本发明涉及一种轧辊及其生产法，尤其是一种高速钢复合轧辊及其生产方法，属于轧钢用轧辊制造技术领域。
背景技术：
轧辊是轧钢生产中大量消耗的重要部件，轧辊质量的好坏不仅影响着轧材的表面质量，而且还影响着轧机的作业率，直接制约着企业的经济效益。
在现有的冷轧带钢生产工艺中，冷轧带钢支承轧辊通常采用9Cr2Mo等锻钢轧辊或整体锻造高速钢轧辊，锻钢轧辊在使用过程中存在的普遍问题是轧辊耐磨性差，甚至出现辊面裂纹、剥落等破坏性损坏，对整个行业的经济效益造成很大的影响；出现这些问题的主要原因是现有支承轧辊工作层材料合金含量低、基体组织粗大，抗接触疲劳强度低、韧性差，在使用过程中受轧机强大轧制压力和工作辊反弯力的反复交变作用下，使辊面受到的疲劳应力和剪切应力超出了材料的强度极限而造成裂纹、剥落等破坏性损坏。尽管专利：ZL 2009 1 0001054.9中阐述的“一种高合金离心复合铸钢支承辊及其制造方法”在热轧带钢轧制中对轧辊工作层材料的选用是可行的，但是，该发明技术的不足之处是轧辊芯部抗拉强度低，轧辊在冷轧带钢使用过程中容易出现断辊。高速钢以其高硬度、高耐磨性和高耐热性被应用于轧辊生产中，但由于整体锻造高速钢的成本非常高，降低了产品的市场竞争力；并且复合铸造高速钢轧辊芯部多为球墨铸铁材质，球墨铸铁的强度低，使用中容易出现断辊现象，不能满足冷轧带钢轧机支承机架大压下量的要求。
同时，轧辊的外层和芯部通过冶金复合成为整体，轧辊磨损经过多次修磨后必须整体报废，然后更换新的轧辊进行作业，造成轧辊制造材料大量浪费。
据统计，2015年我国轧材产量达到11.3亿吨，如果每吨轧材平均辊耗为1.0kg/t,意味着全国每年需要消耗轧辊量大约为113万吨，需要消耗资金将高达200亿元，所以，提高轧辊使用寿命，降低轧辊消耗，对节能减排、实现绿色钢铁具有十分重要的意义。
技术实现要素：
本发明提供一种高速钢复合轧辊及其生产方法，辊套采用普碳钢代替部分高速钢使用，在保证辊套强度和耐磨性的同时，大大降低轧辊的生产成本；芯轴和辊套采用可拆卸连接且芯轴可重复使用，进一步降低轧辊的生产成本；芯轴采用锻钢代替球墨铸铁，增强了芯轴的强度，延长了轧辊的使用寿命。
本发明所采取的技术方案是：
一种高速钢复合轧辊，包括辊套和芯轴，所述辊套由高速钢层和复合在高速钢层内部的普碳钢层组成，所述芯轴为锻钢材料制成；高速钢内复合成本相对较低的普碳钢，使用普碳钢代替部分高速钢，大大降低了轧辊的成本；并且改进之后的轧辊具有与高速钢材料同样的高硬度、高耐磨。轧辊芯轴采用锻钢代替球墨铸铁，锻钢的强度高，不断辊，延长了轧辊的使用寿命。
所述辊套与芯轴装配面采用40:1锥面配合，芯轴装配端与辊套的配合面采用4-6个沉头螺栓作为键锁紧。采用沉头螺栓既固定了辊套的轴向传动，又加固了辊套周向滑动。辊套与芯轴采用沉头螺栓可拆卸连接，辊套磨损后，只需要将磨损的辊套拆卸下来更换即可，芯轴可以重复使用，进一步降低了辊耗，轧辊制造成本显著降低。
所述辊套与芯轴配合的过盈量为0.80-1.20mm/1000。
所述高速钢层的厚度为30-60mm，为了保证辊套的耐磨性能及使用寿命，当满足轧辊使用最小报废直径前提下，高速钢层厚度越薄越经济，但高速钢层太薄无法满足轧辊工作层厚度使用要求，因此将高速钢层的厚度设定为30-60mm。
所述普碳钢层薄端的厚度为30-80mm，普碳钢层一方面能够降低轧辊制造成本，另一方面又可以增加辊套强度，根据轧辊结构装配的需要，普碳钢层越厚越好，普碳钢层内部为锥面，最薄处设定30-80mm。
所述芯轴为42CrMo锻钢材质。
本发明还提供上述高速钢复合轧辊的生产方法，包括下述步骤：
（1）辊套的分层浇铸：
