1与包套外管32之间形成了合金粉末的填充空间。包套底板33和包套盖34与包套内管31和包套外管32之间的焊接采用电子束封口焊接。
更有选的实施方式，在步骤二中，热等静压用包套3焊接封口之前的真空环境，为压强等于或者小于1×10-3Pa。
在步骤四中，退火工艺为：950℃-1030℃、保温3h-6h，炉冷到500℃以下空冷却到常温；淬火工艺为：1050℃-1150℃、保温2h-4h，以≥200℃/h炉冷或油冷到500℃以下再空冷到常温；回火工艺为：530℃-570℃、保温2h-4h，炉冷或空冷到室温，同工艺回火2-3次。
按照本实施例制造的高碳高钒粉末高速钢复合辊环，经检测其硬度、冲击韧性等指标如下表：
| 宏观硬度(HSD) | 冲击韧性(J/cm<sup>2</sup>) | 密度(<sub>g</sub>/cm<sup>3</sup>) | |
| 复合辊环粉末合金层 | 79～83 | 8～12 | 7.56 |
| YG30硬质合金辊环 | 81～84 | 6～10 | 13.6 |
| 离心铸造高速钢 | 84～87 | 3～6 | 7.85 |
本申请的高碳高钒粉末高速钢复合辊环与YG30硬度合金辊环、铸造高速钢辊环使用到高速线材预精轧同机架(17架)，其过钢量指标、磨损量指标对比如下：
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
以上结合附图对本实用新型的实施方式作出详细说明，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本实用新型的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高碳高钒粉末高速钢复合辊环，其特征在于，所述复合辊环包括：内层钢管(1)和外层粉末高速钢(2)，所述内层钢管(1)为预制的圆筒形内钢管；所述内层钢管(1)的厚度与所述外层粉末高速钢(2)的厚度之比为1：(0.6-1.5)；所述内层钢管(1)和所述外层粉末高速钢(2)在轴向方向上的长度为20cm-300cm；
所述内层钢管(1)的外管面预制有若干突起(11)或者凹坑(12)，所述突起(11)突出的高度或者所述凹坑(12)内凹的深度是所述内层钢管(1)厚度的1/15-1/6；
或者，所述内层钢管(1)的外管面预制有若干环形的凸肋(13)或者凹槽(14)，所述凸肋(13)突出的高度或者所述凹槽(14)内凹的深度是所述内层钢管(1)厚度的1/15-1/6。
2.根据权利要求1所述的高碳高钒粉末高速钢复合辊环，其特征在于，所述突起(11)为正方体、长方体、圆柱体、球面体、凸弧面体或者锥形体；所述凹坑(12)为正方体、长方体、圆柱体、球面体、凹弧面体或者锥形体。
3.根据权利要求1所述的高碳高钒粉末高速钢复合辊环，其特征在于，所述凸肋(13)和所述凹槽(14)的横截面形状为正方形、长方形、梯形、三角形、半圆形或者半椭圆形。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202022334504.0U CN214108786U (zh) | 2020-10-20 | 2020-10-20 | 一种高碳高钒粉末高速钢复合辊环 |
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| CN202022334504.0U CN214108786U (zh) | 2020-10-20 | 2020-10-20 | 一种高碳高钒粉末高速钢复合辊环 |
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| CN214108786U true CN214108786U (zh) | 2021-09-03 |
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| CN (1) | CN214108786U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113604741A (zh) * | 2021-09-13 | 2021-11-05 | 湖南三泰新材料股份有限公司 | 一种粉末高速钢复合轧辊辊套及其制造方法 |
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2020
- 2020-10-20 CN CN202022334504.0U patent/CN214108786U/zh active Active
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Assignee: Yangjiang Santai Composite Materials Co.,Ltd. Assignor: HUNAN 3T NEW MATERIAL Co.,Ltd. Contract record no.: X2024980019509 Denomination of utility model: A high carbon and high vanadium powder high-speed steel composite roller ring Granted publication date: 20210903 License type: Common License Record date: 20241022 Assignee: Hunan Layered Metal Composite Engineering Research Center Co.,Ltd. Assignor: HUNAN 3T NEW MATERIAL Co.,Ltd. Contract record no.: X2024980019503 Denomination of utility model: A high carbon and high vanadium powder high-speed steel composite roller ring Granted publication date: 20210903 License type: Common License Record date: 20241022 |