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热轧用硬质合金轧辊的发展现状


热轧用硬质合金轧辊的发展现状
陈飞雄,殷晶川
(钢铁研究总院,北京100081)

摘要:随着热轧技术的不断发展,要求与之相适应的高质量轧辊。硬质合金硬度高、红硬性好、强度高、耐磨性优 良,用作热轧辊,寿命为普通铸铁辊的20倍~30倍,已广泛应用于高速线材轧机上。近年来也逐渐在线材中轧、棒材 和型材精轧及管材普通热轧机上得到应用。本文系统地

介绍了硬质合金热轧辊的材质开发、生产工艺及应用情况。 关键词:热轧;硬质合金轧辊

1前言
在热轧领域,随着轧制产品形状和表面状态的高 精度化,对轧辊的要求也越来越高。具有长寿命高可 靠性的高性能轧辊的需求日益迫切。在传统的铸铁辊 领域Ⅲ,一方面对高合金细晶粒铸铁等现有材质进行 改善,同时开发了高铬铸铁、无限冷硬铸铁、工具钢
表1

及高速钢等新材质轧辊。在制造方法上除以往的离心 铸造法(CF)外,还采用了连续浇铸熔敷法(cPc)、喷 射沉积法(OSPRAY)及热等静压法(HIP)等特殊制造方 法。硬质合金硬度高、红硬性好、强度高、热传导性 优良,用作热轧辊可望获得更高的使用寿命。表1为 硬质合金与其它材质轧辊的主要性能比较。

不同材质轧辊的性能对照‘21

自上世纪60年代中叶,硬质合金悬臂梁轧辊开 始应用于无扭线材轧机上以来,30年的实践证明,硬 质合金确实非常适用于制作热轧辊。其寿命为普通铸 铁辊的20倍以上,达到高速钢辊寿命的2倍多。瑞 典山特维克公司(Sandvik)是世界上较早开展硬质合 金轧辊研究和制造的单位之一,早在1966年,美国 摩根公司生产的世界第1台无扭线材轧机在加拿大 STELCO公司投入使用时,便使用了该公司生产的硬 质合金轧辊。30多年来,该公司有了很大的发展,开 发的硬质合金热轧辊专用牌号有10余种,轧辊最大 直径可达妒500mm。世界上90%的高速线材轧机使用 了该公司产品。我国硬质合金轧辊的研制生产始于上 世纪70年代。70年代末采用热压法生产了含钴量为 15%~20%的硬质合金轧辊用于国内第1套高速线材 轧机上。经过30年来的发展,国内从事硬质合金轧 辊生产的企业达lO余家。其中以株州硬质合金厂和 自贡硬质合金厂的生产规模和技术水平为最高。目

前,国内硬质合金轧辊年产量达到了400余吨。开发 的轧辊牌号有20多种,产品规格达60余种。轧辊的 性能和质量接近甚至超过国外轧辊的水平。目前世界 上所有的高速线材轧机上精轧和预精轧机架已全部 采用硬质合金轧辊。为降低轧辊成本,以适应大型热 轧辊的需要,又成功开发了硬质合金复合轧辊生产技 术,将硬质合金辊环与韧性的金属内衬(如球铁、因瓦 合金等)结合在一起制成复合辊。如瑞典Sandvik公司

开发的CIC复合辊,德国萨阿公司开发的SA】硷OM
复合辊。复合辊开创了硬质合金在热轧领域的崭新应 用,使得硬质合金除成功应用于高速线材轧机上外, 还能用于线材中轧棒材、螺纹钢及型钢的精轧和中 轧;切分轧机及钢管张力减径机上。适用的轧制速度 最小达3m/s,最大达120m/s。

2轧辊材质开发与用途推荐嘲

?170?

