一种具有微米级碳化钨增强层的热轧工作辊及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有微米级碳化钨增强层的热轧工作辊，包括热轧工作辊本体，所述热轧工作辊本体的表面具有多个凹陷的管状体，所述热轧工作辊本体的表面和所述管状体的内表面均具有微米级碳化钨增强层；上述热轧工作辊的制备方法为：对热轧工作辊本体进行表面处理；然后进行激光打孔、酸洗、超声波清洗；将得到的清洗后的具有凹陷管状体的热轧工作辊本体在真空渗碳炉中进行渗碳，得到具有微米级碳化钨增强层的复合体；最后进行后处理得到具有微米级碳化钨增强层的热轧工作辊。本发明解决了现有热轧工作辊在恶劣工况下辊面剥落的问题，提高了复合材料的整体力学性能和耐热、耐磨性能，且制备方法简单，易于实施。
【专利说明】
一种具有微米级碳化钨増强层的热轧工作辊及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于乳辊技术领域，具体涉及一种具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊，本发明还涉及该热乳工作辊的制备方法。
【背景技术】
[0002]乳辊是乳钢机上的重要零件，利用一对或一组乳辊滚动时产生的压力来乳碾钢材，实现板材和带材的生产。热乳工作辊主要在高温下承受乳制时的动静载荷，除正常磨损之外，其主要失效形式是辊面剥落，主要原因是过早产生的疲劳裂纹的扩展。因此，要求热乳工作辊必须要有足够的高温强度、均匀的高硬度和良好的表面质量。
[0003]为了提高热乳工作辊的表面耐磨性，热乳工作辊的材料不断地得到改进，其基本的发展过程是从冷硬铸铁到高铬铸铁到半高速钢和高速钢。冷硬铸铁中，主要使用低镍铬钼、中镍铬钼、高镍铬钼铸铁材料，这类材质乳辊表面光滑，制备过程简单、价格便宜，缺点是硬度低、耐磨性不好。后来采用了球墨复合铸铁乳辊，相对而言，使用寿命提高了几倍，但是其高温强度较低，不能满足自动化生产的需要。高铬铸铁乳辊的本质是一种高耐磨性的高合金白口铁，铬含量一般为10%?15%，其碳化物主要是M7C3型，它不但具有良好的耐磨性，还有较高的硬度(HV可达1800)，基体为奥氏体、马氏体，因而其硬度和韧性结合较好。实际的乳制生产表明，高铬铸铁乳辊有较好的抗热裂性能，原因是乳辊表面生成一层致密且有韧性的铬的氧化膜，能减少热裂纹的数量和深度。因此，高铬铸铁辊在20世纪80年代被非常广泛用于精乳前架。高速钢作为热乳辊材料，于1988年首次在日本得到应用，20世纪90年代初期美国和欧洲也进行了研制，我国在20世纪90年代后期开始研制和使用高速钢乳辊。因为拥有大量可形成强碳化物的合金元素，如W和V等，其最终的显微组织含有大约10%?15%具有极高硬度和高温稳定性的碳化物，所以在高温下工作能保持较高的强度和硬度，工作层硬度可达到80?85HS，具有较好的耐磨性和抗热裂性。近年来，以普通锻钢为辊芯制造高速钢复合乳辊的技术已经日趋成熟，可以利用高速钢(例如:W18Cr4V、W14Cr4VMn、W9Mo3Cr4V等)高硬度、高耐磨性和高耐热性的特点，提高热乳工作辊的使用寿命，应用于不锈钢和其它特殊材质钢的乳制。但是，随着乳钢厂的技术升级与改造，乳制过程实现了连续化、自动化和无头化，乳制机组的乳制力和乳制速度均有所提高，乳制产品规格也逐渐增多，使得热乳工作辊的使用环境更加恶劣，对热乳工作辊的综合性能提出了更高的要求。
[0004]碳化钨具有较高的比刚度、比模量、低热膨胀系数以及良好的热稳定性、耐磨性、尺寸稳定性及与钢铁材料良好的润湿性等优点，以其为增强体制备具有碳化钨增强层的热乳工作辊，可以大幅度提高乳辊表面强度、硬度和表面质量。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊，以解决现有热乳工作辊在恶劣工况下辊面剥落的问题。
[0006]本发明的另一个目的是提供上述热乳工作辊的制备方法。
[0007]本发明所采用的技术方案是，一种具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊，包括热乳工作辊本体，所述热乳工作辊本体材质为W18Cr4V、W14Cr4VMn、W9Mo3Cr4V等高速钢，所述本体的表面具有多个凹陷的管状体，所述热乳工作辊本体的表面和所述管状体的内表面均具有微米级碳化钨增强层。
[0008]本发明的特点还在于，
进一步地，管状体之间的间距为25μηι?ΙΟΟΟμηι，管状体的管径为ΙΟμπι?40μηι，管状体的深度不大于20 μπι。
[0009]进一步地，微米级碳化钨增强层的厚度为5μπι?15μπι，碳化钨增强层中含有高体积分数的碳化钨颗粒，碳化钨颗粒的粒径为0.5μπι?3.Ομπι，碳化钨颗粒的体积分数为70%?95%。
[0010]进一步地，热乳工作辊本体的基体组织为马氏体、碳化物和的残余奥氏体的混合。[0011 ]本发明所采用的另一技术方案是:
上述热乳工作辊的制备方法，具体包括以下步骤:
步骤1:对热乳工作辊本体进行表面处理，得到表面处理过的热乳工作辊本体；
步骤2:利用激光打孔机对所述步骤I得到的表面处理过的热乳工作辊本体进行激光打孔，然后进行酸洗，之后用水冲洗至中性，最后进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的热乳工作辊本体；
