硬質(zhì)合金輥環(huán)在無扭線材軋機上的應(yīng)用

硬質(zhì)合金輥環(huán)在無扭線材軋機上的應(yīng)用

1966年，美國摩根首次使用了瑞典斯德威克工業(yè)公司生產(chǎn)的螺旋式無扭曲材料環(huán)，該收割機由加拿大stelco公司生產(chǎn)。與傳統(tǒng)其他材質(zhì)的輥環(huán)相比,硬質(zhì)合金輥環(huán)具有較長的使用壽命、硬度高、抗壓強度高、高耐磨性、與鋼的親和力低、摩擦系數(shù)小等特點,在使用過程表現(xiàn)出如下突出優(yōu)點:能提升軋制速度,大大減少軋機的停機次數(shù),實現(xiàn)高速軋制,提高了設(shè)備的有效作業(yè)率;輥環(huán)的燒熔、劃傷及粘鋼現(xiàn)象少,且修磨時間短;軋制產(chǎn)品的精度高、表面質(zhì)量好,且綜合物理性能得到明顯提高。但是硬質(zhì)合金輥環(huán)價格較高,用戶一次性投資大,推廣應(yīng)用較為困難。上世紀80年代初,WC合金/鑄鐵復(fù)合輥環(huán)首次在奧地利達娜威茨線材廠的預(yù)精軋機上被采用,每條槽單槽軋制量為4000～5000t,是普通鑄鐵輥環(huán)的10倍。與整體輥環(huán)相比,復(fù)合輥環(huán)可大量節(jié)約硬質(zhì)合金用量,生產(chǎn)成本比整體輥環(huán)低得多。至2004年底,我國已有60個高速線材生產(chǎn)廠共77條生產(chǎn)線在生產(chǎn),2004年產(chǎn)量約為3705萬噸。預(yù)計2005至2007年期間將有26～30條生產(chǎn)線陸續(xù)建成投產(chǎn),新增產(chǎn)能將在1000萬噸以上。我國每生產(chǎn)1t線材平均須消耗的硬質(zhì)合金輥環(huán)約為15g,輥環(huán)年消耗量達550t。國內(nèi)用戶絕大部分都是使用整體輥環(huán),少數(shù)使用的復(fù)合輥環(huán)基本上都是由瑞典SANDVIK公司制造,他們的產(chǎn)品已在線材軋機、棒材軋機、小型材軋機及三輥軋機系列上得到了較好的應(yīng)用。由于復(fù)合輥環(huán)在價格、性能上的優(yōu)勢,它必將逐步替代原來的整體輥環(huán)。1復(fù)合輥環(huán)的其他性能硬質(zhì)合金輥環(huán)材料主要有WC/Co硬質(zhì)合金與TiC硬質(zhì)合金,以及鋼結(jié)硬質(zhì)合金。有時為獲得耐腐蝕等性能,相應(yīng)加入一定量的鎳、鉻等。硬質(zhì)合金的性能與粘結(jié)相金屬的含量和碳化鎢顆粒的大小有關(guān)。碳化鎢在硬質(zhì)合金中約占總重量的70%～97%,若減少金屬粘結(jié)劑含量或減小碳化鎢的顆粒度,則硬質(zhì)合金的硬度提高而韌性降低。當溫度升高時,硬度因塑性增加而降低,但降低的很少。硬質(zhì)合金復(fù)合輥環(huán)是由硬質(zhì)合金外環(huán)與其他材質(zhì)的內(nèi)環(huán)復(fù)合而成,它既具有單一材質(zhì)硬質(zhì)合金輥環(huán)的優(yōu)點即能在高溫、高壓力下、高摩擦力條件下軋出高質(zhì)量的金屬制品,又具有內(nèi)環(huán)良好強度和韌性、延性的優(yōu)點,更適合在有沖擊的條件下工作,降低輥環(huán)的碎輥率。