一種高線硬質合金複合輥環及其製造方法

2023-04-28 13:05:46

專利名稱：一種高線硬質合金複合輥環及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於高速線材軋制生產線上的精軋機組用輥環及其製造工藝，屬於硬質合金粉末冶金技術領域。
背景技術：
現有的原生輥環如圖1所示，由使用單位根據生產需要在其輥環外圓上開出軋制線材用槽後，安裝在精軋機組(十幾個架次)上成對使用。在生產中由於高溫、高速和高壓造成輥環磨損，輥環要經常下線修磨槽形和外徑，當其外徑修磨到規定尺寸時(修磨十幾次，重量減少約30％。連續壽命約60天)便下線報廢，見附圖2，圖2中的A部分表示經多次修磨損耗去的部分。從工作性質可見1件輥環應由兩部分組成1、損耗去的部分即工作層，要求其硬度高、耐磨性好、軋制量大。2、報廢的部分即基體，要求其韌性好、強度高、不碎裂。
現有技術生產的輥環是由單一成份的常規硬質合金材料燒結而成，是整體式結構。其製造工藝是合金粉料摻入成型劑充分混合後→模壓成型→冷等靜壓(壓力達200MPa)→加熱真空去除成型劑→真空燒結(功率約100KW，保溫約90min)→熱等靜壓(壓力100MPa，總功率約120KW，保溫約60min)→磨削加工→成品。
上述現有技術的不足之處在於1、現有的一件輥環只能用同一成份牌號的合金粉料加工成型，在設計其成份牌號時，滿足了基體的強度、韌性要求，即首先保證工作中不出現碎輥、裂輥等現象，就不易保證工作層硬度、耐磨性的要求，儘管現有輥環為不同架次生產了不同牌號的輥環，但因上述原因，現有輥環還是不能加大工作層的硬度做到內柔外剛。2、現有的工藝技術由於工藝方法的局限，不能使報廢后的輥環實現再生利用。3、現有的輥環生產工藝比較複雜，加熱工序多，成型壓力很高，保溫時間長，因此能耗較高。

發明內容
為了克服現有輥環不能很好滿足工作層的硬度、耐磨性要求和現有的生產工藝不能使報廢的輥環實現再生利用的不足，本發明的目的在於提供一種高線硬質合金複合輥環及其製造方法，該高線硬質合金複合輥環能實現內柔外剛，即讓工作層的材料硬度、密度及耐磨性高於基體，從而提高輥環的軋制量和使用壽命。該製造方法還可以使報廢的輥環得到複合再生利用，節約大量貴重金屬和能耗。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案如下一種高線硬質合金複合輥環，在其輥環體外圓上開有軋制線材用槽。所述的輥環體是由工作層和基體兩部分組成的複合式結構；工作層與基體材料牌號不相同。該工作層為一環形體，複合在基體的外圓上，工作層與基體複合燒結成為一體。所述的高線硬質合金複合輥環的環體尺寸與原生輥環尺寸相同。
所述的複合工作層可採用硬度和密度高於輥環基體1-2個牌號的常規硬質合金材料與基體複合燒結為一體。
所述的複合工作層可採用0.5-1μm的亞微或小於0.5μm的納米級硬質合金材料與基體複合燒結為一體，工作層的硬度和強度比輥環基體分別高100％和60％。
所述的複合輥環基體可用中頻液壓振動燒結及磨削加工工藝方法獲得。也可利用報廢的舊輥環做為複合輥環基體。
一種專用於製造上述高線硬質合金複合輥環的工藝方法，該方法包括以下的工藝步驟(1)將複合輥環基體與工作層的不摻成型劑的硬質合金粉料同時裝入石墨模具中進行振動、加蓋、壓實。硬質合金粉料可選用高於基體硬度和密度1-2個牌號的常規硬質合金粉料，也可選用性能更好的亞微和納米級硬質合金材料。合金粉料將形成複合輥環的工作層和磨削加工層。用不摻成型劑的合金粉料的目的是與基體良好結合，同時省去脫除成型劑的工序，又減少了因成型劑引發材料缺陷的可能。
(2)再放入專用的中頻液壓振動燒結機中進行升溫、加壓、振動燒結，該壓力振動液相燒結工序的溫度為1380℃，壓力3MPa，保溫時間10分鐘，使工作層與基體燒結為一體。
(3)燒結完成後，待工件降溫至600℃以下，取出工件，檢查毛坯複合輥環，合格後再放入專用的電阻氬氣燒結爐中進行二次正壓液相燒結，升溫至1300℃-1400℃，(根據工作層材料不同選擇)當達到燒結溫度時，壓力調至8MPa，保溫30分鐘後，停機隨爐冷卻。此工序是為了進一步提高毛坯複合輥環的密度，消除輥環材料中可能存在的孔隙等缺陷。