首先将辊套外层和内层材料按具体成分要求进行分别冶炼，外层钢水出钢扒渣后立即浇入到高速旋转的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1450-1550℃，浇铸时铸型的温度为100-200℃，铸型内涂料厚度为2-5mm，离心机的线速度为8-15米/秒；
外层钢水浇注后立即对内表面自由面进行防护处理，当外层钢水冷却到1100-1250℃时迅速浇注内层钢水，内层普碳钢钢水的浇铸温度为1500-1650℃；
通过卧式离心铸造的方法使两种具有不同性质的金属液熔合在一起，从而达到轧辊辊套外层硬度高、耐磨性高、辊套内层强度高、韧性好，既便于大过盈量的热装配合，又降低轧辊制造成本。由于辊套内层采用了普碳钢，钢水含碳量底、凝固点高、流动性差，使得两种材料复合难度大大增加，这一难点通过调整内层钢水浇注温度和外层内表面温度来确保。
（2）辊套与芯轴的热装：
将辊套与芯轴按装配尺寸要求加工，将辊套水平放置在特制的平台上，再装进台车式电阻炉内以20-40℃/h速度升温加热，当温度达到热装温度200-350℃时保温2-2.5小时出炉，放平准备热装；
将芯轴和辊套对中，将芯轴放入辊套内，直至所需位置，热装完成后自然空冷到室温，再用沉头螺栓将辊套与芯轴锁紧即可。
优选的，外层高速钢水采用0.01-0.05%的金属Mg对钢水进行变质处理；Mg与O具有很强的亲和力，一旦作为变质剂加入后，立即与钢水中的O和S发生反应，生成低密度的MgO和MgS进入熔渣，降低了高速钢钢水中O和S含量，增加钢水的过冷度，使高速钢共晶组织得到细化，提高了高速钢材料的强韧性。
所述外层高速钢的化学成分重量百分数为：C 0.8-1.6%,Si 0.8-1.6%，Mn 0.5-1.2%，Cr 4.0-7.0% Mo 3.0-6.0%，W 1.0-5.0%，V 3.0-6.0%，Ni 0.5-1.5%，P≤0.035%，S≤0.030%，Mg 0.01-0.05%，余量为Fe；
优选的，所述的辊套内层普碳钢材料的化学成分重量百分数为：C 0.2-0.8%，Si 0.17-0.37%，Mn 0.5-0.8%， Cr≤0.25%， P≤0.035%，S≤0.035%，余量为Fe；
优选的，所述芯轴采用42CrMo锻造圆钢制成，42CrMo锻造圆钢的化学成分重量百分数为：C 0.38-0.45%，Si 0.17-0.37%，Mn 0.5-0.8%，Cr 0.90-1.20%，Mo 0.15-0.25%，Ni ≤0.030%，Cu ≤0.030%，P≤0.035%，S≤0.035%，余量为Fe。
本发明的设计原理：
1、本发明针对整体锻造高速钢的成本相对较高，辊耗大的问题，提出采用高速钢内复合成本相对较低的普碳钢，使用普碳钢代替部分高速钢，大大降低了辊套的成本；并且改进之后的辊套具有与高速钢材料同样的高硬度、高耐磨。
2、芯轴与辊套采用沉头螺栓可拆卸连接，辊套磨损后，只需要将磨损的辊套拆卸下来更换即可，芯轴可以重复使用，进一步降低了辊耗，轧辊制造成本显著降低。
3、轧辊芯轴采用锻钢代替复合铸造高速钢中的球墨铸铁，锻钢的强度高、不断辊，延长了轧辊的使用寿命。
外层高速钢进行变质处理的设计原理：
本发明辊套外层高速钢钢水采用0.01-0.05%的金属Mg对钢水进行变质处理，Mg与O具有很强的亲和力，一旦作为变质剂加入后，立即与钢水中的O和S发生反应，生成低密度的MgO和MgS进入熔渣，降低了高速钢钢水中O和S含量。因此，辊套外层高速钢钢水采用0.01-0.05%的金属Mg对钢水进行变质处理，可增加钢水的过冷度，使高速钢共晶组织得到细化，提高了高速钢材料的强韧性。