步骤3:将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的热乳工作辊本体置于真空渗碳炉中在一定温度下进行渗碳，并保温一定时间，得到具有微米级碳化钨增强层的复合体；
步骤4:将步骤3得到的具有微米级碳化钨增强层的复合体进行退火、分级淬火与三次低温回火处理，得到具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊。
[0012]本发明的特点还在于，
进一步地，步骤I的表面处理具体为将热乳工作辊本体表面用丙酮清洗干净。
[0013]进一步地，步骤2中激光打孔在真空条件或惰性气体保护下进行。
[0014]进一步地，步骤2中酸洗使用的酸液为体积浓度为300mVL的盐酸、60ml/L的磷酸、120ml/L的双氧水、300ml/L的氢氟酸或200ml/L的硫酸中的任意一种，超声波清洗使用乙醇或丙酮。
[0015]进一步地，步骤3中真空渗碳炉中碳质量浓度为0.9%?1.0%，真空度不大于IX 14Pa，渗碳温度为920°C?940°C，热乳工作辊本体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过
0.5%，保温时间为10 min?35min。
[0016]进一步地，步骤4中退火温度为880°C，保温3 h，然后在840°C预热，加热分级淬火的温度为1280°C，分级温度为620°C，低温回火的温度为560°C，三次回火保温时间均为lh。
[0017]本发明的有益效果是:发明一种具有微米级管状碳化钨增强层的热乳工作辊，钨原子与碳原子在固态温度下反应生成碳化钨，并利用预先打好的孔的位置限制碳化钨的扩散，碳化钨颗粒与热乳工作辊本体间为冶金结合，结合牢固，颗粒不易脱落，可通过控制渗碳工艺参数和激光打孔参数控制碳化钨增强相的颗粒体积分数、分布和形态，提高了现有热乳工作辊的表面强度和硬度，提高了复合材料的耐热和耐磨性能，解决热乳工作辊辊面剥落问题，且制备方法简单，易于实施。
【附图说明】
[0018]图1是本发明具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊的结构示意图；
图2是本发明具有微米级碳化钨增强层的热乳工作棍A区局部放大结构示意图；
图3是本发明具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊B区局部放大结构示意图，即微米级管状碳化钨结构示意图。
[0019]图中，1.热乳工作辊本体，2.碳化钨增强层，3.碳化钨颗粒，4.管状体。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0021]本发明一种具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊，如图1?3所示，包括热乳工作辊本体I，热乳工作辊本体I的表面具有多个凹陷的管状体4，管状体4之间的间距为25μπι?ΙΟΟΟμπι，管状体4的管径为ΙΟμπι?40μπι，管状体4的深度不大于20 μπι，热乳工作辊本体I的表面和管状体4的内表面均具有厚度为5μπι?15μπι微米级碳化钨增强层2，碳化钨增强层2中含有高体积分数的碳化钨颗粒3。碳化钨颗粒3的粒径为0.5μπι?3.Ομπι，碳化钨颗粒3的体积分数为70%?95%，热乳工作辊本体I的基体组织为马氏体、少量碳化物和极少量的残余奥氏体。
[0022]特别地说，本发明的一种具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊基体材质是xffl8Cr4V、xffl4Cr4VMn、xff9Mo3Cr4V。
[0023]上述热乳工作辊的制备方法，具体包括以下步骤:
步骤1:将热乳工作辊本体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的热乳工作辊本体；步骤2:利用激光打孔机在真空条件或惰性气体保护下对步骤I得到的表面处理过的热乳工作辊本体进行激光打孔，然后进行酸洗，酸洗使用的酸液为体积浓度为300ml/L的盐酸、60ml/L的磷酸、120ml/L的双氧水、300ml/L的氢氟酸或200ml/L的硫酸中的任意一种，之后用水冲洗至中性，最后使用乙醇或丙酮进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的热乳工作辊本体；
步骤3:将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的热乳工作辊本体置于真空渗碳炉中在一定温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳质量浓度为0.9%?1.0%，真空度不大于I XlO4 Pa,渗碳温度为920°C?940°C，热乳工作辊本体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温10 min?35min，得到具有微米级碳化钨增强层的复合体；
步骤4:将步骤3得到的具有微米级碳化钨增强层的复合体在880°C下退火，保温3 h，然后在840°C预热，再在1280 0C下加热分级淬火，分级温度为620 °C，再在560°C下低温回火三次，回火保温时间均为lh。之后，即得到具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊。
