专利名称：超硬合金复合轧辊及使用它的热轧钢方法
技术领域：
本发明涉及由超硬合金外辊套、钢制内辊套和钢制芯轴构成的超硬合金复合轧辊。本发明还涉及使用超硬合金轧辊的热轧钢方法。尤其是，本发明涉及利用粗轧机和精轧机的热轧钢方法。
(1)耐磨性和耐龟裂性难磨损且难出现龟裂和凹坑。
(2)耐糙面性很难在轧件上产生粗糙表面。
(3)热凸度(辊身因热膨胀而鼓凸的现象)小。
在常用的钢系轧辊中，上述耐磨性、耐糙面性等性能不够好。此外，钢系轧辊存在着热凸度大且轧件的尺寸和形状精度改善有限的缺点。
例如在专利申请公开号平10-5825中，作为耐磨性、耐糙面性等性能优异的轧辊地公开了一种如
图11(a)、图11(b)所示的超硬合金复合轧辊，它是通过把由超硬合金外层11和钢制内层2构成的辊套嵌套固定在钢制芯轴3上而形成的。
专利申请公开号平10-5825所述轧辊的在垂直于转轴的截面上的外层11的截面面积与内层2的截面面积之比在0.7以下，在外层圆周方向上保持100兆帕以上的压应力。由此一来，抑制了在由对冲击和拉应力弱的超硬合金构成的外层上产生龟裂。
在专利申请公开号平10-5825所述的轧辊中，由于外层11的截面面积S0与内层2的截面面积之比Si在0.7以下，所以，辊套外层11的厚度比内层2的厚度小。由于轧辊重磨量少，所以存在着在达到报废辊径前的轧辊使用寿命短的问题。
为了制造具有专利申请公开号平10-5825所述结构的粗长轧辊，必须制造出由超硬合金制成的且成一体的长长的外层辊套11。超硬合金辊套是通过烧结超硬材料混合粉末而成的。由于在烧结过程中体积缩小了50％左右，所以，在烧结一体辊套的过程中，尺寸变化量变得很大。由于烧结过程的收缩率存在误差，所以，工人们通常使烧结后的辊套尺寸大于目标尺寸地制造辊套并随后通过研磨而精加工到目标尺寸。因此，例如当通过烧结形成外径为600毫米且长520毫米以上的并由超硬合金制成的粗长的一体外层11时，辊套外层11的研磨量增加，在增加研磨量的同时，存在着超硬合金的成品率(辊套外层重量/填充于成形体中的超硬材料混合粉末的重量)降低的问题。
均匀烧结制成由超硬合金制成的长辊套11是很困难的。在辊套内易于残留有微小空洞，当把这样的辊套用于轧制时，在烧结时产生的微小空洞就发展成龟裂，所以，存在着在辊套外层11上产生裂纹的问题。
在专利申请公开号10-263627中，为了消除上述问题，提出了大幅度减小烧结后的尺寸变化并可以制造出粗长轧辊的如图12(a)、图12(b)所示的超硬合金复合轧辊。
专利申请公开号10-263627所述的轧辊是这样的轧辊，把使多个由超硬合金制成的预烧结的圆筒成形体成一体而成的辊套7嵌套固定在钢制芯轴3上。经过预先暂时烧结处理等的多个圆筒成形体通过正式烧结过程和HIP(热静压)处理等而成为一体。与过去的辊套11相比，辊套7短并因此能够大幅度减小尺寸变化。
不过，在如图12(a)、图12(b)所示的超硬合金复合轧辊中，当嵌套时，从把成形体连成一体的接合部7A起产生了裂纹。当辊套7被嵌套固定在钢制芯轴3上时，当按照热装法(加热辊套7来嵌套)和冷装法(冷却钢制芯轴3来嵌套)或同时采用热装法和冷装法(加热辊套7并冷却钢制芯轴3来嵌套)进行嵌套时，通过使温度低的钢制芯轴3热膨胀，在辊套7上，在圆周方向和轴向上都产生了拉应力。当利用这种拉应力进行嵌套时，存在着从把成形体连成一体的接合部7A起产生裂纹的场合。此外，例如即便在嵌套时不产生裂纹，在把辊套7嵌套固定在钢制芯轴3上后，由于在辊套7上也残留有拉应力，所以在轧制中产生了龟裂，或者从接合部7a起产生裂纹。
通常，在钢板热轧中，钢坯在加热炉中如被加热到1100℃左右并在一到三架可逆式粗轧机中轧制多道，随后，在七架左右的串列式精轧机中进行精轧，从而制成钢板。钢辊被用作轧机的工作辊。
在粗轧中，由于承受着轧制反作用力(轧制负荷)、热应力、伴随轧制异常的过高应力等，工作辊表面容易产生龟裂，当出现龟裂时，轧辊研磨量增加，轧辊表面恶化，甚至在龟裂大的情况下，也存在轧辊裂断的问题。
在精轧中，工作辊胶着于钢板上，轧辊表面变得粗糙，当仍然继续轧制时，轧辊表面的粗糙度被转移到轧件表面上，轧件表面变得凹凹凸凸。同时，轧件的部分氧化膜被压入表面中，产生了在下个酸洗工序中未除去该氧化膜而残留的且被称为“麻面”的表面缺陷。
此外，在精轧中，与粗轧相比，因轧制温度低，所以钢变形阻力大，轧辊表面压力高。此外，由于在钢板表面上产生了较硬的氧化皮，所以，轧辊易磨损。由于更频繁地研磨轧辊，所以，存在着成本提高的问题。
在专利申请公开号平9-78186中，作为耐热龟裂性和耐磨性出色的热轧轧辊地提出了一种限制外辊壳层的组成、硬度和残留压应力的高碳低合金高强钢轧辊。不过，虽然专利申请公开号平9-78186所述的轧辊被用作粗轧机的工作辊，但也不能充分抑制上述胶着和龟裂。虽然这种轧辊被用作精轧机的工作辊，但也不能充分抑制上述胶着和龟裂。
在专利申请公开号10-5825中提出了这样的超硬合金复合轧辊，即它具有内层是钢制的而外层是超硬合金制的内外双层辊套并且限制了复合轧辊的外层/内层的截面面积之比。在专利申请公开号10-5825所述的轧辊也被认为是能够有效抑制上述胶着和龟裂的轧辊。但是，由于该复合轧辊是这样制成的，即在烧结外层的超硬合金混合粉末的同时，使外层扩散复合到内层上，所以，很难在符合象热粗轧机工作辊这样的粗长(例如外径1300毫米×轧制部辊身长度2000毫米)轧辊的尺寸范围内精确地且可操作性优良地进行制造，它不能适用于粗轧机和精轧机的工作辊。
