一种非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法与流程

本发明涉及非均匀结构硬质合金领域，特别涉及一种适用于难轧钢铁线材的非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法。

背景技术：

在现有技术中，通常硬质合金辊环与钢轴、锥套压装共同组合成轧辊，用于钢铁线材、棒材、扁材和异型材的热轧和冷轧。与铸铁、钢制成的轧辊辊环相比，硬质合金辊环的使用寿命可以提高10至20倍，因而得到了广泛应用。在钢铁线材高速轧制过程中，硬质合金辊环需承受很高的交变轧制应力、热应力和扭矩剪切力，因而要求硬质合金辊环具有高的抗冲击韧性和抗热疲劳性能，同时还要具有很高的耐磨性和抗腐蚀性能。

在现有技术中，硬质合金辊环的制备，基本选用碳化钨(wc)作硬质相，金属钴(co)和/或金属镍(ni)的粉末作粘结相，采用粉末冶金方法进行生产。用纯钴粉作粘结相的碳化钨-钴(wc-co)的合金辊环的强度和韧性较好，耐磨损性较强，但耐腐蚀和耐钢材表面粗糙度能力稍显不足，对使用现场的工况和冷却水质要求较高。而采用钴-镍-镉(co-ni-cr)作粘结剂的合金辊环，抗腐蚀性能明显改善，抗热裂纹和耐表面粗糙度性能提高，但韧性和耐磨性有所下降。随着钢铁工业的迅猛发展，高强度、高抗震性、耐火防腐的高碳合金钢、特殊钢等钢铁线材因其附加值高，成为高线轧制的主流产品，它们由于轧制强度高、变形抗力大，而被称为硬线，是公认的难轧材料，如弹簧钢、轴承钢、焊丝钢、高速钢、不锈钢、冷镦钢等。尤其是近年来，钢企采用低温轧制技术，大幅提高了轧制抗力，使合金轧辊的轧槽底部易早期出现细而深的热裂纹或大幅降低轧辊的单槽过钢量，造成轧制成本增加，生产效率大幅降低。

技术实现要素：

针对钢铁线材高速轧制设备工况及硬线比例不断提高的现状，为了降低钢企轧制成本，提高作业率，本发明提供了一种非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法，使硬质合金辊环的韧性和耐磨性同步提高，进而提高了硬质合金辊环的使用寿命。

本发明提供一种非均匀结构硬质合金辊环，制备所述硬质合金的原料包括粘结相和硬质相，所述原料中粘结相的含量为10～20wt％，硬质相的含量为80～90wt％；所述粘结相包括钴、镍和硼，所述硬质相为碳化钨，所述硬质合金的金相组织中，碳化钨平均晶粒粒度范围为3.4～4.2μm。

在本发明的一个实施例中，所述硬质相包括粗、中、细三种晶粒度的碳化钨，其中，粗晶粒碳化钨的粒度范围为23～27μm，中晶粒碳化钨的粒度范围为10～12μm，细晶粒碳化钨的粒度范围为4～7μm。

在本发明的一个实施例中，所述原料中粗晶粒碳化钨的含量为15～35wt％，中晶粒碳化钨的含量为30～70wt％，细晶粒碳化钨的含量为15～35wt％。

在本发明的一个实施例中，所述原料中钴、镍和硼的含量分别为3～10wt％、3～10wt％和0.2～0.4wt％。

本发明的另一方面，还公开一种非均匀结构硬质合金辊环的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、配料：选取碳化钨粉、钴粉、镍粉和硼粉，混合得到非均匀结构硬质合金辊环的原料；所述原料中钴粉、镍粉和硼粉的总含量为10～20wt％，余量为碳化钨粉；

步骤2、研磨：对所述原料进行研磨，得到混合料；

步骤3、压制：将所述混合料，压制成毛坯；

步骤4、烧结：将所述毛坯，放置于烧结炉中进行烧结，得到所述非均匀结构硬质合金辊环；

其中，在得到的硬质合金的金相组织中，碳化钨平均晶粒粒度范围为3.4～4.2μm。

在本发明的一个实施例中，在步骤1所述的原料中，所述碳化钨包括粗、中、细三种晶粒度的碳化钨，其中，粗晶粒碳化钨的粒度范围为23～27μm，中晶粒碳化钨的粒度范围为10～12μm，细晶粒碳化钨的粒度范围为4～7μm。

