本發(fā)明涉及一種復(fù)合軋輥，其具有由低成本硬質(zhì)合金或密度較低的硬質(zhì)合金制成的燒結(jié)的內(nèi)芯，該燒結(jié)的內(nèi)芯被熔合到由未利用(virgin)的硬質(zhì)合金制成的燒結(jié)的外環(huán)上，由此降低復(fù)合軋輥的粉末成本和/或降低復(fù)合軋輥自身的總體質(zhì)量。

背景技術(shù)：

軋輥磨損是提高軋機(jī)產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。在長鋼鐵產(chǎn)品的熱軋制期間，軋輥的經(jīng)過面變得磨損。一旦磨損，每一個經(jīng)過面必須重新研磨且然后將該軋輥裝回去運行。這個過程被重復(fù)直到經(jīng)過面深度到達(dá)被稱為“報廢直徑”的點為止，其意味著該軋輥不能再使用了。參考圖1，軋輥10的報廢直徑12近似處在外徑14和內(nèi)徑16中間，其中在報廢直徑下方(報廢直徑到內(nèi)徑)的剩余材料18依然未被使用。

作為未利用的材料，這代表著顯著的成本，因此如果軋輥的這個部分能夠由低成本回收材料代替，那么這將降低軋輥的成本。例如，標(biāo)準(zhǔn)8″直徑軋輥使用大約25kg的粉末，其中未使用材料的質(zhì)量占大約10.5kg。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

一方面，本發(fā)明的復(fù)合軋輥包括由第一硬質(zhì)合金制成的燒結(jié)的內(nèi)芯以及由第二硬質(zhì)合金制成的至少一個燒結(jié)的外套筒，所述至少一個燒結(jié)的外套筒圍繞內(nèi)芯布置。所述至少一個燒結(jié)的外套筒和內(nèi)芯每一個具有連結(jié)表面，其中當(dāng)內(nèi)芯和外套筒組裝在一起時，每一連結(jié)表面形成接觸，以在其間形成結(jié)合界面。當(dāng)組裝好的燒結(jié)的內(nèi)芯和燒結(jié)的至少一個外套筒被加熱到預(yù)定溫度時，內(nèi)芯和外套筒在結(jié)合界面處熔合在一起，以形成復(fù)合軋輥。

另一方面，形成復(fù)合軋輥的方法包括如下步驟：提供由硬質(zhì)合金形成的燒結(jié)的內(nèi)芯，以及提供由第二硬質(zhì)合金形成的至少一個燒結(jié)的外套筒。該燒結(jié)的內(nèi)芯和燒結(jié)的至少一個外套筒被組裝，所述至少一個外套筒和內(nèi)芯每一個具有連結(jié)表面，使得當(dāng)所述至少一個燒結(jié)的內(nèi)芯和外套筒被組裝時，每一個連結(jié)表面形成接觸，以在其間形成結(jié)合界面(3)。組裝好的燒結(jié)的內(nèi)芯和燒結(jié)的至少一個外套筒在結(jié)合界面(30)處熔合在一起，以形成復(fù)合軋輥。

在又一方面，軋機(jī)的復(fù)合軋輥包括由第一硬質(zhì)合金制成的燒結(jié)的內(nèi)芯以及由第二硬質(zhì)合金制成的燒結(jié)的外套筒，燒結(jié)的外套筒圍繞內(nèi)芯布置并且熔合到內(nèi)芯，第一硬質(zhì)合金不同于第二硬質(zhì)合金。

本發(fā)明的復(fù)合軋輥的一個優(yōu)勢在于：軋機(jī)的維修成本的潛在節(jié)省。對內(nèi)芯使用具有較低密度的碳化物材料(即使其為未利用等級，例如外套筒使用6％粘結(jié)劑等級而內(nèi)芯使用10％或15％粘結(jié)劑)將減少軋輥的整體質(zhì)量，由此減少在軋機(jī)中的軸承或其它輔助傳動系統(tǒng)上的載荷。

前述發(fā)明內(nèi)容以及以下的具體實施方式將在結(jié)合附圖閱讀后更好地理解。應(yīng)當(dāng)理解，所描述的實施例不限于所示出的精確布置結(jié)構(gòu)和手段。

