（机械工程专业论文）硬质合金复合轧辊的复合技术及加工工艺研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 硬质合会复合轧辊广泛应用于棒材轧制，是一个发展前景广阔的产品。目前我 国年产量在4 0 一9 0 万吨的棒材生产线据不完全统计，有8 0 多条。硬质合金复合轧辊 在热轧螺纹钢、棒材生产中具有耐磨性好、换辊时间短、轧材表面质量好、负公差 效应明显、工人劳动强度低等优点，特别是在切分轧制中能确保切分轧制的均匀性、 条形的稳定性、减少换槽次数、提高轧机效率；因此，从k 4 架以后的机架全部推广 使用硬质合金复合轧辊对提高生产潜力是不可估量的。世界各国都将其用作传统轧 辊的替代更新产品，以提高轧材质量和降低成本。然而，由于我国硬质合金复合轧 辊的研制和开发较晚，加上国外大公司专利的限制等原因，目前我国热轧螺纹钢、 棒材所需的硬质合金复合轧辊主要依赖于进口。 硬质合金复合轧辊的研制就其内容来说可分为辊环生产、复合技术、加工工艺、 使用技术等四个主要部分。硬质合金大轧辊复合技术指硬质合金辊环与钢芯连接成 一个整体的技术。 本文根据国外硬质合会复合技术和加工工艺发展趋势，阐明了课题目的、意义和 本文所做的主要工作，针对国内硬质合金复合技术和加工工艺现状，对硬质合会复 合技术和加工工艺进行了系统的研究，采用有机胶和无机胶分别进行了黏结实验， 通过对轧制力矩的计算，设计了自己的复合技术，对硬质合金复合轧辊复合技术中 的几个难点进行了详细的研究。对国内外硬质合金加工工艺进行了系统分析，在此 基础上研究适用的复合轧辊加工工艺，并对硬质合金复合轧辊加工中的几个难点进 行了详细的研究。突破了国外对复合技术的封锁，实现有完全自主能力的复合轧辊 制造。 本文的主要研制内容为：实现完整界面连接的机械粘结式复合轧辊，提供足够的 辊环与芯轴的连接力，使用过程中不出现滑动、脱辊、断轴等粘结不牢现象，研究 硬质合金轧辊的加工工艺路线，刀具材质选择、刀具设计及制造，加工参数的确定。 本课题成功开发出了高耐磨性的硬质合金复合轧辊，寿命达到了原开展钢轧辊 寿命的1 0 倍。 关键词：硬质合金复合轧辊复合技术加工工艺 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c e m e n t e dc a r b i d ec o m p o s i t er o l lm a i n l yi sa p p l i e di nh o tr o l l i n gb a ra n dr e b a r , a n di t h a saw i d ed e v e l o p m e n tf o r e g r o u n di ns t e e li n d u s t r y s of a r , t h e r ea r eo v e r e l 。曲t y p r o d u c t i o nl i n e sw i t hc a p a c i t yo f4 0 0 9 0 0t h o u s a n dt o n e sp e rl i n ep e ry e a ri nc h i n a m a i n l a n d c e m e n t e dc a r b i d ec o m p o s i t er o l lh a sw o n d e r f u la d v a n t a g e so fg o o dw e a r r e s i s t a n c e ，s h o r td o w nt i m eo fc h a n g i n gr o l l s ，g r e a tb a rs u r f a c eq u a l i t y , g o o dm i n u s t o l e r a n c ee f f e c ta n de a s ym a i n t e n a n c e ，e s p e c i a l l yo fe v e ns p l i tq u a l i t y , s t a b l eb a rs h a p e ， l o w e rg r o o v ec h a n g ea n dh i g h e rr o l l i n ge f f i c i e n c yi ns p l i t t i n gr o l l i n g s o ，t h ep r o d u c t i o n p o t e n t i a lw o u l db eh u g e l yi m p r o v e di fa l ls t a n d sa f t e rk 4s t a n da r eu s e dc e m e n t e dc a r b i d e c o m p o s i t er o l l s a n di nm a n yc o u n t r i e st h i sr o l lc o u l db ea p p l y e dt or e p l a c et r a d i t i o n a lr o l l t oi m p r o v eb a rq