[科普中国]-硬质合金轧辊

简介

随着钢材产品质量、价格市场竞争的日益激烈，钢铁企业一方面不断更新自身的装备技术，不断提升轧机的轧制速度；同时，如何减少轧机的停机次数，进一步提高轧机的有效作业率，已成为轧钢工程师们关注的重要课题。而采用具有更高轧制寿命的轧辊材料是实现这一目标的重要手段之一。

硬质合金轧辊因具有良好的耐磨性、高温红硬性、耐热疲劳性及较高的强度，已普遍应用于棒、线材、螺纹钢及无缝钢管等的生产中，大大提高了轧机的有效作业率。根据各个机架轧辊工作环境的差异，已研制出各种不同牌号的硬质合金辊环1。

历史硬质合金辊环它是在 1909年粉末冶金技术问世之后，随着金属加工工业的发展而诞生的。自1918年德国推出了硬质合金拉丝模后，激发了各国对硬质合金的研究，各种用途的轧辊也相继出现了。但硬质合金轧辊的大量应用则是在1960年之后。1964年摩根(Morgen)公司第一台高速无扭线材轧机的诞生，把当时线材的精轧速度 提高了4倍。由于精轧机组是在高速度、高应力下工作的，铸铁辊、工具钢辊的耐磨性差，轧槽寿命短，轧辊的修理装卸非常频繁，影响了轧机的效能，已不适应精轧生产的要求，故被组合式硬质合金轧辊所取代。世界上已有二百多套摩根式轧机，年消耗硬质合金轧辊数百吨。

硬质合金轧辊的性能硬质合金轧辊有高的硬度，而且其硬度值随温度的变化甚小，700℃时的硬度值为高速钢的4倍；而弹性模量、抗压强度、抗弯强度、导热率也都高出工具钢1倍以上。由于硬质合金轧辊的导热率高，所以散热效果好，使轧辊表面处于高温的时间较短，因而使轧辊同冷却水中的有害杂质的高温 反应时间较短。因此，硬质合金轧辊比工具钢辊更抗腐蚀、抗冷热疲劳。

硬质合金轧辊是在硬质合金刀具基础上发展起来的，它是一种以难熔金属化合物（WC、TaC、TiC、NbC 等）为基体，以过渡族金属（Co、Fe、Ni）为黏结相，通过粉末冶金方法制备的金属陶瓷工具材料。其具有高硬度、高红硬性、高耐磨性等一系列优良性能。有时为获得耐腐蚀性能，相应加入一定量的镍、铬等元素。

硬质合金轧辊的性能与黏结相金属的含量和基体相——碳化钨颗粒的大小有关。不同的黏结剂含量与相应的碳化钨颗粒度形成不同的硬质合金牌号。已开发出系列化的适用于不同架次的硬质合金牌号，碳化钨在硬质合金中约占总组成质量的70%～90%，其平均颗粒度在0.2～14μm。若增加金属黏结剂含量或增大碳化钨的颗粒度，则硬质合金的硬度下降而韧性提高。硬质合金轧辊的抗弯强度可达2200 MPa 以上，冲击韧性可达（4～6）×106 J/m2，洛氏硬度HRA 为78～90。

硬质合金轧辊按结构形式可分为整体硬质合金轧辊和复合硬质合金轧辊两种。整体硬质合金轧辊已广泛应用于高速线材轧机的预精轧和精轧机架（包括定减径机架、夹送辊机架）等。复合硬质合金轧辊由硬质合金与其他材料复合而成，又可分为硬质合金复合辊环和整体硬质合金复合轧辊。硬质合金复合辊环安装于辊轴上；整体硬质合金复合轧辊则将硬质合金辊环直接铸造于辊轴中形成一个整体，应用于轧制负荷较大的轧机上2。

硬质合金轧辊材料的研究及应用复合硬质合金轧辊制造新工艺1.铸入式复合硬质合金辊环

为适应现代轧制生产的要求，一种新的硬质合金复合轧辊铸入式（CIC，即 CAST IN CARBIDE）复合硬质合金辊环。该技术是将硬质合金环与球墨铸铁内套浇铸在一起。辊环与辊轴之间为键联接。这种联接方式，由处于复合辊环外层的具有极高硬度和优良耐磨性的硬质合金材料承受轧制力，由处于内层的具有良好强度、韧性的球墨铸铁传递扭矩。CIC 复合轧辊的结构特点：

（1）采用复合层，增强了辊环的强度和韧性，可以承受大的轧制负荷；

（2）辊环与辊轴之间采用以过盈配合的键联接，解决了冷装结构容易将键打坏的问题，使轧制过程更稳定；

（3）辊环与辊轴接触面无间隙，避免了含杂质的冷却水对接触面的腐蚀而导致的辊环变形。

铸入式CIC 复合辊环技术的开发，是粉末冶金技术和铸造技术的新结合，是复合耐磨材料技术在轧辊上应用的一大进步。

2.粉末冶金式复合WC 辊环

该技术是将硬质合金环与添加Ni、Cr 粉末的钢基体，通过粉末冶金技术将两者结合在一起。其工艺要点是先将硬质合金粉末压制并烧结成环后，再与选择好的钢基粉末模压、烧结。硬质合金和钢基之间有着牢固的冶金联接。该工艺的关键是要掌握好1100～1200 ℃的烧结温度和100～120 MPa 的压力条件，烧结成形的毛坯经粗车、消除应力等工艺过程，最后精车并磨削加工成形。