[0024]本发明将激光打孔、渗碳和热处理工艺相结合，在热乳工作辊表面得到微米级碳化钨增强层，且该增强层内具有凹陷的管状体；凹陷的管状体是由高体积分数的碳化钨颗粒与少量热乳工作辊基体组成的。
[0025]渗碳温度选择9200C?940 °C是因为，在940 °C以上渗碳，一方面，碳在基体中的扩散系数会迅速升高，扩散速度过快，扩散深度增加，不利于碳化钨增强层中碳化钨体积分数的提高;另一方面，渗碳温度高于940°C，会使生成的碳化钨颗粒急速长大，导致力学性能下降。渗碳温度低于920°C，可降低扩散动力，基体表面碳浓度较低。
[0026]真空渗碳炉中碳质量浓度选择0.9%?1.0%是因为:碳质量浓度高于1.0%，碳在基体中的扩散速度加快，扩散深度增加，不利于碳化钨增强层中碳化钨体积分数的提高;碳质量浓度低于0.9%，基体表面碳浓度过低。
[0027]真空渗碳炉中保温时间选择1min?35min是因为:保温时间高于35min，碳化妈会集中向基体中扩散，不利于保持碳化钨增强层中碳化钨的高体积分数；保温时间低于lOmin，渗碳层中的碳不能完全反应，影响增强层的增强效果。
[0028]本发明的有益效果是:
1)在真空环境中利用激光打孔技术在热乳工作辊本体表面实现微米级盲孔的制备，并可对其间距、深度、直径等进行调整；
2)热乳工作辊本体与外碳源在加热、保温过程中，使钨原子与碳原子在固态温度下反应生成碳化钨，并利用预先打好的孔的位置限制碳化钨的扩散，实现微米级管状碳化钨增强热乳工作辊的制备；
3)管状碳化钨增强体可以有效增加热乳工作辊的表面复合厚度；
4)管状碳化钨内径为10?40μπι，微观硬度可达到1850?2100HV，热乳工作辊肖氏硬度达到85?90 HS，冲击韧性aK可达到10?15 J/cm2，大幅度提高了热乳工作辊的耐磨性能和综合使用性能。
[0029]5)管状碳化钨中的碳化钨颗粒与基体间为冶金结合，结合牢固，颗粒不易脱落。同时，可通过控制渗碳工艺参数和激光打孔参数控制碳化钨增强相的颗粒体积分数、分布和形态。基体的种类、合金化程度、形态分布等也可根据工况要求调节，达到增强相与基体相间的性能最佳匹配。
[0030 ] 6 )制备方法简单、易行，操作方便，便于实施。
[0031]实施例1
步骤1:将热乳工作辊本体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的热乳工作辊本体；步骤2:利用激光打孔机在真空条件下对步骤I得到的表面处理过的热乳工作辊本体进行激光打孔，孔径为30μηι，孔深为20μηι，孔间距为I OOOym ；然后进行酸洗，酸洗使用的酸液为体积浓度为300ml/L的盐酸，之后用水冲洗至中性，最后使用乙醇进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的热乳工作棍本体；
步骤3:将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的热乳工作辊本体置于真空渗碳炉中在920°C的温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳质量浓度为0.9%，真空度不大于I X 14 Pa，热乳工作辊本体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温10 min，得到具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊本体复合体；
步骤4:将步骤3得到的具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊本体复合体在880°C下退火，保温3 h，然后在840°C预热，再在1280°C下加热分级淬火，分级温度为620°C，再在560°(:下低温回火三次，回火保温时间均为lh，得到具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊。
[0032]所得热乳工作辊中，微米级管状碳化钨层的厚度为5μπι左右，其组织包括粒径为1.2?0.5?1.3μπι的颗粒状碳化钨和马氏体基体，碳化钨颗粒的体积分数为70%。管状碳化钨微观硬度为1850HV，热乳工作辊的硬度为85HS，冲击韧性aK可达到15 J/cm2。
[0033]实施例2步骤1:将热乳工作辊本体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的热乳工作辊本体；步骤2:利用激光打孔机在惰性气体氩气保护下对步骤I得到的表面处理过的热乳工作车昆本体进行激光打孔，孔径为20μηι，孔深为18μηι，孔间距为25μηι ；然后进行酸洗，酸洗使用的酸液为体积浓度为300ml/L的氢氟酸，之后用水冲洗至中性，最后使用丙酮进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的热乳工作辊本体；
