用于熱軋制的輥的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于熱軋制的輥（101），包括：本體，其特征在于，所述本體的包絡面（104）的至少一部分由高速鋼制成，關于其化學組成，所述高速鋼由以下元素組成，按重量百分比：1-3碳（C）、3-6鉻（Cr）、0-7鉬（Mo）、0-15鎢（W）、3-14釩（V）、0-10鈷（Co）、0-3鈮（Nb）、0-0.5氮（N）、0.2-1釔（Y）以及余量的鐵（Fe）和不可避免的雜質。
【專利說明】用于熱軋制的輥
【技術領域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及用于熱軋制的輥的領域。而且，本發(fā)明具體地涉及用于熱軋制的工作輥的領域。
【背景技術】
[0002]金屬的熱軋制是在被成形的金屬的再結晶溫度以上的溫度下進行的金屬成形工藝。這意味著軋制在高溫下進行，通常在超過700°C的溫度下進行。在軋制操作期間的這種高溫熱軋制中所用的裝備造成機械挑戰(zhàn)。高溫造成輥材料硬度降低的問題，因此，為了使輥的壽命能夠延長，輥的熱硬度是絕對重要的。
[0003]除高溫之外，軋制順序通常包括通過使輥經受水來冷卻軋制的金屬，從而造成大量蒸汽形成。蒸汽與高溫結合造成所使用的軋制裝備的嚴重氧化且尤其是軋制裝備的工作輥的嚴重氧化。因此，軋制輥所使用的材料需要在不損傷其硬度以及在所述溫度和氣氛下良好抗磨/耐磨性的情況下承受高溫。
[0004]傳統(tǒng)上，用于熱軋制的工作輥已經由高鉻鎳鑄造合金制造。在大部分情形下，當前的用于熱軋制的工作輥是復合材料輥。復合材料輥包括具有合適的機械性能的芯部，比如延展性鐵或鋼，以及具有用于熱軋制的足夠的熱硬度和足夠的耐磨性的套筒。
[0005]從二十世紀八十年代開始，輥的外層的發(fā)展得非常迅速，而且含有替代高鉻鑄鐵和含Ni硬鑄鐵的Fe-C-Cr-W-Mo-V的鑄鐵合金的應用中達到了頂點。該組成的合金一般稱為高速鋼。
[0006]典型的高速鋼呈現(xiàn)良`好熱硬度和良好耐磨性。為了進一步改進針對熱軋制應用的期望的性能，高速鋼的合金設計基于所謂的M2鋼的組成，其中主要變化是較高的碳和釩含量。這種高速鋼的典型組成通常落在以下范圍內:1.5-2.5%C、0-6%W、0-6%Mo、3-8%Cr和
4-10%Vo
[0007]基本上，軋制廠設備的基本目標是保持所軋制的金屬的形狀輪廓和表面粗糙度盡可能接近目標值。與之前使用的熱輥材料相比，高速鋼輥的較好性能涉及高速鋼的微觀結構特性，比如大量的非常硬和細的MC共晶碳化物和由二次析出碳化物硬化的基體材料。
[0008]熱軋制中的輥磨損是以涉及至少以下方面的多個表面降級現(xiàn)象的同時發(fā)生為特征的復雜過程:磨損、氧化、粘著和熱疲勞。熱疲勞源自由靠近輥表面的非常薄的邊界層的循環(huán)加熱和冷卻產生的應力。粘著來自工作金屬進入輥間隙的粘著區(qū)中輥金屬內的微焊區(qū)域。在本領域中，已知共晶碳化物的體積分數(shù)的增加對粘性行為具有有益影響。
[0009]在熱軋制期間輥的氧化明顯地影響輥材料的磨損行為，這是因為只要該層是光滑的、粘著的和連續(xù)的，則其起到固體潤滑劑和熱障的作用，因而保護輥表面免于降級。
[0010]在US6095957中，公開了具有包括Fe-C-Mo-Nb-V的外層的用于熱軋制的輥。該解決方案表明外層的進一步改進是可能的。
[0011]在US4941251中，公開了具有陶瓷外層的用于熱軋制的輥。然而，該陶瓷層是脆的且難以加工到工作輥的期望的最終尺寸。[0012]發(fā)明目的
[0013]本發(fā)明旨在消除之前已知的用于熱軋制的復合材料輥的前述缺點并且也旨在提供一種改進的用于熱軋制的輥。本發(fā)明的主要目的是提供在高溫下比如超過700°C下具有改進的耐磨性的用于熱軋制的輥的包絡面。
【發(fā)明內容】
