（机械制造及其自动化专业论文）适合于螺纹钢与棒材轧制的组合轧辊的研制.pdf

适合于螺纹钢与棒材轧制的组合轧辊的研制 摘要 i i i i illl l r l i i iri rl liii y 2 0 6 6 4 0 6 随着我国钢铁行业轧制设备的不断改进和发展，轧制技术也在迅速提高。 轧制工艺也由原来的标准轧制进入到常化轧制，热机轧制。棒线轧制也由原来 的二切分轧制逐渐发展为三切分轧制、四切分轧制。钢厂生产设备在不断发展， 原有的生产工具阻碍了先进设备性能的发挥。在高线和棒线轧机上，换辊的次 数增加，不但影响了生产效率，而且增加了工人的劳动强度。特别是控温控轧 的新工艺，必须要求质量优良的轧辊工具。可见，硬质合金轧辊替代铸铁轧辊， 用于钢材的轧制是必然的。 硬质合金轧辊在高速线材精轧机上的成功应用极大地促进了其他轧机的轧 辊改造和研制，其重点主要集中在硬质合金复合轧辊的开发和应用。然而，在 棒材轧制中，由于工艺因素和轧辊的结构不同于线材轧制，因此硬质合金轧辊 在棒材轧制中的应用还需要进一步研究和探索。由于硬质合金的冲击韧性较低、 热膨胀系数小、导热系数及导电系数与铁及其合金接近、价格较高等不利因素 的存在，因此，减少这些不利因素的影响，体现硬质合金轧辊的优势，成为制 造出优良工具的关键。 论文的主要研究工作包括： ( 1 ) 分析轧钢生产的轧制工艺，确定轧辊轧制时的工况；确定轧辊在轧制 时，在高温下受到周期性的轧制力，并受轧材表面状况、冷却情况的波动，承 受冲击载荷。 ( 2 ) 研究、分析硬质合金轧辊在轧制过程中受力情况和受热情况，研制了 2 个适合螺纹钢、棒材轧制硬质合金牌号。 ( 3 ) 根据硬质合金的特性和轧辊的工作原理及工况，设计了满足要求的硬 质合金复合轧辊，包括选择研制的复合材料，采用合适的复合工艺，使硬质合 金辊环、钢芯、挡板复合为完整界面连接的、复合强度高的整体轧辊，用于棒 材、螺纹钢的轧制。 ( 4 ) 完成复合硬质合金轧辊的制作，并进行现场工业性试验，总结了试验 结果，满足了提高单套轧辊的过钢量和可重磨次数要求。 关键词：轧制；硬质合金；钢铁；生产设备 l i a b s t r a c t w h i l ec h i n a 。ss t e e li n d u s t r yr o l l i n ge q u i p m e n to fc o n t i n u o u si m p r o v e m e n ta n d d e v e l o p m e n t ，r o l l i n gt e c h n o l o g ya r er a p i d l yi m p r o v i n g r o l l i n gp r o c e s sf r o mt h e o r i g i n a ls t a n d a r dr o l l i n gi n t on o r m a l i z i n gr o l l i n g ，h o tr o l l i n g w i r er o d r o l l i n gf r o m t h eo r i g i n a lt w os l i t t i n gr o l l i n gf o rt h ep r o g r e s s i v ed e v e l o p m e n to ft h r e es l i t t i n g r o l l i n g ，f o u rs l i t t i n gr o l l i n g s t e e lp r o d u c t i o n e q u i p m e n t i nt h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n t ，t h eo r i g i n a lp r o d u c t i o n t o o l s i m p e d e s t h ea d v a n c e de q u i p m e n t p e r f o r m a n c e i nh i g hs p e e dw i r e r o da n db a rw i r er o l l i n gm i l l ，r o l lc h a n g i n g f r e q u e n c yi n c r e a s e d ，n o to n l yi n f l u e n c et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，b u ta l s oi n c r e a s e t h el a b o ri n t e n s i t yo ft h ew o r k e r s e s p e c i a l l yt h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l e dr o l l i n g p r o c e s