稀有金属材料与工程

31卷

2.1轧辊牌号与性能 热轧用轧辊承受高的交变轧制应力、热应力和接 触应力。要求轧辊具有良好的抗冲击性能、耐表面粗 糙性能及耐磨性能。基于此,用作热轧轧辊的硬质合 金通常选用碳化钨作硬质相基体,以金属钴或钴一镍一 铬合金作粘结相。以纯钴作粘结相的轧辊,强度和韧 性较好,耐磨粒磨损性较强。而以钴.镍.铬合金作粘 结相的轧辊强度和韧性有所降低,但抗蚀性有较大改 善,抗热裂性和耐表面粗糙性提高。在酸性冷却水工 作环境中,这种轧辊的使用寿命相对要长些。这可以 见证于瑞典Sandvik公司纯钴粘结相牌号轧辊 CT65(同H15C牌号)和合金粘结相牌号轧辊CR60(同 C15C牌号)的对比实验结果(见图l~图2)。图1与图2 分别是两种轧辊轧制2 000t钢材后轧槽表面微裂纹和 表面粗糙度对比(同用于高线精轧第6机架上)。为适 应不同轧制条件对轧辊性能的要求,粘结相含量
图2轧制2000吨后轧辊轧槽表面形貌 (a)CT65牌号辊;(b)CR60牌号辊

对于后面机架来说,轧制负荷小,冲击力较小,对轧 件表面质量和尺寸精度要求高,应优先考虑轧辊的耐 磨性和抗热疲劳性能,可选用粘结相含量较低的牌号 轧辊(6~13粘结相)。中间机架的工作条件介于上述两 种极限情况间,可选用综合性能好的牌号轧辊。该类 轧辊的粘结相含量通常为15%。具体就高速线材轧机 而言,各机架可按表4推荐所用牌号的硬质合金轧辊。 H6T,zY36A和ZY36是目前粘结相含量最低的 轧辊牌号(含6%粘结相)。其硬度和耐磨性明显高于普 通牌号合金,耐磨性可提高一半。其碳化钨晶粒度达 到了4u m~5


in超粗级,因而韧性也较好。硬度和

韧性的完美结合使得该类轧辊具有很好的耐磨性和 抗热裂性能,特别适用于成品机架,寿命为普通牌号 轧辊的2倍,显著减少了成品机架换辊换槽次数,提
图1轧制2 000,吨后轧辊轧槽表面微裂纹: (a)CT65牌号辊,(b)CR60牌号辊

高了轧机作业率。 H30P,C30P,ZY27A,ZY27和YGR60是目前 开发的粘结相含量最高的硬质合金(含30%粘结相), 特别适用于轧制力大、冲击载荷大,对轧辊韧性要求 高的机架。这些机架上轧辊尺寸大,重量大,采用整 体辊造价太高,需设计成复合辊的形式。目前一项独

可在6%~30%范围内调整,以赋予轧辊不同的韧性和 耐磨性。而采用粗粒度和超粗粒度的碳化钨组份,可 极大改善轧辊的抗冲击性能。表2,表3为近年来国 内外商用硬质合金热轧辊的典型牌号及相应性能。 2.2轧辊的选用标准 在大多数线材轧机上,前面机架因轧件断面尺寸 大,轧辊受到的负荷和冲击力大,应优先考虑采用强 度指标高,抗冲击性能和抗热疲劳性能较好的材质, 可选用粘结相含量高的牌号轧辊(20%~30%粘结相)。

特的技术成果就是Sandvik公司开发研制的浇注式铸
铁硬质合金复合轧辊(即CIC复合辊)。复合辊的直径 最大可达《b500mmo在CIC复合轧辊中,硬质合金辊 环与韧性的球铸浇注在一起形成牢固的冶金结合,见 图3。轧制力矩可很方便地利用键槽/弹簧连接通过

2 陈飞雄等:热轧用硬质合金轧辊的发展现状 塑干u ———————————————————————————————————————————————————————————————二_=二

.】7】.
:::

——————————————————■——■——————————————————————————————————————————————————————一一
硬度,HRA
89

轧辊牌号_而i旦衰产上羔
H6T
。. 。

…~

表2纯钴粘结相硬质合金轧辊牌号及性能 晶粒度/u m


抗弯强度,MPa
2 300

抗压强度/MPa
4 300

密度,g.cm-3
14.8

至!! 三二兰 —婴坠一一 至兰!塑 至堡三塑 —_—_—————_●—————___—————P_——————__——_————-—————_--—————_●——_—___-—————m————_—_-———●。●———————●—————_——————_——————_●———___- ————- —————__——————_-————————————-————一一一
ZY35A
nn