(4)當爐溫低於400℃時，工件出爐冷卻，經檢驗合格後對輥環平面、內孔和外圓進行磨削加工，即製成高線硬質合金複合輥環。
所述的複合輥環基體可用中頻液壓振動燒結及磨削加工工藝方法獲得。也可利用報廢的舊輥環做為基體。
本發明高線硬質合金複合輥環中的基體部分可由以下工藝步驟獲得(1)將不摻成型劑的2-4μm的常規硬質合金粉末裝入石墨模具中振動、加蓋、壓實。壓力3MPa；(2)進行中頻液壓振動液相燒結，溫度為1380℃，壓力3MPa，保溫60分鐘，冷卻後出爐；(3)磨削加工平面、內孔和外圓後成為基體部分。
本發明高線硬質合金複合輥環的基體部分還可利用報廢的舊輥環，經表面淨化處理後與工作層進行複合燒結，從而使報廢輥環得到再生利用。
本發明的有益效果是1.雙層複合式結構，更科學合理，符合輥環工作性質本發明的創新點在於①高線硬質合金複合輥環為複合式結構，是由工作層和基體兩部分組成。②高線硬質合金複合輥環的工作層、基體是由成份、牌號不同的硬質合金材料複合而成。③一種專用於製造高線硬質合金複合輥環的工藝方法。與現有技術一件輥環的工作層和基體部分由成份、牌號完全相同的材料組成的整體式輥環相比，本發明將現有的整體輥環從結構上分為基體部分和工作層部分，並且工作層的材料硬度和耐磨性均高於基體部分，因而可以提高輥環的軋制量和使用壽命。同時基體部分又保證不發生碎輥、裂輥現象，達到內柔外剛的效果。
2.本發明高線硬質合金複合輥環具有更好的使用性能本發明兩種不同材料牌號構成的高線硬質合金複合輥環比現有的單一材料牌號的原生輥環具有更好的使用性能，更具有明顯優勢，可提高軋制量30％以上。原生輥環為保證不碎輥、不裂輥，一般硬度最高只能達到86HRA，密度最高達到14.1g/cm3。而本發明的高線硬質合金複合輥環，在保證基體部分強度不變的情況下，可使工作層硬度達到88HRA，密度達到14.9g/m3以上，從而使耐磨性明顯提高。
3.本發明高線硬質合金複合輥環具有更為優越的材料性能本發明高線硬質合金複合輥環的工作層可採用亞微和納米級硬質合金，與常規牌號的硬質合金相比具有更高的硬度、耐磨性和強度。硬度可達HV301980，提高近一倍。強度可達3700MPa，提高近60％，因此具有更為優越的材料性能，燒結後可以得到沒有孔隙的顯微組織，應是今後輥環的發展方向。
4.使高線大量的報廢輥環得以再生利用，節約大量的貴重金屬資源本發明可用報廢輥環作為複合輥環的基體部分，從而使大量的報廢輥環得到再生利用，可節約大量的鎢、鈷類貴重金屬資源，與現有輥環相比可降低製造成本30％。目前，我國在線和在建的高速線材生產線約有100多條，每年下線報廢的硬質合金輥環達26000餘件，按新輥環價值計算達3.6億元。報廢輥環重量達450噸左右，造成了大量的鎢、鈷類貴重金屬資源的浪費。採用本發明技術後，可使這些報廢輥環再生利用，每年可創產值約2.5億元，利稅7500萬元，新增就業崗位2000餘個，可為高線生產企業節約輥環備件費用1.1億元，再生利用的貴金屬價值達1.6億元。
5.本發明工藝簡單，耗能低本發明工藝簡單，省去了模壓成型、冷等靜壓和加熱烘乾成型劑等工序。所用專用設備功率小，燒結壓力低，只有現有的原生輥環燒結壓力的1/25，保溫時間短，只有原生輥環的1/3，與原生輥環生產工藝相比較，可節省用電消耗50％以上。每生產一件輥環，本發明的複合再生工藝可比現有的原生輥環生產工藝節電約400KWh，若每年報廢輥環全部採用本發明方法進行複合再生，則每年可節電約1000萬KWh。節能效果顯著。


圖1是現有的原生輥環縱向剖視2是使用到尺寸後下線的報廢輥環縱向剖視3是本發明高線硬質合金複合輥環的縱向剖視4是本發明高線硬質合金複合輥環的製造工藝流程圖具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明圖3所示為本發明高線硬質合金複合輥環的一個實施例，圖中B表示複合工作層，C表示複合輥環的基體部分。工件規格為Φ228.3mm，工作層B採用硬度為87HRA，密度為14.3/cm3的碳化鎢硬質合金粉料，而輥環基體C的碳化鎢硬質合金材料硬度為85HRA，密度13.9g/cm3用該雙牌號材料經複合工藝燒結成一體，再經磨削加工成為複合輥環成品。再如，工件規格為Φ168.66mm，輥環基體碳化鎢硬質合金材料硬度為85HRA，密度13.9g/cm3，工作層碳化鎢硬質合金材料硬度為88HRA，密度達14.9g/cm3，經複合工藝製成工作層與基體相差兩個牌號的複合輥環，再經磨削加工成為複合輥環成品。
