轧辊和用于金属平板产品的热轧或冷轧的轧辊的制造方法与流程

本发明涉及一种轧辊和用于金属平板产品的热轧或冷轧的轧辊的制造方法，其中轧辊具有用耐磨层覆层的滚筒区段和两个与滚筒区段共轴定向的辊颈，分别在滚筒区段的其中一个端面上成型一个所述辊颈。

背景技术：

用这种轧辊冷轧或热轧的金属平板产品通常是带材、板材或者由其而得到的由钢或者非铁金属组成的坯料。

实践中,用于金属平板产品的辊压的轧辊一方面由于在辊压过程中产生的辊压力而承受高的动态力并且另一方面在其与辊压物接触的外周面的区域中经受高的磨损。

为了提高在热轧钢带热轧过程中使用的工作辊的使用寿命，DE102009037278A1中建议制造一种在用于由钢组成的热轧钢带的热精轧的机架中使用的工作辊，其设有耐磨层，耐磨层应该由粉末冶金的材料通过热等静压制造，专业领域也简称为“HIP”。EP1365869B1给出了类似的建议，根据这篇文献同样为了提高耐磨性使一种用于热轧的工作辊设有通过HIP方法施加的层。

在这种工作辊的制造过程中，首先通过铸造或者锻造制造由铸铁或者合适的钢组成的基体，该基体包括在使用中与辊压物接触的滚筒区段和在上面成型的支承辊颈，轧辊通过支承辊颈支承在各个轧辊机架中。在此，基体的材料具有与实际使用中产生的力的负载最优地匹配的机械性能。

随后用薄板壳包住这种预制的基体。薄板壳的尺寸这样确定，即，使得在其内周面和滚筒外周面之间形成围绕基体的空腔。该空腔用合金粉末填充。于是，薄板壳气密性地封闭。接下来，通过全面作用的高压和高温进行压实。在此，这样调节压力和温度，即，使得粉末压实和烧结。以这种方式，在基体上产生完全密实的层，其中不只是单个的粉末颗粒互相烧结，而且也与基体一起烧结，从而产生均质的连接体。在热等静压结束后，去掉薄板壳。可以随后进行热学的后续加工，从而对得到的复合轧辊赋予需要的机械性能。同样地，通常进行机械的最后加工，以便确保所需的尺寸精密性。

在现代轧机机组中对加工的轧制材料的宽度的要求越来越高。因此，必须使用越来越长的轧辊，从而能够运行可靠地辊轧更大的宽度。这里的问题证明是，在HIP方法中与这种长的轧辊的涂层相关的费用相当多。这样对于热等静压所需的技术花费伴随着轧辊的长度增加而不成比例地增加。因此，今天使用的HIP设备在长度上受到限制，从而不能够用这些设备再加工出尺寸匹配于轧钢机的运营者当今的要求的轧辊。

WO2014/001024A1中已经建议针对这个问题的方案，对于用于冷轧或热轧金属平板产品的轧辊的制造而言，首先制造只经待制造的轧辊的滚筒区域延伸的基体，随后对该基体通过热等静压覆盖耐磨层并且之后才将用于轧辊在轧辊支架中能够转动地安装所需的辊颈焊接到基体上。通过根据这个建议使辊颈在热等静压后才与基体相连，提供的HIP设备可以在其全部长度上用于滚筒区域的HIP涂层，相反在常规的方法中不仅滚筒区域，而且已经成型到基体的滚筒区域上的辊颈必须安放在HIP设备中。

技术实现要素：

在之前阐述的现有技术的这种背景下，本发明的目的在于给出一种方法，通过该方法能够成本有效地制造适用于金属平板产品的热轧或冷轧的轧辊，该轧辊在长度最大的情况下具有最优的机械性能以及同样优化的耐磨性。