步骤3:将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的热乳工作辊本体置于真空渗碳炉中在930°C的温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳质量浓度为1.0%，真空度不大于I X 14 Pa，热乳工作辊本体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温20 min，得到具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊本体复合体；
步骤4:将步骤3得到的具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊本体复合体在880°C下退火，保温3 h，然后在840°C预热，再在1280°C下加热分级淬火，分级温度为620°C，再在560°(:下低温回火三次，回火保温时间均为lh，得到具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊。
[0034]所得热乳工作辊中，微米级管状碳化钨层的厚度为9μπι左右，其组织包括粒径为1.0?2.ομπι的颗粒状碳化钨和马氏体基体，碳化钨颗粒的体积分数为82%。管状碳化钨微观硬度为1980HV，热乳工作辊的硬度为86.5HS，热乳工作辊的冲击韧性aK可达到13.5 J/cm2。
[0035]实施例3
步骤1:将热乳工作辊本体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的热乳工作辊本体；步骤2:利用激光打孔机在惰性气体氩气保护下对步骤I得到的表面处理过的热乳工作车昆本体进行激光打孔，孔径为ΙΟμπι，孔深为17μηι，孔间距为350μηι ；然后进行酸洗，酸洗使用的酸液为体积浓度为200ml/L的硫酸，之后用水冲洗至中性，最后使用乙醇进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的热乳工作辊本体；
步骤3:将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的热乳工作辊本体置于真空渗碳炉中在9400C的温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳质量浓度为0.94%，真空度不大于I X 14 Pa，热乳工作辊本体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温35min，得到具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊本体复合体；
步骤4:将步骤3得到的具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊本体复合体在880°C下退火，保温3 h，然后在840°C预热，再在1280°C下加热分级淬火，分级温度为620°C，再在560°(:下低温回火三次，回火保温时间均为lh，得到具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊。
[0036]所得热乳工作辊中，微米级管状碳化钨层的厚度为15μπι，其组织包括粒径为1.8?
3.Ομπι的颗粒状碳化钨和珠光体基体，碳化钨颗粒的体积分数为95%。管状碳化钨微观硬度为2100HV，热乳工作辊的硬度为90HS，热乳工作辊的冲击韧性aK可达到10 J/cm2。
[0037]实施例4
步骤1:将热乳工作辊本体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的热乳工作辊本体；步骤2:利用激光打孔机在惰性气体氩气保护下对步骤I得到的表面处理过的热乳工作车昆本体进行激光打孔，孔径为40μηι，孔深为18μηι，孔间距为700μηι ；然后进行酸洗，酸洗使用的酸液为体积浓度为120ml /L的双氧水，之后用水冲洗至中性，最后使用乙醇进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的热乳工作辊本体；
步骤3:将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的热乳工作辊本体置于真空渗碳炉中在9350C的温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳质量浓度为0.98%，真空度不大于I X 14 Pa，热乳工作辊本体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温30 min，得到具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊本体复合体；
步骤4:将步骤3得到的具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊本体复合体在880°C下退火，保温3 h，然后在840°C预热，再在1280°C下加热分级淬火，分级温度为620°C，再在560°(:下低温回火三次，回火保温时间均为lh，得到具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊。
[0038]所得热乳工作辊中，微米级管状碳化钨层的厚度为12μπι，其组织包括粒径为1.4?