在本发明的一个实施例中，所述原料中粗晶粒碳化钨的含量为15～35wt％，中晶粒碳化钨的含量为30～70wt％，细晶粒碳化钨的含量为15～35wt％。

在本发明的一个实施例中，所述原料中钴粉的含量为3～10wt％；镍粉的含量为3～10wt％；硼粉的含量为0.2～0.4wt％。

在本发明的一个实施例中，步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、以石蜡为成型剂，将石蜡按所述原料的重量百分比1～3％加入到所述原料中，得到初始粉末原料；

步骤2.2、将无水乙醇与所述初始粉末原料按照液固比220～260ml/kg的比例进行混合，得到湿料；

步骤2.3、将所述湿料在球磨机中进行湿磨30～34小时，其中所述湿料进行研磨的球料比为2.5:1～3.5:1；

步骤2.4、卸料干燥，得到混合料。

在本发明的一个实施例中，步骤4包括以下步骤：

步骤4.1、将所述毛坯放置于刷有烧结隔黏材料的石墨板上；

步骤4.2、将载有所述毛坯的石墨板放入到烧结炉中，在1360～1410℃下进行真空烧结，然后降至室温；

步骤4.3、将载有所述毛坯的石墨板放入到烧结炉中，在1470～1520℃下，充压至55～80bar进行过压烧结，得到所述非均匀结构硬质合金辊环。

本发明中的非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法具有以下优势：

在本发明中，按一定比例合理搭配粗、中、细三种不同晶粒度的颗粒碳化钨，这种非均匀结构wc-co-ni-b硬质合金，由于碳化钨晶粒度或形状差异较大，因此有利于减少合金的孔隙率，减少裂纹源数目或裂纹源的尺寸，提高合金的断裂强度和韧性；其中的中、细晶粒度的碳化钨的加入，会提高合金的硬度和耐磨性；三种晶粒度不同的碳化钨颗粒的结合，使合金的强度、硬度同步提高。

另外，在配料时，添加微量硼，有利于混合料中氧化物的还原，使合金钴磁增加，碳化钨晶粒长大，提高合金强度。

进一步的，在辊环压坯烧结过程中，先在1360～1410℃的温度下真空烧结，降至室温后，再升温至1470～1520℃，充压至55～80bar进行过压烧结。经二次烧结，得到的硬质合金的强度明显提高，这主要是二次烧结后，合金表层粘结相呈梯度分布，可以阻止裂纹扩展，提高了合金的抗裂纹性能。

本发明中的非均匀结构硬质合金辊环，韧性和耐磨性同步提升，合金金相中碳化钨的晶粒度达3.4～4.2μm，将所述非均匀结构硬质合金辊环用于难轧钢铁线材的轧制，使得单槽过钢量提高20～50％以上。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明实施例一的非均匀结构合金金相照片；

图2为本发明实施例二的非均匀结构合金金相照片；

图3为本发明实施例三的非均匀结构合金金相照片；

图4为本发明实施例四的非均匀结构合金金相照片；

图5为本发明实施例五的非均匀结构合金金相照片；

图6为本发明实施例六的非均匀结构合金金相照片。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，但应理解本发明的范围并不仅限于这些实例的具体数值。在本发明中，其中提到的含量均为重量百分比，μm为长度单位微米，bar为压强单位巴，℃为温度单位摄氏度，kg为质量单位千克，ml为体积单位毫升。

本发明涉及一种适用于难轧钢铁线材的非均匀结构硬质合金辊环，制备所述硬质合金的原料包括粘结相和硬质相，所述原料中粘结相的含量为10～20wt％，硬质相的含量为80～90wt％；其中粘结相包括钴、镍和硼，硬质相为碳化钨，得到的硬质合金的金相组织中，碳化钨平均晶粒度范围为3.4～4.2μm。