s ，m u s tr e q u e s tt h ee x c e l l e n tq u a l i t yo f t h er o l l e rt 0 0 1 v i s i b l e ，h a r da l l o yr o l l i n s t e a do fc a s ti r o nr o i l s ，u s e di ns t e e lr o i l i n gi si n e v i t a b l e h a r da l l o yr o l li nh i g hs p e e dw i r er o dm i l lo fs u c c e s s f u la p p l i c a t i o nw i l lg r e a t l y p r o m o t et h eo t h e rr o l l e rf o rr o l l i n gm i l lt r a n s f o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n t ，i t sm a i n f o c u so nt 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 lf o rt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f t h u s ，i nb a rr o l l i n g ，t h et e c h n o l o g i c a lf a c t o r sa n dt h er o l ls t r u c t u r ed i f f e r s f r o mt h a t o fw i r er o dr o l l i n g ，t h u sc e m e n t e dc a r b i d er o l li nb a rr o i l i n ga p p l i c a t i o na l s on e e d s f u r t h e rr e s e a r c ha n de x p l o r a t i o n d u et ot h el o wi m p a c tt o u g h n e s so fc e m e n t e d c a r b i d e 1 0 wc o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n de l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yo fi r o na n di t sa l l o yc l o s e ，p r i c ei sh i g h e r ，t h ee x i s t e n c eo fa d v e r s e f a c t o r s ，t h e r e f o r e ，r e d u c et h e s e u n f a v o r a b l ef a c t o r s ，e m b o d i m e n t o fc e m e n t e d c a r b i d er o l l sa d v a n t a g e ，b e c o m ep r o d u c ee x c e l l e n tt o o lk e y i nt h i sp a p e rm a i n l yt od ow h a tt h ec o n t e n to ft h es t u d y ： ( 1 ) t h ea n a l y s i so fr o l l i n gm i l lr o l l i n gp r o c e s s ，d e t e r m i n e t h er o l l e rr o l l i n g c o n d i t i o n ；r o l li nr o l l i n g ，a tah i g ht e m p e r a t u r eb yt h ep e r i o d i cr o l l i n gf o r c e ，a n db y t h er o l l i n gs u r f a c ec o n d i t i o n ，c o o l i n g c o n d i t i o nf l u c t u a t i o n ，u n d e ri m p a c t l o a d d e v e l o p m e n t2 - 4h a r da l l o yg r a d ef o rt h r e a ds t e e la n d h a r da l l o yb a rr o l l i n g ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eh a r da l l o y r o l