硬质合金轧辊材料的研究进展

Vol．24,No．1

ChinaTungstenIndustryFeb．2009

文章编号：1009－0622(2009)01－0033-03

硬质合金轧辊材料的研究进展

刘均贤,韩静涛,张永军

（北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083）

摘要：硬质合金轧辊因具有良好的综合力学性能而广泛应用于各种轧制生产中。笔者概述了硬质合金轧辊材料的

应用情况，总结了硬质合金轧辊生产性能特点，以及铸入式复合硬质合金和粉末冶金式复合WC轧辊材料的研究进展、和使用过程中存在的主要问题，并对其发展趋势进行了展望。

关键词：轧辊；硬质合金；进展中图分类号：TG135+.6;TG333.17

文献标识码：A

0引言

随着钢材产品质量、价格市场竞争的日益激烈，

钢铁企业一方面不断更新自身的装备技术，不断提升轧机的轧制速度；同时，如何减少轧机的停机次数，进一步提高轧机的有效作业率，已成为轧钢工程师们关注的重要课题。而采用具有更高轧制寿命的轧辊材料是实现这一目标的重要手段之一。硬质合金轧辊因具有良好的耐磨性、高温红硬性、耐热疲劳性及较高的强度，已普遍应用于棒、线材、螺纹钢及无缝钢管等的生产中，大大提高了轧机的有效作业率。目前，根据各个机架轧辊工作环境的差异，已研制出各种不同牌号的硬质合金辊环。本文详细介绍了硬质合金轧辊材料的最新研究进展、应用情况及存在的问题，并展望了其发展趋势。

图1

典型的硬质合金轧辊金相组织

量与相应的碳化钨颗粒度形成不同的硬质合金牌号。目前已开发出系列化的适用于不同架次的硬质

合金牌号[2-3]，如表1所示。碳化钨在硬质合金中约占总组成质量的70％～90％，其平均颗粒度在0.2～14μm。若增加金属黏结剂含量或增大碳化钨的颗粒度，则硬质合金的硬度下降而韧性提高[4]。硬质合金轧辊的抗弯强度可达2200MPa以上，冲击韧性可达（4～6）洛氏硬度HRA为78～90[5]。×106J/m2，

表1常用硬质合金轧辊的牌号

化学成分/％WC918385807570

黏结剂91315202530

HRA硬度90.8.086.584.583.082.0

抗弯强度/MPa230025002700300030003000

压缩强度/断裂韧性/

·mm-MPakg

321硬质合金轧辊的性能

硬质合金轧辊是在硬质合金刀具基础上发展起来的，它是一种以难熔金属化合物（WC、TaC、TiC、

为基体，以过渡族金属（Co、）为黏结NbC等）Fe、Ni

相，通过粉末冶金方法制备的金属陶瓷工具材料。其具有高硬度、高红硬性、高耐磨性等一系列优良性能。有时为获得耐腐蚀性能，相应加入一定量的镍、铬等元素。典型硬质合金轧辊组织[1]如图1所示。硬质合金轧辊的性能与黏结相金属的含量和基体相———碳化钨颗粒的大小有关。不同的黏结剂含

520049004700440040003500

354654707375

收稿日期：2008－01－06

作者简介：刘均贤（，男，山东蓬莱人，博士研究生，工程师，主要从事轧辊材料摩擦磨损机理研究。1969-）34第24卷

硬质合金轧辊按结构形式可分为整体硬质合金轧辊和复合硬质合金轧辊两种。整体硬质合金轧辊已广泛应用于高速线材轧机的预精轧和精轧机架

夹送辊机架）等。复合硬质合金轧（包括定减径机架、

辊由硬质合金与其他材料复合而成，又可分为硬质合金复合辊环和整体硬质合金复合轧辊。硬质合金复合辊环安装于辊轴上；整体硬质合金复合轧辊则将硬质合金辊环直接铸造于辊轴中形成一个整体，应用于轧制负荷较大的轧机上。

工艺上开创了一个崭新的纪元。2.2

硬质合金辊环材料的应用

轧制应力、热WC辊环在热轧过程中承受高温、

腐蚀及冲击负荷等作用，与国外生产的WC辊环相

加工工艺及辊比，我国制造辊环用原材料的纯净度、环的性能指标等方面还有一定差距，轧辊在使用过

程中的耐磨性差、辊环易碎裂。为此，张昕辉等人[7]利用其发明的专利技术，在普通硬质合金辊环材料的基础上，采用润滑耐磨梯度材料LubricationGra－

（简称LGM），开发出了梯度材料LGMdientMaterial

辊环。

该技术是在普通硬质合金材料中加入硫和氧，在金属基材表面形成稳定的梯度金属氧化物和金属硫化物（分别为Co3O4和CoS）。而Co3O4和CoS具有良好的润滑和耐磨性能。LGM辊环的工业性试验表明，梯度材料中的硫化物和氧化物能够降低轧制时的摩擦系数，明显改善辊环在高温和较大轧制力条件下的润滑性能，减少了横向裂纹的生成，辊环的使用寿命是普通硬质合金辊环的1.5倍，并可减少修磨量和换辊次数，具有显著的经济效益。