同样地，这种用于金属平板产品的热轧或冷轧的轧辊应该具有这种系列特征。

关于方法，本发明的目的通过在用于冷轧或热轧的轧辊的制造过程中完成权利要求1给出的方法步骤来实现。

关于轧辊，上述目的的根据本发明的方案在于，该轧辊具有权利要求11给出的特征。

本发明的有利的设计方案在从属权利要求中给出并且随后与总体的发明思想一样详细阐述。

因此，根据本发明的方法用于制造用于金属平板产品的热轧或冷轧的轧辊，其中轧辊包括涂覆有耐磨层的滚筒区段和两个与滚筒区段共轴的辊颈，在滚筒区段的其中一个端面上分别成型各一个辊颈。根据本发明，这种轧辊可以以操作可靠的方式并且通过最优的使用可用的设备技术而这样以更大的长度而制成,即，进行以下加工步骤：

a)提供一个基体坯件，在其上设置

-滚筒区段，该滚筒区段具有伸长的圆柱形基本形状并且由基体材料组成，和

-两个辊颈坯件区段，该辊颈坯件区段中的一个分别形成在滚筒区段的其中一个端面上，并且分别具有比滚筒区段更大的直径，其中辊颈坯件区段的材料体积至少等于成品轧辊的对应于各个端面的辊颈的体积；

b)用管状外套包住滚筒区段，其中外套以其对应于辊颈坯件区段的边缘区域密封地连接到辊颈坯件区段的分别与之对应的端面并且在外套和滚筒区段之间形成围绕滚筒区段的空腔；

c)用合金粉末填充空腔；

d)对合金粉末进行热等静压，从而由合金粉末通过压实和烧结形成包围滚筒区段的、材料接合地与滚筒区段连接的耐磨层；

e)从滚筒区段移除外套；

f)将辊颈坯件区段成型成辊颈；

g)将滚筒区段和辊颈精加工。

根据本发明的方法从基体坯件起始，在该基体坯件上不仅构造有滚筒区段，而且还构造有辊颈坯件区段，在另一方法中由辊颈坯件区段成型待制造的轧辊的辊颈。该方法具有关键的优点，即，在成品轧辊中实现了一件式的基体，其中不存在会形成产生裂缝或类似物的起始点的接合区域，热影响区域或类似区域。相反，在根据本发明的方式制造的辊中，辊颈和滚筒区段分别在横截面的整个区域上互相材料接合地连接，各个辊颈和滚筒区段的对应的端面经该区域互相抵靠。此外，在涂覆滚筒区段之后将辊颈坯件区段成型具有以下优点：辊颈在其整个横截面和其整个长度上具有特性曲线，特性曲线使其最佳地适合于吸收在轧辊的运行中发生的力的负载。实践中，各个辊颈坯件区段的成型在此可以通过锻造进行。

不管它们是分别如何产生的，在根据本发明的提供的基体坯件上设置的辊颈坯件区段必须分别具有这样的尺寸，即，其体积至少对应于在成品轧辊中待由其分别形成的辊颈的体积。理想地，在此，辊颈坯件区段的体积分别相对于成品轧辊的体积超过一定的体积，以便具有足够的材料用于机械精加工。

由于辊颈坯件区段的体积分布在比辊颈的体积明显更大的直径上，辊颈坯件区段在轧辊和基体坯件的纵轴方向上观察与待由其形成的辊颈相比具有明显更短的长度。因此，可以以这种方式将在基体坯件中为了辊颈而“节省的”长度添加到滚筒区段。根据本发明以这种方式，可以利用用于热等静压的设备尺寸，从而对用于热轧或冷轧的轧辊的与常规方法相比明显地延长的滚筒区段涂覆用粉末冶金的方式产生的耐磨层。同时，根据本发明生产和得到的轧辊具有最佳的使用性能，因为其基体的滚筒区段和辊颈在制成的状态下形成一个材料单元，而不必焊接或采取其它会导致部件弱化的措施。

根据本发明提出的基体坯件的辊颈坯件区段的直径在此相对于待制造的轧辊或基体坯件的纵轴具有这样的尺寸，即，使得在根据本发明的方法的加工步骤b)中围绕在基体的滚筒区段周围设置的外套以其对应的边缘区域抵靠在辊颈坯件区段的分别与之对应的端面上。以这种方式，护套可能简单的气密性的密封。由于护套通常由板材构成，这可以通过将各个护套边缘区域与各个辊颈区段的对应的端面焊接来实现。

在设置护套之后在护套和基体坯件的滚筒区段之间存在的环绕的空腔现在以合适的合金粉末来填充。通常，为此使用材料编号1.3394或1.3292标准的合金。填充可以以任何合适的方式进行。例如可以考虑，粉末通过穿过外套引导的管子引入到空腔中。当然，也可以设置多个这样的注入管，如果需要，其可以将合金粉末verstrahl以不同的入射角度(eintreffwinkel)对准到空腔中，以保证均匀的填充。还可以考虑，通过穿过其中一个辊颈坯件区段的进料管进行对围绕滚筒区段的空腔的填充。

