一种逐步铸造高速钢‑铜齿形啮合复合轧辊的方法与流程

本发明涉及热加工领域，尤其是涉及一种逐步铸造高速钢-铜齿形啮合复合轧辊的方法。
背景技术：
：连铸连轧工艺已经成为制造薄铝板的常用手段。中国有约1300条连铸连轧铝板生产线，大部分轧辊选用的是高速钢材料。轧辊主要面临两个方面的问题：第一，由于在连铸连轧中主要靠轧辊的导热使熔融状态的铝液凝固并轧出，因此高速钢轧辊的导热性成为阻碍连铸连轧生产铝板生产效率的主要原因，采用高速钢作为轧辊材料时，轧出铝板的速度约为1m/min，目前无法有效大幅提高。第二，由于在连铸连轧生产过程中的高疲劳应力以及高温环境的作用，轧辊表面在使用过程中易出现麻点等缺陷，严重影响铝板的光洁度等，因此需要定期需要将轧辊卸下进行车削加工，每次车削厚度约2-3mm，导致轧辊在经过5~6次车削后其有效层厚度不足而报废，一般轧辊的寿命仅为6个月，由此产生了大量的浪费。在公开号为cn100404152的发明创造中公开了一种高速钢复合轧辊，其具体做法是外层材料为高速钢内层为石墨钢，采用离心铸造工艺将两种金属材料浇铸成型后，再对复合轧辊进行粗加工和进行淬火热处理，采用本方法与现有技术相比较，具有该轧辊心部强度高，能在一定程度上提高轧辊使用寿命。但是，离心铸造仍存在一定的偏析等缺陷，使轧辊的综合机械性能不高，并且，无论使用哪一种钢材作为轧辊的制造材料，其的导热系数均接近于45w/(m·k)，无法通过该方法提高生产效率。在公开号为cn103624084b的发明创造中公开了一种资源节约型高硼高速钢复合轧辊及其制备方法，该复合轧辊由外层高硼高速钢和中间过渡层石墨钢以及辊芯热轧中碳圆钢三部分组成，其中外层高硼高速钢和中间过渡层石墨钢通过离心复合而成，而过渡层石墨钢和辊芯热轧中碳圆钢通过热装复合而成。本发明提高了复合轧辊辊面硬度。辊芯由热轧中碳圆钢加工而成，具有良好的强韧性。但是仍无法提高生产效率。以上各发明创造中的两种或三种复合材料均采用圆弧光面结合，在凝固和后期热处理的过程中，由于复合界面的两种或三种金属材料具有不同的热胀冷缩系数，以及出现生产过程中的骤冷骤热等不可避免的现象，两层或三层复合材料之间有剥离开的现象，生产过程的废品率较高；采用传统的重力铸造和离心铸造等方法铸造的复合轧辊，都无法完全避免偏析、缩孔、缩松等缺陷；轧辊材料选用各种碳钢、高速钢以及其他工具钢复合，无法提高其导热率，从而生产效率无法得到提高。铜具有良好的导热性，纯铜的导热系数为377w/(m·k)，是碳钢的导热系数45w/(m·k)的8.4倍，青铜的导热系数为189w/(m·k)，是碳钢的4.2倍。如果采用铜作为连铸连轧的轧辊材料，则熔融的铝液可以更快的凝固后轧出，因此可大大提高生产率。纯铜的强度不高，但可以通过高速冷却的方法得到晶粒尺寸为纳米级或接近非晶态的高强纯铜，且可以有效避免重力铸造、定向凝固铸造或者离心铸造产生的偏析等缺陷。因此可选用线条式逐步浇铸的方法获得微观组织为纳米级或接近非晶态的高强纯铜。综上所述，本发明提出一种心部为高速钢，表层为高速钢和铜相间分布的复合轧辊以兼顾导热率、韧性和硬度，并采用逐步铸造快速凝固的方法以避免各种铸造缺陷，采用梯形槽的方法避免复合层之间的开裂或剥离。技术实现要素：本发明的目的是为解决现有轧辊在连铸连轧铝板的生产线上的导热性不好、轧出速度低、复合轧辊易开裂等不足的问题，提供一种逐步铸造高速钢-铜齿形啮合复合轧辊的方法。