!兰:2主
一’。一

>/86 >f87

,,、

≥2 500

3 500

14.2。14.5 14.35

YGH20



2.4

≥2 300

>f4 000

绌』型堕—里—卫—一一一至坠
“H13C

。,
,,

至兰型
4 2-4 4 2 700 ≥2 400 2900 3 800 />3 800 3 600

!兰:Q:!堡:兰
14.2 14.1 13.9

86.5

ZY34A

i>86 85.5

~H15C



H20C 85 4 2 700 3 500 13.5







注:c系列和H系列为Sandvik公司牌号;YGH系列和YGR系列为株州硬质合金厂牌号;ZYA系列和ZY系列为 自贡硬质合金厂牌号

H30P,C30P/ZY27A ■ 口 口

ZY27珂GR60
H25P,C25P,zY28A 口 ZY28,YGH55,YGR55 H20C,C20C/ZY29A/zY29 一 ZY30A/zY30,YGH45,YGR45 一 一 一 一 一 口 口



H15afCl5C/zY31A/zY31
ZY33A/zY33,YGH30,YGR30 YGH40,YGR40 Hl 3C,ZY34A,zY34 口 口 一 ● 一 ● ● ■


YGH25,YGR25 H6rr,ZY36A/ZY36/zY35A



■ ZY35,YGH20,YGR20

●一首选牌号

口一次选牌号

●一轧制螺纹钢用牌号 为硬质合金在轧制棒材、螺纹钢筋、扁钢及型材、管 材的普通轧机上开辟了全新的应用领域。每个孔型轧 制的钢材吨数是普通铸铁辊的10倍一12倍,而修磨量 一般仅为普通铸铁辊的1/3~1/2。因此每个硬质合金轧 辊孔型在报废前的轧制吨数为普通轧辊的20倍~30 倍。此外轧材的表面光洁度和尺寸精度也明显提高。 而且用作复合辊的硬质合金可采用简单的车、铣方法 进行加工。从而降低了轧辊的加工难度和加工费用。

3轧辊冶金质量控制
图3浇注式铸铁硬质合金(CIC)复合轧辊

要获得性能好、质量稳定的轧辊,首先应严格控 韧性球铁实现可靠传递。保证了硬质合金辊环上的应 力集中为最小,使硬质合金辊环的尺寸和体积降到最 佳程度。CIC辊很容易被安装到辊轴上,根据需要1 个辊轴上可安装1个~4个CIC轧辊,见图4。复合辊 制好原料组分和混合料的制备工艺,获得正常碳量范 围和组元分布均匀的高纯度混合料。在此前提下,采 用不同的成型、烧结工艺,合金可得到不同致密度和 晶粒度,从而赋予轧辊不同的性能。根据成型和烧结 方法不同,硬质合金轧辊有以下4种生产工艺。 生1普通冷压烧结工艺【4】 即将混合料装入钢制模具中,在轴向压力下压 制成型,然后经氢气或真空烧结而成轧辊坯。该方法 的回收粉少,原料一次利用率高,生产效率高,适用 于小型轧辊的批量化大生产。其缺点是混合料需加成 型剂才能获得足够的压坯强度。成型剂不是混合料有 效成分,烧结前需脱除干净。一旦成型剂除不净或成
图4

CIC复合轧辊的安装

型剂不纯,就会在后续烧结中产生夹渣、渗碳和粗大 残余孑L隙,使轧辊性能降低,质量稳定性差。此外, 轴向模压的辊坯密度分布不均,烧结中辊坯收缩不一

1一辊身;2.锁定螺母;3-CIC辊环; 4.键;5.韧性球铁;6.硬质合金

堕型兰
3.2热压工艺D1

陈飞雄等:热轧用硬质合金轧辊的发展现状

.173.