填充到围绕滚筒区段的空腔中的合金粉末的热等静压可以以已知的方式通过施加例如100-200bar的足够的压力和足够的热供应来进行，通过该热供应，粉末与滚筒区段一起达到最高1500℃的温度。其目的在于，由合金粉末通过压缩和烧结形成包裹滚筒区段的、材料接合地与滚筒区段连接的耐磨层。

在热等静压之后，移除外套，这样暴露了在基体的滚筒区段上形成的耐磨层。

现在，辊颈可以以上面已经阐述的方式由辊颈坯件区段形成。

最后，进行滚筒区段和辊颈的精加工。为此，辊颈或滚筒区段必须经受包括奥氏体化和退火的热处理，以便于调节它们的机械性能，以及通过切削加工方法进行机械加工，以便于满足表面质量和尺寸精度的要求。

通常，这里提到类型的轧辊的基体由钢或铸铁制成。合适于此的材料以材料编号1.2602为标准。

这里也可以考虑，基体坯件及其滚筒区段和辊颈坯件区段通过原型方法(urformverfahren)，特别是铸造法而一件式制造。

同样地，可以首先铸造棒状的铸坯或类似物并且随后通过锻造将其成型为铸坯。这里，滚筒区段和辊颈坯件区段也可以由铸坯一件式形成。

通过本发明所包括的基体坯件的制造的另一种可能性在于，互相分开地制造基体坯件的滚筒区段和辊颈坯件区段，并且随后将它们互相不可拆卸地连接。不可拆卸的连接可以例如通过以下方式实现：辊颈坯件区段和滚筒区段通过卡合在相应的凹口中的销互相连接，从而这两个部分通过在热等静压过程中出现的加热由于固相扩散的互相材料配合的连接。

与如何制造基体坯件无关，通常在热等静压之前进行机械加工，使得产生为了满足待制造的轧辊的尺寸精度的最高要求的最佳条件。

如果在根据本发明的轧辊中，也在辊颈的区域中产生具有特定性能(例如具有增加的耐磨性)的边缘层，这可以通过以下方式实现：基体坯件的滚筒区段在其至少一个端面上分别具有一个辊颈主干并且在相关的端面上这样制造辊颈坯件区段，即，辊颈主干由填充有合金粉末的外套包围，并且围绕辊颈主干的合金粉末通过热等静压压缩和烧结，从而其与辊颈主干材料配合地连接并与辊颈主干一起构成辊颈坯件区段。

原则上，各个辊颈坯件区段可以具有小于滚筒区段的直径的直径。在这种情况下，为了产生辊颈坯件区段，辊颈主干设有由板材构成的封装壳(Einkapselung)，该封装壳模制辊颈坯件区段的形状，并且将滚筒区段的外套相对于该封装密封。然而，如果辊颈的边缘层限制为小的厚度，则辊颈的直径为此可以具有这样的尺寸，即，大于滚筒区段的直径。这种变体具有额外的优点，即，滚筒区段的外套可以相对于辊颈的实心材料密封。

可以调整分别为辊颈主干和滚筒区段的涂层而设置的合金粉末，使得由合金粉末分别在辊颈和滚筒区段的区域中形成的涂层最优地满足提出的要求。为此目的可以合适地使用不同组份的合金粉末用于辊颈和圆筒的涂覆。例如，具有以材料编号1.3344或材料编号1.3394为标准的合金的粉末是合适于辊颈层的形成的合金粉末。

以类似的方式，可以这样形成基体坯件的至少一个辊颈坯件区段，即，基体坯件的滚筒区段在其至少一个端面上具有辊颈主干，并且将环形区段固定到该辊颈主干上，该环形区段与辊颈主干一起形成辊颈坯件区段。

根据本发明的用于冷却或热轧金属平板产品的轧辊具有基体，该基体包括滚筒区段和形成在其端面上的辊颈，该滚筒区段具有通过热等静压制造的耐磨层，因此其特征在于，该辊颈在施加耐磨层之后通过锻造形成并且随后机械精加工。