l e ra n dt h ew o r k i n g p r i n c i p l e a n dw o r k i n gc o n d i t i o n ，d e s i g nt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fc a r b i d e c o m p o s i t er o l l i n c l u d i n gt h e s e l e c t i o no fd e v e l o p e dc o m p o s i t em a t e r i a l s ，u s i n g s u i t a b l ec o m p o s i t et e c h n o l o g y ，t h ec e m e n t e dc a r b i d er o l lr i n g s ，s t e e lc o r e ，t h eb a f f l e i i i 适合于螺纹钢与棒材轧制的组合轧辊的研制 c o m p o u n df o rc o m p l e t ei n t e r f a c ec o n n e c t i o n ，c o m p o s i t eh i g hs t r e n g t ho ft h ew h o l e r o l l ，u s e di nb a r ，s c r e ws t e e lr o l l i n g ( 4 ) t h ec o m p l e t i o no fc o m p o s i t eh a r da l l o yr o l lp r o d u c t i o n ，a n d o n 。s i t e i n d u s t r i a lt e s t s ，s u m m a r yo ft e s tr e s u l t s k e yw o r d s ：r o i l i n g ；h a r da l l o y ；s t e e l ；p r o d u c t i o ne q u i p m e n t ； i v 高校教师硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着我国钢铁行业轧制设备的不断改进和发展，轧制技术也在迅速提高。1 9 6 6 年，我国引进的第一套精轧机，出口速度是4 5 m s ，到了2 0 0 0 年，轧机的出口速 度已经提升到了1 2 0 m s 1 1 。轧制工艺也由原来的标准轧制进入到常化轧制，热机 轧制。棒线轧制也由原来的二切分轧制逐渐发展为三切分轧制、四切分轧制。钢 厂生产设备在不断发展，原有的生产工具阻碍了先进设备性能的发挥。在高线和 棒线轧机上，换辊的次数增加，不但影响了生产效率，而且增加了工人的劳动强 度。特别是控温控轧的新工艺，必须要求质量优良的轧辊工具。可见，硬质合金 轧辊替代铸铁轧辊，用于钢材的轧制是必然的【2 1 。 目前，我国棒线轧制普遍使用的是球墨铸铁轧辊。硬质合金与球墨铸铁、高 速钢以及碳钢相比，具有如下特点： ( 1 ) 具有很高的硬度和耐磨性，尤其可贵的是，在较高的温度下仍保持较高 的硬度，6 0 0 时超过高速钢的常温硬度，1 0 0 0 超过碳钢的常温硬度； ( 2 ) 具有很高的弹性模量，通常为4 , - - 7 x 1 0 4 公斤毫米2 ，在高温下刚性好， 同时也没有明显的塑性变形。 ( 3 ) 具有很高的抗压强度，可高达6 0 0 k g m m 2 。 ( 4 ) 具有较好的化学稳定性，某些牌号的硬质合金能耐酸、耐酸碱，甚至在 6 0 0 - - 8 0 0 下也不发生明显氧化【3 】。 由于硬质合金具有上述特点，故用其制造的轧辊，在我国高速线材轧机上已 得到广泛应用。使用表明： ( 1 ) 硬质合金轧辊的更换次数少，生产效率提高，可实现高速轧制。 ( 2 ) 辊环的烧熔、划伤及粘钢现象少，且表面的沟痕、磨损点尺寸小，与钢 辊环相比，修磨时间短，修磨费仅为其1 4 0 。 ( 3 ) 轧制产品的精度高，表面质量好，废次品大大减少，且综合物理性能得 到明显改善。 ( 4 ) 道次压下量提高，在总压下量一定时，动力消耗减少，节省能源。【4 】 在棒材轧制中，由于工艺因素和轧辊的结构不同于线材轧制，因此硬质合金 轧辊在棒材轧制中的应用还需要进一步研究和探索。由于硬质合金的冲击韧性较 低、热膨胀系数小、导热系数及导电系数与铁及其合金接近、价格较高等不利因 素的存在，因此，减少这些不利因素的影响，体现硬质合金轧辊的优势，成为制 适合于螺纹钢与棒材轧制的组合轧辊的研制 造出优良工具的关键“】。 综上所述，开发硬质合金复合轧辊有利于提高棒材轧机的档次，符合市场的 需要。本项研究对提高棒材轧机的轧制效率、减小劳动强度以及改善轧制质量具 有重要的意义，有广阔的应用前景和很好经济价值。 1 2 复合技术的介绍 复合技术是指将硬质合金辊环与钢芯连接在一起的技术。