附圖說明

圖1是已知的軋機(jī)軋輥的剖面圖。

圖2是本公開的復(fù)合軋輥的透視圖。

圖3是外套筒的透視圖。

圖4是內(nèi)芯的透視圖。

圖5是示意本發(fā)明的方法的步驟的流程圖。

圖6是在連結(jié)/熔合之后的復(fù)合軋輥的剖面圖。

圖7(a)-7(c)是在組裝之后且在熔合之前的根據(jù)本公開的復(fù)合軋輥的SEM圖像。

圖8(a)-8(b)是在熔合之后的根據(jù)本公開的復(fù)合軋輥的SEM圖像。

具體實施方式

本發(fā)明的復(fù)合軋輥包括由第一硬質(zhì)合金制成的燒結(jié)的內(nèi)芯和圍繞內(nèi)芯布置的、由第二硬質(zhì)合金制成的至少一個燒結(jié)的外套筒。該至少一個燒結(jié)的外套筒和內(nèi)芯每一個具有連結(jié)表面，其中當(dāng)內(nèi)芯和外套筒組裝在一起時，每一個連結(jié)表面形成接觸，以在其間形成結(jié)合界面。當(dāng)組裝好的燒結(jié)的內(nèi)芯和燒結(jié)的至少一個外套筒被加熱到預(yù)定的溫度時，內(nèi)芯和外套筒在結(jié)合界面處熔合在一起，以形成復(fù)合軋輥。

如圖2中所示，本發(fā)明的復(fù)合軋輥20包括內(nèi)芯22和至少一個外部分或套筒24。將如這里進(jìn)一步描述的，當(dāng)內(nèi)芯22被插入在外套筒24內(nèi)時，其形成多部件軋輥或復(fù)合軋輥。

內(nèi)芯20能夠由第一硬質(zhì)合金或金屬陶瓷制成，其具有低成本硬質(zhì)合金(即，與由實心的未利用的碳化物制成的軋輥的成本相比)，例如，回收的硬質(zhì)合金或低密度硬質(zhì)合金(即，與實心的未利用的碳化物的密度相比)。該硬質(zhì)合金可具有高達(dá)100wt％的回收碳化物。雖然未示出，但應(yīng)當(dāng)理解，內(nèi)芯能夠是實心的或具有任意形狀且不限于如所示出的筒狀或環(huán)狀。

外套筒24由第二硬質(zhì)合金或金屬陶瓷(例如，未利用的硬質(zhì)合金)制成。如這里描述的，未利用的硬質(zhì)合金指的是確實不包括回收(reclaimed)碳化物的碳化物?；厥沼操|(zhì)合金指的是通過冶金學(xué)或化學(xué)手段(例如鋅回收工藝、電解回收以及萃取或氧化)回收的硬質(zhì)合金，其對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已知的。雖然示出僅一個外套筒，但是復(fù)合軋輥能夠包括多個套筒。

因此，內(nèi)芯22和外套筒24能夠由液相材料壓實體(compacts of liquid phase materials)的不同等級硬質(zhì)合金制成，其包括低熔相組分以及高熔相組分。硬質(zhì)合金通常具有硬質(zhì)相，硬質(zhì)相包括碳化鎢且具有鈦、鉻、釩、鉭、鈮的一種或多種碳化物、氮化物或碳氮化物，其由金屬相粘結(jié)劑(通常是各種不同比例的鈷、鎳、鐵)粘結(jié)。粘結(jié)劑可在約6w-％到30wt-％范圍內(nèi)。第一和第二碳化物中的每一個能夠是由粘結(jié)劑粘結(jié)(bonded)的碳化鎢。

硬質(zhì)合金以不同等級存在。該等級取決于硬質(zhì)合金的成分且取決于顆粒尺寸。例如，與低質(zhì)量等級相比，高質(zhì)量等級為在給定的應(yīng)用中具有可計量地更好的性能和可靠性的硬質(zhì)合金。應(yīng)當(dāng)理解，本公開也預(yù)期到了用于內(nèi)芯和外套筒的其它材料，例如，金屬陶瓷-因此，第一和第二碳化物能夠由不同的硬質(zhì)合金組成。

外套筒24能夠由使用了具有由僅Co構(gòu)成的粘結(jié)劑的等級且不添加有回收的硬質(zhì)合金的硬質(zhì)合金的即壓粉末(RTP)壓制而成。所得到的燒結(jié)的套筒的平均開始WC顆粒尺寸(即，在處理前提供的WC顆粒尺寸)的范圍能夠從約5.0到約8.0μm。與外套筒一樣，內(nèi)芯22由使用了由Co/Ni/Cr構(gòu)成的混合粘結(jié)劑等級的硬質(zhì)合金的RTP連同回收的硬質(zhì)合金的RTP(例如，約25wt％的硬質(zhì)合金是回收的)壓制而成。與外套筒一樣，內(nèi)芯的平均開始WC顆粒尺寸的范圍能夠從約5.0-約8.0μm。

因此，復(fù)合軋輥20包括兩個部分-低成本硬質(zhì)合金的內(nèi)芯22和較高等級的硬質(zhì)合金或未利用的硬質(zhì)合金的外套筒24。應(yīng)當(dāng)理解，能夠提供多個外套筒，并且本公開不限于兩個部件形成復(fù)合軋輥。如這里將進(jìn)一步描述的，為了產(chǎn)生復(fù)合軋輥，由未利用質(zhì)量的硬質(zhì)合金制成的燒結(jié)的外套筒和由回收硬質(zhì)合金制成的燒結(jié)的內(nèi)芯中的每一個被熔合在一起。

