一种具有碳化铬增强层的冷轧工作辊及其制备方法与流程

本发明属于冷轧轧辊技术领域，具体涉及一种具有碳化铬增强层的冷轧工作辊，本发明还涉及该冷轧工作辊的制备方法。

背景技术：

轧辊是轧钢机上的重要零件，利用一对或一组轧辊滚动时产生的压力来轧碾钢材，实现板材和带材的生产。常用的冷轧工作辊材料有合金锻钢、合金铸钢和铸铁等。铸铁轧辊硬度较高、表面光滑且耐磨，制备过程简单、价格便宜，但是其强度较低，已经不能满足自动化生产的需要。以高铬合金钢为材料的钢轧辊，例如9Cr、9Cr2、9CrV和8CrMoV等，已经成为冷轧工作辊的主流材质。冷轧工作辊主要承受轧制时的动静载荷，除正常磨损之外，其主要失效形式是辊面剥落，特别是淬硬层的大块剥落，其产生的主要原因是过早产生的疲劳裂纹的扩展或淬硬层内部的缺陷。因此，要求冷轧工作辊必须要有足够的强度、均匀的高硬度和良好的表面质量。

碳化铬具有较高的比刚度、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铬增强层的冷轧工作辊，可以大幅度提高轧辊表面强度、硬度和表面质量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有碳化铬增强层的冷轧工作辊，以解决现有高铬合金钢冷轧工作辊在恶劣工况下辊面剥落的问题。

本发明的另一个目的是提供上述冷轧工作辊的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种具有碳化铬增强层的冷轧工作辊，包括冷轧工作辊本体，所述冷轧工作辊本体材质为高铬合金钢，所述本体的表面具有多个凹陷的管状体，所述冷轧工作辊本体的表面和所述管状体的内表面均具有碳化铬增强层。

进一步地，所述管状体之间的间距为25μm～1000μm，所述管状体的管径为10μm～40μm，所述管状体的深度不大于20 μm。

进一步地，所述碳化铬增强层的厚度为8μm～20μm，所述碳化铬增强层由碳化铬颗粒组成；所述碳化铬颗粒均匀分布在所述冷轧工作辊本体的基体中，碳化铬颗粒的粒径为2μm～15μm，碳化铬颗粒的体积分数为60%～85%。

进一步地，所述冷轧工作辊本体的基体组织为马氏体、奥氏体和铁素体中的任意一种或几种。

一种具有碳化铬增强层的冷轧工作辊的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：对冷轧工作辊本体进行表面处理，得到表面处理过的冷轧工作辊本体；

步骤2：利用激光打孔机对步骤1得到的表面处理过的冷轧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冷轧工作辊本体；

步骤3：将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的冷轧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铬增强层的复合体；

步骤4：将步骤3得到的具有微米级碳化铬增强层的复合体进行加热淬火与低温回火后处理，得到具有碳化铬增强层的冷轧工作辊。

进一步地，所述步骤1的表面处理具体为将冷轧工作辊本体表面用丙酮清洗干净。

进一步地，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。

进一步地，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，超声波清洗使用乙醇或丙酮。

进一步地，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1×104 Pa，渗碳温度为850℃～900℃，冷轧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8 min～25min。

进一步地，所述步骤4中加热淬火的温度为780℃～820℃，低温回火的温度为300℃～420℃。

本发明的有益效果是：发明一种具有管状碳化铬增强层的冷轧工作辊，铬原子与碳原子在固态温度下反应生成碳化铬，并利用预先打好的孔的位置限制碳化铬的扩散，碳化铬颗粒与冷轧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铬增强相的颗粒体积分数、分布和形态，提高了现有冷轧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，解决冷轧工作辊辊面剥落问题，且制备方法简单，易于实施。