通过选择合适的基体材料，加上先进的工艺和配比，可使复合辊环中的硬质合金与钢基体间的残余应力很低。这种粉末冶金技术在轧辊材料的制备工艺上开创了一个崭新的纪元。

硬质合金辊环材料的应用WC 辊环在热轧过程中承受高温、轧制应力、热腐蚀及冲击负荷等作用，与国外生产的WC 辊环相比，我国制造辊环用原材料的纯净度、加工工艺及辊环的性能指标等方面还有一定差距，轧辊在使用过程中的耐磨性差、辊环易碎裂。在普通硬质合金辊环材料的基础上，采用润滑耐磨梯度材料Lubrication GradientMaterial（简称LGM），开发出了梯度材料LGM辊环。

该技术是在普通硬质合金材料中加入硫和氧，在金属基材表面形成稳定的梯度金属氧化物和金属硫化物（分别为Co3O4和CoS）。而Co3O4和CoS 具有良好的润滑和耐磨性能。LGM 辊环的工业性试验表明，梯度材料中的硫化物和氧化物能够降低轧制时的摩擦系数，明显改善辊环在高温和较大轧制力条件下的润滑性能，减少了横向裂纹的生成，辊环的使用寿命是普通硬质合金辊环的1.5 倍，并可减少修磨量和换辊次数，具有显著的经济效益。

利用CIC 技术，开发了世界上含黏结相最少的硬质合金辊环H6T，其黏结相含量只有6 %，而硬度和耐磨性明显高于普通牌号合金，尤其是耐磨性能提高了50 %；在成品机架及成品前机架上使用时，轧辊寿命为普通牌号硬质合金的2 倍；较好地解决了成品机架与成品前机架一起换辊的难题，可显著减少换槽、换辊次数，从而提高了轧机的有效作业率。

CIC 复合硬质合金辊环已在线材轧机（中轧或预精轧）、棒材轧机（中轧、精轧）、小型材轧机（方钢、六角形钎钢、扁钢及角钢等）及三辊轧机系统（如KOCK 线棒材、无缝钢管张力减径机）上应用。复合硬质合金辊环用于高速线材轧机中轧机组或棒材小型轧机的精轧机架时，其单槽每次轧制量是普通铸铁轧辊的10 倍，而每次修磨量仅是铸铁轧辊的1/3～1/2，因此，与传统铸铁轧辊相比，复合轧辊的总轧制量是普通轧辊的20～30 倍。用于无缝钢管3 辊张力减径机架和顶管机架时，与传统的铸铁张力减径机轧辊相比，在轧制较大直径钢管时，复合轧辊的单槽轧制量是普通铸铁辊的20 倍，而在轧制较小直径钢管时，复合轧辊的单槽轧制量为普通铸铁辊的40 倍，而且钢管的成品质量和尺寸精度显著提高。

为解决生产螺纹钢丝所用合金工具钢和硬质合金轧辊材料存在的问题，研制出介于合金工具钢与硬质合金两者之间的硬质合金GW30。经锻造、机加工和热处理后，减弱了合金中碳化物的“桥接”现象，材料的抗弯强度和冲击韧性分别达到了2672 MPa 和18.0 J/cm2，可防止轧辊的早期脆裂失效。同时，充分发挥硬质合金中硬质相的耐磨性，在保持轧辊强韧性不变的条件下，对轧辊表面采取了表面渗硼处理，使渗硼层与钢基体结合牢固，合金表层内的显微结构及性能趋于一致，使合金的耐磨性得到进一步提高。工业试验结果表明，轧辊的使用寿命是合金工具钢的十几倍，经济效益显著3。

存在的问题近年来，硬质合金轧辊以其优良的性能在钢铁生产中获得了越来越广泛的应用。但在硬质合金轧辊的生产和使用过程中仍然存在以下几方面的问题：

（1） 研制开发新型的硬质合金复合轧辊辊轴材料。随着轧钢工业对轧辊不断提出新的更高要求，常规的球墨铸铁辊轴材料将难以承受更大的轧制力和传递更大的扭矩，为此，必须开发高性能的硬质合金复合轧辊辊轴材料。

（2）在复合轧辊制造过程中，必须尽可能减小或消除内层金属与外层硬质合金之间因热膨胀失配而产生的残余热应力。硬质合金残余热应力是影响复合轧辊使用寿命的关键因素，因此，选用的内层金属和外层硬质合金之间的热膨胀系数差值应尽可能小，同时考虑对辊环进行消除残余热应力的热处理的可能性。

（3）由于不同机架上的轧制力、轧制力矩、热传导性能都是不同的，因此不同机架应使用不同牌号的硬质合金轧辊。在硬质合金轧辊材料的设计过程中，必须保证轧辊的强度、硬度与冲击韧性的合理匹配，应建立不同合金牌号材料的热物性参数的数据库，利用计算机实现轧辊材料设计的最优化。

（4）由于轧制过程中，硬质合金轧辊磨损不仅受外部条件如温度、轧制压力以及热冲击负荷等的影响，而且还受内部因素硬质相WC 与黏结相Co/Co-Ni-Cr 之间存在着相当复杂的物理化学反应的影响。这就使磨损情况变得更为复杂。为此必须加强该方面机理的研究。

总结在线、棒材轧制中以硬质合金轧辊辊环取代传统的铸铁和合金钢轧辊已表现出很多优越性，随着轧辊制造技术和使用技术的不断发展，将不断扩大硬质合金轧辊的用途，其在轧制加工中的地位将会越来越重要，应用前景也将非常广阔2。