在专利申请公开号11-319916中提出了这样的方法，即为了不使粗轧机的工作辊产生胶着和龟裂，一边供应轧制油，一边进行轧制。但是，在粗轧机中设置轧制油供应装置提高了成本。
如上所述，无法解决在粗轧机中的工作辊的胶着、龟裂及在精轧机中的工作辊的胶着、过早磨损、产品麻面的问题。
本发明的第一目的是消除过去的超硬合金复合轧辊的上述问题。就是说，(1)即便轧辊粗长，也能够成品率高、有效且无裂纹地进行制造。(2)提供一种即便用在串列式冷轧、热粗轧、热精轧、厚板轧制、型钢轧制等各种轧制中也没有裂纹的粗长超硬合金复合轧辊。(3)提供一种轧件的尺寸和形状的控制精度高、可进行稳定轧制的粗长超硬合金复合轧辊。
本发明的第二目的是提供一种在热轧钢的过程中不产生轧辊的胶着、龟裂、磨损的轧制方法。
根据本发明，在这样一种超硬合金复合轧辊中，即它是通过把这样构成的辊套嵌套固定在钢制芯轴上而形成的，即所述辊套由使多个预烧结的圆筒形成形体成一体而成的超硬合金外层、在该外层上形成的钢材制成的内层构成，其中该辊套长度为520毫米以上至6000毫米以下。
在上述超硬合金复合轧辊中，所述成形体的数量为5个以上至30个以下。
此外，还设定了限定垂直于转轴的截面的辊套外层的截面面积与内层的截面面积之比。超硬合金外层的厚度增大，钢制内层的厚度减薄，由此一来，在制造过程的嵌套和轧制时防止了辊套开裂。
即，本发明是这样一种超硬合金复合轧辊，即它是通过把这样构成的辊套嵌套固定在钢制芯轴上而形成的，即所述辊套由使多个圆筒形预烧结成形体成一体而成的超硬合金外层、在该外层上形成的钢材制成的内层构成，其中垂直于转轴的辊套截面的该外层的截面面积S0与该内层的截面面积Si之比S0/Si为0.3-20。
在本发明中，该外层的截面面积S0与该内层的截面面积Si之比S0/Si最好是0.8-15。
上述超硬合金复合轧辊的外径为150毫米以上至800毫米以下并且被用作串列式冷轧机的工作辊，或者所述轧辊的外径为500毫米以上至1500毫米以下并且被用作热粗轧机的工作辊，或者，所述轧辊的外径为400毫米以上至1400毫米以下并且被用作热精轧机的工作辊，或者，所述轧辊的外径为500毫米以上至1500毫米以下并且被用作厚板轧机的工作辊，或者，所述轧辊的外径为600毫米以上至2000毫米以下并且最好被用作型钢轧机的工作辊。
本发明是这样一种热轧钢方法，即在进行热轧钢时，轧制部表面由超硬合金构成的轧辊被用作粗轧机中的至少一架轧机的工作辊。
本发明是这样一种热轧钢方法，即在进行热轧钢时，轧制部表面由超硬合金构成的轧辊被用作精轧机中的至少一架轧机的工作辊。
在本发明中，所述轧辊由超硬合金构成的外层辊套、由钢制成的内层辊套以及钢制芯轴构成。所述外层辊套最好是通过在辊轴方向上一体接合多个超硬合金成形体而形成的。
图面简介图1是本发明的超硬合金复合轧辊在转轴方向上的截面示意图。
图2是本发明的超硬合金复合轧辊在垂直于转轴的方向上的截面示意图。
图3是表示本发明所用辊套的制造过程的斜视图。
图4是表示本发明所用辊套的制造过程的截面图。
图5是表示本发明所用辊套的制造过程的截面图。
图6是表示本发明的成形体数量和超硬合金成品率之间关系的曲线图。
图7是表示本发明的成形体数量和辊套外层开裂发生率之间关系的曲线图。
图8是表示传统例的成形体数量和辊套开裂发生率之间关系的曲线图。
图9是表示辊套截面面积和辊套开裂发生率之间关系的曲线图，在截面面积比大的范围内。
图10是表示辊套截面面积和辊套开裂发生率之间关系的曲线图，在截面面积比小的范围内。
图11(a)是表示传统的超硬合金复合轧辊在转轴方向上的截面示意图。
图11(b)是表示传统的超硬合金复合轧辊在垂直于转轴的方向上的截面示意图。
图12(a)是表示另一个传统的超硬合金复合轧辊在转轴方向上的截面示意图。
图12(b)是表示另一个传统的超硬合金复合轧辊在垂直于转轴的方向上的截面示意图。
图13是表示适于实施本发明的轧辊例子的截面模式图。
图14是表示适于实施本发明的热轧生产线例子的布置图。
具体的实施形式图1是本发明超硬合金复合轧辊在转轴方向上的截面示意图，图2是本发明超硬合金复合轧辊在垂直于转轴的方向上的截面示意图。在图1、图2中，1是外层，2是内层，3是芯轴，1A是将预烧结成形体连成一体的接合部。接合部所在位置不用说从外观上看不出来，就是用超声波探伤等方法也检测不出来。本发明的超硬合金复合轧辊是通过把这样的辊套嵌套固定在钢制芯轴上而形成的，即把超硬合金外层1和扩散复合到外层1内面上的钢制内层2接合而构成了辊套。由于两端装有轴承，所以钢制芯轴3比辊套长。辊套被嵌套固定在钢制芯轴3长度方向的中央部上。在图1中，超硬合金外层1和被扩散复合到外层1内面上的钢制内层2的长度被制成是一样的，在辊套两端上安装着钢制辊环4。
在本发明中，在使预烧结的多个圆筒形成形体成一体地构成的超硬合金外层1的内面上扩散复合钢制内层2，从而形成了辊套，其特征在于，辊套长度为520毫米以上至6000毫米以下。辊套的特点是，在如图2所示的垂直于转轴的截面上，外层的截面面积S0与内层的截面面积Si之比S0/Si为0.3-20。