硬质合金是一种贵 重金属，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。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【7 竭】。 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【1 1 1 。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【1 2 1 。克服了外层硬质合金所带来的脆性大，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【9 - 1 0 。 硬质合金的加工性能较差，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【l3 1 。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 轧辊的开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 0 k 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 4 。15 1 。 1 3 适于热轧螺纹钢、棒材的组合轧辊的市场及技术分析 硬质合金组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1 6 1 。 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。 2 高校教师硕士学位论文 根据国内厂家的试用情况，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 对，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 重的进口复合轧辊价约为2 6 万美元，按3 对幸5 个规格( 由1 0 由18 m m5 个品种 或由1 8 m m 巾2 8 r a m5 个品种) * 4 0 条生产线，得年消耗6 0 0 对幸2 6 万美元= 1 5 6 0 万美元；切分轧制成品机架用的一对重量约为4 0 0 k g 的进口轧辊价为4 万美元， 按3 对拳5 个品种( 巾1 0 由1 8 m m 五个规格) * 4 0 条生产线得年消耗6 0 0 对，6 0 0 对4 万美元= 2 4 0 0 万美元1 1 7 j 。 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【1 8 19 1 。另外， 切分轧制对于导位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【2 们。 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，每年可为国家节约大量外汇；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【2 1 1 。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【2 2 1 。 1 4 论文主要研究目和内容 论文主要研究目的：由于硬质合金组合轧辊在热轧螺纹钢、棒材生产轧制中 有着很大优势，世界各国都将其用作传统轧辊的替代更新产品，中国目前主要依 靠进口，有市场需求。在在热轧螺纹钢、棒材轧制中，由于工艺因素和轧辊的结 构不同于线材轧制，因此硬质合金轧辊在棒材轧制中的应用还需要进一步研究和 探索。 论文主要研究内容： ( 1 ) 研制2 - 4 个适合螺纹钢、棒材轧制硬质合金牌号，摸索3 0 0 m m 以上辊 环的大批生产工艺，使硬质合金大辊环的韧性、抗热裂性能好，耐磨性高，辊环 内外质量稳定一致。 ( 2 ) 选择合适的复合材料及复合工艺，使硬质合金辊环、钢芯、挡板复合为 完整界面连接的、复合强度高的整体轧辊，用于棒材、螺纹钢的轧制。 适合于螺纹钢与棒材轧制的组合轧辊的研制 ( 3 ) 制作3 对复合轧辊进行现场实验，要求单槽过钢吨位平均达到名义尺寸 的8 0 倍以上，可重磨8 次以上，不出现辊环窜动、断轴等异常现象。 ( 4 ) 研究复合轧辊使用技术，不断提高单套轧辊的过钢量和可重磨次数。 4 高校教师硕士学位论文 第2 章辊环材料研究 轧辊材质研究与生产部分，经过两年的努力，到目前为止，已为湖北鄂钢、 江苏沙钢、石家庄钢厂、安阳钢铁公司、福建三明钢厂、硬质合金厂进出口公司 等单位先后批量生产了用于棒材轧制用硬质合金辊环，材质已满足棒材轧制的要 求，得到用户的认可【2 ”。 热轧螺纹钢、棒材轧制用大辊环的材质研究与生产部分，现已解决了复合轧 辊生产中的成型难题。