双金属辊套的复合工艺、双金属复合辊套以及轧辊的制作方法

本发明涉及铸轧轧辊技术领域，特别涉及一种双金属辊套的复合工艺，以及使用该双金属辊套的复合工艺的双金属复合辊套，以及包括该双金属复合辊套的轧辊。

背景技术

近几十年来,国内外钢铁界一直围绕节省能源、提高生产效率、改进产品质量来开发新技术,以达到长期且持续地节省能源提高质量的目的。钢铁铸轧技术作为直接浇铸出形状、尺寸及质量尽可能接近最终产品的近终形铸造技术，是一个多世纪以来冶金及材料学家梦寐以求的目标。

20世纪50年代开始美国、日本、德国、法国、韩国、中国等国家相继组织力量开展了双辊铸轧钢铁薄带工艺的实验与理论的研究。到20世纪年90代初期,由于钢铁工业市场竞争激烈,于是在世界范围内掀起了一场带钢铸轧技术的实验研究的高潮。基于薄带铸轧技术的优越性,在过去的二十年间,世界范围内用于开发铸轧技术的投资总额约为一亿美元,约占每年用于钢铁工业的科技开发投资的1～2％。这一技术的工业化应用必将对冶金工业产生重大影响,对冶金工业的进步起到革命性的推动作用。目前,国际上广泛采用这项技术生产细晶均质的薄带,品种主要集中在不锈钢和普碳钢上。

轧钢机是轧钢生产的重要设备，能够使钢材在旋转的轧辊间依靠轧制压力作用而发生塑性变形，轧辊是轧钢机中的重要部件，轧辊有整体轧辊与组合轧辊之分，组合轧辊由辊套和辊轴组成，辊套采用高速钢等合金材料制作，硬度高且耐磨，辊轴为球铁和低合金材料，高强度且韧性好，辊轴可循环使用，因此组合轧辊具有更高的过钢量和更低的使用成本，广泛应用在精轧机组中。辊套嵌套在辊轴的外部，并由辊轴带动直接与钢材接触，使钢材产生塑性变形。辊套在轧制钢材时需要承受较大的轧制力以及辊轴传递的扭矩，易造成辊套破裂，极大影响轧辊的使用寿命和钢材的质量，因此，加强辊套的耐磨性、强度及韧性是提高轧辊性能的重要措施。

现有制造辊套的材质中，没有单一材质能够兼具高耐磨性、高强度以及高韧性等辊套所需的全部特性，目前，制造辊套的发展方向是将两种不同性能的金属材料复合形成复合辊套，其与钢材直接接触的外表面为具有良好耐磨性和高硬度的耐磨材料,与辊芯接触的内表面为具有良好韧性的韧性材料。

但是，由于复合辊套两个复合层材质的热物理性能差异较大，采用传统铸造工艺制造时，两个复合层的结合处易出现气孔、夹渣、疏松和分层等缺陷，降低复合层的强度以及复合效果，使复合轧辊套在承担高强度和长时间的轧制工作时，发生松动甚至断裂。

鉴于此，克服上述现有辊套复合时在结合面处易出现气孔、夹渣等方面的缺陷，发明一种复合辊套的制造工艺，以解决双金属复合辊套制造时结合面出现气孔、夹渣以及易分层等问题，是本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种双金属辊套的复合工艺，以及一种双金属复合辊套和具有该双金属复合辊套的轧辊，该复合工艺以降低在双金属界面处出现气孔、夹渣等现象的几率，提高双金属复合辊套的整体性和工作性能以及使用寿命，以及提高轧辊的工作性能。为了解决上述问题，本发明提供的一种双金属辊套的复合工艺，其技术方案如下：

本发明的一种双金属辊套的复合工艺，该双金属辊套包括外套、内套和中间过渡层，所述外套、所述中间过渡层以及所述内套从外至内依次套装而形成整体，所述复合工艺包括以下步骤：

步骤一，按照预定尺寸加工好所述外套、所述内套和所述中间过渡层，将所述内套的第一端用第一封口端盖焊接封口，用塑料容器盛装一定量蒸馏水放置于所述内套内，再用第二封口端盖对所述内套的第二端焊接封口。

步骤二，将所述中间过渡层以及所述外套依次套装在所述内套上，然后将套装好的双金属辊套放入真空加热炉内进行热处理，缓慢升温至1070℃-1120℃后保温2-4小时，出炉风冷或者雾冷至自然温度。