外层1的超硬合金是通过烧结在WC、TaC、TiC等超硬材料粉末中添加5％-50％(质量百分比)的Co、Ni、Cr、Ti等金属粉末中的一种或两种以上粉末而成的超硬材料混合粉末而成的。作为超硬材料混合粉末，优选在WC中混合5％-50％(质量百分比)的Co粉末而成的粉末，因为其耐磨性、耐麻面性等出色并且韧性高。这种超硬合金的热膨胀率(线膨胀系数)与过去的被称为低合金高强钢、半低合金高强钢的材料相比约小了一半。由于硬度小，因轧制时所受负荷而被压扁的程度于过去的由所谓低合金高强钢、半低合金高强钢材料制成的轧辊相比要小。轧辊和轧件的接触弧长缩短，伴随轧制时的轧辊转动的接触时间也缩短。因此，向轧辊中传热减少，由于热膨胀率也小，所以存在着热凸度缩小的优点。如果热凸度的绝对值缩小，则利于轧件的尺寸和形状控制精度的提高。作为内层2的钢材，最好采用铸钢、锻钢、石墨铸钢、碳素钢机合金碳素钢之一。芯轴3例如能够通过对铬钢、铬钼钢、高速钢进行调质而制成。
以下，通过图3-图5来说明本发明的超硬合金复合轧辊的制造方法。
图3是表示一根本发明的超硬合金复合轧辊的辊套所用的成形体5的斜视图，图4、图5是表示这样的过程的截面图，即在使多个预烧结的圆筒形成形体5成一体地构成的超硬合金辊套6的内面上形成钢制内层2并由此形成辊套。
本发明的超硬合金复合轧辊例如能通过这样的过程制成，即填充粉末(制造每根轧辊的多个成形体)→CIP(冷静压)处理→机械加工→暂时烧结→机械加工→正式烧结和HIP处理(使多个成形体成一体并制成超硬合金辊套6)→机械加工→扩散复合处理(在超硬合金辊套6的内面扩散复合钢制圆筒形内层部件)→嵌套固定(辊套被嵌套固定钢制芯轴上)。
成形体是通过混合超硬材料粉末和金属粉末并把所获得的超硬材料混合粉末填充在外筒和内筒之间的间隙中而制成的。暂时烧结所获得的中心成形体，如果需要的话，在暂时烧结后，进行机加工并制成图3所示的中空的圆筒形成形体5。暂时烧结的条件例如最好保持在550℃-800℃且1小时-3小时下。
为了获得中空的成形体5的高密度，所以最好在暂时烧结前进行CIP处理。CIP的成形条件例如可以保持在100MPa-300Mpa和5分钟-60分钟。
在重叠多个这样获得的中空成形体5后，通过正式烧结和HIP处理，进行扩散复合并形成一体并制成图4所示的超硬合金辊套6。正式烧结和HIP处理例如是在保持氩气气氛下、100MPa-200MPa的加压条件、1100℃-1200℃的烧结条件、0.5小时-2小时时间后又在1300℃-1500℃下保持1小时-3小时。在该辊套的内面上扩散复合钢制圆筒形内层部件并获得了图5所示的辊套。当在超硬合金辊套6的内面上扩散复合相当于壁厚为50毫米的圆筒形SCM-440的锻钢时，例如在氩气氛围下进行1200℃-1300℃的且0.5小时-1小时的处理。如果必要，辊套接受研削、研磨等机械加工。随后，按照烧嵌配合、冷嵌套等普通方法将辊套嵌套固定在芯轴上。
如上所述，在本发明中，多个预烧结的圆筒形成形体5通过正式烧结和HIP处理被制成一体地构成了超硬合金辊套，从而形成一体的辊套的尺寸精度高。因此，能够减小磨削量，超硬合金的成品率提高，生产率也提高。能够制造出例如辊径为600毫米的、辊套长度为520毫米以上的粗长轧辊。
相反地，如图11(a)、图11(b)所示，当通过烧结制造由超硬合金构成的且很长的一体成形体的辊套外层时，由于烧结后的辊套磨削量必须高，所以磨削工作加重，磨削需要很长时间。由于超硬合金粉末的成品率低，所以很难经济且高效地制造出如直径为600毫米、辊套长度为520毫米以上的粗长轧辊。
此外，根据本发明，在超硬合金外层辊套的内面上扩散复合钢制内层辊套，由此形成了双层辊套。与象图12(a)、图12(b)所示的超硬合金辊套7这样地在超硬合金辊套7的内面上没有钢材的情况相比，即便是在制造过程的嵌套和轧制时，也能抑制辊套开裂。
图7是表示本发明的轧辊辊套外层的开裂发生率。在图8中示出了过去的超硬合金复合轧辊辊套的开裂发生率。开裂发生率的定义与图9说明所示的内容一样。对比图7和图8，可以发现本发明的轧辊辊套外层的开裂发生率低。本发明轧辊辊套外层的开裂发生率低是由于压应力作用在辊套外层上。
压应力作用在外层辊套上的理由如下。当钢制内层材料高温扩散复合到超硬合金辊套内面上后，当冷却时，钢内层材料的热膨胀系数大于超硬合金辊套的热膨胀系数，因而其收缩量增大，由于这个收缩量差，在内层上产生了拉应力，在外层上产生了压应力。
在图7、图8中，示出了对外径为560毫米、辊身长度为1800毫米、全长为3500毫米的串列式冷轧机轧辊进行调查的结果。
对当按照上述方法制造本发明的超硬合金复合轧辊时的每根轧辊的成形体数量和超硬合金混合粉末的成品率之间的关系以及每根轧辊的成形体数量与嵌套时的辊套外层的开裂发生率进行调查。此外，将能够不开裂地制造的超硬合金轧辊用于轧制，调查在轧制时的辊套外层的开裂发生率。
在图6、图7中示出了各自的调查结果。图6是表示本发明的每根轧辊的成形体数量和超硬合金成品率之间关系的曲线图，图7是表示发明例的每根轧辊的成形体数量和嵌套时的辊套外层的开裂发生率以及轧制时的辊套外层的开裂发生率的曲线图。在图6中，超硬合金的成品率是用填充于成形体(多个)中的超硬材料混合粉末的填充重量除以超硬合金辊套重量而得到的值。