目前生产的复合轧辊中的复合辊环，已全部采用石蜡喷雾 料作原料，由于石蜡喷雾料的粘结性和压坯的强度较s b s 差，且压坯的脆性大， 极易导致压坯发生裂纹和掉边【2 4 1 ，课题组经过反复试验，终于成功地将一种全新 的脱模保护装置用于复合辊环的生产，采用脱模保护装置后，解决了石蜡喷雾料 生产复合辊环在成型中的裂纹难题，使复合辊环的成型生产合格率大大提高。 棒材轧制用大辊环的材质研究与生产部分，解决了大直径( 3 0 0 m m 以上) 、 大高度( h = 1 0 0 1 4 0 r a m ) 、大单重( 1 5 0 k g 以内) 、高粘结相( 钴镍含量为2 0 - - 3 0 ) 牌号轧辊在烧结过程中的变形、下座、尺寸不合格的技术难题，其烧结合格率达 到了9 5 以上。 2 1y g z 3 0 牌号试验 根据本研究的目的，制定了y o z 3 0 不同磨球时间试制实验方案，如表2 1 、 2 2 、2 3 、2 4 所示，球磨试验工艺指令如表2 5 所示。 表2 - 1y g z 3 0 1 配料工艺 适合于螺纹钢与棒材轧制的组合轧辊的研制 表2 - 3y g z 3 0 3 配料工艺 化学成分 质量分数( )说明 y g z 3 0 1 y g z 3 0 2 y g z 3 0 3 y g z 3 0 4 1 8 2 4 1 8 2 4 o 2 3 0 2 3 0 2 3 0 2 3 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 实验室加成型剂 工艺要求：1 5 0 0 m l 1 6 k g ，那么l 公斤需加成型剂1 5 0 0 m l 1 6 k g = 9 3 7 5 m l k g ， 9 3 7 5 m l 2 0 = 1 8 7 5 m l ，即纯s b s 重量。如果换算成浓度为1 3 的s b s 成型剂， 则需加量为： 18 7 5 1 3 = 1 4 4 2 m l ；如果浓度为1 4 的s b s ，则需加 1 8 7 5 1 4 = 1 3 3 9 m l 。 试验料压制成直径为西5 9m m * 6 5 m m 的压坯，成品尺寸为4 7 m m * 5 2 m m 。经线 切割加工成p s 2 1 试样条，物理性能检测结果如表2 - 6 所示，金相结果如表2 7 ， 图2 1 所示。 6 高校教师硕士学位论文 表2 6 物理性能检测结果 牌号编号 磁力硬度钴磁 密度：强度 y g z 3 0y g z 3 0 1 1 y g z 3 0 1 2 y g z 3 0 1 3 y g z 3 0 1 4 y g z 3 0 1 5 y g z 3 0 2 1 y g z 3 0 2 2 y g z 3 0 2 3 y g z 3 0 2 4 y g z 3 0 2 5 y g z 3 0 3 1 y g z 3 0 3 2 y g z 3 0 3 3 y g z 3 0 3 4 y g z 3 0 3 5 y g z 3 0 4 1 y g z 3 0 4 2 y g z 3o 4 3 y g z 3o 4 4 3 5 3 5 3 5 3 9 3 5 3 9 3 9 3 9 3 5 3 9 3 9 3 9 3 9 4 0 4 o 4 1 4 0 4 o 3 9 7 8 7 7 8 5 7 8 6 7 9 2 7 8 5 7 9 3 7 9 3 7 9 3 7 8 5 7 8 9 7 8 7 7 9 2 7 8 6 7 8 5 7 8 5 7 9 3 7 8 5 7 9 2 7 8 7 1 8 o 1 8 1 1 8 2 1 8 o 1 8 3 1 7 6 1 7 6 1 7 8 1 8 3 1 8 1 1 6 9 1 6 6 1 7 2 1 7 2 1 7 2 1 6 4 1 7 o 1 6 8 1 7 0 1 2 7 5 1 2 7 4 1 2 7 3 1 2 7 6 1 2 7 2 1 2 7 7 1 2 7 8 1 2 7 8 1 2 7 4 1 2 7 4 1 2 6 6 1 2 。6 8 1 2 6 3 1 2 6 4 1 2 6 4 1 2 6 9 1 2 6 5 1 2 6 7 1 2 6 6 2 2 4 0 2 3 2 0 2 1 9 0 2 3 3 0 y g z 3 0 - 4 - 5 4 0 7 9 017 012 6 5 表2 7 金相结果 编号孔隙度 非化合碳 1 1 相1 3 相分布 晶粒度( t t m ) a 类b 类 y g z 3 0 - 1 a 0 2b o o c o oe 0 0 y g z 3 0 2a 0 2b o o y g z 3 0 3a 0 2 b o o y g z 3 3 0 4a 0 2b o o c o o c 0 0 c 0 0 实验金相图如图2 1 所示。 