u a l i t ya n dd e c r e a s ec o s t b u tt h i sc o m p o s i t er o l lt e c h n o l o g yh a s j u s tb e e n d e v e l o p e da n dr e s e a r c h e dn e a ry e a r si nc h i n aa n dt h e r ea r em a n yp a t e n tl i m i t so ff o r e i g n c o m p a n i e si nt h i sf i e l d ，t h i sk i n do fc e m e n t e dc a r b i d ec o m p o s i t er o l li nh o tr o l l i n gb a ra n d r e b a ri nc h i n ah a sb e e nm a i n l yd e p e n d e do ni m p o r tr o l l t h er & do fc e m e n t e dc a r b i d ec o m p o s i t ec o n s i s t so ff o u rk e y p a r t s ：c e m e n t e dc a r b i d e l a r g e r o l l p r o d u c t i o n ，c o m p o s i t et e c h n o l o g y , m a c h i n i n gp r o c e s sa n da p p l i c a t i o n t e c h n o l o g y t h et e c h n o l o g yo fc e m e n t e dc a r b i d ec o m p o s i t er o l li s t oc o m p o s i t et h e c e m e n t e dc a r b i d el a r g er o l la n da l l o ys t e e ls h a f ti n t oas o l i dc o m p o s i t er o l l t h i sp a p e ri st or e s e a r c hs y s t e m i c a l l ym a c h i n i n gp r o c e s sa n dc o m p o s i t et e c h n o l o g yo f c e m e n t e dc a r b i d er o l la c c o r d i n gt ot h em o d e md e v e l o p m e n tt r e n d ，a n de x p o u n d e dt h e g o a l ，t h es i g n i f i c a n c ea n dt h ep r i m et a s k o ft h i st o p i c w eh a v ed e s i g n e do u ro w n c o m p o s i t et e c h n o l o g yt h r o u g hc a l c u l a t i n gr o l l i n gm o m e n to n t h eb a s i so fb i n d i n g e x p e r i m e n t sw i t ho r g a n i ca n di n o r g a n i cg l u es e p a r a t e l y d e t a i l e dr e s e a r c h e dt h es e v e r a l d i f f i c u l t i e si nc o m p o s i t i n ga n dp r o c e s s i n gt h ec e m e n t e dc a r b i d ec o m p o s i t er o l l w eh a v e r e a l i z e dt h i sc o m p o s i t et e c h n o l o g yb yo u rs e l fa n db r o k e nt h r o u g hf o r e i g nc o m p a n y s t e c h n o l o g yb l o c k a g e t h em a i nc o n t e n ti n t h i sp a p e ri st od e v e l o pc o m p o s i t er o l lw i t hi n t e g r a t i n gs u r f a c e c o n n e c t i o nb yu s eo fm e c h a n i c a l b i n d i n gm e t h o d ，t or e s e a r c hc a r b i d er o l lm a c h i n i n g p r o c e s