此外,它還具有以下優(yōu)異性能:(1)由于復(fù)合輥環(huán)的內(nèi)環(huán)材質(zhì)是易加工的球墨鑄鐵(鋼),因此輥環(huán)內(nèi)孔易于加工出鍵槽,復(fù)合輥環(huán)中的力矩通過球墨鑄鐵(鋼)鍵槽傳輸,這種方式可以保證硬質(zhì)合金上的應(yīng)力集中最小;(2)由于復(fù)合輥環(huán)是用韌性好的球墨鑄鐵(鋼)起傳遞軋制力的作用,與傳統(tǒng)的將碳化鎢輥環(huán)安裝在輥體上的方式相比,其明顯優(yōu)勢是在一個輥身上可以安裝多個輥環(huán),最多可達4個。而傳統(tǒng)的碳化鎢輥環(huán)因內(nèi)孔無法加工出鍵槽,只能通過錐度配合安裝在輥身上,故一個輥身只能安裝一個輥環(huán),且錐度配合換輥要比鍵槽配合換輥困難得多。復(fù)合輥環(huán)用于高速線材軋機中軋機組或棒材小型軋機的精軋機架時,其單槽每次軋制量是普通鑄鐵輥環(huán)的10倍,是中鎳鉻鑄鐵軋輥的6～10倍,而每次修磨量僅是鑄鐵輥環(huán)的1/3～1/2,因此與傳統(tǒng)鑄鐵輥環(huán)相比,復(fù)合輥環(huán)的總軋制量為普通輥環(huán)的20～30倍以上。將復(fù)合輥環(huán)用于無縫鋼管三輥張力減徑機架,與傳統(tǒng)的鑄鐵張力減徑機輥環(huán)相比,在軋制較大直徑鋼管時,復(fù)合輥環(huán)的單槽每次軋制量為普通鑄鐵輥環(huán)的20倍;而在軋制較小直徑鋼管時,復(fù)合輥環(huán)壽命則可達普通鑄鐵輥環(huán)的40倍,而且鋼管的成品質(zhì)量顯著提高。近幾年國際鎢、鈷礦價格猛漲,以鎢、鈷為主要生產(chǎn)原料的硬質(zhì)合金輥環(huán)價格也隨之成倍增加。為追求軋制速度更快,能軋制精度更高的高速線材,而對硬質(zhì)合金輥環(huán)的綜合性能提出了更為苛刻的要求,如耐沖擊性能。由于復(fù)合輥環(huán)在使用過程中表現(xiàn)出來的優(yōu)異性能,越來越多的用戶想把它運用到棒材、小型材軋機上,但棒材、小型材軋機要求輥環(huán)承受比高線軋機更大的軋制負荷和軋制扭矩,單純的硬質(zhì)合金復(fù)合輥環(huán)不能滿足棒材、小型材軋機的要求。復(fù)合輥環(huán)在轉(zhuǎn)速高達10000r/min以上的熱軋過程中要承受冷熱交替應(yīng)力、軋制應(yīng)力、熱腐蝕、沖擊載荷等作用,軋槽表面易產(chǎn)生微裂紋,直接影響到復(fù)合輥環(huán)的耐磨性能,微裂紋容易迅速惡化,并可造成輥環(huán)碎裂。復(fù)合輥環(huán)的開發(fā),能很好地解決上述問題,并能大幅度降低輥環(huán)的成本,提高生產(chǎn)效率,特別是對于大規(guī)格的輥環(huán)更能體現(xiàn)出這些優(yōu)勢。2外側(cè)結(jié)合面為金礦結(jié)合內(nèi)外層的結(jié)合是制備硬質(zhì)合金復(fù)合輥環(huán)的關(guān)鍵。按照輥環(huán)內(nèi)外層的結(jié)合面是否為冶金結(jié)合,可以分為機械結(jié)合與冶金結(jié)合兩大類:機械結(jié)合包括機械結(jié)合法、熱過盈裝配法、膠結(jié)法;冶金結(jié)合包括熱等靜壓法、鑄造法、焊接法等。2.1機械組合2.1.1工作層兩側(cè)面為錐面的接觸機械結(jié)合法是通過機械聯(lián)接的方式將硬質(zhì)合金工作層與基體連為一體。主要有下面兩種方式:(1)工作層與基體之間靠鍵聯(lián)接,側(cè)環(huán)與基體之間用螺栓連接并壓緊工作層。(2)工作層兩側(cè)面與側(cè)環(huán)之間采用錐面接觸,用螺栓緊固,靠金屬的彈性變形產(chǎn)生的壓力和摩擦力來傳遞扭矩?