步骤三，反复将所述双金属辊套放入加热炉内回火2-3次，回火温度为500℃-600℃，回火后出炉冷却，锯掉两端的所述第一封口端盖和所述第二封口端盖，即得到复合好的所述双金属辊套。

本发明的双金属辊套的复合工艺，与现有技术中的双金属辊套的复合工艺相比，在内套内密封有一定量的蒸馏水，这样当双金属辊套放入真空炉内加热时，内套内的蒸馏水会随着温度的升高而汽化，由于是密封空腔，随着温度进一步升高，空腔内的气体膨胀而使得压强会越来越大。从而，高膨胀的压缩气体会对内套内壁形成向外的张力，进而使内套连同中间过渡层一起向外套形成压力，这样在高温和高压力的作用下，中间过渡层在熔融后向外套和内套扩散，并渗入进外套和内套，使得三者形成牢固结合的整体。且，气体膨胀而形成的由内至外的压力，使得在中间过渡层熔融时把可能形成的气泡、夹渣等挤出内外套之间。

作为本发明上述双金属辊套的复合工艺的改进，所述外套为高硬高耐磨性的合金钢管，厚度为40mm-60mm；所述中间过渡层为紫铜管或者紫铜片，厚度为0.1mm-0.3mm；所述内套为低碳钢无缝管，厚度为15mm-25mm。这样，作为中间过渡层的紫铜管或者紫铜片在高温熔融后，挤压渗透进内套和外套层内，将内套和外套紧密地结合在一起，形成整体性进一步提高的双金属复合辊套。

作为本发明上述双金属辊套的复合工艺的进一步的改进，在步骤一中，按照预定尺寸加工所述外套的内孔，所述外套内孔表面粗糙度在ra3.2以上；按照预定尺寸加工所述内套的外圆，所述内套外圆表面粗糙度在ra6.3以上。

进一步地，所述第一封口端盖和所述第二封口端盖的厚度为30mm-50mm，在步骤一中，采用倒坡口方式焊接所述第一封口端盖和所述第二封口端盖，倒坡口的焊接深度为大于或者等于30mm。

进一步地，步骤一中，所述塑料容器内蒸馏水的盛装量按照蒸馏水汽化后所述内套内空间总压强为1-2mpa计算。经过多次的实践验证，将内套内空间总压强设计为1-2mpa，这样既能够在双金属辊套加热过程中形成由内往外的压强，促使内外套的熔合，同时又不会由于压强过高而使内外套在轴向方向上变形。

其中，塑料容器内蒸馏水的盛装量计算方法是：

设内套内原始气体升高后的压强为p1，温度升高后蒸馏水汽化产生的压强为p2，温度升高后内套内的总压强为p，则p＝p1+p2。内套内腔空间的体积为v，初始温度为t0，升高后的温度t1。

根据理想气体状态方程pv＝nrt，温度升高后因内套内为密闭的空间，其容积v不变，内套内原始气体升高后的压强p1只与升高后的温度t1和初始温度t0有关，升温后原始气体的压强p1/t1＝p0/t0，其中，p0为标准大气压1.01325×10⁵pa＝0.1mpa，则p1＝p0t1/t0。

蒸馏水汽化后产生的压强根据理想气体状态方程pv＝nrt，则p2＝nrt1/v，水的摩尔质量n＝p2v/rt1,则蒸馏水的质量为m＝18n，其中m的单位克。蒸馏水的质量为m＝18n＝18p2v/rt1＝(p-p1)v/rt1＝(p-p0t1/t0)v/rt1。其中，r为常数：8314帕·升/摩尔·k。

本发明还提供一种双金属复合辊套，该双金属复合辊套是使用上述的双金属辊套的复合工艺制作而成的。该双金属复合辊套包括外套、内套和中间过渡层，所述外套、所述中间过渡层以及所述内套从外至内依次套装而形成整体。