s ，t oc h o o s ec u t t i n gt o o lm a t e r i a la n dt od e s i g na n dp r e p a r ec u t t i n gt 0 0 1 t h i sr o l l h a se n o u g hj o i n ts t r e n g t hb e t w e e nc a r b i d er o l la n ds t e e ls h a f tw i t h o u tp o o rb i n d i n go f s l i p p a g e ，t a k i n go f fa n db r e a k i n gs h a f t t h i st o p i cs u c c e s s f u l l yr e s e a r c h e st h ec e m e n t e dc a r b i d ec o m p o s i t er o l lw i t hh i g hw e a r r e s i s t a n c e t h er o l l sl i f eh a sa c h i e v e do r i g i n a l l yw i t ha b o v e1 0t i m e sl o n g e rt h a ns t e e lr o l l s k e yw o r d s ：c e n t e dc a r b i d ec o m p o s i t er o l l ，c o m p o s i t et e c h n o l o g y , m a c h i n i n gp r o c e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：夸嚆嘿 日期：铆 年，。月纠日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，l l p ：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密斫 ( 请在以上方框内打“寸) 学位论文作者签名：专缓 日期：夕讲年，o 月叫日 指导教师签名： 日期：如年 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 硬质合金复合技术和加工工艺研究的意义 硬质合金辊环是用粉末冶金工艺技术的方法，将碳化钨、钴粉或镍粉加上成型 剂经压制烧结而成。其中碳化钨是硬质相，它赋予硬质合金硬度和耐磨性。钴粉或 镍粉作为粘结相，它赋予硬质合金韧性和强度。它具有优异的耐磨性，和很高的硬 度( h r a 8 0 8 8 ) ，在高速线材精轧机组已普遍采用，辊环一般是由整体硬质合金制 造而成。 碳化钨是用白钨或黑钨精矿制取的f 1 1 。通过化学反应并借助氢气在8 0 0 。c 左右还 原生产粒度为几微米的钨粉。随后钨粉与碳结合，碳化钨于1 7 0 0 左右形成，碳化 钨随工艺参数的不同具有不同的粒度。金属粘结剂粉末通过金属氧化物的还原制取。 h 6 0 tx 1 6 0 0w c 平均晶粒度丈于4 3 p , m 图1 - 1 金相照片1 y g h 3 0 tx 1 6 0 0w c 平均晶粒度3 2 p , m 图1 - 3 金相照片3 y g r 6 0 t x j 6 0 0 w c 平均晶粒度2 8 p m 图1 - 2 金相照片2 y g h 5 0 tx 1 6 0 0w c 平均晶粒度4 p m 图1 - 4 金相照片4 华中科技大学硕士学位论文 制造硬质合会时，先称量具有合适粒度的碳化钨粉、金属粘结剂粉和成型剂， 然后将其放入带有硬质合金研磨体和研磨液体的研磨机里，经过研磨，各个组分被 磨细且均匀化。由于在碳化钨颗粒和金属粘结剂之间出现紧密接触，使得混合物在 烧结期间很容易起反应。研磨后，用气体烘干法除掉研磨液体，得到流动性和润滑 性良好的金属粉末混合物。再以一定的压力进行压制。压坯密度仅为理论密度的 5 0 ，即所有的尺寸比烧结成品的尺寸大2 0 2 5 1 2 1 。 烧结分两阶段进行1 3 1 ，除去成型剂之后，根据硬质合金种类的不同而在 1 3 5 0 1 5 0 0 c 真空中烧结。因为金属粘结剂完全熔化并且溶解了大量的碳化物，因此 根据硬质合金种类的不同可有2 5 5 0 的体积处于液态。在该阶段，压制体的体积收 缩5 0 。在该状态以及在随后的强化状态，碳化物晶体通过溶解的碳化物的析出而 长大。冷却之后得到致密的硬质合金。 复合技术是指将硬质合金辊环与钢芯连接在起的技术。硬质合金是一种贵重 金属，地球中含量很少，同时它具有硬度高、耐磨性好、红硬性好等特点，在某些 工作条件下，具有比钢材优越得多的特性，因此在轧辊的工作部位镶嵌硬质合金材 料，可以降低成本、提高轧辊的使用性能【4 】。同时硬质合金又是一种脆性材料，使用 正确的复合技术，可以防止合金的断裂，提高辊环使用寿命。 硬质合金复合轧辊主要用在热轧螺纹钢、棒材生产轧制中。如果复合强度不够， 辊环与钢芯之间会松动或打滑，造成辊环非正常破坏甚至引起安全事故。