本發明高線硬質合金複合輥環製造方法的實施例如下請參見圖4所示，本實施例是利用報廢后的舊輥環為基體，經表面淨化處理後與不摻成型劑的碳化鎢硬質合金粉料同時裝入石墨模具，裝有粉料和報廢輥環的模具經振動裝實後加蓋一同裝入專用的功率為100千瓦的中頻液壓振動燒結機中，進行升溫、加壓、振動液相燒結，溫度升至1380℃，壓力3MPa，保溫10分鐘。燒結完成後待工件降溫至600℃以下，取出工件，檢查燒結為一體的毛坯輥環，檢查合格後，再放入專用的電阻氬氣燒結爐中，進行二次提高密度的正壓液相燒結，每爐放置兩件，然後升溫、加壓，當達到燒結溫度時1400℃，壓力調至8MPa，保溫30分鐘後停機隨爐冷卻。當爐溫低於400℃時，工件出爐冷卻。檢驗合格後，進行磨削機加工。對內孔、端面、外圓按圖紙要求磨到尺寸和精度。檢查合格後，即為複合再生輥環。本發明可使一件輥環得到兩次複合再生。
本發明適用於最終軋制線速達每秒一百多米的複合高線輥環，軋制線材(鋼筋)。
權利要求
1.一種高線硬質合金複合輥環，在其輥環體外圓上開有軋制線材用槽，其特徵在於所述的複合輥環體包括輥環基體及與該輥環基體的材料牌號不同的複合工作層，該複合工作層為一環形體，複合在輥環基體的外圓上，輥環基體與複合工作層經燒結而成一體。
2.根據權利要求1所述的一種高線硬質合金複合輥環，其特徵在於所述的複合工作層的材料硬度和密度均高於輥環基體1-2牌號。
3.根據權利要求1所述的一種高線硬質合金複合輥環，其特徵在於所述的複合工作層採用0.5-1μm的亞微或小於0.5μm的納米級硬質合金材料與基體燒結為一體。
4.根據權利要求1所述的一種高線硬質合金複合輥環，其特徵在於所述的複合輥環的環體尺寸與原生輥環的尺寸相同。
5.一種專用於製造權利要求1所述的一種高線硬質合金複合輥環的方法，其特徵在於該方法包括以下的工藝步驟(1)將複合輥環基體與硬質合金粉料同時裝入石墨模具中進行振動、壓實；(2)再放入專用的中頻液壓振動燒結機中進行升溫，加壓、振動燒結，該壓力振動液相燒結工序的溫度為1380℃，壓力3MPa，保溫10分鐘；(3)燒結完成後，待工件降溫至600℃以下，取出工件，檢查已燒結為一體的毛坯輥環，合格後再放入專用的電阻氬氣燒結爐中進行二次正壓液相燒結，根據工作層材料不同升溫至1300℃-1400℃，當達到燒結溫度時，壓力調至8MPa，保溫30分鐘，停機隨爐冷卻；(4)當爐溫低於400℃時，工件出爐冷卻，經檢驗合格後進行磨削加工，即製成高線硬質合金複合輥環。
6.根據權利要求5所述的一種高線硬質合金複合輥環的製造方法，其特徵在於所述的輥環基體部分可由以下工藝步驟獲得(1)將不摻成型劑2-4μm的常規硬質合金粉末裝入石墨模具中振實；(2)進行中頻液壓振動燒結，溫度為1380℃，壓力3MPa，保溫60分鐘；(3)磨削加工後成為基體部分。
7.根據權利要求5所述的一種高線硬質合金複合輥環的製造方法，其特徵在於所述的輥環基體部分可利用報廢的舊輥環，經表面淨化處理後獲得，與工作層燒結成為一體。
全文摘要
一種高線硬質合金複合輥環，其輥環體包括輥環基體及與該輥環基體的材料牌號不相同的複合工作層，輥環基體及複合工作層經燒結而成一體。製造該高線複合輥環的工藝為將輥環基體與不摻成型劑的硬質合金粉料同時裝入石墨模具，經振動裝實後一同裝入專用的中頻液壓振動燒結機中進行熱壓燒結，再進行二次正壓燒結，檢驗合格後經磨削加工，製成成品。本發明可提高輥環工作層硬度及耐磨性，提高輥環的軋制量和使用壽命，可使高線大量的報廢輥環得以再生利用，節約大量的貴重金屬資源。適用於最終軋制速度達每秒一百多米的高速線材生產線上精軋機組軋制線材、鋼筋等。
文檔編號B22F7/02GK1843644SQ200610078660
公開日2006年10月11日 申請日期2006年4月30日 優先權日2006年4月30日
發明者吳峻 申請人:宣化盛龍冶金設備製造廠, 吳峻, 張中偉