本发明再提供一种轧辊，该轧辊包括上述的双金属复合辊套。

本发明提供的钢筋连铸连轧系统的有益效果是：

通过在内套内密封有一定量的蒸馏水，这样当双金属辊套放入真空炉内加热时，内套内的蒸馏水会随着温度的升高而汽化，由于是密封空腔，随着温度进一步升高，空腔内的气体膨胀而使得压强会越来越大。从而，高膨胀的压缩气体会对内套内壁形成向外的张力，进而使内套连同中间过渡层一起向外套形成压力，这样在高温和高压力的作用下，中间过渡层在熔融后向外套和内套扩散，并渗入进外套和内套，使得三者形成牢固结合的整体。且，气体膨胀而形成的由内至外的压力，使得在中间过渡层熔融时把可能形成的气泡、夹渣等挤出内外套之间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例双金属辊套的复合时的纵截面结构示意图；

图2是本发明第四实施例制造好的双金属复合辊套的纵截面结构示意图。

图中标记如下：

1-外套；2-内套；21-第一封口端盖；22-第二封口端盖；3-中间过渡层；4-塑料容器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例一

请参考图1，本实施例的一种双金属辊套的复合工艺，该双金属辊套包括外套1、内套2和中间过渡层3，外套1、中间过渡层3以及内套2从外至内依次套装而形成整体，该复合工艺包括以下步骤：

步骤一，按照预定尺寸加工好外套1、内套2和中间过渡层3，将内套2的第一端用第一封口端盖21焊接封口，用塑料容器4盛装一定量蒸馏水放置于内套2内，再用第二封口端盖22对内套2的第二端焊接封口。

步骤二，将中间过渡层3以及外套1依次套装在内套2上，然后将套装好的双金属辊套放入真空加热炉内进行热处理，缓慢升温至1070℃-1120℃后保温2-4小时，出炉风冷或者雾冷至自然温度。

步骤三，反复将双金属辊套放入加热炉内回火2-3次，回火温度为500℃-600℃，回火后出炉冷却，锯掉两端的第一封口端盖21和第二封口端盖22，即得到复合好的双金属辊套。

作为主要优选的实施方式，外套1为高硬高耐磨性的合金钢管，厚度为40mm-60mm；中间过渡层3为紫铜管或者紫铜片，厚度为0.1mm-0.3mm；内套2为低碳钢无缝管，厚度为15mm-25mm。

在步骤一中，按照预定尺寸加工外套1的内孔，外套1内孔表面粗糙度在ra3.2以上；按照预定尺寸加工内套2的外圆，内套2外圆表面粗糙度在ra6.3以上。

第一封口端盖21和第二封口端盖22的厚度为30mm-50mm，在步骤一中，采用倒坡口方式焊接第一封口端盖21和第二封口端盖22，倒坡口的焊接深度为大于或者等于30mm。

步骤一中，塑料容器4内蒸馏水的盛装量按照蒸馏水汽化后内套2内空间总压强为1-2mpa计算。其中，塑料容器内蒸馏水的盛装量计算方法是：

设内套内原始气体升高后的压强为p1，温度升高后蒸馏水汽化产生的压强为p2，温度升高后内套内的总压强为p，则p＝p1+p2。内套内腔空间的体积为v，初始温度为t0，升高后的温度t1。

根据理想气体状态方程pv＝nrt，温度升高后因内套内为密闭的空间，其容积v不变，内套内原始气体升高后的压强p1只与升高后的温度t1和初始温度t0有关，升温后原始气体的压强p1/t1＝p0/t0，其中，p0为标准大气压1.01325×10⁵pa＝0.1mpa，则p1＝p0t1/t0。

蒸馏水汽化后产生的压强根据理想气体状态方程pv＝nrt，则p2＝nrt1/v，水的摩尔质量n＝p2v/rt1,则蒸馏水的质量为m＝18n，其中m的单位克。蒸馏水的质量为m＝18n＝18p2v/rt1＝(p-p1)v/rt1＝(p-p0t1/t0)v/rt1。其中，r为常数：8314帕·升/摩尔·k。

作为可替代的实施方式，也可以用高压气体代替蒸馏水，记载焊接密封第二封口端盖22之前，使用高压气泵对内套2内空间充入一定量的气体，最好是惰性气体，气体的充入量同样是以升温后内套2内空间总压强为1-2mpa为准。

实施例二

请参考图1，本实施例的一种双金属辊套的复合工艺，该双金属辊套包括外套1、中间过渡层3和内套2。外套1为高硬度高耐磨性的高合金钢，外径ф390mm、长度650mm、厚度为65mm；中间过渡层3采用紫铜，厚度为0.3mm；内套2为普通低碳钢无缝管，20^#无缝管，外径ф270mm、长度900mm、厚度25mm。