本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种逐步铸造高速钢-铜齿形啮合复合轧辊的方法，包括如下步骤：步骤一、取高钒高速钢，其化学组成成分按质量分数百分数是：1.72-1.85c，1.15-1.55si，4.30-5.80cr；1.15-1.45mo；0.45-0.65mn；8.10-11.0v，余量为fe，将所述高钒高速钢在熔炼炉中加热到熔融状态之后持续加热到1450-1550℃，保温15分钟后加入所取高钒高速钢总质量0.15%的稀土构成高速钢坯料熔液，将高速钢坯料熔液保温并持续搅拌10分钟；步骤二、取步骤一中制备的坯料熔液加入模具形成铸件后配合车削、铣削加工制成高速钢轧辊坯料，高速钢轧辊坯料两端的轧辊轴上的铣有键槽，高速钢轧辊坯料的辊子上设置有12-18条沿其轴向分布的沟槽，沟槽深度为高速钢轧辊坯料的辊子半径的1/4-1/2，沟槽沿高速钢轧辊坯料的辊子径向的截面为梯形，梯形中位于沟槽底部的底边长度大于梯形中位于沟槽开口处的底边长度，梯形两腰线的夹角为α，α=1.25~5.25°，备用；步骤三、取足量的纯铜并加入到熔炼炉中加热到1250~1350℃成为铜熔液，将铜熔液倒入具有保温功能的熔池中，在熔池的下端开设孔径为3-9mm的小孔，小孔连接碳纤维管，碳纤维管上设有流量可调式阀门，备用；步骤四、取步骤二中制备的高速钢轧辊坯料，并对高速钢轧辊坯料中的辊子进行预热至550~600℃，然后将预热后的高速钢轧辊坯料转动安装在台车上，高速钢轧辊坯料可在台车上绕其轴心转动并通过限制机构限制其自由转动，且可精确控制转动的角度，所述台车下方安装有升降装置实现台车上下往复运动，台车下方还设置有滑轨以实现台车的水平往复滑动；步骤五、将步骤四中的安装有高速钢轧辊坯料的台车安装在步骤三中熔池正下方，调整台车使碳纤维管伸入到高速钢轧辊坯料上的沟槽内，沟槽底部离碳纤维管的出口处的垂直距离6.8mm~7.5mm，碳纤维管位于沟槽长度方向的一端并靠近沟槽的一侧侧壁；步骤六、将步骤五中安装后的碳纤维管上的阀门打开，使熔融的铜熔液流出，同时驱动台车水平移动，控制碳纤维管的相对位置变化到沟槽长度方向的另一端然后关闭碳纤维管上的阀门，使得在沟槽内形成一条沿高速钢轧辊坯料中辊子轴向方向呈直线状分布的铜条，调整台车上的高速钢轧辊坯料使其转动，使得碳纤维管开口端在高速钢轧辊坯料中辊子上的相对位置距离变化为1-10mm，其每层具体转动的角度应遵循能使每层浇铸的厚度趋于一致，有鉴于此要求，结合体积不变原理，在任一层中每次转动的角度与铜液流出的速度、台车带动轧辊沿轴线运动的速度应该遵循方程（1）：（1）式中，β为在任一层浇铸时每条浇铸完转动的角度，单位°，v2为铜液流出的速度，单位mm3/min，d1为齿槽底部对应的直径，单位mm，r为浇铸的层数，δ为层厚，单位mm，v1为轧辊轴线运动的速度，单位mm/min。再次打开碳纤维管上的阀门，并控制台车往相反方向移动，形成另一条铜条，重复以上步骤直至在沟槽内形成一层连接沟槽两侧壁并由铜条拼合而成的铜层，关闭碳纤维管上的阀门；步骤七、控制步骤六中形成铜层后的台车使其向下运动5-10mm，然后重复步骤六，在铜层上方形成新的铜层，重复以上步骤直至形成的铜层高出复合轧辊坯料中辊子外圆3~5mm后停止；步骤八、调整步骤七中的台车，将碳纤维管移动至另一沟槽内，然后重复步骤六和步骤七，直至铜层填满所有沟槽，制成复合轧辊坯料；步骤九、取步骤八中成型后高速钢-铜齿形啮合复合轧辊坯料采用车削加工去除复合轧辊坯料中高出辊子外圆3~5mm的铜层使复合轧辊坯料轧辊外圆圆整，然后通过磨床对复合轧辊坯料进行加工，使得轧辊外圆至粗糙度为r0.4~0.46，复合轧辊制备完成。所述的步骤二中高速钢轧辊坯料的制备方法为，通过将高速钢液浇铸到转速线速度为8-13米/秒的离心机铸型内，浇铸时离心机铸型的预热温度为300℃，冷却后取出包含有沟槽的铸件，然后通过对铸件进行车削加工形成高速钢轧辊坯料。所述的步骤三中取用纯铜的体积为步骤二中所有沟槽所占体积的1.2~2.5倍。所述的步骤六中台车水平运动速度为1m~4m/min，运动精度为±0.05mm/s。本发明的有益效果是：本发明制造的轧辊具有导热效率高，表面耐磨性好，心部强韧性高等特点。