本发明轧辊采用离心复合辊套+芯轴组合而成，辊套外层为高速钢材料，辊套内层为普碳钢材料，芯轴采用锻钢材料，并且芯轴和辊套为可拆卸连接，可重复使用，从而制成一种高耐磨、高强度、低成本的高速钢复合轧辊。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明的辊套采用普碳钢代替部分高速钢使用，在保证辊套强度和耐磨性的同时，大大降低轧辊的生产成本；芯轴和辊套采用可拆卸连接且芯轴可重复使用，进一步降低轧辊的生产成本；芯轴采用锻钢代替球墨铸铁，增强了芯轴的强度，延长了轧辊的使用寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的结构示意图；
其中，1、辊套；2、芯轴；3、高速钢层；4、普碳钢层。
具体实施方式
本发明提供的是一种高速钢复合轧辊，如图1所示，包括辊套和芯轴，所述辊套由高速钢层和复合在高速钢层内部的普碳钢层组成，所述芯轴为锻钢材料制成；
所述辊套与芯轴装配面采用40:1锥面配合，芯轴装配端与辊套的配合面采用4-6个沉头螺栓作为键锁紧。
优选方案为，辊套与芯轴配合的过盈量为0.80-1.20mm/1000。
优选方案为，高速钢层的厚度为30-60mm。
优选方案为，普碳钢层薄端的厚度为30-80mm。
优选方案为，芯轴为42CrMo锻钢材质。
本发明采用高速钢内复合成本相对较低的普碳钢，使用普碳钢代替部分高速钢，大大降低了轧辊的成本；并且改进之后的轧辊具有与高速钢材料同样的高硬度、高耐磨。轧辊芯轴采用锻钢代替复合铸造高速钢中的球墨铸铁，锻钢的强度高，不断辊，延长了轧辊的使用寿命。辊套1与芯轴2采用沉头螺栓可拆卸连接，辊套磨损后，只需要将磨损的辊套拆卸下来更换即可，芯轴可以重复使用，进一步降低了辊耗，轧辊制造成本显著降低。
实施例1-4为本发明的生产实施例，其中芯轴为购买同一批次的42CrMo锻造圆钢制成，其化学成分为：C 0.43%，Si 0.32%，Mn 0.71%， Ni 0.01%，Cr 1.12%，Mo 0.24%，P 0.034%，S 0.032%，余量为Fe。
实施例1
（1）辊套的分层浇铸：
辊套外层高速钢材料的化学成分为：C 0.92%,Si 1.05%，Mn 0.68%，Cr 6.51% Mo 5.11%，W 2.42%，V 3.98%，Ni 0.66%，Mg 0.022%，P 0.031%，S 0.028%，余量为Fe；
辊套内层普碳钢材料的化学成分为：C 0.36%，Si 0.17%，Mn 0.63%， Cr 0.17%， P 0.034%，S 0.032%，余量为Fe。
首先将辊套外层和内层材料按具体成分要求进行分别冶炼，为了确保变质剂Mg在钢水中的吸收，将Mg加工成小块状与SiFe粉压制成铁硅镁压块，出钢时向高速钢水中加入钢水量0.25%含金属Mg20%的铁硅镁压块对钢水进行变质处理；外层钢水出钢扒渣后浇入到转速线速度为9.15米/秒的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1485℃，浇铸时铸型的温度为160℃，铸型内涂料厚度为3.5mm，离心机外层高速钢钢水浇注后用保护渣对内表面进行防护。
在外层高速钢钢水冷却到1200℃时浇注内层钢水，内层普碳钢钢水的浇铸温度为1550℃。
（2）辊套与芯轴的热装：
将辊套与芯轴按装配尺寸要求加工，将辊套水平放置在特制的平台上，再装进台车式电阻炉内以35℃/h速度升温加热，当温度达到热装温度350℃时保温2小时出炉，再立即测量辊套内径，确认膨胀量，放平准备热装；