；w內(nèi)環(huán)材料選用延性較小的合金鋼或高鎳鉻球墨鑄鐵,同時可以在工作層與基體之間添加高性能粘接劑。利比亞米蘇臘塔鋼鐵公司使用的是從日本進口的機械結(jié)合法復(fù)合輥環(huán),采取的是兩側(cè)面為錐面的接觸夾緊結(jié)構(gòu),很好地解決了輥環(huán)破碎后被高速甩出的危險。但是隨著軋輥高速運轉(zhuǎn)一段時間后,這種復(fù)合輥環(huán)會存在機械松動,從而導致軋輥的偏心,動態(tài)穩(wěn)定性變差,使得線材的軋制精度變差,嚴重時產(chǎn)品報廢。2.1.2復(fù)合輥環(huán)的厚度熱過盈裝配法是利用內(nèi)層的過盈量,通過熱裝而使內(nèi)外層固定在一起。但硬質(zhì)合金外環(huán)必須有一定的厚度,以免在內(nèi)環(huán)張力的作用下破裂。因而采用此法生產(chǎn)的復(fù)合輥環(huán),其硬質(zhì)合金的節(jié)約量有限。熱過盈裝配時,外環(huán)內(nèi)側(cè)很容易產(chǎn)生微裂紋,影響到復(fù)合輥環(huán)的結(jié)合強度。2.1.3復(fù)合式維護粘結(jié)劑復(fù)合膜的制作膠結(jié)法是采用耐熱、高強度復(fù)合粘接劑,將硬質(zhì)合金外環(huán)和合金結(jié)構(gòu)鋼芯緊密地粘接為一體,形成完整的界面連接。國內(nèi)相關(guān)研究單位開發(fā)的粘結(jié)工藝簡便易行,但復(fù)合輥環(huán)的結(jié)合強度較低,國產(chǎn)膠的結(jié)合強度≤70MPa,進口膠的結(jié)合強度≤100MPa,而且粘結(jié)強度隨著溫度升高而急劇下降,遠遠滿足不了工業(yè)生產(chǎn)中的大載荷要求,不宜在高溫、高壓力下使用。因此,該復(fù)合輥環(huán)在鋼鐵企業(yè)中沒有被廣泛采用。2.2金融體2.2.1熱等靜壓復(fù)合輥環(huán)熱等靜壓法是將硬質(zhì)合金外環(huán)與鋼基粉末,通過熱等靜壓技術(shù)將其結(jié)合在一起。一般有兩種方式:(1)先將硬質(zhì)合金粉末壓制并燒結(jié)成外環(huán)后,再與選擇好的鋼基粉末壓坯一起進行熱等靜壓;(2)通過在同一金屬包套分別裝入內(nèi)外層的鋼基粉和硬質(zhì)合金粉,熱等靜壓一次直接燒結(jié)成復(fù)合輥環(huán)。如果內(nèi)外環(huán)的膨脹系數(shù)相差太大,還需在內(nèi)外環(huán)間加上一層過渡材料而后再壓、燒結(jié)。硬質(zhì)合金和鋼基體之間為牢固的冶金結(jié)合,燒結(jié)成形的毛坯再經(jīng)粗車、消除應(yīng)力等工藝過程,最終精車并磨削加工成形。國內(nèi)鋼鐵研究總院采用熱等靜壓生產(chǎn)的硬質(zhì)合金復(fù)合輥環(huán)毛坯中存在較大的殘余內(nèi)應(yīng)力,一般通過熱等靜壓緩慢降溫或后續(xù)熱處理加以消除。因而熱等靜壓復(fù)合輥環(huán)生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜,特別是后續(xù)熱處理工藝不易控制,而熱處理工藝參數(shù)又對復(fù)合輥環(huán)的結(jié)合強度有重要影響;同時復(fù)雜的熱處理工藝過程會導致生產(chǎn)成本增加,最終不能降低復(fù)合輥環(huán)的整體成本。