对外套1内孔进行加工，内径ф270mm，内孔表面粗糙度ra3.2。

对内套2外圆进行加工，外圆尺寸ф268mm，内孔内径为ф220mm，表面粗糙度ra3.2。

对内套2的第一端进行焊接封口，第一封口端盖21厚度50mm，焊缝倒坡口，坡口深度35mm，焊接方式采用氩弧焊。

在内套2内部用塑料容器4装蒸馏水，控制工件升温后内套2内筒内的总压强为1.5mpa。水的摩尔质量n＝p2v/rt1＝(p-p1)v/rt1＝(p-p0t1/t0)v/rt1，式中p为设计总压强1.5mpa＝1500000pa，p0为标准大气压1.01325×10⁵pa，t1工件升高后的保温温度1100℃＝(1100+273)k，t0为初始温度(25+273)k，v内套内孔密封的体积v＝ωd2l/4＝3.14*2.2*2.2*(9-2*0.5)/4＝30.3952dm³＝30.3952l，r为常数8314帕·升/摩尔·k。

n＝(1500000-101325*1373/298)*30.3952/8314/1373＝2.75mol

水的质量m＝2.75mol*18g/mol＝49.52g。

对内套2的第二端进行焊接封口，第二封口端盖22厚度50mm，焊缝倒坡口，坡口深度35mm，焊接方式采用氩弧焊。

将内套2与外套1套装，中间放入0.3mm紫铜片。

将套装好的复合辊套一起吊入真空加热炉内进行热处理，缓慢升温到1100c保温4小时；

出炉风冷或雾冷淬火。

根据工艺要求将复合好的辊套入炉回火2-3次，第一次回火温度为560℃，第二次回火温度520℃；

上锯床锯掉第一封口端盖21和第二封口端盖22，即得到复合好的双金属辊套。

实施例三

请参考图1，本发明实施例提供的一种双金属辊套的复合工艺，该双金属辊套包括外套1、中间过渡层3和内套2。外套1为高硬度高耐磨性的高合金钢，外径ф370mm,长度700mm,厚度为50mm；中间过渡层3采用紫铜，厚度为0.25mm；内套2为普通低碳钢无缝管，20^#无缝管，外径ф270mm,长度900mm,厚度20mm。

对外套1内孔进行加工，内径ф270mm,内孔表面粗糙度ra3.2；

对内套2外圆进行加工，外圆尺寸ф268.1mm，内孔内径为ф220mm表面粗糙度在ra1.6；

对内套2的第一端进行焊接封口，第一封口端盖21厚度40mm,焊缝倒坡口，坡口深度30mm，焊接方式采用氩弧焊；

在内套内部用塑料瓶子装蒸馏水，控制工件升温后内套内筒内的总压强为1.3mpa。水的摩尔质量n＝p2v/rt1＝(p-p1)v/rt1＝(p-p0t1/t0)v/rt1，式中p为设计总压强1.5mpa＝1500000pa，p0为标准大气压1.01325×10⁵pa，t1工件升高后的保温温度1080℃＝(1080+273)k，t0为初始温度(20+273)k，v内套内孔密封的体积v＝ωd2l/4＝3.14*2.2*2.2*(9-2*0.4)/4＝30.3952dm³＝31.15l，r为常数8314帕·升/摩尔·k。

n＝(1300000-101325*1353/293)*31.15/8314/1353＝2.30mol

水的质量m＝2.30mol*18g/mol＝41.1g。

对内套第二端进行焊接封口，第二封口端盖22厚度40mm,焊缝倒坡口，坡口深度30mm，焊接方式采用氩弧焊；

将内套2和外套1套装，中间过渡层3为0.25mm紫铜片。

将套装好的复合辊套一起吊入真空加热炉内进行热处理，缓慢升温到1080c保温3小时；

出炉风冷或雾冷淬火；

根据工艺要求将复合好的辊套入炉回火2-3次，第一次回火温度为550℃，第二次回火温度530℃；

上锯床锯掉第一封口端盖21和第二封口端盖22，即得到复合好的双金属辊套。

实施例四

请参考图2，本实施例的一种双金属复合辊套，该双金属复合辊套是使用如实施例一至三所描述的双金属辊套的复合工艺制作而成的。

实施例五

本实施例的一种轧辊，该轧辊包括实施例四所述的双金属复合辊套。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。