含有烧结硬质合金和铸铁的轧辊及其制备方法

摘要

本发明涉及一种含有烧结硬质合金和铸铁的轧辊及其制备方法。该轧辊可用于热轧或冷轧。辊身包括通过离心铸造方法铸入铁的合金的轧辊主体的一个或几个烧结硬质合金环。该铸造合金主要包括石墨铸铁，在铸造后含有残余奥氏体。为了减少或完全消除由于铸造后冷却引起的铸铁和烧结硬质合金之间的局部收缩，该残余奥氏体在随后的一次(或多次)热处理步骤时，在体积增加的情况下完全或部分转变为主要是贝氏体。轧辊主体的中心部分可由供选择的另一合金构成。

说明书

本发明涉及通过离心铸造方法将一个或几个烧结硬质合金环铸入以铁为基的，较佳为以铸铁为基的铸造合金。生成的产物是仅为一块制成的，在烧结硬质合金和铸铁之间具有冶金结合的复合轧辊。

用于热轧或冷轧的含有烧结硬质合金的复合轧辊包括用各种连接器和锁定装置连接在（驱动）轴上的一个或几个烧结硬质合金环。从驱动轴将转距传送至烧结硬质合金轧辊的一种方法是使用完全用烧结硬质合金环制成的键槽或其它传动凹槽或传动凸块。但是，烧结硬质合金是一种如象在上述转距传送装置内拐角中具有限定抗拉强度和特定缺口敏感性的脆性材料，基于这些常规连接方法已不能满意地工作。传送转距的另一种方法是借助烧结硬质合金环内表面处的摩擦力。然而，在这一表面上的径向力导致烧结硬质合金环中的切线拉应力的增加，并在其内径处具有最大值。这些拉伸应力添加到轧辊在使用时产生的其它拉伸应力中。

通过将铁的合金的外壳铸在烧结硬质合金环上，得到用于热轧或冷轧的复合轧辊，其中传送转距所需的装置可以设置在铸铁上，例如参看瑞典专利NO.7010170-5（公开号371114）。但这决不是一个简单问题。由于在冷却期间外壳的收缩比烧结硬质合金环大，产生烧结硬质合金上向内部方向的力，导致在烧结硬质合金环外表面的轴向拉伸应力，这些应力垂直作用于轧制期间轧辊表面产生的微裂纹。在这些拉伸应力的影响下，微裂纹的深度扩展，可能造成轧辊断裂或需要大量的整修，结果限制了轧辊的总轧制能力。

在瑞典专利申请NO.8804503-4中公开了对这一问题的一种解决方案，按照该申请，将一个或几个烧结硬质合金环铸入铁的合金的外壳中，其中铸造合金主要包括石墨铸铁，该铸铁在铸造后含有组织成份的残余奥氏体，较佳为15-20%（重量），为了减少或完全消除由于铸造后冷却引起的铸铁和烧结硬质合金之间的局部收缩，在体积增加的情况下在随后的一次或几次热处理步骤时将奥氏体全部或部分转变为主要是贝氏体。

上述专利申请的方法仅可以先制备轧辊环，而后通过在驱动轴上的连接器和锁定装置将这些环组合成完整的轧辊。即使用于传送转距必需的连接器是用铸铁部件制成的，但仍有尺寸的限制，从而是对传送转距的一种限制。此外，轧辊的耐磨表面（辊身）在尺寸上是受限制的。按照上述方法或其它现有的，通过某种类型的转距传送连接器操作的烧结硬质合金系统，由于所需的连接器和锁定装置的空间，人们不能完全自由的在辊身上设置烧结硬质合金环。从而欲用于轧制的表面显著地受到限制。

离心铸造是制备通常旋转对称体的公知技术。该技术利用旋转圆柱铸模所达到的离心力，将熔融金属抛向铸模壁，在该处，金属在压力下固化成所需的形状。该技术通常用于制备管子、内衬、轴衬等，但也用于制备轧辊。例如，由瑞典专利申请NO.8603987-2已知一种用于热轧机或冷轧机的复合轧辊，该轧辊具有离心铸造外耐磨层或高合金铸钢的外壳和蠕虫状石墨铸铁、球墨铸铁或普通铸钢的芯。

按照本发明，现在借助于离心铸造提供了仅以一块制成的复合轧辊，该轧辊在烧结硬质合金和铸铁之间具有冶金连接，此处的辊身可以按照实际轧制条件和需要装备一个或几个烧结硬质合金环。这一设计上的自由度只能通过本发明才能达到。

图1、2和3示出了某些可供选择的实施方案。图1示出了一种球墨铸铁（1）的轧辊，其中铸入一个烧结硬质合金环（2）。

图2示出了一种球墨铸铁（1）的轧辊，其中铸入了四个烧结硬质合金环（2）。

图3示出了一种轧辊，该轧辊具有四个铸在球墨铸铁（1）中的烧结硬质合金环（2），并具有另一材料的芯和轴颈。

在型砂中的烧结硬质合金环或多个环的造型必须以这样的方式制得，使得熔融铸铁不要到达烧结硬质合金的外表面。这是本发明可以证实的。

烧结硬质合金环（或多个环）的外表面构成了所制得的复合轧辊的辊身。根据专利申请NO.8804503-4的现有技术制备铸入轧辊环的经验表明，渗入烧结硬质合金环外表面的少量熔融铸铁造成在渗入表面下烧结硬质合金的表面质量恶化。通过机械切削一或几毫米烧结硬质合金的外表面，可以消除这一表面恶化。为了顺利地制备本发明的复合轧辊，必须避免上述的这种渗入，而且这也是可能的。