但是據(jù)報道,德國薩阿硬質(zhì)合金工具公司開發(fā)的新一代SaraCom復(fù)合輥環(huán),由于基體材料的選擇,加上先進的工藝和配比,使復(fù)合輥環(huán)中的硬質(zhì)合金與鋼基體間的殘余應(yīng)力很低。2.2.2復(fù)合鑄造輥環(huán)鑄造法是在鑄造之前,先采用粉末冶金工藝制取硬質(zhì)合金外環(huán),并在要結(jié)合的環(huán)面上預(yù)先鍍上一層金屬作為過渡層,以澆鑄的方法使得采用鑄鋼或鑄鐵材質(zhì)的內(nèi)環(huán)與硬質(zhì)合金外環(huán)結(jié)合成一個整體。內(nèi)環(huán)材質(zhì)的合理選用對于確保復(fù)合輥環(huán)的綜合性能是非常關(guān)鍵的,供選擇的常用基材有三大類:灰鑄鐵,球鐵,鑄鋼。國內(nèi)一些科研院所開發(fā)了硬質(zhì)合金分別與普通合金鑄鐵、鑄鋼、球墨鑄鐵復(fù)合鑄造工藝[14,15,16,17,18,19],如圖1所示。實踐效果表明:采用普通合金鑄鐵作為基材,因其脆性大,使用中難以承受大的壓應(yīng)力,易發(fā)生脆裂;鑄鋼基材盡管具有較好的強韌性,但其鑄造性能差,鑄造毛坯質(zhì)量低;常規(guī)的球墨鑄鐵基材可承受一定的壓應(yīng)力和傳遞一定的軋制力矩,且鑄造性能較好。但是,目前國內(nèi)復(fù)合鑄造輥環(huán)并沒有廣泛推廣使用,主要是存在如下原因:(1)硬質(zhì)合金外環(huán)與鑄造合金內(nèi)環(huán)之間殘存大量應(yīng)力。鑄造合金的熱膨脹系數(shù)(20～400℃)在12×10-6/℃以上,而硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)僅為6×10-6/℃,因此鑄造合金與硬質(zhì)合金復(fù)合時,因熱膨脹失配而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較大,殘余應(yīng)力是影響復(fù)合鑄造輥環(huán)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。(2)復(fù)合鑄造輥環(huán)質(zhì)量的穩(wěn)定性較差,這是由于復(fù)合輥環(huán)的澆注過程完全靠試驗人員的經(jīng)驗控制。(3)常規(guī)的球墨鑄鐵基材難以承受大的壓應(yīng)力和傳遞大的軋制力矩,貝氏體球鐵具有優(yōu)良的鑄造性能和綜合機械性能,但貝氏體球通常要通過等溫處理才能獲得,而等溫熱處理工藝操作復(fù)雜、麻煩,很多企業(yè)難于實現(xiàn)。瑞典SANDVIK公司成功開發(fā)生產(chǎn)的CIC復(fù)合WC輥環(huán),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它是將球墨鑄鐵鑄造在燒結(jié)好的硬質(zhì)合金環(huán)的內(nèi)孔周圍,成形后的復(fù)合輥環(huán)經(jīng)過嚴格復(fù)雜的熱處理工藝過程,降低了內(nèi)部殘余應(yīng)力,經(jīng)過機械加工達到要求的尺寸和公差。2.2.3復(fù)合輥環(huán)的制備目前,采用焊接法制備復(fù)合輥環(huán)主要有下面三種方式:(1)釬焊法是通過加熱爐(真空、氣氛保護)加熱,使內(nèi)外環(huán)間預(yù)置的焊料熔融,把內(nèi)外環(huán)結(jié)合為一體。(2)通過等離子噴焊、粉芯焊條堆焊等手段把硬質(zhì)合金粉焊接在鋼質(zhì)內(nèi)環(huán)上,形成一個硬質(zhì)合金外殼,得到復(fù)合輥坯,再經(jīng)機加工成為復(fù)合軋輥。