利用CIC技术，山特维克公司开发了目前世界上含黏结相最少的硬质合金辊环H6T，其黏结相含量只有6％，而硬度和耐磨性明显高于普通牌号合金，尤其是耐磨性能提高了50％；在成品机架及成品前机架上使用时，轧辊寿命为普通牌号硬质合金的2倍[8]；较好地解决了成品机架与成品前机架一起换辊的难题，可显著减少换槽、换辊次数，从而提高了轧机的有效作业率。

目前，山特维克公司生产的CIC复合硬质合金辊环已在线材轧机（中轧或预精轧）、棒材轧机（中轧、精轧）、小型材轧机（方钢、六角形钎钢、扁钢及角钢等）及三辊轧机系统（如KOCK线棒材、无缝钢管张力减径机）上应用。据文献[9]报道，复合硬质合金辊环用于高速线材轧机中轧机组或棒材小型轧机的精轧机架时，其单槽每次轧制量是普通铸铁轧辊的因10倍，而每次修磨量仅是铸铁轧辊的1/3～1/2，

此，与传统铸铁轧辊相比，复合轧辊的总轧制量是普通轧辊的20～30倍。用于无缝钢管3辊张力减径机架和顶管机架时，与传统的铸铁张力减径机轧辊相比，在轧制较大直径钢管时，复合轧辊的单槽轧制量是普通铸铁辊的20倍，而在轧制较小直径钢管时，复合轧辊的单槽轧制量为普通铸铁辊的40倍，而且钢管的成品质量和尺寸精度显著提高。

尤显卿等人[10]为解决目前生产螺纹钢丝所用合2

2.1

硬质合金轧辊材料的研究及应用

复合硬质合金轧辊制造新工艺2.1.1铸入式复合硬质合金辊环

为适应现代轧制生产的要求，瑞典的山特维克（SANDVIK）公司开发了一种新的硬质合金复合轧辊———铸入式（CIC，即CASTINCARBIDE）复合硬质合金辊环。该技术是将硬质合金环与球墨铸铁内套浇铸在一起。辊环与辊轴之间为键联接。这种联接方式，由处于复合辊环外层的具有极高硬度和优良耐磨性的硬质合金材料承受轧制力，由处于内层的具有良好强度、韧性的球墨铸铁传递扭矩。CIC复合轧辊的结构特点[6]：

（1）采用复合层，增强了辊环的强度和韧性，可以承受大的轧制负荷；

（2）辊环与辊轴之间采用以过盈配合的键联接，解决了冷装结构容易将键打坏的问题，使轧制过程更稳定；

（3）辊环与辊轴接触面无间隙，避免了含杂质的冷却水对接触面的腐蚀而导致的辊环变形。铸入式CIC复合辊环技术的开发，是粉末冶金技术和铸造技术的新结合，是复合耐磨材料技术在轧辊上应用的一大进步。

2.1.2粉末冶金式复合WC辊环

该技术是将硬质合金环与添加Ni、Cr粉末的钢基体，通过粉末冶金技术将两者结合在一起。其工艺要点是先将硬质合金粉末压制并烧结成环后，再与选择好的钢基粉末模压、烧结。硬质合金和钢基之间有着牢固的冶金联接。该工艺的关键是要掌握好1100～1200℃的烧结温度和100～120MPa的压力条件，烧结成形的毛坯经粗车、消除应力等工艺过程，最后精车并磨削加工成形。

通过选择合适的基体材料，加上先进的工艺和配比，可使复合辊环中的硬质合金与钢基体间的残余应力很低。这种粉末冶金技术在轧辊材料的制备第1期

刘均贤，等：硬质合金轧辊材料的研究进展

35

金工具钢和硬质合金轧辊材料存在的问题，研制出介于合金工具钢与硬质合金两者之间的硬质合金机加工和热处理后，减弱了合金中GW30。经锻造、

碳化物的“桥接”现象，材料的抗弯强度和冲击韧性

可防止轧辊的分别达到了2672MPa和18.0J/cm2，

早期脆裂失效。同时，充分发挥硬质合金中硬质相的

耐磨性，在保持轧辊强韧性不变的条件下，对轧辊表面采取了表面渗硼处理，使渗硼层与钢基体结合牢固，合金表层内的显微结构及性能趋于一致，使合金的耐磨性得到进一步提高。工业试验结果表明，轧辊的使用寿命是合金工具钢的十几倍，经济效益显著。