得到图6所示结果的理由如下。在成形体数量不到5个的场合下，由于每个成形体的主体长度增大，所以伴随烧结后冷却的热收缩大。因此，有余量地制造出大一些的成形体并且收缩形状变得弯曲。制造超硬合金辊套过程中的磨削量增加，超硬合金的成品率降低。另一方面，当成形体数量超过30个时，使成形体相互重叠的重合面数量增多，因此，超硬合金辊套的磨削量增大，超硬合金的成品率降低。
根据图7所示结果，当每根轧辊的成形体数量大于30时，开裂发生率提高。因此，成形体相互重合的面的增多，容易发生由此引起的开裂。此外，当磨削量增加时，磨削时间也延长，生产率显然降低。
这样，在本发明的超硬合金复合轧辊中，从在超硬合金的成品率良好的同时并抑制嵌套是和轧制时的超硬合金辊套开裂的观点出发，成形体数量最好为5个以上至30个以下。
接着，说明如上所述地限定垂直于转轴的截面的辊套外层的截面面积S0与内层的截面面积Si之比(以下简称为截面面积比)S0/Si的理由。
本发明人利用上述方法制造外径为560毫米、辊身长度为1800毫米、全长为3500毫米的串列式冷轧机用轧辊并对实际用于串列式冷轧机进行了实验。此时，制造出使预烧结的6个圆筒形成形体成一体地构成的超硬合金辊套。由超硬合金构成的外层的厚度和扩散复合于其内面上的钢制内层的厚度总共为150毫米，在这个条件下，制造出了截面面积比S0/Si在0.12-25之间变化的多根轧辊。调查在把辊套嵌套在钢制芯轴上时在辊套外层上的开裂发生率。在辊套没有开裂的场合下，以两根轧辊为一组地用于冷轧，调查在轧制时的辊套外层的开裂发生率。如下所述地求出在把辊套嵌套在钢制芯轴上时的开裂发生率以及轧制时的开裂发生率。
在图9、图10所示的各自截面面积比S0/Si的情况下，嵌套200根轧辊。在嵌套时，开裂发生率达到1％的情况是指，嵌套制造200根轧辊并且在嵌套时产生了两次开裂。追加制造与嵌套时开裂的轧辊数量一样的轧辊。在图9、图10所示的各自截面面积比S0/Si的情况下，嵌套200根(100组)轧辊以供轧制适用。例如，轧制时的开裂发生率达到2％的情况是指，把100组轧辊用于轧制，其中两组轧辊中的一个轧辊或两个轧辊都产生了裂纹。
在图9、图10中示出了把辊套嵌套在钢制芯轴上时以及轧制时的辊套外层的开裂发生率。图10放大了在图9中截面面积比S0/Si小的区域。
如图9、图10所示，嵌套时的辊套外层的开裂发生率在截面面积比S0/Si小的情况下为0并随着截面面积比S0/Si增大而提高，当截面面积比S0/Si超过20时，所述开裂发生率急剧提高。另一方面，轧制时的辊套外层的开裂发生率在截面面积比S0/Si大的情况下为0并随着截面面积比S0/Si减小而提高，当截面面积比S0/Si不到0.3时，所述开裂发生率急剧提高。
因此，在本发明中，从防止嵌套时的辊套外层开裂的观点出发，截面面积比S0/Si小于20且最好小于15。另一方面，从防止轧制时的辊套外层开裂的观点出发，截面面积比S0/Si为0.3以上并最好在0.8以上。
根据上述理由，在本发明中，辊套的外层1的截面面积S0与内层2的截面面积Si之比S0/Si为0.3-20并最好为0.8-15。
在本发明的范围内，当辊套的截面面积比S0/Si为0.8以上时，即便是与截面面积比为0.7以下的传统超硬合金复合轧辊和辊套厚度一样，也能够增大超硬合金外层1的厚度。因此能增大轧辊磨削量并减小报废辊径，轧辊寿命延长。由于能够增大超硬合金外层1的厚度，所以轧辊强度提高并能够被用于轧制负荷更高的轧制。
当本发明的超硬合金轧辊适用作外径为150毫米以上至1500毫米以下的串列式冷轧机的工作辊时，耐热裂形和轧件表面光泽度于过去的钢辊相比明显提高了。
当本发明的超硬合金复合轧辊适用作外径500毫米以上至1500毫米以下的热粗轧机工作辊时，因热凸度减小而引起的尺寸和形状的控制性能与过去的钢辊相比明显提高。
当本发明的超硬合金复合轧辊适用作外径400毫米以上至1400毫米以下的热精轧机工作辊时，因热凸度减小而引起的尺寸和形状的控制的性能与过去的钢辊相比明显提高。
当本发明的超硬合金复合轧辊适用作外径500毫米以上至1500毫米以下的厚板轧机工作辊时，因热凸度减小而引起的尺寸和形状的控制的性能与过去的钢辊相比明显提高。
当本发明的超硬合金复合轧辊适用作外径600毫米以上至2000毫米以下的型钢轧机工作辊时，因热凸度减小而引起的尺寸和形状的控制的性能与过去的钢辊相比明显提高。此外，最好对于上述所有用途来说，耐磨性、耐龟裂性与过去的钢辊相比明显提高。
在本发明中，轧制部表层由超硬合金制成的轧辊被用作粗轧机中的至少一架轧机中工作辊。超硬合金是烧结在WC、TaC、TiC等超硬材料粉末中添加质量百分比为5％-50％的Co、Ni、Cr、Ti等金属粉末中的一种或两种以上而形成的超硬材料混合粉末而成的。作为超硬材料混合粉末地优选烧结5％-50％(质量百分比)的WC粉末而得到的产物，这是因为其耐磨性和耐麻面性等出色且韧性高。
由此一来，没有产生因胶着于热轧后的钢板表面上而引起的麻面。此外，在把这种轧辊用作工作辊的轧机机架中，即使不供应轧制油，也不会在工作辊上产生龟裂并且也抑制了磨损进展。
本发明所用的轧辊具有由轴部、钢制内层辊套和超硬合金外层辊套。外层辊套最好是通过使多个超硬合金成形体在辊轴方向上成一体而形成的。这样一来，能够更精确且操作性更高地制造辊套。这种轧辊在轴部和超硬合金连接辊套之间具有钢制内层辊套。