热装时慢慢提起芯轴，吊起后检查并保证芯轴垂直度，将芯轴和辊套对中，慢慢将芯轴放入辊套内，确保二者同心，当芯轴中间部位刚进入辊套时，停止塞入，测量芯轴相对于辊套的垂直度，垂直度的调整由行车进行，继续缓慢插入，直至所需位置，热装完成后自然空冷到室温，再用沉头螺栓将辊套与芯轴锁紧即可，辊套与芯轴热装过盈量为1.1mm/1000。所述芯轴采用42CrMo锻造圆钢制成。
实施例2
（1）辊套的分层浇铸：
辊套外层高速钢材料的化学成分为：C 1.44%,Si 1.35%，Mn 0.72%，Cr 4.00% Mo 3.78%，W 1.00%，V 5.05%，Ni 0.79%，Mg 0.013%，P 0.029%，S 0.025%，余量为Fe；
辊套内层普碳钢材料的化学成分为：C 0.80%，Si 0.28%，Mn 0.80%， Cr 0.15%， P 0.032%，S 0.032%，余量为Fe
首先将辊套外层和内层材料按具体成分要求进行分别冶炼，为了确保变质剂Mg在钢水中的吸收，将Mg加工成小块状与SiFe粉压制成铁硅镁压块，出钢时向高速钢水中加入钢水量0.15%含金属Mg20%的铁硅镁压块对钢水进行变质处理；外层钢水出钢扒渣后浇入到线速度为10.8米/秒旋转的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1512℃，浇铸时铸型的温度为176℃，铸型内涂料厚度为4.0mm，外层高速钢钢水浇注后用保护渣对内表面进行防护。
在外层高速钢钢水冷却到1245℃时浇注内层钢水，内层普碳钢钢水的浇铸温度为1500℃。
（2）辊套与芯轴的热装：
将辊套与芯轴按装配尺寸要求加工，将辊套水平放置在特制的平台上，再装进台车式电阻炉内以20℃/h速度升温加热，当温度达到热装温度300℃时保温2小时出炉，再立即测量辊套内径，确认膨胀量，放平准备热装；
热装时慢慢提起芯轴，吊起后检查并保证芯轴垂直度，将芯轴和辊套对中，慢慢将芯轴放入辊套内，确保二者同心，当芯轴中间部位刚进入辊套时，停止塞入，测量芯轴相对于辊套的垂直度，垂直度的调整由行车进行，继续缓慢插入，直至所需位置，热装完成后自然空冷到室温，再用沉头螺栓将辊套与芯轴锁紧即可，辊套与芯轴热装过盈量为1.0mm/1000。所述芯轴采用42CrMo锻造圆钢制成。
实施例3
（1）辊套的分层浇铸：
辊套外层高速钢材料的化学成分为：C 0.80%,Si 1.60%，Mn 0.50%，Cr 7.00% Mo 3.00%，W 5.00%，V 3.00%，Ni 1.50%，Mg 0.010%，P 0.030%，S 0.025%，余量为Fe；
所述的轧辊辊套内层普碳钢材料的化学成分为：C 0.45%，Si 0.36%，Mn 0.71%， Cr 0.09%， P 0.030%，S 0.034%，余量为Fe。
首先将辊套外层和内层材料按具体成分要求进行分别冶炼，为了确保变质剂Mg在钢水中的吸收，将Mg加工成小块状与SiFe粉压制成铁硅镁压块，出钢时向高速钢水中加入钢水量0.20%含金属Mg20%的铁硅镁压块对钢水进行变质处理；外层钢水出钢扒渣后浇入到转速线速度为8.0米/秒的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1550℃，浇铸时铸型的温度为100℃，铸型内涂料厚度为2.0mm，离心机外层高速钢钢水浇注后用保护渣对内表面进行防护；
在外层高速钢钢水冷却到1100℃时浇注内层钢水，内层普碳钢钢水的浇铸温度为1608℃。
（2）辊套与芯轴的热装：