为了提高合金的断裂强度和韧性，本发明对其中的硬质相的组成进行了优化，选用粗、中、细三种晶粒度的碳化钨，其中，粗晶粒碳化钨的粒度范围为23～27μm，中晶粒碳化钨的粒度范围为10～12μm，细晶粒碳化钨的粒度范围为4～7μm。进一步的，对于三种晶粒度的碳化钨的含量进行了优化，在所述原料中粗晶粒碳化钨的含量为15～35wt％，中晶粒碳化钨的含量为30～70wt％，细晶粒碳化钨的含量为15～35wt％。粗、中、细三种不同晶粒度的颗粒碳化钨搭配比例合理，由于碳化钨晶粒度或形状差异较大，因此有利于减少合金的孔隙率，减少裂纹源数目或裂纹源的尺寸，提高合金的断裂强度和韧性；其中的中、细晶粒度的碳化钨的加入，会提高合金的硬度和耐磨性；三种晶粒度不同的碳化钨颗粒的结合，使合金的强度、硬度同步提高。

优选的，本发明还对其中的粘结相进行了优化，在所述原料中钴的含量为3～10wt％、镍的含量为0.2～0.4wt％，硼的含量分别为3～10wt％。其中微量硼的添加，有利于混合料中氧化物的还原，使合金钴磁增加，碳化钨晶粒长大，提高合金强度。

本发明中的非均匀结构硬质合金辊环根据以下方法制得：

步骤1、配料：选取碳化钨粉、钴粉、镍粉和硼粉，混合得到非均匀结构硬质合金辊环的原料；所述原料中钴粉、镍粉和硼粉的总含量为10～20wt％，余量为碳化钨粉；

步骤2、研磨：对所述原料进行研磨，得到混合料；

步骤3、压制：将所述混合料，压制成毛坯；

步骤4、烧结：将所述毛坯，放置于烧结炉中进行烧结，得到所述非均匀结构硬质合金辊环；

其中，在得到的硬质合金的金相组织中，碳化钨平均晶粒度范围为3.4～4.2μm。

在本发明的制备方法中，作为对与其中的硬质相的优化，其中的碳化钨选用粗、中、细三种晶粒度的碳化钨，粗晶粒碳化钨的粒度范围为23～27μm，中晶粒碳化钨的粒度范围为10～12μm，细晶粒碳化钨的粒度范围为4～7μm。进一步的，在所述原料中粗晶粒碳化钨的含量为15～35wt％，中晶粒碳化钨的含量为30～70wt％，细晶粒碳化钨的含量为15～35wt％。

在该制备方法中，作为对与其中的粘结相的优化，优选的所述原料中钴粉的含量为3～10wt％；镍粉的含量为3～10wt％；硼粉的含量为0.2～0.4wt％。

在该制备方法中，对其中的研磨步骤进行优化，具体的步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、以石蜡为成型剂，将石蜡按所述原料的重量百分比1～3％加入到所述原料中，得到初始粉末原料；

步骤2.2、将无水乙醇与所述初始粉末原料按照液固比220～260ml/kg的比例进行混合，得到湿料；其中液固比220～260ml/kg指的是每千克初始粉末原料需要加入220～260ml无水乙醇进行混合得到湿料。

步骤2.3、将所述湿料在球磨机中进行湿磨30～34小时，其中所述湿料进行研磨的球料比为2.5:1～3.5:1；

步骤2.4、卸料干燥，得到混合料。

在该制备方法中，对其中的烧结的步骤进行优化，具体的步骤4包括以下步骤：

步骤4.1、将所述毛坯放置于刷有烧结隔黏材料的石墨板上；石墨板作为支撑材料用于支撑毛坯成型，烧结隔黏材料防止毛坯黏在石墨板上影响成型。

步骤4.2、将载有所述毛坯的石墨板放入到烧结炉中，在1360～1410℃下进行真空烧结，然后降至室温；

步骤4.3、将载有所述毛坯的石墨板放入到烧结炉中，在1470～1520℃下，充压至55～80bar进行过压烧结，得到所述非均匀结构硬质合金辊环。

本发明的制备方法在辊环压坯烧结过程中，先在1360～1410℃的温度下真空烧结，降至室温后，再升温至1470～1520℃，充压至55～80bar进行过压烧结。经二次烧结，得到的硬质合金的强度明显提高，这主要是二次烧结后，合金表层粘结相呈梯度分布，可以阻止裂纹扩展，提高了合金的抗裂纹性能。为了操作上的方便，优选的，其中真空烧结和过压烧结在不同的烧结炉中进行，从而提高烧结效率。

实施例一

高温轧制er50-6e难轧焊丝钢，轧制速度104米/秒，减径率19.7％，成品出口温度超1000℃，使用国内其他厂家合金辊环，平均单槽过钢量为60支钢(2.3吨/支)。因单槽过钢量低，严重影响作业率。依据提高过钢量的需求以及辊环的使用工况，根据本发明非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法，制备符合要求的辊环。