(3)采用“鑄焊”的方法是將硬質(zhì)合金表面清理干凈,涂敷一層低熔點的釬料,放入鑄模型腔,利用液態(tài)金屬的熱量使硬質(zhì)合金表面的低熔點合金熔化,凝固后形成一定的過渡層,從而使硬質(zhì)合金與鑄造合金結(jié)合在一起,形成復(fù)合輥環(huán)。焊接法制備復(fù)合輥環(huán)主要存在以下問題:(1)采用釬焊法不能獲得致密的連接焊縫,焊縫中會出現(xiàn)“馬蜂窩”狀,嚴重降低焊縫的結(jié)合強度,一般這種復(fù)合輥環(huán)使用效果較差。(2)采用等離子噴涂、堆焊方法制備復(fù)合輥環(huán)時,硬質(zhì)合金粉中碳化鎢的含量受限制,因而外環(huán)的硬度較低,氣孔率較高,硬度和耐磨性都偏低。(3)“鑄焊”方法工藝難于控制,且在過渡層中易出現(xiàn)夾雜、成分偏聚、金屬間化合物,從而降低結(jié)合層連接強度。(4)由于硬質(zhì)合金碳含量高、焊接性能差和脆性大,普通熔焊、釬焊工藝不宜采用?？傊?影響復(fù)合輥環(huán)使用的主要因素是其界面結(jié)合強度。機械結(jié)合、熱過盈裝配、膠結(jié)的方法都存在結(jié)合強度低,內(nèi)外環(huán)之間比較容易隨著現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境的惡化而發(fā)生分離,存在輥環(huán)分離后被高速甩出的危險。而采用熱等靜壓、鑄造等方法,結(jié)合層為牢固的冶金結(jié)合,結(jié)合強度高,能夠很好的適應(yīng)軋鋼生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境。但是瑞典的SANDVIK公司和德國薩阿硬質(zhì)合金工具公司分別對鑄造法、熱等靜壓法實施嚴厲的專利保護和技術(shù)封鎖,國內(nèi)廠家很難繞過專利保護實現(xiàn)復(fù)合輥環(huán)的大量生產(chǎn)。3研究的總體思路國內(nèi)對硬質(zhì)合金復(fù)合輥環(huán)開展了大量的研究并取得了一定的進展,它具有較低的生產(chǎn)成本和良好的使用效果,在軋鋼工業(yè)中已經(jīng)顯示出非常好的開發(fā)應(yīng)用前景。但是國外大公司擁有很大的技術(shù)優(yōu)勢,基本上占據(jù)了國內(nèi)的復(fù)合輥環(huán)市場,因此自主開發(fā)具有更加優(yōu)異性能的復(fù)合輥環(huán)顯得尤為迫切。為了進一步擴大硬質(zhì)合金復(fù)合輥環(huán)的應(yīng)用范圍和提高硬質(zhì)合金復(fù)合輥環(huán)在軋鋼市場上的競爭力,在今后的研究工作中,應(yīng)注重以下四個方面:1)降低復(fù)合輥環(huán)內(nèi)應(yīng)力可以采用兩種方法來降低復(fù)合鑄造輥環(huán)的內(nèi)應(yīng)力:一是選用合理的熱處理工藝,最大限度地消除復(fù)合輥環(huán)中的內(nèi)應(yīng)力;二是在球鐵和硬質(zhì)合金之間加中間層,中間層的物理性能介于球鐵和硬質(zhì)合金之間,有望緩解內(nèi)外環(huán)之間的內(nèi)應(yīng)力。2)對復(fù)合輥環(huán)澆鑄過程進行數(shù)值模擬仿真研究采用先進的數(shù)值模擬仿真軟件,對復(fù)合輥環(huán)的澆鑄過程實行計算機數(shù)值模擬和定量分析,對澆鑄工藝參數(shù),如澆鑄溫度、速度、鑄型等實現(xiàn)定量