致而导致轧辊变形,影响后续机加工。 即将混合料直接加入到石墨模中,在电阻加热 式热压机上升温加压,同时进行压型和烧结过程。该 方法缺点是高温高压时粘结相容易逸出和偏聚,而且 石墨模容易使合金渗碳,从而降低轧辊性能。近年来 该工艺已很少使用。 3.3冷热等静压工艺[6】 即将混合料装在橡胶包套模具里,在冷等静压 机中压制成型,然后经氢气或真空予烧,最后在热等 静压机中致密化处理。该方法可使混合料不用加成型 剂,且压坯密度均匀,不易产生分层。从而在后续烧 结中可避免因成型剂和分层带来的残余孔隙和裂纹。 最终热等静压处理可使烧结坯中的残余孔隙尺寸进 一步减小,孔隙率进一步降低,合金可获得近乎全致 密。因而轧辊的性能得到改善,质量稳定性提高。对 于低粘结相牌号轧辊(6%~13%粘结相),由于合金中

碳化钨晶粒等缺陷,反而降低了轧辊性能。因此近年 来,除低粘结相牌号轧辊有必要采用热等静压处理 外,其余牌号轧辊~般均不通过热等静压处理,以降 低生产成本。目前该工艺在制取大型优质硬质合金轧 辊上尚有较大优势。 3.4低压烧结工艺Ⅳ1 该方法将真空烧结和热等静压集中在同一设备 中(即低压烧结炉)1次完成,在真空烧结温度下直 接热等静压。由于此时烧结体中存在大量液相,因而 仅需几个MPa的压力即可使液相渗入到碳化钨颗粒 之间,获得均匀的钴层,同时液相充填到残余孔隙中 使孔隙封闭。低压烧结难以完全消除低粘结相牌号轧 辊中的残余孔隙,但对中高粘结相牌号轧辊中的残余 孔隙可以彻底消除。且不容易出现钴池及粗大碳化钨 晶粒等缺陷。与前面3种工艺比,该工艺是一种用较 低成本制取少、无孔隙和钴池及粗大碳化钨晶粒等组 织缺陷的高性能硬质合金轧辊的先进生产技术。近年 来已成为世界各大硬质合金轧辊生产商研制生产硬 质合金轧辊的主要手段。 不同生产工艺制造的轧辊性能见表5。可见,采 用低压烧结工艺和冷热等静压工艺生产的轧辊强度 很高,比普通冷压烧结工艺轧辊的强度提高了 20%~30%,且强度波动范围和波动率也明显降低,表 明材料强度的均匀性和稳定性大大提高。其主要原因 与轧辊中孔隙的消除,断裂源大为减少有关。

的烧结残余孔隙较多,因而热等静压致密化的强化效
果比较明显,轧辊性能的提高幅度大。对于高粘结相 牌号轧辊(20%~30%粘结相),合金中的烧结残余孔 隙少,因而热等静压处理的强化效果就不太明显。此 时热等静压作用主要是通过减小合金中偶尔出现的 粗孔尺寸,封闭少数存在的小孔隙来提高轧辊的可靠 性和质量稳定性。该工艺缺点是成本高,产率低,若 予烧结控制不好,在热等静压中容易产生钴池和粗大

表4不同生产工艺轧辊性能比较(轧辊成份:WC85.C015)

复合轧辊的开发力度,研究粘接复合、机械复合和冶

4结束语
世界硬质合金技术的发展和日益丰富的轧辊使 用经验使得硬质合金在热轧中的应用领域不断扩大。 从高速无扭线材轧机到棒材、型材和管材的普通轧 机,硬质合金轧辊对提高轧机作业率,改善轧件的表 面质量,提高轧件的尺寸精度,推动热轧技术的发展 发挥了重要作用。近年来我国硬质合金轧辊的生产和 应用技术取得了长足的进步。但与国外先进水平比仍 有差距,主要体现在适用于超高速和超硬线轧制的硬 质合金新牌号轧辊有待于进一步开发,以保证该类轧 制条件下轧辊的使用性能。此外需加大大型硬质合金

金复合等多种复合辊制造技术,尽早开发具有自主知 识产权的大规格硬质合金复合轧辊,并形成稳定的规 模化生产能力,以满足我国大规格螺纹钢、棒材、型 材及管材轧制对硬质合金轧辊的需求,从而为我国轧 钢工业的线材、棒材、型材及管材轧制的高质量、高 效率、高效益的发展做出应有的贡献。
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【5】梁道南et a1.碳化钨辊环的研制与应用【J】.鞍钢技术,

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热轧用硬质合金轧辊的发展现状
作者: 作者单位: 陈飞雄, 殷晶川 钢铁研究总院,北京,100081

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