2.5μπι的颗粒状碳化钨和马氏体基体，碳化钨颗粒的体积分数为90%。管状碳化钨微观硬度为2045HV，热乳工作辊的硬度为88HS，热乳工作辊的冲击韧性aK可达到12.5 J/cm2。
[0039]本发明一种具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊，其组织特征为微米级管状碳化妈均勾垂直分布于热乳工作棍本体表面，内径为10?40μηι，深度不大于20μηι，间距在25?ΙΟΟΟμπι范围内可调。碳化钨增强层的厚度为5?15μπι，管状碳化钨的组织包括均匀分布的粒径为0.5?3.Ομπι的微米级碳化钨颗粒，体积分数为70%?95%。管状碳化钨微观硬度可达到1850?2100 HV;热乳工作辊的热乳工作辊的硬度达85?90 HS，冲击韧性aK可达到10?15J/cm2。通过在热乳工作辊本体表面制备微米级管状碳化钨增强体，可进一步提高热乳工作辊的耐磨性能和耐高温性能，且成本低廉，制备工艺简单，适合大规模生产。
【主权项】
1.一种具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊，包括热乳工作辊本体，所述热乳工作辊本体的表面具有多个凹陷的管状体，所述热乳工作辊本体的表面和所述管状体的内表面均具有微米级碳化钨增强层。2.根据权利要求1所述的具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊，其特征在于，所述管状体之间的间距为25μηι?ΙΟΟΟμηι，所述管状体的管径为ΙΟμπι?40μηι，管状体的深度不大于20 Um03.根据权利要求1所述的具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊，其特征在于，所述微米级碳化钨增强层的厚度为5μπι?15μπι，碳化钨增强层由碳化钨颗粒组成，碳化钨颗粒均匀分布在热乳工作辊本体中，碳化钨颗粒的粒径为0.5μπ??3.Ομπ?，碳化钨颗粒的体积分数为70%?95%。4.根据权利要求1所述的具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊，其特征在于，所述热乳工作辊本体的基体组织为马氏体、碳化物和残余奥氏体的组合。5.—种具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:对热乳工作辊本体进行表面处理，得到表面处理过的热乳工作辊本体； 步骤2:利用激光打孔机对所述步骤I得到的表面处理过的热乳工作辊本体进行激光打孔，然后进行酸洗，之后用水冲洗至中性，最后进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的热乳工作辊本体； 步骤3:将所述步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的热乳工作辊本体置于真空渗碳炉中在一定温度下进行渗碳，并保温一定时间，得到具有微米级碳化钨增强层的复合体； 步骤4:将所述步骤3得到的具有微米级碳化钨增强层的复合体进行退火、分级淬火与三次低温回火处理，得到具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊。6.根据权利要求5所述的一种具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊的制备方法，其特征在于，所述步骤I的表面处理具体为将热乳工作辊本体表面用丙酮清洗干净。7.根据权利要求5所述的一种具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊的制备方法，其特征在于，所述步骤2中激光打孔在真空条件或惰性气体保护下进行。8.根据权利要求5所述的一种具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊的制备方法，其特征在于，所述步骤2中酸洗使用的酸液为体积浓度为300ml/L的盐酸、60ml/L的磷酸、120ml/L的双氧水、300ml/L的氢氟酸或200ml/L的硫酸中的任意一种，所述超声波清洗使用乙醇或丙酮。9.根据权利要求5所述的一种具有微米级碳化钨增强层的热乳工作辊的制备方法，其特征在于，所述步骤3中真空渗碳炉中碳质量浓度为0.9%?1.0%，真空度不大于I X 14 Pa，渗碳温度为920°C?940°C，热乳工作辊本体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温时间为10 min?35min。10.根据权利要求5所述的一种具有微米级碳化钨增强层的复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中在880 °C下退火，保温3 h，然后在840 °C预热，再在1280 °C下加热分级淬火，分级温度为6200C，再在5600C下低温回火三次，回火保温时间均为Ih。
【文档编号】B23P15/00GK106040744SQ201610569359
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月20日
【发明人】钟黎声, 王昕 , 许云华, 赵梓源, 燕映霖, 陈利萍, 宋珂, 赵娜娜
【申请人】西安理工大学