[0014]根據(jù)本發(fā)明，至少借助于具有獨立權利要求中限定的特征的初始限定的用于熱軋制的輥來實現(xiàn)主要目的。在從屬權利要求中進一步限定本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種開始定義類型的用于熱軋制的輥，包括本體，其中，該輥的特征在于，所述本體的包絡面的至少一部分由高速鋼制成，對于其化學組成，所述高速鋼由以下元素組成，按重量百分比:1-3碳(C)、3-6鉻(Cr)、0-7鑰(Mo)、0_15鎢(W)、3_14釩(V)、0-10鈷(Co)、0-3鈮(Nb)、0-0.5氮(Ν)、0.2-1釔(Y)以及余量的鐵(Fe)和不可避免的雜質，其中Mo+0.5ff=2-10重量％。這導致所述本體的包絡面在高溫下具有優(yōu)異的耐磨性。
[0016]在整個說明書中對“一個實施例”或“實施例”的提及指結合實施例描述的特定特征、結構或特性被包括在所公開的主題的至少一個實施例中。因此，在說明書中各個地方的短語“在一個實施例”或“實施例”的出現(xiàn)不必指相同的實施例。而且，特定特征、結構或特性可以在一個或多個實施例中以任何合適的方式組合。
[0017]根據(jù)實施例，所述套筒由所述高速鋼的粉末的壓實體制成，該粉末經受高熱和高壓，從而造成所述壓實體。粉末優(yōu)選地由將包括所述元素的熔融金屬氬氣霧化成所述粉末而制成。通過使用熔融金屬的氬氣霧化，與其中使用氮氣引起氮化物形成的氮氣霧化相比，氮化物的量最小化。
[0018]前述提供粉末的技術效果是:稀土元素釔均勻地分布在粉末中。如果已經通過鑄造方法生產根據(jù)本發(fā)明的高速鋼，則高反應性元素釔將偏析并且不會均勻分布。釔在高速鋼基體材料中的均勻分布引起形成為有效地粘附到高速鋼的氧化物皮。所添加的釔也改變氧化物皮的生長動力學性能，使得氧化物皮迅速生長到飽和厚度；在該飽和厚度之上，氧化物皮的生長率急劇下降。由于釔在高速鋼的基體材料中的精細分散造成的高溫下耐磨性的有益技術效果是出人意料地好的。該技術效果超過本領域技術人員使用粉末冶金方法從添加釔預期的技術效果。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，所述高速鋼的碳(C)含量在1-3重量％的范圍內。碳含量應足以形成高速鋼的耐磨性所需的碳化物。優(yōu)選地，碳的量應是足夠的，以產生具有足夠的硬化度的高速鋼。3%的較高限量限定最大的碳含量；在此限量之上，可形成殘余奧氏體。根據(jù)實施例，碳含量在1.1-1.4重量％的范圍內。
[0020]根據(jù)本發(fā)明，鉻(Cr )含量在3-6重量％范圍內。該區(qū)間引起良好硬化度以及必要的碳化物的形成。然而，太多的鉻會引起殘余奧氏體且增加過度回火的危險，因此不應超過6%的上限。根據(jù)實施例，Cr含量在4.0-5.0重量％的范圍內。
[0021]根據(jù)本發(fā)明，鑰(Mo)含量在0-7重量％的范圍內。鑰的添加通過將增加高速鋼的熱硬度和耐磨性的碳化物的吸出而引起二次硬化。根據(jù)一個實施例，Mo含量在4.5-5.5重量％的范圍內。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，鎢(W)含量在0-15重量％的范圍內。鎢的添加通過將增加高速鋼的熱硬度和耐磨性的碳化物的吸出而引起二次硬化。根據(jù)一個實施例，W含量在6.0-7.0重
量％的范圍內。
[0023]根據(jù)本發(fā)明，釩(V)含量在3-14重量％的范圍內。釩的添加通過將增加高速鋼的熱硬度和耐磨性的碳化物的吸出而引起二次硬化。然而，太多的釩引起高速鋼變脆，且因此不應超過14%的上限。根據(jù)一個實施例，V含量在3.0-5.0重量％的范圍內，優(yōu)選地在
3.0-3.5重量％的范圍內。