附图说明

图1是本发明具有碳化铬增强层的热轧工作辊的结构示意图；

图2是本发明具有碳化铬增强层的热轧工作辊A区局部放大结构示意图；

图3是本发明具有碳化铬增强层的热轧工作辊B区局部放大结构示意图，即管状碳化铬结构示意图。

图中，1. 冷轧工作辊本体，2. 碳化铬增强层，3. 碳化铬颗粒，4. 管状体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种具有碳化铬增强层的冷轧工作辊，如图1-3所示，包括冷轧工作辊本体1，冷轧工作辊本体1的表面具有多个凹陷的管状体4，管状体4之间的间距为25μm～1000μm，管状体4的管径为10μm～40μm，管状体4的深度不大于20 μm，冷轧工作辊本体1的表面和管状体4的内表面均具有厚度为8μm～20μm的碳化铬增强层2，碳化铬增强层2由碳化铬颗粒3组成，碳化铬颗粒3均匀分布在冷轧工作辊本体1中，碳化铬颗粒3的粒径为2μm～15μm，碳化铬颗粒3的体积分数为60%～85%，冷轧工作辊本体1的基体为高铬合金钢，高铬合金钢包括xCr12、xCr12MoV等碳的质量分数小于0.5%（即x＜5）、铬含量大于10%的高铬合金钢，基体1组织为马氏体、奥氏体和铁素体中的任意一种或几种。

上述冷轧工作辊的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将冷轧工作辊本体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的冷轧工作辊本体；

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1得到的表面处理过的冷轧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冷轧工作辊本体；

步骤3：将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的冷轧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1×104 Pa，渗碳温度为850℃～900℃，冷轧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8 min～25min，得到具有碳化铬增强层的复合体；

步骤4：将步骤3得到的具有碳化铬增强层的复合体在780℃～820℃的温度下进行加热淬火，并在300℃～420℃的温度下进行低温回火后处理，得到具有碳化铬增强层的冷轧工作辊。

本发明将激光打孔、渗碳和热处理工艺相结合，在冷轧工作辊表面得到碳化铬增强层，且该增强层内具有具有凹陷的管状体；凹陷的管状体是由高体积分数的碳化铬颗粒与少量冷轧工作辊基体组成的。

渗碳温度选择850℃～900℃是因为，在850℃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，不利于碳化铬增强层中碳化铬体积分数的提高；另一方面，渗碳温度高于900℃，会使生成的碳化铬颗粒急速长大，导致力学性能下降。渗碳温度低于850℃，降低扩散动力，基体表面碳浓度低。

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，不利于碳化铬增强层中碳化铬体积分数的提高；碳质量浓度低于0.9%，基体表面碳浓度过低。

真空渗碳炉中保温时间选择8min～25min是因为：保温时间高于25min，碳化铬会集中向基体中扩散，不利于保持碳化铬增强层中碳化铬的高体积分数；保温时间低于8min，渗碳层中的碳不能完全反应完，影响增强层的增强效果。

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，不利于碳化铬增强层中碳化铬体积分数的提高；碳质量浓度低于0.9%，基体表面碳浓度过低。

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冷轧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）冷轧工作辊本体与外源碳在加热、保温过程中，使铬原子与碳原子在固态温度下反应生成碳化铬，并利用预先打好的孔的位置限制碳化铬的扩散，实现微米级管状碳化铬增强冷轧工作辊的制备；

3）管状碳化铬增强体可以有效增加冷轧工作辊的表面复合厚度；

4）管状碳化铬内径为10～40μm，微观硬度可达到980～1650 HV，复合材料冲击韧性aK可达到24～32 J/cm2，大幅度提高了复合材料的整体力学性能和耐热、耐磨性能；

5）管状碳化铬中的碳化铬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铬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。

6）制备方法简单、易行，操作方便，便于实施。

实施例1

步骤1：将冷轧工作辊本体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的冷轧工作辊本体；

步骤2：利用激光打孔机在真空条件下对步骤1得到的表面处理过的冷轧工作辊本体进行激光打孔，孔径为30μm，孔深为20μm，孔间距为1000μm；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冷轧工作辊本体；

步骤3：将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的冷轧工作辊本体置于真空渗碳炉中在900℃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1×104 Pa，冷轧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25 min，得到具有碳化铬增强层的冷轧工作辊本体复合体；

步骤4：将步骤3得到的具有碳化铬增强层的冷轧工作辊本体复合体在780℃的温度下进行加热淬火，并在350℃的温度下进行低温回火后处理，得到具有碳化铬增强层的冷轧工作辊。