但是硬质 合金脆性大，如果产生应力集中或过盈量太大，也会使合金破裂。在制造方法上轧 辊制造界已广泛达成共识，即以复合法方式生产轧辊成为今后轧辊制造发展的主要 方向将高合金外层与高韧性辊芯以复合的方式保证了双材质的良好结合，既保持 了外层高硬度、高耐磨性等优良特性，又可充分发挥芯部高强度、高韧性的作用【5 l 。 克服了外层高合会化所带来的脆性大，韧性差的缺点，进而提高轧辊的综合性能， 保证了轧辊的长寿命，高可靠性以及轧材质量的提高。 硬质合金的加工性能较差1 6 1 ，一般的机械加工方法很难适用，硬质合金复合轧辊 的精度又比较高，特别是用在切分轧制时，对于轧槽的对中性要求很高。硬质合金 复合轧辊的加工包括三个方面：芯轴的加工、复合辊环的加工、复合轧辊的开槽刻 肋。芯轴的加工包括材料的选择、加工工艺的制定、热处理工艺的制定，复合辊环 的加工包括工艺路线的制定、工装夹具的设计、加工参数的选择，复合轧辊的丌槽 是指在整体复合轧辊的硬质合金部分加工出椭圆或半圆形轧槽，由于整体复合轧辊 2 华中科技大学硕士学位论文 的体形庞大，外径在3 3 0 m m 4 0 0 m m ，长度在1 3 0 0 m m 一1 7 0 0 m m 之间，甚至更长，重 量在4 0 0k g 到1 0 0 0 k g 之间，甚至更重，完全不同于单个硬质合金辊环，因此其加工 难度更大。 1 2 国外有关复合轧辊研究的情况介绍 目前世界上应用最广泛，最典型的硬质合金组合轧辊结构是德国的k a f i x i r l 、 s a r a c o m 、瑞典s a n d v l k 的c l c 。现在进入我国棒材轧辊市场的有瑞典的 s a n d v i k 、德国德s a a r 、南韩，且都取得了较好使用效果。这3 家生产的组合轧 辊在结构上各有其特点： s a n d v i k 使用其专业生产的c i c 复合硬质合金组合轧辊1 8 1 ，包括c i c 复合辊环、 轧辊轴、紧固键和锁紧螺母。装配时需将辊环热装在轧辊轴上，通过紧固键与辊轴 连为一体。之后安装并旋紧螺母。 s a a r 的s a r a c o m 型组合轧辊设计采用机械加固系统1 9 l ，装配时辊环通过键 槽紧固在辊轴上，安装压力环和锁紧螺母时，要用测力扳手对称旋转锁紧螺母内侧 的压力螺栓，使压力螺栓均匀施力于压力环上，这种装配方式具有合理的轴向预应 力，若要传递更高的轧制力矩时，也可考虑热装或在轴的内表面做键槽。 南韩组合轧辊结构设计类似于k a f l x ，其设计思路是在一根带轴肩的辊轴上， 用高压液压螺母( 压力大于2 0 0 m p a ) 将w c 辊环和隔离环固定在轧辊轴上，通过锁 紧环将压力传递到辊环的端面，靠压力产生的摩擦力来传递轧制力矩。 1 3 硬质合金复合轧辊的历史和开发过程 1 9 6 6 年，世界上第1 台摩根无扭线材轧机在加拿大s t e l c o 公司正式投产【l o l 。世 界上第1 次使用的硬质合金轧辊是巾1 5 6 巾1 1 2 m m 的硬质合金辊环，该环是以轻压 配合安装到辊轴上的。由于硬质合金辊环与衬圈处的配合半径太小，以及辊环截面 太小，该硬质合金辊环很快就出现断裂问题。因此首先省略了凸台，将硬质合金辊 环粘结到钢套和辊轴上：因而大大减少了轧辊的断裂。然而，进一步的应力计算结 果证实，硬质合金辊环截面( 尤其是前几个机架的辊环截面) 必须扩大，而且发现 了钢套的磨损，因此欲将其换成整体硬质合会轧辊。 利用b r a t t 安装系统进行的实验表明，可以利用辊环内孔来传递轧制力矩。因此 可以省略横向槽，并采用具有2 个轧槽的轧辊，即第1 个轧槽使用完后，再使用第2 3 华中科技大学硕士学位论文 个轧槽。 下图1 5 示出这种轧辊。该工艺大大减少了每个孔型的轧制费用。为了使轧辊得 到传递轧制力矩用的足够的径向压力，采用具有给定油压的液压螺母将中间轴套压 到锥形轴上。这种固定方式始于1 9 6 9 年，并有不同的方案。直到目前为止，这种固 定方式在快速换辊中仍占主导地位。 图1 - 5 硬质合金辊环图 6 0 年代末至7 0 年代初，又有很多轧机生产厂( d e m a g 、k o c k s 、a s h o w 、 p o m i n i f a r r e l 、s k e t 、d a n i e l i 、m o e i i e r n e u m a n n 、h i l l e 、p r o p e r z i 、m o r g a r d s h a m m e r ) 在市场上出售无扭精轧机。由于硬质合会的优异性能，使现代化线材精轧机的轧制 速度提高到1 2 0 m s ( 巾5 5 线材) 。 l 璺| 1 - 6 轧制中的辊环 4 华中科技大学硕士学位论文 线材精轧机每个轧槽的轧制量取决于硬质合金的种类、孔型几何形状、以及轧 制钢中和线材质量。因为轧制效率过高又会导致较深的疲劳区。所以每个轧槽的轧 制量又影响随后的修磨量。一般来说，线材精轧机最后2 架轧制量为2 0 0 6 0 0 t ，前面 几架的轧制量为5 0 0 1 5 0 0 t 。线材轧机中轧机的轧制量为3 0 0 0 6 0 0 0 t 。棒材轧机精轧 辊的轧制量低于上述数值，并取决于所轧制的棒材的种类和尺寸。 