[0024]根據(jù)本發(fā)明，所述高速鋼的鈷(Co)含量在0-10重量％的范圍內。利用鈷使高速鋼合金化改進了耐回火性和熱硬度，因為兩者都對在高溫磨損應用中使用的高速鋼非常重要。鈷的量也通過影響殘余奧氏體的量而對高速鋼的硬度有影響，使所述殘余奧氏體在回火期間容易轉變成馬氏體。所選擇的鈷的區(qū)間是對于該組成的高速鋼合適的區(qū)間，其中上限相對于科學上的約束更多是經濟上的折中。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，Co含量是0%或處于雜質水平，而根據(jù)可替代的實施例，其在8.0-9.0重量％的范圍內。
[0025]根據(jù)本發(fā)明，高速鋼應包含在0.2%至1%區(qū)間的釔，比如0.4至0.7重量％，優(yōu)選地在 0.45-0.6 重量 % 的范圍內，比如 0.4-0.5 重量 ％，比如 0.4,0.41,0.42,0.43,0.44,0.45、
0.46,0.47,0.48和0.50重量％。在上述區(qū)間中定義的釔含量對氧化物皮有前述的正面影響。尤其是，在0.45-0.60重量％的范圍內釔含量在高速鋼承受高溫磨損的能力方面給予非常好的增加。區(qū)間的下限0.2%定義初始點，從該初始點，釔對高溫磨損的明顯的正面影響可被認識到，較高的限值1%表示區(qū)間的末尾，從該末尾，釔對高溫磨損的明顯的正面影響可被認識到。
[0026]根據(jù)實施例，所述本體包括軸向延伸的芯部以及軸向延伸的套筒，套筒被徑向地布置在所述芯部外部。從而，芯部可被構造成提供優(yōu)異的傳熱和機械強度，另一方面，套筒可布置成提供優(yōu)異的耐磨性。`
[0027]根據(jù)實施例，所述套筒由所述高速鋼制成。這引起所述套筒的耐磨性，從而呈現(xiàn)用于熱軋制的優(yōu)異特性，比如耐磨性和熱硬度。
[0028]根據(jù)實施例，形成套筒的粉末經受高熱(比如，1150°C)和高壓(比如lOOObar)，持續(xù)一段長的時間(比如，2小時)，使得實現(xiàn)粉末的壓實體。
[0029]根據(jù)實施例，由所壓實的粉末構成的套筒隨后經受在900°C下的軟化退火步驟，之后以10°C /小時的冷卻速率溫度下降到700°C，由此，允許套筒自然地冷卻到室溫。該軟化退火步驟使高速鋼中的碳化物球化。
[0030]此后，套筒優(yōu)選地經受加工，并且之后在1100°C下利用硬化(奧氏體化)步驟進行熱處理，并且在560°C下進行每個持續(xù)60分鐘的三個隨后的退火步驟，退火步驟之間自然冷卻到室溫。
[0031]根據(jù)實施例，所述芯部由鑄鋼或鑄鐵或鍛鋼制成。由鑄鋼或鑄鐵或鍛鋼制成的芯部容易加工和熱處理到期望的功能性。這種芯部也是成本有效的且易于生產。
[0032]根據(jù)本發(fā)明，所述套筒的微觀結構是各向同性的。由此，套筒材料的磨損性能被改進。
[0033]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選地，所述套筒的材料包含具有< 3μπι的平均碳化物顆粒尺寸的碳化物顆粒。
[0034]根據(jù)優(yōu)選實施例，所述套筒被收縮配合到所述芯部上。通過使用所述套筒到所述芯部的收縮配合，套筒可容易被去除和更換，從而引起明顯的成本下降。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]現(xiàn)將結合附圖和圖表使用附圖標記來進一步解釋本發(fā)明的概念，在附圖中:
[0036]圖1是復合輥的透視圖，
[0037]圖2是“盤上銷”試驗裝備的示意圖，
[0038]圖3是從“盤上銷”評估獲得的典型凹槽垂直于縱向方向的橫截面，
[0039]圖4是示出了在“盤上銷”試驗中對于合金A、B和C在室溫和650°C下的凹槽深度的圖表，
[0040]圖5是在“盤上銷”試驗中對于合金A、B和C在650°C下每米的體積損失的圖表，以及