所得冷轧工作辊中，微米级管状碳化铬层的厚度为20μm左右，其组织包括粒径为5～15 μm的颗粒状碳化铬和马氏体基体，碳化铬颗粒的体积分数为60%。管状碳化铬微观硬度为980 HV，冷轧工作辊的冲击韧性ak可达到32 J/cm2。

实施例2

步骤1：将冷轧工作辊本体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的冷轧工作辊本体；

步骤2：利用激光打孔机在惰性气体氩气保护下对步骤1得到的表面处理过的冷轧工作辊本体进行激光打孔，孔径为20μm，孔深为18μm，孔间距为25μm；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冷轧工作辊本体；

步骤3：将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的冷轧工作辊本体置于真空渗碳炉中在850℃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1×104 Pa，冷轧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8 min，得到具有碳化铬增强层的冷轧工作辊本体复合体；

步骤4：将步骤3得到的具有碳化铬增强层的冷轧工作辊本体复合体在800℃的温度下进行加热淬火，并在300℃的温度下进行低温回火后处理，得到具有碳化铬增强层的冷轧工作辊。

所得冷轧工作辊中，微米级管状碳化铬层的厚度为8 μm左右，其组织包括粒径为2～10 μm的颗粒状碳化铬和马氏体基体，碳化铬颗粒的体积分数为85%。管状碳化铬微观硬度为1650 HV，冷轧工作辊的冲击韧性ak可达到24 J/cm2。

实施例3

步骤1：将冷轧工作辊本体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的冷轧工作辊本体；

步骤2：利用激光打孔机在惰性气体氩气保护下对步骤1得到的表面处理过的冷轧工作辊本体进行激光打孔，孔径为10μm，孔深为17μm，孔间距为350μm；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冷轧工作辊本体；

步骤3：将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的冷轧工作辊本体置于真空渗碳炉中在880℃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1×104 Pa，冷轧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17 min，得到具有碳化铬增强层的冷轧工作辊本体复合体；

步骤4：将步骤3得到的具有碳化铬增强层的冷轧工作辊本体复合体在820℃的温度下进行加热淬火，并在380℃的温度下进行低温回火后处理，得到具有碳化铬增强层的冷轧工作辊。

所得冷轧工作辊中，微米级管状碳化铬层的厚度为12μm，其组织包括粒径为4μm～13μm的颗粒状碳化铬和珠光体基体，碳化铬颗粒的体积分数为72%。管状碳化铬微观硬度为1340 HV，冷轧工作辊的冲击韧性ak可达到14 J/cm2。

实施例4

步骤1：将冷轧工作辊本体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的冷轧工作辊本体；

步骤2：利用激光打孔机在惰性气体氩气保护下对步骤1得到的表面处理过的冷轧工作辊本体进行激光打孔，孔径为40μm，孔深为18μm，孔间距为700μm；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冷轧工作辊本体；

步骤3：将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的冷轧工作辊本体置于真空渗碳炉中在860 ℃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1×104 Pa，冷轧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，得到具有碳化铬增强层的冷轧工作辊本体复合体；

步骤4：将步骤3得到的具有碳化铬增强层的冷轧工作辊本体复合体在790℃的温度下进行加热淬火，并在420℃的温度下进行低温回火后处理，得到具有碳化铬增强层的冷轧工作辊。

所得冷轧工作辊中，微米级管状碳化铬层的厚度为10 μm，其组织包括粒径为3～11 μm的颗粒状碳化铬和马氏体基体，碳化铬颗粒的体积分数为76%。管状碳化铬微观硬度为1350 HV，冷轧工作辊的冲击韧性ak可达到16 J/cm2。

本发明一种具有碳化铬增强层的冷轧工作辊，其组织特征为微米级管状碳化铬均匀垂直分布于冷轧工作辊本体表面，内径为10～40μm，深度不大于20 μm，间距在25～1000μm范围内可调。管状碳化铬的组织包括均匀分布的粒径为2μm～15μm，体积分数为60%～85%。管状碳化铬微观硬度可达到980～1650 HV，冷轧工作辊的冲击韧性aK可达到24～32 J/cm2。通过在冷轧工作辊本体表面制备微米级管状碳化铬增强体，可进一步提高冷轧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。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。