与通过烧嵌方法、冷嵌装等方法直接连接超硬合金连接辊套和轴部的情况相比，能够缓和在制成后作用于超硬合金连接辊套的轴向上的拉应力并且有利地防止了制造时和轧制时的超硬合金连接辊套开裂。
上述超硬合金连接辊套的制造方法是这样的，对与轧辊中心轴相交的面上被分隔开的多个中空部件(超硬合金成形体)进行橡胶模成形，在暂时烧结后，通过HIP(热静压)接合使中空部件成一体。根据这种方法，在暂时烧结过程中的中空部件缩小，因此抑制了热变形，即便是制造象热粗轧机工作辊这样的粗长轧辊的辊套，也能获得操作性高地进行制造并获得尺寸精度高的产品。
轴部是用常用的铸钢、锻钢、铸铁等金属轴件构成的。
图13是表示适于实施本发明的轧辊例子的截面模式图，其中通过钢制内层辊套2把超硬合金连接辊套1嵌套在钢制芯轴3的主体部上并用钢制侧辊环4进行固定。
图14是表示适于实施本发明的热轧生产线例子的布置图。从生产线上游侧开始，设置了加热炉22、压边机23、粗轧机21、精轧机20、冷却装置25、卷取装置25。在这个例子中，粗轧机23由R1、R2、R3三架构成，精轧机20由F1、F2...F7七架组成。根据这个例子，在粗轧机由多个机架构成的情况下，本发明最好被用于轧件温度更高的上游侧轧机。在精轧机中，超硬合金轧辊的适用机架最好是氧化皮增多的后段机架。此外，根据经费等裕度情况，通过增加实施本发明的机架而获得更好的结果。
(实施例1)作为发明例1，制造两根如图1、2所示的、外径为560毫米、辊身长度为1800毫米、全长为3500毫米的串列式冷轧机用轧辊。对制造辊套时的超硬合金的成品率、嵌套时的辊套外层的开裂状况以及每根超硬合金轧辊的磨削加工时间的总计进行调查。
在发明例1中，在每根轧辊的6个预烧结的圆筒形成形体同轴重叠后，进行正式烧结和HIP处理并形成一体地制成超硬合金辊套。在该超硬合金辊套的内面上，扩散复合由钢水制成的圆筒形内层部件。所获得的辊套被嵌套固定在钢制芯轴上，由此制造出两根超硬合金复合轧辊。
通过以下方法制成成形体。以WC制球体为混合介质地，将具有表1所示成分的且平均例径为3微米-5微米的WC粉末和平均例径为1微米-2微米的金属粉末混合两天。所获得的超硬材料混合粉末被填充到橡胶双圆筒的外筒和内筒之间的间隙中并由此制成了成形体。橡胶双圆筒的外筒的内径为835毫米且长度为425毫米，内筒的外径为350毫米且常规纬度425毫米。在双筒的中心部中，插入直径为345毫米且长500毫米的管状心棒，并把橡胶模安放在落锤式填充机上。反复进行等量填充超硬材料混合粉末并随后加压这一连串操作。
表1示出了其它详细条件。
表2示出了在超硬合金辊套的内面上扩散复合由钢水制成的圆筒形内层部件的处理条件。
此外，发明例2与发明例1的区别在于，预烧结的成形体数量为4个且每个成形体的长度如表1所示。与发明例1一样地，对制造辊套时的超硬合金的成品率、嵌套时的辊套外层的开裂状况以及每根超硬合金轧辊的磨削加工时间的总计值进行调查。
在发明例2中，外筒和内筒的长度为640毫米并适当改变管状心棒的长度地进行填充。
作为传统例1的超硬合金复合轧辊地，按照表1所示条件制造出了具有如图12(a)、图12(b)所示结构的轧辊，与发明例1一样，对制造辊套时的超硬合金的成品率、嵌套时的辊套外层的开裂状况以及每根超硬合金轧辊的磨削加工时间的总计值进行调查。
与发明例1一样地进行成形体的制作。橡胶双圆筒的外筒的内径为835毫米且长度为2800毫米，内筒的外径为350毫米。在双筒的中心部上插入直径为345毫米且长度适当改变的管状心棒。
作为传统例2的超硬合金复合轧辊地，按照表1所示条件制成具有如图11(a)、图11(b)所示结构的轧辊。与发明例1一样，对制造辊套时的超硬合金的成品率、嵌套时的辊套外层的开裂状况以及每根超硬合金轧辊的磨削加工时间的总计值进行调查。
与发明例1一样地进行成形体的制作。橡胶双圆筒的外筒的内径为900毫米且长度为6000毫米，内筒的外径为219毫米。在双筒的中心部上插入直径为219毫米且长度适当的管状心棒。
在表2中示出了制造辊套时的超硬合金的成品率、嵌套时的辊套外层的开裂状况以及每根超硬合金轧辊的磨削加工时间的总计值。
如表2结果所示，在发明例1、2的超硬合金复合轧辊的辊套被嵌套在钢制芯轴上时，在辊套外层上没有发生开裂并且能够把这种轧辊用于轧制。与传统例2的场合相比，超硬合金的成品率更高并且切削加工所需天数能够减少。在发明例1的场合下，预烧结的成形体的数量为6个，与发明例2相比，能够提高超硬合金混合粉末的成品率。
传统例1的超硬合金复合轧辊的超硬合金混合粉末打磨成品率低，所以切削加工所需天数多。在嵌套时，在辊套上产生了裂纹，它不能被用于轧制。
(实施例2)在图1、2所示结构的情况下，以具有表3所示的轧辊尺寸、表4所示部件的超硬合金复合轧辊为发明例，把这样的轧辊装入各种轧机中并调查各自的性能。
表4所示的超硬合金辊套是通过正式烧结和HIP处理使表5所示的多个预烧结的成形体形成一体而构成的。在制造超硬合金辊套时，调查超硬合金粉末的成品率。
作为传统例，它具有图11(a)、图11(b)所示结构，在辊套外层为一体成形体的情况下，形成了具有表3所示轧辊尺寸和表4所示部分的超硬合金复合轧辊。作为对比例，它具有与表3所示发明例相同的轧辊尺寸并采用了表5所示的轧辊材料。发明例、传统例、对比例被装入各种轧机中并调查各自的性能。在串列式冷轧机的情况下，所述轧辊被装入共有5架的轧机的第5架中并进行调查。在串列式热精轧机的情况下，在共有7架的轧机的第一、第七架中装入该轧辊并进行调查。