上述轧制量是铸造轧辊的1 0 倍。因为硬质合金轧辊的修磨量仅为铸造轧辊的 1 3 1 2 ，所以从新辊到报废，硬质合金轧辊的总轧制量是铸造轧辊的2 0 3 0 倍。 如果使用枯结剂含量高的硬质合金，则可制造轧钢筋用轧辊。由于粘结剂含量 高的硬质合金韧性好，所以，开槽引起的应力集中不会造成轧辊断裂。每个轧槽的 轧制量为：由8 m m 钢筋为8 0 0 t 、巾1 2 m m 钢筋为1 2 0 0 t 。当然，随轧制条件和钢筋变 形的不同有很大变化。 图1 刁开槽辊环图 随着热轧带肋钢筋的推广应用，人们又研制出了热轧带肋钢筋用轧辊。它的粘 结剂含量达到2 7 3 0 ，因此它的韧性更好。人们可以在它的表面进行铣n i t l l 】。 华中科技大学硕士学位论文 图1 - 8 刻肋辊环图 1 9 8 0 年代，伴随着粉末冶金材料在轧钢生产中的进一步应用，产生了一项非常 有前途的新技术，那就是采用硬质合金及钢材的复合式轧辊用于中小型轧机精轧、 中轧机组直至粗轧机组以取代传统的球墨铸铁轧辊。如今已在欧美、日本等钢铁生 产大国得到普遍应用。人们先后研究出了机械夹固式复合轧辊、液压轴向压紧复合 轧辊、粘结式复合轧辊、热等静压式复合轧辊、复合铸造式复合轧辊。 1 4国内复合技术及加工工艺现状及课题来源 国内中科院沈阳铸造研究所自上世纪8 0 年代末便开始了此类技术的开发，但除 一些实验数据，一些研究文章外，至今未有实质性突破。2 0 0 0 年，江西南昌正源公 司蔡水金提供了粘结式复合技术与我厂共同开发了一对复合轧辊在江苏沙钢集团试 用，初步试用结果比较成功。后沙钢自己采用热胀微过盈式装配方法，目前使用效 果并不理想。烟台东兴、永联钢厂均采用这种方式。浙江杭州钢铁研究院也在进行 这种复合方式的研究【1 2 1 。 硬质合金复合轧辊在热轧螺纹钢、棒材生产轧制中有着非常明显的巨大优势， 世界各国都将其用作传统轧辊的替代更新产品，以提高轧材质量和降低成本。然而， 由于我国硬质合金复合轧辊的研制和开发较晚，加上国外大公司专利的限制等原因， 目前我国热轧螺纹钢、棒材所需的硬质合金复合轧辊主要依赖于进口。根据沙钢和 6 华中科技大学硕士学位论文 上钢一厂试用情况，我们估算得出年产6 0 万吨热轧螺纹钢、棒材生产线，成品机架 ( k 1 架) 每个品种每年平均消耗大约三对轧槽数为传统轧辊四分之一至五分之一的 硬质合金复合轧辊，每对用于不切分轧制的硬质合金复合轧辊平均重量约2 6 0 k g 最j ， 用于切分轧制的硬质合金复合轧辊重量约为4 0 0 k g 对；一对2 6 0 k g 重的进1 ：3 复合轧 辊价约为2 6 万美元，按3 对5 个规格( 咖1 0 巾1 8 m m5 个品种或如1 8 m m 中2 8 r a m 5 个品种) x 4 0 条生产线，得年消耗1 5 0 0 对x 2 6 万美元= 1 4 8 0 万美元；切分轧制成 品机架用的对重量约为4 0 0 k g 的进口轧辊价为4 万美元，按3 对5 个品种( 咖1 0 巾1 8 m m 五个规格) x 4 0 条生产线得年消耗6 0 0 对，6 0 0 对x 4 万美元= 2 4 0 0 万美元。 充分认识硬质合金复合轧辊在热轧螺纹钢、棒材生产中的重要性，特别是在切 分轧制中能确保切分轧制的均匀性、条形的稳定性；因此，从k 4 架以后的机架全部 推广使用硬质合金复合轧辊对提高生产潜力同样是不可估量的。另外，切分, l se 对 于导卫和轧槽的对中要求相当高，而非悬臂式辊环轧机的对中误差又很难避免，因 此，使用硬质合金复合轧辊能大幅度减少换槽次数提高轧机效率其优势更为突出。 如前所述，国产硬质合金复合轧辊可以完全替代进口复合硬质合金轧辊，价格 比进口的低4 0 。仅替代进口热轧螺纹钢、棒材成品机架所需的硬质合金复合轧辊 这块，每年可为国家节约外汇2 0 0 0 多万美元；若该项目的产品在成品机架前推广使 用( k 2 、k 4 ) ，节约的外汇更多，效益更大；该复合轧辊不但可满足国内市场需求， 还可开拓国际市场，为国家创汇。目前主要使用的铸铁轧辊，其耐磨性差，使用寿 命短，而使用硬质合金复合轧辊则耐磨性好，使用寿命长，负公差效应明显，具有 巨大的经济效应。因此，株洲硬质合金集团有限公司将其列为公司级重大课题。 1 5 本文的主要研究内容、研究目标及关键技术 硬质合金辊环系用碳化钨粉和钻粉、镍粉压制烧结而成，不论在冷轧或热轧条件 下都有优异的耐磨性，目前高速线材轧机已普遍采用硬质合金辊环。由于硬质合金 是高硬度、耐磨损的脆性材料，其应用于小型轧机有以下几个难点： 1 5 1 辊环与轧辊轴的连接安装方式 1 粘结剂选定：通过理论计算和试验来选定合适的粘结剂； 2 配合间隙选定，复合工艺设计与优化：选择适当的配合间隙，以保证不因热涨 而裂辊，同时保证结合强度；确定复合工艺： 3 芯轴设计 7 华中科技大学硕士学位论文 4 端面保护力确定 5 辊环设计 6 粘结工艺选定，复合层应力、应变分析与模拟。 