[0041]圖6示出了對于合金A、B和C的HRC的硬度。
【具體實施方式】
[0042]基于粉末冶金高速鋼的半成品、部件和切削刀具的工業(yè)生產開始于35年前。高速鋼的第一次粉末冶金生產基于霧化粉末的熱等靜壓(HIP)和壓實。HIP步驟之后通常是HIP化的坯體的熱鍛。該生產方法仍是用以生產高速鋼的主要粉末冶金方法。
[0043]高速鋼的粉末冶金加工的研究和開發(fā)的原始目的是改進高速鋼在高要求應用中的功能特性和性能。粉末冶金制造工藝的主要優(yōu)點是沒有偏析，具有均勻和各向同性的微觀結構。因而，在粉末冶金高速鋼中避免了具有粗且嚴重的碳化物偏析的問題，該問題在常規(guī)鑄鋼和鍛鋼中是眾所周知的。
[0044]因此，具有足量的碳和碳化物形成元素的高速鋼的粉末冶金制造方法導致碳化物的散開分布，以致很大程度上解決了與常規(guī)生產的高速鋼相關的低強度和韌性的問題。
[0045]圖1示出了用于熱軋制的復合材料輥101。輥101包括軸向地延伸的芯部102，該軸向地延伸的芯部102具有由徑向地布置在所述芯部102外部的軸向地延伸的套筒103形成的包絡面104。
[0046]芯部102由具有良好機械性能和良好導熱性能的材料制成，這種材料的示例是延展性鐵或鋼。芯部102是圓柱形軸頸，其在第一端和第二端處包括用于支撐軸承的裝置。支撐軸承允許工作輥安裝在熱軋制廠中。在所述第一端和所述第二端之間設置了布置用以將套筒103收縮配合到所述芯部102上的縱向區(qū)域。
[0047]套筒103是圓柱形套筒，其具有尺寸制定成將套筒103壓縮配合到所述芯部102上的內徑。關于傳熱和工作輥壽命以及幾何收縮設定套筒103的壁厚的尺寸。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，套筒的厚度是40毫米。
[0048]根據(jù)本發(fā)明，套筒103由高速鋼制成，對于其化學組成，高速鋼由以下元素組成:
1-3重量％碳(C )、3-6重量％鉻(Cr )、0-7重量％鑰(Mo )、O-15重量％鎢(W)、3-14重量％釩(V),0-10重量％鈷((:0)、0-3重量％鈮(恥)、0-0.5重量％氮(幻、0.2-1重量％@(Y)以及余量的鐵(Fe)和不可避免的雜質。應指出，具有下限0%的元素是任選的且因此可以被省略。套筒103的制造包括所述高速鋼的粉末以由所述粉末形成本體。該成形可以例如包括將所述粉末澆灌到呈套筒103的形式的封殼內；封殼隨后被抽空和密封。為了使粉末壓實，使封殼在所謂的熱等靜壓(HIP)步驟中經受熱和壓力。
[0049]在本發(fā)明的實施例中，粉末混合物的提供包括將包含所述元素的熔融金屬氬氣霧化成所述粉末的步驟。在本發(fā)明的實施例中，熔融高速鋼的氬氣霧化使最大尺寸160μπι的高速鋼顆粒得以形成。
[0050]在提供粉末之后，由所述粉末形成套筒。該成形可以例如包括將所述粉末澆灌到封殼內；封殼隨后被抽空，例如通過受到低于0.004mbar的壓力達24小時以便抽空所述封殼。隨后，密封封殼，以便維持封殼中的所述壓力。通過使封殼受到比如約1150°C的高溫和比如1000bar的高壓達一個較長的時間段，比如兩小時來實現(xiàn)粉末的壓實。該最后的壓實步驟被稱為熱等靜壓，HIP。
[0051]軟化退火步驟在HIP步驟之后，優(yōu)選地，軟化退火步驟在900°C下執(zhí)行，之后以IO0C /小時的冷卻速率溫度下降到700°C，由此，允許套筒自然地冷卻到室溫。
[0052]在軟化退火之后，可以使套筒經受加工且優(yōu)選地在1100°C下經受硬化(奧氏體化)步驟并且在560°C下進行每個持續(xù)60分鐘的三個隨后的退火步驟，退火步驟之間自然冷卻
到室溫。
[0053]由這些隨后的步驟得到的套筒呈現(xiàn)非常好的均勻性，沒有前述的偏析和粗的碳化物結構，且最重要的效果是釔元素均勻地分布在高速鋼的基體材料中。