所述轧辊在连铸连轧生产铝板的过程中的具体导热量为：(2)式中：q为导热量，△t为连铸连轧中的轧辊接触到的铝液的温度和冷却水之间的温度差，本部分理论计算取冷却水为室温25℃，铝液温度为675℃；δ1，δ2，分别为铜层和高速钢层的厚度，λ1，λ2分别为铜层和高速钢层的导热系数，a1，a2分别为铜层与高速钢层、高速钢层与冷却水的传导接触面积。根据材料属性以及根据轧辊尺寸计算，相应的数据如表1所示：表1△t/℃δ1/mmδ2/mmλ1/w/m·℃λ2/w/m·℃a1/mm2a2/mm26501101103774523210881266048将以上参数分别代入导热计算公式，则可得每秒传导热量为q=316991.9w。铝液温度675℃，轧出的铝板温度按550℃计算，则每秒传导热量q=316991.9w对应的铝质量为：m=q/(c×△t1)(3)式中：m为铝质量，c为铝板比热容0.88×103j(kg·℃)，△t1为铝液降温到铝板的温度差.经过计算得到m=2.88kg。对应的铝板体积为：v=m/ρ(4)式中：v为铝体积，ρ为铝板密度2.7×103kg/m3。经计算并换算单位得v=1066666.66mm3。轧出的铝板宽度为1680mm，厚度按10mm计算可得最大轧出速度为：v=3.8m/min。采用同样的计算方法，可得轧辊材料全部为高速钢时以上相应的数值为：q钢=168852wm钢=1.53kgv钢=0.57m3v钢=2.03m/min。按照铜与高速钢齿形啮合处体积加权平均后，最大轧出速度为3.12m/min，与传统的连铸连轧轧辊（轧辊材料全部为高速钢2.03m/min）相比，可使生产效率提高50%以上。附图说明图1为本发明中高速钢轧辊坯料的结构图图2为本发明中钢层形成过程中逐步浇铸状态下示意图。图3为本发明中复合轧辊的截面图。图示标记：1、高速钢齿；2、轴；3、冷却水孔；4、铜液熔池；5、阀门；6、碳纤维管；7、已浇铸铜层；8、逐步浇铸铜时高速钢轧辊坯料上下运动方向；9、逐步浇铸铜时高速钢轧辊坯料轴向运动方向；10、逐步浇铸铜时高速钢轧辊坯料转动方向；11、正浇铸部分；12、键槽；13、铜材部分；14、左轴端；15、高速钢轧辊坯料中的辊子；16.右轴端；17.浇铸处；18.沟槽。具体实施方式图中所示，具体实施方式如下：本实施例中制造的高速钢铜复合轧辊总长2580mm；其中轧辊有效工作长度1680mm，外径680mm；两轴端各长450mm，直径400mm；冷却水孔直径240mm。所选用的高钒高速钢的化学成分按质量百分数为1.85c，1.50si，4.90-cr；1.35mo；0.60mn；8.90v，余量为fe，铜材部分为纯铜。（1）铸型腔尺寸为总长2650mm，其中含加工余量70mm；轧辊有效工作部分15长度1710mm，含加工余量30mm；外径360mm，含加工余量20mm；两轴端14和16各长470mm，含加工余量40mm；轴端14和16直径240mm，含加工余量20mm；冷却水孔3直径220mm，含加工余量20mm；沟槽15个；沟槽深度为115mm，含加工余量5mm；沟槽之间形成15个齿状结构，齿状结构底部厚28mm，含加工余量3mm；齿状结构顶部厚85mm，含加工余量3mm。以上尺寸自然形成了如附图1中的α=1.35°。（2）本发明中的复合轧辊的内层材料为高钒高速钢，将高速钢在熔炼炉中加热到熔融状态之后持续加热到1550℃，保温15分钟后加入0.15%稀土再持续保温搅拌10分钟；（3）然后将高速钢液浇铸到转速线速度为9米/秒的离心机铸型内，浇铸时离心机铸型的预热温度为300℃，冷却后取出轧辊的铸造坯料；（4）离心铸造完毕后先将轧辊坯料进行车削轧辊工作部分和端部外圆，然后将铸造齿间沟槽铣削加工，去除加工余量。（5）在轧辊轴上的两端铣键槽两处，即为左轴端和右轴端各一处。