1 5 2 符合工艺要求的成品轧辊加工工艺，尤其是成品孔型加工和带肋钢筋的肋形加 工 1 加工方法选定 2 关键工艺的设计 幻外圆开槽磨加工工艺 外圆歼槽车加工工艺 3 刀杆刀具设计与制作 a 1 砂轮选择 b 1 刀杆设计与制作 c ) 刀具设计与制作 4 程序设计 幻肋数计算 b 1 程序肋间距计算 c ) 位置补偿 d 、速度匹配 5 关键工艺的设计 a ) 刀杆刀具设计与制作 b 1 程序设计 1 5 3 满足特殊要求的使用工况条件，如轧槽水冷工艺 本文的主要研究内容、研究目标及关键技术就是第1 5 2 、第1 5 3 条。 1 6 本章小结 本章介绍了硬质合金复合技术和加工工艺研究的意义，进行了国内外有关复合轧 辊研究的情况介绍，描述了硬质合金复合轧辊的历史和研究过程，介绍了国内复合 轧辊的复合技术及加工工艺研究现状和课题来源，明确了本文的研究内容、研究目 标及关键技术。 华中科技大学硕士学位论文 2 有关硬质合金复合轧辊研究的理论 2 1 有关硬质合金轧辊制造技术的理论 硬质合金轧辊在使用过程中，一般是将( 1 2 0 2 0 0 ) m m x ( 1 2 0 2 0 0 ) m m x 2 0 m 的普通钢( 软线) 或高碳合金钢( 硬线) 方坯加热至9 5 0 1 1 0 0 ，以3 0 1 4 0 m s 的速度经过多架次的轧机、轧制成由5 m 1 2 m m 的圆形线材或巾1 2 巾3 2 r a m 的圆 形棒材。整个轧制过程可以形象地比作是揉面条，红钢方坯经过第一架轧机变为稍 圆的圆钢，之后便是圆、椭圆交替变形，直至定径机架，其尺寸则随轧机架次的依 次推后变小变长【1 3 l 。初轧和中轧钢材下压变形量大，轧制速度相对较慢、轧制扭距 较大。随着线材变细变长，需要的轧制扭距减小，轧制的速度加快。轧制过程中， 硬质合金轧辊轧槽表面的受力状况如图2 1 所示。 | 璺| 2 - 1 硬质合金轧辊轧槽表面的受力状况 高速前进的红钢接触合金轧辊a 点时，对轧槽表面进行冲击，尤其是换坯时的 黑头钢冲击力更大。接着红钢被挤压变形，即变细变长。然后离开a 点，同时a 点 又要受到冷却水的冲刷【1 4 l 。这样一来，轧槽a 点在瞬间受到冲击挤压而发生弹性变 形和弹性回复，当在高温高速下轧制时，其变形和回复的次数增加，这就要求合金 轧辊具有很高的抗j 中击韧性和抗热疲劳、热裂纹性能。同时高速轧制使得单位时间 内通过合金轧辊轧槽的线材增多，就要求合金轧辊轧槽表面有很高的耐磨性。由于 轧制变形产生大量的热能使得轧制温度增高，进而影响到设备、线材、轧辊的性能， 因此轧制过程中必须进行水冷却。冷却水一般都偏酸性或偏碱性，并带有微量的细 小硬粒。飞速旋转的合金轧辊必须承受时冷时热的交变应力，这要求合金轧辊有较 高的抗压、抗裂纹、抗腐蚀性能【1 5 】。 众所周知，w c c o 硬质合金具有高弹性模量、高耐磨性和适宜的断裂韧性的良 好组合，从而使其成为从金属切削刀片到凿岩工具的广泛应用领域中的可供选择的 材料【1 6 1 。但是，硬质合金往往会由于有限的断裂韧性而在实际运用中产生脆性断裂。 9 华中科技大学硕士学位论文 因此，提高断裂韧性一直是硬质合金研究的方向。 w c c o 硬质合金的断裂韧性受控于韧性的粘接相1 1 7 1 。它可通过简单的提高钴含 量或增大晶粒度来提高。钴含量越高或晶粒度越大，产生的钴相自由程也就越大。 从另一方面来说，w c c o 合金的耐磨性与其硬度成正比，因而也就与其断裂韧性成 反比。增大平均自由程通常会降低硬度和耐磨性。在对具体应用领域选择材料时， 通常在耐磨性和韧性之间采取折中方案。但对研究人员来说，不仅要考虑提高韧性 问题，而且还要考虑提高或保持耐磨性的问题。 另一方面，耐磨性、硬度和韧性之间的这种关系在某些情况下根据具体磨损环境 和材料显微结构状态不同可能发生变化，甚至转向相反方向f 1 8 1 。两种不同牌号合金 的相对耐磨性则根据是否承受高应力磨损或低应力磨损而呈现出相反的情况。较高 的断裂韧性尤其有利于以显微崩裂为主的磨损情况。对于高耐磨性和良好的韧性丽 言，最好采用较粗的晶粒度( 或颗粒度) 。所有显微结构、韧性和耐磨性之问的这些 错综复杂的关系都为断裂韧性和耐磨性的最佳化造成一些困难，同时也提供一些可 能性。 目前已采用各种方法来提高硬质合金的断裂韧性，其中包括在不降低耐磨性的情 况下提高钻含量或增大碳化钨的晶粒度。 为提高w c c o 硬质合金的高温性能和耐腐性能，可适当添加n i 和微量c f 代替 c o 的办法【。 2 0 世纪8 0 年代末期，瑞典山特维克公司针对轧机不同架次的使用情况，率先系 列化硬质合金辊环的牌号，具体成份、性能见表2 - 1 。 表2 - 1 山特维克公司合金辊环化学成份及性能 项目 w cc on ic rw c 品粒t r s h v d 牌粤 度p m n m m e c n 1 3 c 1 5 c8 56 67 6 0 84 32 9 0 09 0 01 4 0 0 c 2 0 c8 091 01 4 32 7 0 0 8 0 0 1 3 5 0 c 2 5 p7 51 1 31 2 5 1 22 82 7 0 07 5 01 3 0 0 c 3 0 p7 01 3 21 5 3 1 52 82 7 0 06 5 01 2 7 0 c 3 0 t7 01 3 21 5 31 5 5 2 7 0 0 6 0 01 2 7 0 h 6 t9 46 52 3 0 01 3 0 0 1 4 8 0 h 1 5 c8 51 54 32 9 0 09 5 01 3 9 0 h 2 0 c8 02 04 32 7 0 09 0 01 3 5 0 h 2 5 p7 52 52 82 7 5 08 1 01 3 1 0 h 3 0 p 7 03 0 2 82 7 0 07 0 01 2 7 0 1 0 华中科技大学硕士学位论文 这些牌号合金的w c 平均晶粒度均大于4 m ，尤其是h 6 t ( 见金相照片2 - 2 ) ， 突出的特点是w c 相晶粒结晶完整，尺寸细小的w c 分布于粗晶w c 周围，粘结相 分布均匀且较普通含c o 为6 的合金明显增厚，成为典型的双晶结构。 