附图说明

下面，借助示出实施例的附图详细阐述本发明。附图中分别示意性地和不按比例地示出：

图1示出了预锻造的铸坯的立体图；

图2示出了通过由铸坯锻造产生的基体坯件的立体图；

图3示出了在机械切削加工的处理后的基体坯件的立体图；

图4a示出了在用由钢板制成的外套包住其滚筒区段之后的基体的立体图；

图4b示出了根据图4a的基体的末端区域的纵向切开的剖面；

图5a示出了在热等静压后并且在去掉外套后的基体的立体图；

图5b示出了根据图5a的基体的末端区域的纵向切开的剖面；

图6示出了由根据图5a,5b的基体形成的轧辊的立体图；

图7示出了另一个准备热等静压的基体坯件的纵剖面；

图8示出了第三个准备热等静压的基体坯件的纵剖面；

图9示出了第四个准备热等静压的基体坯件的纵剖面；

图10示出了第五个准备热等静压的基体坯件的纵剖面。

具体实施方式

为了制造在图6中示出的根据本发明的轧辊1，首先将以材料编号1.7225标准的组分相应合金的钢熔体浇铸成棒状的铸坯2，该铸坯随后通过锻造以已知的方式成为图1中所示的形状。

接下来，铸坯2同样通过锻造成型为基体坯件3，基体坯件具有哑铃的形状，其铃锤部通过辊颈坯件区段4,5构成，其杆通过滚筒区段6构成，滚筒区段使辊颈坯件区段4,5互相一件式连接(图2)。

在锻造后，基体坯件3进行机械切削加工的处理，其中其这样优化其几何形状，即一方面使滚筒区段6具有用于后续的辊压所需的直径并且另一方面这样确定成型为圆盘形的辊颈坯件区段4,5的尺寸，即在其中聚集的材料体积一定程度地超过后续待由其形成的轧辊1的辊颈7,8的体积(图3)。

下一个加工步骤中，用由钢板制成的外套包住滚筒区段6，该外套形成了与基体坯件3的纵轴L共轴取向的管子。外套9在此在辊颈坯件区段4,5的互相相对的端面10,11之间延伸。其直径dZ一定程度地大于滚筒区段6的直径dB，从而在滚筒区段6的外周面和外套9的内周面之间形成围绕滚筒区段6的空腔12。在此，外套9以其边缘抵靠在辊颈坯件区段4,5的各个相对的端面10,11上，其直径dZ明显地大于外套9的直径dM。在接触点的区域中，外套9的边缘与各个端面10,11密封地焊接(图4a,4b)。

通过在图4a,4b中未示出的输入，将合金粉末M填充到空腔12中，合金粉末的组分对应于材料编号1.3394标准的合金。

随后，将基体坯件3放到用于热等静压的设备中，在该设备中，在空腔12中存在的合金粉末M在大约100Mpa的压力和900℃-1200℃范围内的温度下压实并且烧结成密实的层13，该层由于固相扩散与基体坯件3的滚筒区段6材料配合地连接。在热等静压结束后，将外套9与基体坯件3分开。在此，产生了环形的缝隙14，层13通过缝隙与辊颈坯件区段4,5分开(图5a,5b)。

下一加工步骤中，将辊颈坯件区段4,5以已知的方式重新锻造成轧辊1的辊颈7,8。接下来，将其机械地最后加工并且如果需要调整其机械性能则对其进行热处理。

因此，完成的轧辊1相应具有基体，其中辊颈7,8和滚筒区段6由原材料一件式形成，其中在粉末冶金的方式进行的涂覆耐磨层13之后才通过锻造和之后的精加工形成辊颈7,8。