7 e o o e 0 0 e 0 0 l 3 1 3 l 3 1 3 3 2 3 2 3 2 3 2 适合于螺纹钢与棒材轧制的组合轧辊的研制 ( a ) y g z 3 0 球磨1 8 小时金相照片8 0 0 倍( b ) y g z 3 0 球磨1 8 小时金相照1 6 0 0 倍 ( c ) y g z 3 0 球磨2 4 小时金相照片8 0 0 倍 ( d ) y g z 3 0 球磨2 4 小时金相照片1 6 0 0 倍 ( e ) 合金中加m o 球磨1 8 h 金相照片8 0 0 倍 ( f ) 合金中加m o 球磨1 8 h 金相照片1 6 0 0 倍 ( g ) 合金中加m o 球磨2 4 h 金相照片8 0 0 倍( h ) 合金中加m o 球磨2 4 h 金相照片1 6 0 0 倍 图2 1 合金金相照片 匿 高校教师硕士学位论文 y g z 3 0 试验结论 ( 1 ) 改变合金中的c o 、n i 比例，也就是说提高c o 的含量降低n i 的含量，我 们原来y g r 系列轧辊牌号的c o 、n i 比为1 ：1 ，但据国外有些公司用于棒材轧制 牌号的c o 、n i 比为2 ：1 ，实验证明，提高c o 、n i 比，可提高合金的硬度及强度， 硬度可提高h r a ：0 5 ；强度可提高5 1 0 。 ( 2 ) 从试验结果看，y g z 3 0 牌号物理机械性能与韩国k h 9 0 轧辊牌号相类似。 ( 3 ) 球磨时间短的与球磨时间长的其硬度( h r a ) 低0 5 左右；抗弯强度( m p a ) 低1 0 0 左右。 ( 4 ) 在合金加m o ，会使合金的硬度、强度略有所下降。据有关资料报道，合金 中加m o ，可提高其红硬性和高温硬度，但加m o 量不得超过其c o 含量的6 ，否 则会引起脆性增加。不能加金属m o ，而要加m 0 2 c 为佳。 ( 5 ) 在保证原料混合均匀的情况下，缩短球磨时间，可改变w c 的晶形结构及 形貌，由三角形向四边形或多边形转变，类似韩国k h 9 0 牌号晶形结构。 ( 6 ) 随着球磨时间的延长，w c 晶粒度则逐渐变细。但晶粒度更趋均匀。 ( 7 ) 在实验室中进行球磨试验，如只需考虑混合均匀性的话则有1 2 小时球磨时 间就够了。 ( 8 ) 3 nm o 合金与不加m o 合金在同样的烧结温度下，其w c 晶形有似球形， 不知是否由于烧结温度偏低导致晶形长得不全，有待进一步试验论证。 y g z 3 0 混合料鉴定技术条件 1 y g z 3 0 轧辊牌号配料工艺应符合表2 8 规定。 表2 - 8y g z 3 0 轧辊牌号配料工艺 2 原料化学成分符合表2 - 9 的要求。 表2 - 9 y g z 3 0 原料化学成分及质量分数( ) 3 y g z 3 0 物理机械性能及金相组织结构符合表2 1 0 规定。 9 适合于螺纹钢与棒材轧制的组合轧辊的研制 表2 1 0y g z 3 0 物理机械性能及金相组织结构 2 2y g r 4 0 b 牌号的试制 为提高合金的耐磨性及抗热裂纹性能，选用不同费氏粒度的w c 原料，以提 高合金的硬度，改变不同的钴、镍配比( c o 、n i 配比按国外配比进行) ，用来提 高合金的强度。具体的原料配比和球磨工艺如表2 1 1 ，2 1 2 所示。 表2 - 1 1y g r 4 0 b 牌号实验室配比 2 0 h 2 2 0 m l k g3 k g2 0 9 k g 试验目的 作改变y g r 4 5 牌号的c o 、n i 配比和w c 费氏粒度的试验，以确定鄂钢轧辊 的牌号选择。同时用混合料厂的y g r 4 5 0 0 5 料压一m 3 0 4 0 试样作对比试验。原料 压制为两种规格：一种是p s 2 1 ( 5 2 5 * 6 5 * 2 0 5 ) ，一种为3 0 4 0 。p s 2 1 试样于混 合料厂脱蜡烧结一体化日本烧结炉( j a p ) 中烧结，烧结温度1 4 1 0 ( 2 ，其物理性能 检测结果如表2 1 3 所示，金相检验结果如表2 1 4 ，图2 2 所示。 表2 1 3 物理性能检测结果 1 0 高校教师硕士学位论文 表2 1 4 金相检验结果 编号 孔隙度非化合碳 t 1 相 p 相分布晶粒度t i m a 类b 类 y g r 4 5 - 0 a 0 4b o oc 0 4e 0 01 4 3 2 y g r 4 5 - aa 0 4b o oc 0 4 e 0 01 3 3 2 y g r 4 5 一ba 0 2b o o c o oe 0 01 3 3 2 y g r 4 5 - ca 0 4b o o c 0 2e 0 01 3 3 2 图2 2 金相照片图 使用大制品现有的工艺将原料压成0 3 0 * 4 0 圆柱体，按在线生产的工艺，先脱 蜡再过压烧结，坯件经线切割、磨加工成p s 2 1 试样条，物理性能检测结果如表 2 - 1 5 所示，金相检验结果如表2 1 6 所示。 表2 1 5 物理性能检测结果 编号磁力 硬度钴磁密度：强度 ( k a m ) ( h r a ) ( c o 0 ( g c m 3 ( m p a ) y g r 4 5 0 0 53 4 8 1 57 0 7 1 1 3 7 8 1 3 7 32 5 5 0 y g r 4 5 - 03 6 8 1 5 8 1 。