在表5中，示出了发明例、传统例、对比例的极限轧制次数、龟裂深度、热凸度、轧件形状是否好、发明例和传统例的轧辊制造时的超硬合金成品率。
示出了发明例、传统例和对比例的轧辊性能以及发明例、传统例的轧辊制造时的超硬合金成品率。
根据表5所示的结果，与传统例的超硬合金复合轧辊相比，其辊套长度为520毫米以上至6000毫米以下的发明例的超硬合金复合轧辊的超硬合金粉末的成品率高。此外，在被用作各自轧机的工作辊的场合下，与对比例的半低合金高强钢的冷轧辊和低合金高强钢的热轧辊相比，发明例的超硬合金复合轧辊的耐磨性和耐糙面性出色，因此，极限轧制次数高并且耐龟裂性腔，由于热凸度销，所以与对比例的轧辊相比，轧件形状良好。
(实施例3)如表6所示，分门别类地分别制成两根外径560毫米×辊身长1800毫米×全长3500毫米的串列式冷轧机轧辊。对制造辊套时的超硬合金的成品率、嵌套时的辊套外层的开裂状况以及每根超硬合金轧辊的磨削加工时间的总计值进行调查。如果辊套没有开裂，则调查将其用于轧制并直到轧辊报废这段时间内的轧制产量。
在发明例A1中，采用了具有图1、2所示结构的超硬合金复合轧辊。在使每根轧辊的6个预烧结的圆筒形成形体同轴重叠后，进行正式烧结和HIP处理并形成一体地构成了超硬合金辊套。在该超硬合金辊套的内面上扩散复合由碳素钢钢水制成的圆筒形内层部件，所获得的辊套被嵌套在钢制芯轴上并由此形成了超硬合金复合轧辊。
通过以下方法形成成形体。以WC制球体为混合介质地，将具有表1所示成分的且平均粒径为3微米-5微米的WC粉末和平均粒径为1微米-2微米的Co粉末混合两天。所获得的超硬材料混合粉末被填充到橡胶双圆筒的外筒和内筒之间的间隙中并制成成形体。橡胶双圆筒的外筒的内径为835毫米且长为425毫米，内筒的外径为350毫米且长为425毫米。在双筒的中心部，插入粗350毫米且长500毫米的管装心棒，并将橡胶模安装在落锤式填充机上。反复进行等量填充超硬材料混合粉末和随后加压这一连串操作。
在发明例A2中的各成形体的制作是这样进行的，即橡胶双圆筒的外筒的内径为835毫米且长425毫米，内筒的外径为490毫米且长425毫米，在双筒中心部插入粗490毫米且长500毫米的管状心棒。
传统例A3的超硬合金复合轧辊具有图12(a)、图12(b)所示的结构并且其每根轧辊的成形体数量为2。
传统例A3的各成形体的制作是这样进行的，即橡胶双圆筒的外筒的内径为835毫米且长2800毫米，内筒的外径为350毫米且长2800毫米，在双筒中心部插入了粗350毫米且长3500毫米的管状心棒。
作为传统例A4的超硬合金复合轧辊地制作出具有图11(a)、图11(b)所示结构的轧辊。
在填充超硬材料混合粉末时，橡胶双圆筒的外筒的内径为900毫米且长为6000毫米，内筒的外径为370毫米且长为6000毫米，双筒中心部插入了粗370毫米且长6500毫米的管状心棒并填充间隙。
表7示出了超硬合金粉末的成品率、嵌套时的辊套开裂情况以及磨削加工所需的天数和轧制产量。
根据表7所示结果，发明例A1、A2的超硬合金复合轧辊在嵌套时没有在辊套外层上产生开裂，能把这种轧辊用于轧制，和传统例A4的场合相比，能提高超硬合金的成品率并且能够减少切削加工所需天数。
在发明例A1的场合下，截面面积比为0.8-15，因此，与截面面积比在0.7以下的发明例A2和传统例A4相比，能提高轧制产量。
在传统例A3的超硬合金复合轧辊中，超硬合金混合粉末的成品率低并且辊套外层在嵌套时开裂，所以这样的轧辊不能用于轧制。
(实施例4)
在表8所示的条件下，分门别类地分别制造出两根外径为1500毫米、辊身长900毫米且全长为3800毫米的型钢轧机用轧辊。对制造辊套时的超硬合金的成品率、嵌套时的辊套外层的开裂状况以及每根超硬合金轧辊的磨削加工时间的总计值进行调查。如果辊套没有开裂，则调查在把其随后用于轧制且直到轧辊报废为止这段时间内的轧制产量。
在发明例B1中，采用了具有图1、图2所示结构的超硬合金复合轧辊。在使每根轧辊的5个预烧结的圆筒形成形体同轴重叠后，进行正式烧结和HIP处理并形成一体地构成了超硬合金辊套。在该超硬合金辊套的内面上，扩散复合由铸钢制成的圆筒形内层部件，所获得的辊套被嵌套固定在钢制芯轴上并由此制成了一根超硬合金复合轧辊。
与实施例1一样地制造成形体。此时，橡胶双圆筒的外筒的内径为1975毫米且长为255毫米，内筒的外径为960毫米且长为255毫米，在双筒中心部插入粗960毫米且长320毫米的管状心棒，把橡胶模安放在落锤式填充机上并进行填充。
发明例B2改变了辊套截面面积比S0/Si并于发明例B1一样地进行制造，传统例B3、B4分别和上述实施例3的传统例A3、A4一样地进行制造。
表9示出了超硬合金粉末成品率、嵌套时的辊套开裂情况、磨削加工所需天数及轧制产量。
根据表9所示结果，发明例B1、B2的超硬合金轧辊在嵌套时没有在辊套外层上产生裂纹，和传统例B4的场合相比，能够提高超硬合金的成品率并能够减少切削加工所需天数。
在发明例B1的场合下，截面面积比为0.8-15，所以，和截面面积比在0.7以下的发明例B2和传统例B4相比，能够提高轧制产量。