[0054]表1
【權利要求】
1.一種用于熱軋制的輥(101)，其包括本體，其特征在于，所述本體的包絡面(104)的至少一部分由高速鋼制成，對于其化學組成，所述高速鋼由以下元素組成，按重量百分比: 1-3 碳(C) 3-6 鉻(Cr) 0-7 鑰(Mo) 0-15 鎢(W) 3-14 釩(V) 0-10 鈷(Co) 0-3 鈮(Nb)
0-0.5 氮(N) 0.2-1釔(Y)以及 余量的鐵(Fe)和不可避免的雜質，其中Mo+0.5ff=2-10重量％。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于熱軋制的輥(101)，其中所述本體包括: -軸向延伸的芯部(102)，以及 -軸向延伸的套筒(103)，所述套筒(103)徑向地布置在所述芯部(102)外部。
3.根據(jù)權利要求2所述的用于熱軋制的輥，其中所述套筒(103)由所述高速鋼制成。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的用于熱軋制的輥(101)，其中所述套筒由所述高速鋼的粉末的壓實體制成，所述粉末經受高熱和高壓，從而造成所述壓實體。
5.根據(jù)權利要求2至4中任一項所述的用于熱軋制的輥(101)，其中所述芯部(102)由鑄鋼或鑄鐵或鍛鋼制成。
6.根據(jù)權利要求2至5中任一項所述的輥，其中所述套筒(103)的材料提供具有<3 μ m的平均碳化物顆粒尺寸的碳化物顆粒。
7.根據(jù)權利要求2至6中任一項所述的輥，其中所述套筒(103)具有各向同性微觀結構。
8.根據(jù)權利要求2至7中任一項所述的用于熱軋制的輥(101)，其中所述套筒(103)被收縮配合到所述芯部(102)上。
9.根據(jù)任一前述權利要求所述的用于熱軋制的輥(101)，其中所述高速鋼的釔(Y)含量超過0.4重量％。
10.根據(jù)任一前述權利要求所述的用于熱軋制的輥(101)，其中所述高速鋼的釔(Y)含量超過0.6重量％。
11.根據(jù)任一前述權利要求所述的用于熱軋制的輥(101)，其中所述高速鋼的釔(Y)含量在0.45-0.60重量％的范圍內。
12.根據(jù)任一前述權利要求所述的輥(101)，其特征在于，Mo+0.5ff=5.0-8.5重量％。
13.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的輥(101)，其特征在于，所述高速鋼的碳(C)含量在1.1-1.4重量％范圍內。
14.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的輥(101)，其特征在于，所述高速鋼的鉻(Cr)含量在4.0-5.0重量％范圍內。
15.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的輥，其特征在于，所述高速鋼的鑰(Mo)含量在4.5-5.5重量％范圍內。
16.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的輥，其特征在于，所述高速鋼的鎢(W)含量在.6.0-7.0重量％范圍內。
17.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的輥，其特征在于，所述高速鋼的釩(V)含量在.3.0-5.0重量％范圍內。
【文檔編號】C22C38/30GK103814147SQ201280045622
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年9月19日 優(yōu)先權日:2011年9月19日
【發(fā)明者】門德列斯·卡伊汗, 讓-艾瑞克·卡爾松, 斯蒂芬·休伊特 申請人:山特維克知識產權股份有限公司