（6）将纯铜在熔炼炉中加热到1250℃成为液态，将铜液倒入具有保温功能的熔池4中待用；（7）所述熔池的下端开有的小孔，小孔连接孔径为3mm碳纤维管6，碳纤维管上设有流量可调式阀门5；（8）将齿轮状的高速钢轧辊铸造坯料预热至600℃，然后安装在能沿箭头8上下运动、沿箭头10绕芯轴转动和沿箭头9轴向运动的台车上，轧辊的线速度的运动精度为±0.05mm/s；（9）将装在台车上的轧辊铸造坯料置于铜液熔池下方，使轧辊铸造坯料上的其中一条沟槽18底部离碳纤维管的出口处的垂直距离7mm，且位于所述沟槽长边的一端17标记处。（10）开启碳纤维管6上的阀门5，使熔融的铜液流出，控制铜液流出速度为2826mm3/min，同时使台车带动轧辊沿轴向运动方向9运动，使铜液沿沟槽底部的一边开始线条式浇铸，轴向运动速度为1m/min，当浇铸至沟槽的另一端时，转动轧辊2.7°，并使台车开始向相反方向沿轧辊轴向运动浇铸。（11）重复第（10）步上述浇铸动作，完成第一层浇铸层，如附图2中7处的已浇铸层，继续将移动台车，使铜液出口对准沟槽长边的一端17标记处，并向下移动台车1mm。继续重复对所述沟槽18逐步浇铸，直到浇铸并凝固的铜高出轧辊高速钢制坯料外圆5mm后停止；前述第一层浇铸时，每浇铸一条后轧辊转动2.7°，随着浇铸层的增大，浇铸位置对应在轧辊上的直径相应增大，因此该2.7°对应的体积随之增大，因此为了使每浇铸层的厚度一致为1mm，根据本实施例中轧辊的尺寸结构特征，该角度与浇铸层数应按表2中的数据或者公式（5）计算结果动态调整，注：表2中的数据为按照公式（5）计算所得，公式（5）是公式（1）结合本实施例的简化公式。(5)式中β为在任一层浇铸时每条浇铸完转动的角度，单位°，r为浇铸的层数。表2层数与浇铸该层时每条浇铸完转动的角度对照表层数转角层数转角层数转角层数转角层数转角层数转角12.70212.03411.62611.35811.161011.0122.66222.00421.60621.34821.151021.0132.61231.98431.59631.33831.141031.0042.57241.95441.57641.32841.131040.9952.53251.93451.56651.31851.131050.9962.49261.91461.54661.30861.121060.9872.45271.88471.53671.29871.111070.9882.42281.86481.51681.28881.101080.9792.38291.84491.50691.27891.091090.96102.35301.82501.49701.26901.091100.96112.31311.80511.47711.25911.081110.95122.28321.78521.46721.24921.071120.95132.25331.76531.45731.23931.071130.94142.22341.74541.43741.22941.061140.94152.19351.72551.42751.21951.051150.93162.16361.71561.41761.20961.05172.13371.69571.40771.19971.04182.10381.67581.38781.18981.03192.08391.65591.37791.17991.03202.05401.64601.36801.171001.02对其余沟槽重复第（9~11）步完成逐步浇铸。（12）车削加工高出轧辊高速钢制铸造坯料外圆的铜使轧辊外圆圆整。磨削加工轧辊外圆至粗糙度为r0.4。本发明所列举的技术方案和实施方式并非是限制，与本发明所列举的技术方案和实施方式等同或者效果相同方案都在本发明所保护的范围内。当前第1页12