根据本发明的非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法，本实施例中的粘结相总含量为10wt％(重量百分比)，原料中各成分占原料的重量百分比如下：钴粉的含量为4.9wt％，镍粉的含量为4.9wt％，硼粉的含量为0.2wt％，23μm粗晶粒碳化钨粉18wt％，10μm中晶粒碳化钨粉54wt％，4μm细晶粒碳化钨粉18wt％，按配料的重量百分比2％加入石蜡成型剂，装填至球磨机内，球料比3:1，液固比220ml/kg与无水乙醇混合，湿磨30小时，卸料后料浆经干燥，压制成型后，入烧结炉，先在1410℃的温度下真空烧结，降至室温后，再升温至1520℃，充压至80bar过压烧结。合金产品性能为硬度88.5hra，抗弯强度2920mpa，其金相照片如图1所示：合金平均晶粒度3.4μm。

通过现场使用，平均单槽过钢量为80支钢(2.3吨/支)，最高单槽过钢量达到117支，满足了该高线轧制焊丝钢的使用要求。

实施例二

应用于低温轧制φ6.5mm冷镦钢线材，减定径机架出口速度90～105m/s，减径率17.7％。由于轧制温度低，成品减定径机架辊环易出现裂纹、掉肉。采用国内、外不同厂家辊环上机轧制，单槽轧过钢量平均为500吨/槽。为了达到单槽轧过钢量平均为600吨/槽的需求以及辊环的使用工况，根据本发明非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法，制备符合要求的辊环。

根据本发明的非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法，本实施例中粘结相的总含量为15wt％，余量为硬质相粗、中、细晶粒碳化钨。按比例要求取各原料粉末：钴粉7.35wt％，镍粉7.35wt％，硼0.3wt％，25μm粗晶粒碳化钨粉25.5wt％，11μm中晶粒碳化钨粉34wt％，6μm细晶粒碳化钨粉25.5wt％，按配料的重量百分比2％加入石蜡成型剂，装填至球磨机内，球料比3:1，液固比240ml/kg与无水乙醇混合，湿磨32小时，卸料后料浆经干燥，压制成型后，入烧结炉，先在1390℃的温度下真空烧结，降至室温后，再升温至1500℃，充压至70bar过压烧结。合金产品性能为硬度85.5hra，抗弯强度3050mpa，其金相照片如图2所示：合金平均晶粒度3.8μm。

通过使用，该成品机架，平均单槽过钢量达到700吨/槽。下线后，轧槽表面光洁，无裂纹、掉肉，满足了该高线低温轧制冷镦刚线材的使用要求。

实施例三

应用于低温轧制φ8mm螺纹钢，轧制温度为780℃，轧制速度90m/s，现用成品机架最后一架合金辊环不耐磨，平均单槽过钢量只能达到600吨/槽。依据解决不耐磨和提高作业率的需求，以及辊环的使用工况，根据本发明非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法，制备符合要求的辊环。

根据本发明的非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法，本实施例中的粘结相的总含量为20wt％，余量为硬质相粗、中、细晶粒碳化钨。按比例要求取各原料粉末：钴粉9.8wt％，镍粉9.8wt％，硼0.4wt％，27μm粗晶粒碳化钨粉24wt％，12μm中晶粒碳化钨粉32wt％，7μm细晶粒碳化钨粉24wt％，按配料的重量百分比2％加入石蜡成型剂，装填至球磨机内，球料比3:1，液固比260ml/kg与无水乙醇混合，湿磨34小时，卸料后料浆经干燥，压制成型后，入烧结炉，先在1360℃的温度下真空烧结，降至室温后，再升温至1470℃充压至55bar过压烧结。合金产品性能为硬度84.5hra，抗弯强度3200mpa，其金相照片如图3所示：合金平均晶粒度4.2μm。

通过使用，该成品机架，单槽过钢量稳定在900吨/槽，下线后，检查轧槽表面，无裂纹、掉肉，满足了该高线低温轧制螺纹钢的使用要求。

实施例四

应用于低温轧制φ5.5mm弹簧钢线材，减定径机架出口速度90m/s。由于轧制温度低，减定径机架辊环易出现不耐磨、裂纹等现象。采用国内不同厂家辊环上机轧制，单槽轧过钢量平均为240吨/槽，依据提高过钢量的需求以及辊环的使用工况，根据本发明非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法，制备符合要求的辊环。