x 1 6 0 0 w c 晶粒度4 3 p m 图2 - 2 金相照片h 6 t 这样的合金辊环用于精轧的定径机架无疑有很高的耐磨性，同时较普通含c o 为 6 的合金有好的韧性和抗热疲劳、热裂纹性能i 删。 国际其它知名硬质合金企业美国型特美公司、卢森堡森莱美德公司相应推出辊环 系列牌号，美国型特美公司辊环牌号和性能见下表，其辊环制作均采用c o 、n i 为基 作粘结剂，余为w c 。 表2 - 2 美国犁特美公司辊环牌号平性能 项目 粘结剂w c 晶粒度 t r sh r ad 觯号 n m i l l 2 g c m 3 s m 一6 31 0 粗3 1 5 0 8 7 21 4 5 s m 一6 4 1 2 5粗3 0 5 0 8 5 51 4 3 s m 一5 91 5 粗 3 0 0 08 5 11 4 0 s 1 4 6 51 7 粗 2 9 0 08 3 51 3 8 s m - 6 02 0 粗 2 8 5 08 2 81 3 6 s m 一6 l2 5 粗 2 7 0 08 0 61 3 1 s m 一3 03 0 粗 2 6 0 07 8 41 2 8 s m 一5 23 5 中粗 2 7 5 08 0 51 2 5 1 1 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 3 金相照片 s m 6 0x 1 6 0 0 w c 平均晶粒度3 2i l m 图2 - 4 金相照片c e 6 5x 1 6 0 04 0 l m图2 - 5 金相照片c e 7 9x 1 6 0 0w c 3 2 “m 图2 - 6 金相照片5 c e l l 2 x 1 6 0 0 w c 4 0 m 当前硬质合金轧辊制造技术发展的方向是通过采用高纯超粗( f s s s 粒度 2 1 l i j u n ) 碳化钨粉和钴粉、镍粉，再添加合适的微量元素f 2 1 】，采用直接模压成型、 气压烧结，深度加工技术，制取具有超粗晶粒结构( 筮4 岬) ，满足不同轧制要求的 硬质合金辊环精坯。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 有关硬质合金复合技术的理论 2 2 1 液压轴向压紧复合技术 液压轴向压紧复合技术是指通过在辊环的轴向施加必要的压紧力来将辊环和钢 芯复合在一起的技术t 2 2 1 。轴向压紧辊环具有一定的难度，轴向施加的力必须足够大， 才能保证辊环的正常工作。对所需压紧力的基本要求是持久可靠，最优方案时应用 液压机械方式。因为轧辊给压紧装置提供的空间是很有限的，所以必须开发一套紧 凑的高效压紧装置。实验表明，液压系统是产生足够压紧力的较好方法，同时液压 系统产生的压强必需达到2 5 0 m p a 以上。产生如此高的压强，需建一套特殊的液压 站，执行元件要有特殊的密封结构。国外普遍采用液压螺母，设计成液压螺母是因 为要通过螺纹把液压系统产生的力转变为对辊轴的拉力，使轴产生弹性拉伸形变， 使辊轴上的辊环被压紧。 如何保留辊轴的拉伸变形呢? 受两个互动的斜楔块( 见图2 7 ) 的启发，有人 设计了能满足轧辊特殊要求尺寸和锁紧力的“锁环组件”，简称锁环。液压压力去除 后，就通过锁环组件填充间隙保留辊轴的拉伸变形，并锁紧安全可靠，拆卸方便。 l 变 大 图2 7 锁环工作原理图 液压锁紧复合辊环的结构如图2 8 所示。 1 、硬质合金辊环，2 、压力环，3 、楔型环，4 、活塞环 5 、液压螺母缸体，6 、注油孔，以及轧辊母轴 图2 - 8 液压锁紧复合辊环的结构图 华中科技大学硕士学位论文 液压锁紧复合技术具有以下特点固1 ： ( 1 ) 高的压应力使辊环工作时承受很高的三向压应力，辊环寿命长而且不易破碎。 ( 2 ) 液压螺母给轧辊轴施加的拉力使其成为预应力轧辊，这种轧辊在轧制过程 中的挠曲变形很小，这样就提高了轧机的系统刚度，对提高产品的尺寸精度极为有利。 ( 3 ) 轧辊轴、液压螺母、锁环可以多次重复利用，从而降低使用成本。 ( 4 ) 特殊密封及超高压系统使液压螺母内产生2 0 0 3 0 0 m p a 的压强。 ( 5 ) 对用户来说原有轧机结构、轧辊装配无需改动。 ( 6 ) 辊环安装、拆卸方便，可以很方便地变换辊环材料。 图2 - 9 液压螺母简图 2 2 2 机械夹固式复合技术 机械夹固式复合技术有多种形式，其结构设计和方案介绍如下： 2 2 2 1 结构设计的几种形式： 1 整体式多槽轧辊：这是从可胀心轴夹固硬质合金环以及硬质合金环粘结在钢 芯轴等方法发展起来的这种整体式硬质合金轧辊常安装在主轴端部，扭矩是用一 定半径的横向键来传递，这种轧辊用在无扭转的线材精轧机上。 