为了达到烧结硬质合金和铸铁之间最佳的冶金结合，必须在槽中使用高度过热的铁，结合加以控制的铸模填充物的量和预定的旋转速度，以达到烧结硬质合金环部分（该部分不是在型砂中造型的）表面层的均衡加热和熔化，即该部分与铸铁冶金结合。

本发明的复合轧辊在经过必要的热处理和机械加工成最终形状和尺寸以后，包括一个完整的轧辊或轧辊环。这一复合轧辊消除了如上所述的，现有烧结硬质合金环欲可靠地将转距由驱动轴传送至烧结硬质合金部分的困难。

按照本发明，烧结硬质合金被铸入具有被调节至瑞典专利NO.8601289-7（公开号399911）所述碳当量（Ceqv.）组分的基本上的石墨铸铁。还要考虑到对烧结硬质合金为最佳的冶金结合、其强度、韧性和硬度、转距传送的全部需要。以及机加工性能来选择铸铁的组分。通过添加铁-硅-镁和/或镍-镁，使该铸造合金镁含量为0.02-0.10%，较佳为0.04-0.07%（重量）。通过用铁-硅孕育处理，使该铸铁的硅含量为1.9-2.8%，较佳为2.1-2.5%（重量）。由此得到具有分散的球状石墨的球墨铸铁。这一球墨铸铁对应用而言具有良好平衡的硬度-韧性-强度。在热处理条件下布氏硬度为250-300。此外，该铸铁将因奥氏体生成合金化成份而被合金化。较佳为含镍量3-10%，更佳为4-8%（重量），结果形成一定量的残余奥氏体，即在铸造后为5-30%，较佳为10-25%，或更佳为15-20%（重量）。通过一个或数个步骤的热处理，可在体积增加的情况下，将适当量的残余奥氏体转变成其它组织成份，例如贝氏体。可以这样调节体积增加，即使得从铸造温度起的冷却期间复合轧辊中发生的各种收缩可以全部或部分被消除。针对烧结硬质合金的等级、铸铁的组分以及轧辊的应用调整这一热处理的方法。热处理包括加热至并保持在温度800-1000℃，冷却至并保持在温度400-550℃，再冷却至室温。

在一种可供选择的实施方案中，轧辊包括一个（或多个）硬质合金环和仅是上述铸铁的外壳，而轧辊芯和辊颈是通过离心或静态铸造由另一铸造合金铸得的。

在另一可供选择的实施方案中，轧辊包含仅铸进环形外壳的一个烧结硬质合金环（或多个环）。

按照本发明，还提供了一种热轧或冷轧用的，完整的，烧结硬质合金装备的轧辊制造方法。按照该方法，将至少一个烧结硬质合金环放置在离心铸造设备的铸模中，在烧结硬质合金和铸铁之间在环的内孔表面及其侧表面自由地形成接触。旋转该铸模并当达到适当速度时，将具有上述组分和合适温度的熔融铸铁向下排入旋转铸模中，这时熔融铁被抛向铸模壁并在压力下固化。在冷却至室温后，将轧辊清理，然后按上述进行热处理。

按照一种可供选择的方法，将一个烧结硬质合金环（或多个环）铸入仅由上述铸铁构成的外壳，然后通过离心或静态铸造由另一铸造合金铸造芯和辊颈。

按照另一可供选择的实施方案，通过离心铸造将烧结硬质合金环仅铸入环状外壳。

实施例

将一种含有组分70%碳化钨（WC）、13%钴（Co）、15%镍（Ni）、2%铬（Cr）（所有百分数都以重量计）的烧结硬质合金在垂直离心铸造机铸模的型砂中造型。烧结硬质合金环的尺寸为：

-外径340mm

-内径260mm

-宽100mm

在造型后，烧结硬质合金环的内孔表面及其在内径和310mm直径之间的侧表面是自由的，以便在该处形成烧结硬质合金和铸铁之间的冶金结合。使铸模以400转/分旋转。将含有组分3.7%碳（C）、2.3%硅（Si）、0.3%锰（Mn）、5.4%镍（Ni）、0.2%钼（Mo）、0.05%镁（Mg）和余量为铁（Fe）（所有百分数均以重量计）的，温度为1540℃的铸铁融体排放入旋转铸模中。铸造的持续时间约1分钟。在此时间内逐步停止旋转。

冷却后清理复合轧辊并用超声波方法检查。冶金结合的质量是良好的。

为了使残余奥氏体转变为贝氏体，通过加热至900℃，保持时间6小时，然后冷却至450℃，保持时间4小时，随后冷却至室温对轧辊进行热处理。当热处理在敞开空气中进行时，用抗氧化剂复盖烧结硬质合金环的自由暴露的表面。轧辊尺寸为：

辊身：Φ310mm（烧结硬质合金Φ340）×500mm。

辊颈：Φ220×300mm+220×520mm。