88 2 8 0 1 3 6 7 1 3 6 92 4 6 0 y g r 4 5 - a 4 08 1 9 8 2 28 5 8 。3 1 3 6 82 7 8 0 y g r 4 5 - b 4 58 2 0 8 2 。210 9 l3 6 2 i3 6 82 4 5 0 y g r 4 5 一c4 7 4 68 2 7 1 1 4 1 1 31 3 5 9 1 3 6 12 6 4 0 适合于螺纹钢与棒材轧制的组合轧辊的研制 大制品厂工艺制作的试样金相照片如图2 3 所示。 图2 - 3 试样金相照片 试验结论 ( 1 ) 从金相照片来看，采用混合料厂的1 4 1 0 c 脱蜡烧结一体化工艺，制作的 试样的合金的晶粒度相对要粗一些。 ( 2 ) 混合料厂的1 4 1 0 脱蜡烧结一体化工艺与大制品厂先脱蜡后烧结其烧结 温度为1 4 2 0 的工艺，其晶粒度要粗一个级别。 ( 3 ) 由于其制造工艺不同，我们不能单独用提高烧结温度来达到提高合金的 晶粒度的目的。采用脱蜡烧结一体化工艺，合金的碳损失会少一些，从而使合金 的整体c 含量会高一些，尽管在配料时其总c 是一样的，由于在其后的工艺中， 1 2 高校教师硕士学位论文 c 损失较少，在烧结过程中，出现液相的温度会低一些，在相同的温度下，液相 量会相对多一些，这就是脱蜡烧结一体化其烧结温度为1 4 1 0 。c 时，而合金的晶粒 度反而比大制品厂1 4 2 0 的烧结工艺的晶粒度还粗一些的道理。 ( 4 ) 脱蜡烧结一体化工艺比大制品厂的工艺其合金的强度约高5 1 0 。 ( 5 ) 脱蜡烧结一体化工艺比大制品厂的工艺其合金的磁力约高0 3 k a m 。是 由于c 含量高所致。 ( 6 ) 脱蜡烧结一体化工艺比大制品厂的工艺其合金的硬度变化不大。 ( 7 ) 脱蜡烧结一体化工艺比大制品厂的工艺其合金的钻磁高0 3 c o 。是由 于c 含量高所致。 ( 8 ) 脱蜡烧结一体化工艺比大制品厂的工艺其合金的密度少0 2 9 c m 3 。密度 少的原因为合金中c 含量偏高所致，在金相结果中反应出其非化合碳为c0 2 c 0 4 。 ( 9 ) 大批现场生产的产品，与实验室所做原料并按现场工艺执行的试样也有 一定的差别，其粘结相分布没有试样的均匀，晶形也不如试样好，分析其原因为 大批生产的工艺控制可能没有实验室那么准确。 ( 1 0 ) 在湿磨机中加入石蜡成型剂一同球磨，可提高成型剂的分布均匀性， 减少粘结相聚集( 减少c o 池的产生) ，这样有利于提高合金的质量。 ( 1 1 ) 改变合金中的c o 、n i 比例，即提高c o 的含量降低n i 的含量，可提高 合金的硬度及强度，该试验通过对y g r 4 5 牌号的验证，其硬度可提高h r a ：0 5 ， 强度可提高5 1 0 。 尽管用1 1 1 t m 的w c 配制的y g r 4 5 c 在硬度及强度上比y g r 4 5 b 均有所提 高，但考虑到棒材轧制时的轧制力大，要求合金具有较大的抗冲击韧性，所以在 确定棒材轧制轧辊牌号时选用了y g r 4 5 b 。 注：在试制牌号时是用的y g r 4 5 作原型，牌号确定后，正规生产时是以 y g r 4 0 b 而确认的。操作规程同轧辊生产。 2 3 试验注意事项 ( 1 ) 用于棒材轧制用硬质合金大辊环所用混合料，需先进行l k g 原料试生产， 压制4 0 5 0 的试样，从大批生产工艺试生产一件，经线切割成p s 2 1 条，作物理 机械性能及金相电镜检测，其结果必须完全符合标准，电镜照片不得有超过平均 晶粒度5 倍以上的粗大w c 晶粒，粘结相聚集不得大于平均粘结相层厚度的5 倍。 ( 2 ) 压制须采用保护脱模装置，以防止成品探伤时出现产品下部内裂纹现象 的发生而致废。( 其原理见保护脱模在大轧辊成型中的应用) ( 3 ) 在生产高度大于1 0 0 m m 的大轧辊时，不宜采用双向压制，以防止压坯 外圈产生裂纹。 ( 4 ) 半检需对轧辊内外倒2 * 4 5 0 的角，以防止压坯收缩时将涂料夹入产品中 适合于螺纹钢与棒材轧制的组合轧辊的研制 致使内孔下部向外变形。 ( 5 ) 所用舟皿、石墨芯杆需刷两次涂料，并在涂料未干时，撒一层过1 0 0 目 的氧化铝粉，去除粘附在舟皿及石墨芯杆上的粗大颗粒物，并将多余的氧化铝粉 倒掉，防止污染炉膛而导致真空泵的快速磨损。 ( 6 ) 在8 号过压烧结炉烧结直径大于3 5 0 m m 以上轧辊时，一炉只能烧两件， 否则易出现产品局部产生孔洞。 ( 7 ) 装炉时必须加石墨套箍，且石墨套箍的内径需大于压坯1 5 r a m 以上，并 且顶部加一石墨盖板，防止热的直接幅射以达到均温作用。 ( 8 ) 轧辊高度大于或等于1 2 0 m m 时，宜采用两次烧结工艺，以防产品下座。 轧辊在烧结过程中会产生较大的内应力，特别是采用快冷时，其内应力更大， 所以在烧结完的轧辊毛坯有必要进行应力处理工艺。其工艺附后。 ( 1 ) 水煮时效处理：即在水中加3 的苏打，蒸汽加温到水沸腾，产品浸泡 在碱性溶液中煮4 8 h 以上。 ( 2 ) 超声波振动处理：即在水中加3 的苏打，电加热到至水沸腾，并启动 超声波振动时效处理器，产品浸泡在碱性溶液中煮4 8 h 以上。 ( 3 ) 氢气脱胶炉中回火处理( 如表2 1 7 ) ：将产品升温至5 0 0 度( 也就是接 近使用温度) ，保温一段时间，然后降至2 5 0 度，再升温至5 0 0 度再保温、最后降 温至室温。这与压制用反复加压来达到消除压坯内应力是一个道理。以上三种现 用的时效处理中应以第三种为最佳。 表2 1 7 回火工艺 2 4 目前生产存在的问题 ( 1 ) 石蜡喷雾料生产轧辊，由于其混合料粒呈球形，所需压力较s b s 大得多， 约1 5 倍，料粒在压制中很难压碎，压力沿模壁损耗很大，导致压坯受压面与非受 压面密度差大，受压面与非受压面压坯的强度相差很大。密度差的影响，导致烧 结过程中上下尺寸相差较大，高度方向尺寸控制困难。 ( 2 ) 石蜡喷雾料在压制大轧辊时，在现有条件下，不宜采用双向压制，否则 1 4 两校教师硕士学位论文 会导致压坯中间横裂。 ( 3 ) 逐着市场的开发，棒材轧制用硬质合金轧辊朝越来越大的方向发展，目 前大制品厂的成型设备只能生产直径4 0 0 m m 以下的产品，为适应发展需要，需增 加大吨位压力机。 ( 4 ) 烧结炉也需增大其容积，以适应更大轧辊的生产。 ( 5 ) 还应考虑设备的改进，目前我们在过压烧结炉中烧结的产品，都出现局 部或对称性钴聚集，作动平衡时，没有一件能达到要求的，同时这种局部或对称 性钴聚集还会严重影响轧辊的使用寿命。 2 5 本章小结 本章主要阐述了y g z 3 0 和y g r 4 0 b 两种牌号的硬质合金材料的试制试验过 程，包括磨球时间试制记录、添加加成型剂、物理性能检测结果报告单、金相图 片分析、金相图分析结果，然后得试验结论和混合料鉴定技术条件。通过试验数 据对比，经过深入探讨，最终确定棒材轧制轧辊牌号时选用了y g r 4 5 b 。同时提 出了一些生产中使用的注意的问题，和有待解决的问题。 适合于螺纹钢与棒材轧制的组合轧辊的研制 3 1 引言 第3 章组合轧辊的结构设计 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 、 s a r a c o m 、瑞典的c i 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【2 5 1 。这3 家生产的组合轧辊在结构 上各有其特点【2 6 】： ( 1 ) s a n d v i k 生产的c i c 复合硬质合金组合轧辊，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。 ( 2 ) s a a r 的s a r a c o m 型组合轧辊设计( ( 如图3 1 ) ) 采用机械加固系统， 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【2 4 - 2 5 1 。 图3 1s a n d v i k 、s a a r 复合轧辊结构图 ( 3 ) 南韩组合轧辊结构设计类似于k a f i 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。设 计类似于k a f i 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 6 高校教师硕士学位论文 国内也有几家厂家制作硬质合金组合轧辊，有山东蓬莱、南昌正源、沙钢。 结构设计也是各具特点： ( 1 ) 山东蓬莱采用机械加固方式，轧辊通过端面键和轴向键连接，整体的加 工精度要求较高。 ( 2 ) 南昌正源是通过耐热高强度粘结层来完成轧辊和辊轴的连接。最开始阶 段在轧辊和挡圈之间的结合面上分别开有轴向防滑沟槽【2 7 1 。 ( 3 ) 沙钢则采用过盈热装，未对端面施加预应力。通过热装产生强大的径向 力来传递轧制力矩。 3 2 组合技术分析及采用预应力液压螺母组合结构的研究 目前硬质合金组合轧辊从技术类型看，可以分为以下几种类型【2 8 】： ( 1 ) 以s a n d v i k 、s a a r 为一类，硬质合金辊环作成c i c 或者类似，再采 用机械夹固方式与辊轴进行组装。其特点是：由于复合硬质合金辊环的内层是用 易加工的球铁制作的，因此辊环内孔易于加工出键槽，复合辊环中的力矩采用球 铁键槽传输，这种方式可以保证硬质合金上的应力最小。拆装辊环很方便。缺点： 传动键容易损坏，导致结构松动。 ( 2 ) 采用粘结或者过盈热装来组装硬质合金轧辊，通过粘结力或者摩擦力来 传递轧制力矩，其特点是：端面不施加预应力。江西正源、沙钢就是采用这种组 装方式。缺点：拆装不方便，不便于批量使用。 ( 3 ) 通过纯机械夹固方式来组装硬质合金轧辊。通过端面键、轴向键，或者 液压锁紧螺母产生摩擦力来传递轧制力矩。其特点是对硬质合金轧辊施加很大的 预应力。如南韩，山东蓬莱采用的就是这种方