将辊套与芯轴按装配尺寸要求加工，将辊套水平放置在特制的平台上，再装进台车式电阻炉内以30℃/h速度升温加热，当温度达到热装温度260℃时保温2小时出炉，再立即测量辊套内径，确认膨胀量，放平准备热装；
热装时慢慢提起芯轴，吊起后检查并保证芯轴垂直度，将芯轴和辊套对中，慢慢将芯轴放入辊套内，确保二者同心，当芯轴中间部位刚进入辊套时，停止塞入，测量芯轴相对于辊套的垂直度，垂直度的调整由行车进行，继续缓慢插入，直至所需位置，热装完成后自然空冷到室温，再用沉头螺栓将辊套与芯轴锁紧即可，辊套与芯轴热装过盈量为0.8mm/1000。所述芯轴采用42CrMo锻造圆钢制成。
实施例4
（1）辊套的分层浇铸：
辊套外层高速钢材料的化学成分为：C 1.60%,Si 0.80%，Mn 1.20%，Cr 4.52% Mo 6.00%，W 4.23%，V 6.00%，Ni 0.50%，Mg 0.050%，P 0.029%，S 0.026%，余量为Fe；
所述的轧辊辊套内层普碳钢材料的化学成分为：C 0.20%，Si 0.37%，Mn 0.50%， Cr 0.05%， P 0.031%，S 0.031%，余量为Fe。
首先将辊套外层和内层材料按具体成分要求进行分别冶炼，为了确保变质剂Mg在钢水中的吸收，将Mg加工成小块状与SiFe粉压制成铁硅镁压块，出钢时向高速钢水中加入钢水量0.5%含金属Mg20%的铁硅镁压块对钢水进行变质处理；外层钢水出钢扒渣后浇入到转速线速度为15.0米/秒的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1450℃，浇铸时铸型的温度为200℃，铸型内涂料厚度为5.0mm，离心机外层高速钢钢水浇注后用保护渣对内表面进行防护；
在外层高速钢钢水冷却到1250℃时浇注内层钢水，内层普碳钢钢水的浇铸温度为1650℃。
（2）辊套与芯轴的热装：
将辊套与芯轴按装配尺寸要求加工，将辊套水平放置在特制的平台上，再装进台车式电阻炉内以40℃/h速度升温加热，当温度达到热装温度200℃时保温2.5小时出炉，再立即测量辊套内径，确认膨胀量，放平准备热装；
热装时慢慢提起芯轴，吊起后检查并保证芯轴垂直度，将芯轴和辊套对中，慢慢将芯轴放入辊套内，确保二者同心，当芯轴中间部位刚进入辊套时，停止塞入，测量芯轴相对于辊套的垂直度，垂直度的调整由行车进行，继续缓慢插入，直至所需位置，热装完成后自然空冷到室温，再用沉头螺栓将辊套与芯轴锁紧即可，辊套与芯轴热装过盈量为1.2 mm/1000。所述芯轴采用42CrMo锻造圆钢制成。
现有技术生产的9Cr2Mo等锻钢轧辊，用于冷轧带钢轧机支承轧辊，表现的主要问题是轧辊耐磨性差、使用周期短，而且有时有裂纹和掉块发生；而复合铸造高速钢轧辊尽管轧辊耐磨性同样好，但是由于轧辊芯部材料为球墨铸铁，芯部强度低，不能满足冷轧带钢轧机支承机架大压下量的要求。为了方便对比，将实施例1-4的成分，装配工艺以及轧辊芯部强度、使用情况及制造成本进行对比。本发明实施例1-4和2支9Cr2Mo锻钢轧辊、2支现有技术生产的复合铸造高速钢轧辊化学成分对比见表1，本发明实施例1-4轧辊装配工艺参数见表2 ，本发明实施例1-4的轧辊与现有的轧辊芯部强度、使用情况及制造成本对比见表3 。
表1 本发明实施例与现有技术生产的高速钢轧辊化学成分对比
表2 为本发明实施例1-3轧辊装配工艺参数
本发明实施例轧辊与现有技术轧辊芯部强度、使用结果及制造成本对比结果列入表3。
表3 本发明的轧辊与现有的轧辊芯部强度、使用情况及制造成本对比
由表3对比结果可以看出，采用本发明技术所生产的高速钢复合使用性能明显高于现有技术产品，轧辊使用寿命提高了2倍，相比高速钢轧辊制造成本降低40%。