与发明例B1、B2相比，传统例B3的超硬合金复合轧辊的超硬合金混合粉末的成品率低。辊套外层在嵌套时开裂，这种辊不能用于轧制。
(实施例5)作为发明例地采用了具有图1、图2所示结构的超硬合金复合轧辊，在表10中示出了轧辊尺寸，在表11中示出了部件材质和尺寸。
表11所示的超硬合金辊套是如此构成的，即通过正式烧结和HIP处理使其数量如表12所示的预烧结成形体成为一体。在制造超硬合金辊套时，调查超硬合金粉末的成品率。
作为传统例地，采用了具有图11(a)、图11(b)所示结构的超硬合金复合轧辊。表10示出了轧辊尺寸，表11示出了部件材质和尺寸。辊套的外层是一体成形体。
对比例具有与表10所示发明例一样的轧辊尺寸并适用了表12所示的轧辊材料。
把发明例、传统例和对比例装入各种轧机中并调查各自的性能。在串列式冷轧机的情况下，所述轧辊被装入共有5架的轧机的第五架中并进行调查。在串列式热精轧机的情况下，所述轧辊被装入共7架的轧机的第一架和第七架中并进行调查。
在表12中，示出了发明例、传统例、对比例的极限轧制次数、龟裂深度、热凸度、轧件形状是否良好、发明例和传统例的轧辊制造时的超硬合金的成品率、直到轧辊报废时的轧制产量。
根据表12的结果，与传统例的超硬合金复合轧辊相比，发明例的超硬合金复合轧辊的超硬合金粉末的成品率高并且能够提高轧制产品。
此外，在被用作各自轧机的工作辊的请宽下，与对比例的半低合金高强钢的冷轧辊和低合金高强钢的热轧辊相比，发明例的超硬合金复合轧辊的耐磨性和耐糙面性都出色，所以，极限轧制次数高并且耐龟裂性出色，由于热凸度小，所以和对比例的轧辊相比，轧件形状良好。
(实施例6)在图14所示的热轧生产线上，把具有表13所示材质的工作辊装到粗轧机和精轧机中。以卷为单位地轧制100卷SUS430铁素体不锈钢，观察轧后钢板的表面状况。调查粗轧机工作辊的龟裂深度。
粗轧机工作辊轧制部的尺寸为外径1300毫米×宽2000毫米，精轧机工作辊轧制部的尺寸为外径900毫米×宽2000毫米，粗轧机道次数为7(＝R1*3+R2*3+R1*1)。
表13中的“超硬”表示超硬合金轧辊并具有图13所示结构。超硬合金连接辊套是如此制成的，即在碳化钨WC中添加20％(质量百分比)的Co并以这样的混合物为原材料地进行橡胶模成形，在长度方向上把四个由此形成的厚230毫米×长500毫米的WC-Co合金中空部件HIP接合起来。把这个辊套扩散复合到钢制内层辊套上，接着将其嵌套在钢制芯轴上并由此获得了超硬合金轧辊。表13中的“钢”表示钢辊并且是通过对高速钢进行调质而制成的。
在使用超硬合金轧辊的机架中，只给工作辊供应轧辊冷却水，而在使用钢辊的机架中，给工作辊供应轧辊冷却水和轧制油，同时进行轧制。
表13示出了结果。在本发明的实施例中，即便不给超硬合金轧辊供应轧制油，在轧制后的钢板表面上也没有糙面，表面状况良好。在轧制后的超硬合金轧辊上，在中空部件连接部位上和其它位置上，都没有产生龟裂。
(实施例7)在图14所示的热轧生产线上，把具有表14所示材料的工作辊装入粗轧机和精轧机中。以卷为单位地轧制30卷普碳钢，在轧制后，在观察钢板表面状况的同时，调查粗轧机工作辊的龟裂深度。
粗轧机工作辊轧制部的尺寸为外径1300毫米×宽2000毫米，精轧机工作辊轧制部的尺寸为外径900毫米×宽2000毫米，粗轧机的道次数为7(＝R1*3+R2*3+R1*1)。
表14中的“超硬”、“钢”具有与表13中的“超硬”、“钢”一样的意思。在使用超硬合金轧辊的机架中，只给工作辊供应轧辊冷却水，在使用钢辊的机架中，给工作辊供应轧制油和轧辊冷却水，同时进行轧制。
表14示出了结果。在本发明的实施例中，即便不给超硬合金轧辊供应轧制油，在轧制后的钢板表面上也没有糙面，表面状况良好。在轧制后的超硬合金轧辊上，在中空部件连接部位上和其它位置上，都没有产生龟裂。
(实施例8)在图14所示的热轧生产线上，把具有表15所示材料的工作辊装入粗轧机和精轧机中。以卷为单位地轧制100卷SUS430铁素体不锈钢，在轧制后，在观察钢板表面状况的同时，调查精轧机工作辊的磨损量(单位轧辊半径)。
粗轧机工作辊轧制部的尺寸为外径1300毫米×宽2000毫米，精轧机工作辊轧制部的尺寸为外径900毫米×宽2000毫米，粗轧机的道次数为7(＝R1*3+R2*3+R1*1)。
表15中的“超硬”是指超硬合金轧辊并具有图13所示的结构。超硬合金连接辊套是如此形成的，即在碳化钨WC中添加20％(质量百分比)的Co并以这样的混合物为原材料地进行橡胶模成形，在长度方向上把4个如此形成的厚350毫米×长500毫米的WC-Co合金中空部件连接在一起。把这个辊套扩散复合在钢制内层辊套上并接着将其嵌套在钢制芯轴上，由此获得了超硬合金辊套。表15中的“钢”意味着钢辊并且是结果对高速钢进行调质而制成的。
在使用超硬合金轧辊的机架中，只给工作辊供应轧辊冷却水，在使用钢辊的机架中，给工作辊供应轧制油和轧辊冷却水，同时进行轧制。
表15示出了结果。在本发明的实施例中，即便不给超硬合金轧辊供应轧制油，在轧制后的钢板表面上也没有糙面，表面状况良好。此外，超硬合金轧辊在轧制后几乎没有磨损。在轧制后的超硬合金轧辊上，没有产生龟裂。
(实施例9)在图14所示的热轧生产线上，把具有表16所示材料的工作辊装入粗轧机和精轧机中。以卷为单位地轧制100卷普碳钢，在轧制后，在观察钢板表面状况的同时，调查精轧机工作辊磨损量(单位轧辊半径)。