根据本发明的非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法，本是实例中粘结相的总含量为17wt％，余量为硬质相粗、中、细晶粒碳化钨。按比例要求取各原料粉末：钴粉8.35wt％，镍粉8.35wt％，硼0.3wt％，25μm粗晶粒碳化钨粉24.5wt％，11μm中晶粒碳化钨粉34wt％，5μm细晶粒碳化钨粉24.5wt％，按配料的重量百分比2％加入石蜡成型剂，装填至球磨机内，球料比3:1，液固比250ml/kg与无水乙醇混合，湿磨33小时，卸料后料浆经干燥，压制成型后，入烧结炉，先在1380℃的温度下真空烧结，降至室温后，再升温至1490℃，充压至65bar过压烧结。合金产品性能为硬度85.0hra，抗弯强度3100mpa，其金相照片如图4所示：合金平均晶粒度4.0μm。

通过使用，该成品机架，平均单槽过钢量达到350吨/槽。下线后，轧槽表面光洁，无裂纹、掉肉，满足了该高线低温轧制弹簧钢线材的使用要求。

实施例五

应用于低温轧制φ7.0mm轴承钢线材，减定径机架出口速度95m/s，入精轧机架温度930℃，入减定径机架温度880℃。由于轧制温度低，减定径机架辊环易出现裂纹、掉肉。采用国内不同厂家辊环上机轧制，单槽轧过钢量平均为270吨/槽，依据解决因单槽过钢量低，影响作业率的需求，以及辊环的使用工况，根据本发明非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法，制备符合要求的辊环。

根据本发明的非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法，本实施例中粘结相的总含量为18wt％，余量为硬质相粗、中、细晶粒碳化钨。按比例要求取各原料粉末：钴粉8.85wt％，镍粉8.85wt％，硼0.3wt％，26μm粗晶粒碳化钨粉23.5wt％，12μm中晶粒碳化钨粉33wt％，6μm细晶粒碳化钨粉23.5wt％，按配料的重量百分比2％加入石蜡成型剂，装填至球磨机内，球料比3:1，固液比250ml/kg与无水乙醇混合，湿磨33小时，卸料后料浆经干燥，压制成型后，入烧结炉，先在1380℃的温度下真空烧结，降至室温后，再升温至1490℃，充压至65bar过压烧结。合金产品性能为硬度84.7hra，抗弯强度3130mpa，其金相照片如图5所示：合金平均晶粒度4.1μm。

通过使用，该成品机架，平均单槽过钢量达到400吨/槽。下线后，轧槽表面光洁，无裂纹、掉肉，满足了该高线低温轧制轴承钢线材的使用要求。

实施例六

应用于轧制10、80级帘线钢，一般辊环上机表现为不耐磨，轧制φ5.5mm规格在300吨左右就得换辊，影响生产作业率。依据提高辊环耐磨性的需求以及辊环的使用工况，根据本发明非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法，制备符合要求的辊环。

根据本发明的非均匀结构硬质合金辊环及其制备方法，本实施例中粘结相的总含量为12wt％，余量为硬质相粗、中、细晶粒碳化钨。按比例要求取各原料粉末：钴粉5.9wt％，镍粉5.9wt％，硼0.2wt％，24μm粗晶粒碳化钨粉18wt％，10μm中晶粒碳化钨粉52wt％，5μm细晶粒碳化钨粉18wt％，按配料的重量百分比2％加入石蜡成型剂，装填至球磨机内，球料比3:1，固液比230ml/kg与无水乙醇混合，湿磨31小时，卸料后料浆经干燥，压制成型后，入烧结炉，先在1400℃的温度下真空烧结，降至室温后，再升温至1510℃，充压至75bar过压烧结。合金产品性能为硬度88.0hra，抗弯强度2950mpa，其金相照片如图6所示：合金平均晶粒度3.6μm。

通过现场使用，平均单槽过钢量为450吨/槽，最高单槽过钢量达到528吨/槽，满足了该高线轧制帘线钢的使用要求。

如表1所示，为本发明实施例一、二和三中的辊环与现有技术中的三种wc-co-ni辊环的性能对比。

表1

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。