2 装在主轴端部的组合式轧辊：安装在主轴端部的大直径轧辊常被设计成组合 轧辊形式，硬质合金环用机械夹固或粘结剂粘固的方法固定在钢质基体零件上，并 通过后者安装在主轴端部。 3 装在轴承座问的组合轧辊：当设计多环硬质合金组合轧辊时，要考虑几个方 面的问题。首先要决定轧制力和传动扭矩，包括正常值和极端值，并计算出必需的 环壁厚度。其次考虑硬质合金的宽度、每辊轧槽数以及切分距离。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 2 砉f i 械夹因式复合轧辊的安装方案 1 过盈配合 该方案可提供可靠的刚性支承【2 4 1 。采用过盈配合以及不均匀热胀所引起的圆周 应力需采用较大的壁厚来承受。安装时应先将辊环预热到2 0 0 3 0 0 。c 。拆卸需要1 0 t 以上的轴向力。 2 小问隙配合 为便于装拆，硬质合金辊环与轴设计成紧滑座配合，辊环在2 2 的安装温度下为 定量的间隙。当轧制时温度均匀升至3 0 c 时，其中辊环温度3 0 c ，钢轴芯部温度为 4 0 c ，需要除去不同热胀系数产生的i 日j 隙减少量。保证在轧制中辊环与轴之间为过渡配 合。这种安装方式需要借助较大的轴向力，靠足够大端面的摩擦力来传动扭矩。 3 圆锥孑l 用于主轴端部安装硬质合金辊环。传递扭矩靠孔中摩擦，安装时周向应力很高。 4 粘结方法 可以传递大扭矩而不造成安装应力，安全可靠。拆卸是个大问题i 捌。 5 端面键 辊环端面和轴台阶端面键联结，制造精度要求很高，硬质合金受到的应力增大。 2 2 3 热等静压式复合技术 热等静压法生产的冶金粘结复合轧辊，一般在硬质合金辊环外填充好辊身外层 所用的合金钢( 因瓦合金) 粉末，在1 0 0 0 以上高温和i o o m p a 以上的压力下烧结 成复合轧辊f 狮。由于设备和资会的限制，在国内很少采用生产大复合轧辊【拥。 1 - 隔热盒 2 隔热屏3 - 加热体4 - 缸体 5 - 带包套的粉末制品6 - 下塞 图2 - 1 0 热等静压机工作原理 1 5 华中科技大学硕士学位论文 2 2 4 铸造式复合技术 铸造式复合硬质合金轧辊通过两工艺阶段完成，首先用粉末冶金的技术经压制 烧结出硬质合金辊环。此后向硬质合金环内浇入球墨铸铁，利用专门的铸造技术使 两种材料达到良好的冶金结合。这要为每种尺寸的铸造式复合辊环制造一个铸型， 铸型安放了硬质合金辊环，同时还要考虑专门的铸造技术。每个铸造模型都由几个 部件组成。为了使硬质合金和球墨铸铁之间达到良好的冶金结合，在铸造过程要给 硬质合金输入足够的热量以使硬质合金表面溶化。硬质合金的溶化区与溶融的铁混 合到一起，在冷却时形成冶金结合，为此，要求一定的浇铸温度、浇铸量和流量【姗。 铸造之后，除去多余的球墨铸铁，并清理轧辊。用超声波探伤检验冶金复合质 量和球墨铸铁是否有气孔。 从铸造温度冷却下来时，由于硬质合金( 收缩小) 和球墨铸铁( 收缩大) 之间 的线膨胀系数不同，在硬质合金辊环内出现了拉应力在随后的热处理中，此拉应力 通过组织变化而消除( 如图2 1 1 ) 。 珑墨 _、 肜沁 蛉髟 图2 - 1 1 硬质合金辊环受力简图 在铸造式复合轧辊中，轧制力矩由韧性优良的球墨铸铁部位进行传递。由于这 种情况和利用球墨铸铁附加支撑硬质合金辊环，所以能将硬质合金辊环的尺寸降到 最佳程度，这是铸造式复合轧辊的一大主要优点，这一点对大轧辊来说优势更为明 显【冽。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 铸造式硬质合金复合辊环所需的球墨铸铁的性能有特殊的要求，要根据需要使 金属集体合金化，随后进行的热处理使复合辊环达到最佳应力状态。通过采用合适 的成分和专门的铸造技术可以使硬质合金和球墨铸铁达到良好的冶金结合。因为有 合适的强度、韧性和硬度，所以通过键槽弹簧连接可以将轧制力矩传递到球墨铸铁 部位，而且良好的阻尼也起很好的作用。球墨铸铁可以利用普通工艺进行加工。 一般采用的铸造工艺有二种：离心铸造工艺、连续浇注复合( c p c ) 在普通重力铸造中，铸件自下而上的顺序凝固。而立式离心铸造主要依靠离心 力的作用，将浇道中的金属液从旋转中心甩向铸件外缘进行补缩，铸件有较高的成 品率。此外，离心力的作用可加剧铸型内金属的运动，而先析出的固相晶体密度大 于液体密度，造成凝固由外向内顺序凝固例。在离心压力推动下，金属液体也能克 服晶粒问的阻力进行补缩，提高铸件致密度。 连续浇注复合c p c 法是将轧辊辊芯轴垂直敞于水冷铸型中然后将熔融的外层 高速钢钢水浇入到碳钢芯轴和水冷结晶模之间，先使外层金属和辊芯熔合，并自下 而上凝固，将疑固部分连续向下拉拔，实现连续铸造外层【3 1 】。 图2 - 1 2 带有2 个铸造式复合硬质合金辊环的复合轧辊 图2 1 2 示出带有2 个铸造式复合硬质合金辊环的复合轧辊。在每个辊环上，轧 制力矩均通过相对安放的2 个弹簧键槽咬住固定在辊身上的弹簧，并传递到球墨铸 铁部位。为了减少轧辊弯曲，尽可能将辊环向两