粗轧机工作辊轧制部的尺寸为外径1300毫米×宽2000毫米，精轧机工作辊轧制部的尺寸为外径900毫米×宽2000毫米，粗轧机的道次数为7(＝R1*3+R2*3+R1*1)。
表14中的“超硬”、“钢”具有与表15中的“超硬”、“钢”一样的意思。在使用超硬合金轧辊的机架中，只给工作辊供应轧辊冷却水，在使用钢辊的机架中给工作辊供应轧制油和轧辊冷却水，同时进行轧制。
表16示出了结果。在本发明的实施例中，即便不给超硬合金轧辊供应轧制油，在轧制后的钢板表面上也没有糙面，表面状况良好。而且，超硬合金轧辊在轧制后几乎没有磨损。在轧制后的超硬合金轧辊上没有产生龟裂。工业实用性根据本发明的超硬合金复合轧辊，即便轧辊又粗又长，在能够成品率高且抑制开裂地高效制造的同时，在用于各种轧制的场合下，也能抑制开裂并进行稳定轧制。
此外，根据本发明，即便不供应轧制油，也能防止因胶着而引起的钢板糙面，并且产生了能够防止轧辊发生龟裂和磨损的出色效果。
表1
*与发明例1一样的条件表2
*与发明例1一样的条件表3
表4
表5
极限轧制次数由耐磨性、耐糙面性产生的极限；辊身表面的龟裂长度通过超声波探伤确定；热凸度单位直径的辊身中央的热膨胀量Dc与辊身端25毫米的热膨胀量De之差(Dc-De)形状○换辊前在轧制范围内良好；△换辊前，在轧制前半段内有中等程度的中心延伸；×换辊前，在轧制前半段内有大幅度的中心延伸；热精轧机括号外为第一架的值，括号内为第七架值；
表6轧辊尺寸外径560毫米×辊身长1800毫米×全长3500毫米
*与发明例A1一样的条件表7轧辊尺寸外径560毫米×身长1800毫米×全长3500毫米
轧制产量到轧辊报废时的轧制产量表8轧辊尺寸外径1500毫米×身长900毫米×全长3800毫米
*与发明例B1一样的条件表9轧辊尺寸外径1 500毫米×身长900毫米×全长3800毫米
轧制产量到轧辊报废时的轧制产量表10轧辊尺寸
表11 部件的诸要素
表12利用各种轧机的轧制结果
极限轧制次数由耐磨性、耐糙面性产生的极限；辊身表面的龟裂长度通过超声波探伤确定；热凸度单位直径的辊身中央的热膨胀量Dc与辊身端25毫米的热膨胀量De之差(Dc-De)形状○换辊前在轧制范围内良好；△换辊前，在轧制前半段内有中等程度的中心延伸；×换辊前，在轧制前半段内有大幅度的中心延伸；热精轧机括号外为第一架的值，括号内为第七架值；
表13
表14
表15
表16
权利要求
1.一种超硬合金复合轧辊，它是通过把这样构成的辊套嵌套、固定在钢制芯轴上而形成的，即所述辊套由使多个预烧结的圆筒形成形体成一体而成的超硬合金外层、在该外层上形成的钢制内层构成，其特征在于，所述辊套的长度为520毫米以上至6000毫米以下。
2.如权利要求1所述的超硬合金复合轧辊，其特征在于，所述成形体的数量为5个以上至30个以下。
3.一种超硬合金复合轧辊，它是通过把这样构成的辊套嵌套、固定在钢制芯轴上而形成的，即所述辊套由使多个预烧结的圆筒形成形体成一体而成的超硬合金外层、在该外层上形成的钢制内层构成，其特征在于，在垂直于转轴的辊套截面上的该外层的截面面积S0与该内层的截面面积Si之比S0/Si为0.3-20。
4.如权利要求3所述的超硬合金复合轧辊，其特征在于，该外层的截面面积S0与该内层的截面面积Si之比S0/Si为0.8-15。
5.如权利要求1-4之一所述的超硬合金复合轧辊，其特征在于，轧辊的外径为150毫米以上至800毫米以下并且被用作串列式冷轧机的工作辊。
6.如权利要求1-4之一所述的超硬合金复合轧辊，其特征在于，该轧辊的外径为500毫米以上至1500毫米以下并且被用作热粗轧机的工作辊。
7.如权利要求1-4之一所述的超硬合金复合轧辊，其特征在于，该轧辊的外径为400毫米以上至1400毫米以下并且被用作热精轧机的工作辊。
8.如权利要求1-4之一所述的超硬合金复合轧辊，其特征在于，该轧辊的外径为500毫米以上至1500毫米以下并且被用作厚板轧机的工作辊。
9.如权利要求1-4之一所述的超硬合金复合轧辊，其特征在于，该轧辊的外径为600毫米以上至2000毫米以下并且被用作型钢轧机的工作辊。
10.一种热轧钢方法，其特征在于，在进行热轧钢时，轧制部表面由超硬合金构成的轧辊被用作粗轧机中的至少一架轧机的工作辊。
11.一种热轧钢方法，其特征在于，在进行热轧钢时，轧制部表面由超硬合金构成的轧辊被用作精轧机中的至少一架轧机的工作辊。
12.如权利要求10或11所述的热轧钢方法，其特征在于，所述轧辊具有辊轴部和在其外侧的辊套部，所述辊套部是通过在辊轴方向上一体接合多个超硬合金成形体而形成的。
全文摘要
本发明的目的是提供制造粗长的超硬合金复合轧辊的方法及使用该轧辊的热轧钢方法。根据轧辊制造方法，在这样的超硬合金复合轧辊中，即所述轧辊是通过把如此构成的辊套嵌套固定在钢制芯轴上而形成的，即辊套由使多个预烧结的圆筒形成形体连成一体而成的超硬合金外层、在该外层上形成的钢材制成的内层构成，在垂直于转轴的辊套截面内的该外层的截面面积S
文档编号B22F7/06GK1416374SQ01802062
公开日2003年5月7日 申请日期2001年5月15日 优先权日2000年5月16日
发明者木岛秀夫, 蛭田敏树, 剑持一仁, 服部敏幸, 堀内满喜 申请人:川崎制铁株式会社, 日立金属株式会社