（4）由于轧制过程中，硬质合金轧辊磨损不仅受

外部条件如温度、轧制压力以及热冲击负荷等的影响，而且还受内部因素硬质相WC与黏结相Co/Co-Ni-Cr之间存在着相当复杂的物理化学反应[5,11]的影

这就使磨损情况变得更为复杂。为此必须加强该响。

方面机理的研究。

4结语

3存在的问题

在线、棒材轧制中以硬质合金轧辊辊环取代传统的铸铁和合金钢轧辊已表现出很多优越性，随着轧辊制造技术和使用技术的不断发展，将不断扩大硬质合金轧辊的用途，其在轧制加工中的地位将会越来越重要，应用前景也将非常广阔。参考文献：

[1][2]

方晴，王忆民．硬质合金轧辊的使用失效及其原因分析[J]．硬质合金，（4）：2007，24219-225.

刘光俊．金属加工用的硬质合金轧辊进展[J]．硬质合金，1994，11（1）：44-52.

AkiraIwabuchi，TomoharuShimizu，etal．Effectsof[3]HiroyukiSaito，

CocontentandWCgrainsizeonwearofWCcementedcarbide[J]．（2）：Wear，2006，261126-132.

[4]OkamotoS，NakazonoY，OtsukaK，etal．Mechanicalpropertiesof

WC/CocementedcarbidewithlargerWCgrainsize[J]．Materials（4/5）：Characterization，2005，55281-287.[5][6][7][8][9]

黄培云．粉末冶金原理[M]．北京：冶金工业出版社，1990.张智，邓钢，侯先能．WC基硬质合金在轧钢机中的应用[J]．粉末冶金工业，（3）：2004，1435-40.张兴利，卢

斌，张昕辉，等．梯度材料硬质合金辊环[J]．轧钢，

（4）：2001，1867-68.

周建武，张智，邓钢，等．硬质合金轧辊在轧钢生产中的应用（3）：[J]．轧钢，2004，2132-34.

白紫光．硬质合金在热轧技术中的应用[J]．轧钢，（4）：1997，58-60.

郑玉春．碳化钨钢结硬质合金螺纹钢丝轧辊的研制及[10]尤显卿，

应用[J]．稀有金属与硬质合金，（3）：1999，21-25.

第七卷．北京：机械工业出[11]美国金属学会．金属手册[M].第九版，

版社，1994.

近年来，硬质合金轧辊以其优良的性能在钢铁

生产中获得了越来越广泛的应用。但在硬质合金轧辊的生产和使用过程中仍然存在以下几方面的问题：

（1）研制开发新型的硬质合金复合轧辊辊轴材料。随着轧钢工业对轧辊不断提出新的更高要求，常规的球墨铸铁辊轴材料将难以承受更大的轧制力和传递更大的扭矩，为此，必须开发高性能的硬质合金复合轧辊辊轴材料。

（2）在复合轧辊制造过程中，必须尽可能减小或消除内层金属与外层硬质合金之间因热膨胀失配而产生的残余热应力。硬质合金残余热应力是影响复合轧辊使用寿命的关键因素，因此，选用的内层金属和外层硬质合金之间的热膨胀系数差值应尽可能小，同时考虑对辊环进行消除残余热应力的热处理的可能性。

（3）由于不同机架上的轧制力、轧制力矩、热传导性能都是不同的，因此不同机架应使用不同牌号的硬质合金轧辊。在硬质合金轧辊材料的设计过程中，必须保证轧辊的强度、硬度与冲击韧性的合理匹配，应建立不同合金牌号材料的热物性参数的数据库，利用计算机实现轧辊材料设计的最优化。

ResearchDevelopmentofCementedCarbideRollsLIUJun-xian,HANJing-tao,ZHANGYong-jun(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)Abstract:Thecementedcarbiderollhasbeenappliedbroadlyinsteelrollingduetoitsexcellentmechanicalproperties.Thispapersummarizesthepropertiesandcharacteristics,thelatestdevelopments,applicationstatusofcastcarbideandpowdermetallurgycompoundWCrollaswellassomemajorproblemsexistingintheproductionandapplicationofcementedcarbideroll.Thedevelopmenttendencyofcementedcarbiderollsisalsopredicted．Keywords:roll;cementedcarbide;development（编辑：刘忠洪）