图7到10示出了准备热等静压的基体坯件3a,3b,3c,3d的多种变体。

图7中所示的变体中，辊颈坯件区段4,5的各个体积V用公式V＝dZ²(π/4)lZ来确定，从而加工附加费对应于分别要由辊颈坯件区段4,5中的一个成型的轧辊1的辊颈7,8的体积。在此，用lZ表示圆柱坯区段4,5的纵轴L方向上测量的长度，相反dZ表示从加工角度和考虑到可用的HIP设备而言的辊颈坯件区段4,5的最大可能的外径。滚筒长度lB和滚筒直径dB同样考虑HIP设备的尺寸和客户的规定参数而设计。在以之前所述的方式制造具有相应尺寸的基体坯件3后，用由钢板组成的外套9将其包住，考虑到堆积密度和合金粉末M的收缩这样设计其直径dM，即，使得在HIP工艺后，得到轧辊1的完成涂层的滚筒区段6的所需的直径dBf。钢板互相气密性地焊接，检测气密性，通过一个穿过外套9或者穿过其中一个圆柱坯区段4,5而引导的通入由外套9包围的空腔12中的注入管15用粉末填充、抽真空和封闭。该基体坯件3放到HIP设备中并且粉末通过压力、温度和保持时间的结合具有100％的密度。在HIP工艺之后，辊颈坯件区段4,5通过自由成型锻造具有期望的辊颈长度，而不会影响滚筒6。接下来，对辊颈7,8进行磨削加工、硬化和在需要的位置上再次后续打磨。

在图8所示的基体坯件3b中，辊颈坯件区段4,5的体积如之前所述的方式确定。然而在此，围绕滚筒区段6的凹槽16插入到辊颈坯件区段4,5的对应于滚筒区段6的端面10,11中，外套9插入该凹槽中。在基体坯件3b中，圆柱坯区段4,5的体积和滚筒区段6的体积因此与凹槽16的深度重叠。这允许了滚筒区段6的进一步有效延长或者圆柱坯区段4,5的直径dZ的减小。除此之外，基体坯件3b进行与之前阐述基体坯件3a一样的加工步骤。

在图9所示的基体坯件3c中，辊颈坯件区段4,5和滚筒区段6在分开的加工步骤中作为单个部件预制。辊颈坯件区段4,5在此在其对应于滚筒区段6的端面10,11上分别具有设置在中间的突出部17a,17b，其伸入在成型到滚筒区段6的对应的端面中的、相应地构造的凹口18,19中。突出部和凹口之间的缝隙在此为0.1-0.5mm。在圆柱坯区段4,5和滚筒区段6组合成基体坯件3c之后，以之前阐述的方式用外套9包住滚筒区段6。接下来以同样之前已经阐述的方式进行热等静压。在此，不只是在滚筒区段6上形成耐磨层13，而是同时也使圆柱坯区段4,5和滚筒区段6在互相紧贴的面的区域中，特别是在突出部17a,17b的区域中通过固相扩散互相连接。在HIP工艺之后，基体坯件3c也进行之前已经阐述的加工步骤，从而将其完全成型为轧辊。

最后，图10中所示的变体说明了，圆柱坯区段4,5也能够这样形成，即在基体坯件3d中在滚筒区段6上成型辊颈主干20,21，其中一个辊颈主干20具有比滚筒区段6更小的直径dS’，相反辊颈主干21具有大于滚筒区段6的直径dB的直径dS”。然而，辊颈主干20,21都不具有足够由其形成待制造的轧辊1的辊颈7,8的材料体积。环22,23分别推到辊颈主干20,21上，其外径的尺寸还是以对应于上面描述的方式计算的圆柱坯区段4,5的所需的直径dZ来设定。可以通过收缩确保环22,23固定地保持在各个对应的辊颈主干20,21上。替换性或者补充性地，也可以设置形状配合的连接，例如以螺纹的方式或者以榫槽连接的方式。

为了确保环22,23和辊颈主干20,21在最后的锻造变形过程中可靠地材料接合地互相连接，可以用钢壳气密性地包围基体坯件3d并且通过抽真空管经过至少4个小时进行抽真空。随后由抽真空管进行气密性的压缩和将坯件重新锻造成待制造的轧辊1。以这种方式防止了在辊颈主干20,21和环22,23的接合缝隙中存在氧化物，而氧气会妨碍材料配合的连接。

附图标记说明

1 轧辊

2 铸坯

3,3a,3b,3c,3d 基体坯件

4,5 辊颈坯件区段

6 滚筒区段

7,8 轧辊1的辊颈

9 外套

10,11 辊颈坯件区段4,5的端面

12 环形的空腔

13 耐磨层

14 环形的缝隙

15 注入管

16 环形的凹槽

17a,17b 突出部

18,19 凹口

20,21 辊颈主干

22,23 环

dB 滚筒区段6的直径

dBf 完成涂层的滚筒区段的直径

dM 外套9的直径

dS',dS” 辊颈主干20,21的直径

dZ 辊颈坯件区段4,5的直径

L 基体坯件的纵轴

lZ 圆柱坯区段4,5的长度

M 合金粉末