參考圖3和4，外套筒24具有內(nèi)連結(jié)表面26，而內(nèi)芯22具有外連結(jié)表面28。如這里將進(jìn)一步描述的，燒結(jié)的內(nèi)芯22和至少一個外套筒24在連結(jié)表面26、28處熔合在一起，以形成單一體32，第一和第二硬質(zhì)合金每一個具有不同的熔點，其中組裝好的燒結(jié)的至少一個內(nèi)芯和燒結(jié)的至少一個外套筒被加熱到一溫度，以使兩者在結(jié)合界面30處熔合，從而形成單一體32(圖2)，所述溫度低于燒結(jié)的內(nèi)芯和外套筒的較低燒結(jié)溫度的熔點或處于兩個燒結(jié)溫度中間。單一體被定義為單個成一體的本體。

根據(jù)圖5中描述的本發(fā)明的方法40，根據(jù)具體期望的最終用途，復(fù)合軋輥的芯22和套筒24在步驟42中單獨地形成和提供。如上面闡明的，內(nèi)芯22能夠由使用了由Co/Ni/Cr構(gòu)成的混合粘結(jié)劑等級的硬質(zhì)合金的RTP連同回收的硬質(zhì)合金的RTP壓制而成，而外套筒24可由使用了由僅Co構(gòu)成的粘結(jié)劑的等級且不添加有回收硬質(zhì)合金的硬質(zhì)合金的RTP壓制而成。

然后，每一個在步驟44中被燒結(jié)，以基本上獲得其全密度和硬度。如已知的，芯和套筒能夠在真空熔爐中或者在燒結(jié)-HIP熔爐中，在其相應(yīng)的溫度下(例如1350℃-1520℃)燒結(jié)。

在步驟46中，在配合表面/連結(jié)表面26、28處對芯和套筒進(jìn)行研磨或加工，以在其間提供充分光滑的光潔度，從而在組裝期間促進(jìn)干涉配合。例如，內(nèi)芯22被放置在液態(tài)氮中約30秒，以使其收縮并允許其被壓入到外套筒中，因此利用熱膨脹的現(xiàn)象在界面30處形成強(qiáng)接合。

燒結(jié)的芯和套筒還能夠例如在丙酮清洗液中被清潔，以在連結(jié)表面處提供清潔的界面。之后，在步驟48中，各個單獨的部件被組裝成復(fù)合軋輥。步驟48的組裝涉及使芯和套筒以組裝關(guān)系形成接觸，其中內(nèi)芯22定位在外套筒24內(nèi)，使得第一結(jié)合或連結(jié)表面26與第二結(jié)合或連結(jié)表面28形成配合接合(圖2)，以形成單一體32。見圖6。之后，如這里描述的，采用對處于組裝關(guān)系的構(gòu)件進(jìn)行加熱的步驟，以將構(gòu)件熔合在一起。

組裝碳化物構(gòu)件的現(xiàn)有技術(shù)包括共同擠壓，燒結(jié)兩個坯件或?qū)⒁粋€坯件燒結(jié)到一個燒結(jié)的部件上，但這些技術(shù)具有不同收縮程度的風(fēng)險并需要更高的燒結(jié)溫度，這可導(dǎo)致外部的張應(yīng)力，從而可能導(dǎo)致破裂。與坯件所需要的相比，本發(fā)明的燒結(jié)-熔合技術(shù)使用剛好高于WC-Co共熔溫度(eutectic)的溫度以及較短的等溫停留。

再次參考圖5，在步驟50中，組裝好的燒結(jié)的芯和套筒通過使兩者在一溫度下熔合而連結(jié)，所述溫度足夠得低，使得在結(jié)合界面30處發(fā)生最小的顆粒生長。組裝好的燒結(jié)的芯和套筒被放置在標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)熔爐中并經(jīng)受真空或氣氛，不施加外部壓力。例如，組裝好的復(fù)合軋輥被從室溫帶到約1350℃的熔融溫度，每分鐘上升約10℃，在最高溫度處停留時間為約15分鐘。這個熔合溫度和加熱循環(huán)低于具有最低熔化溫度的硬質(zhì)合金的原始燒結(jié)溫度和加熱循環(huán)。例如，約1340℃到約1360℃持續(xù)約10到約30分鐘，且更優(yōu)選地約1350℃持續(xù)約15分鐘。

這個步驟取得已經(jīng)致密和硬的碳化物部件并將它們放回到燒結(jié)熔爐中。但是，代替變得收縮以及密度更大，如在原始燒結(jié)操作中那樣，芯和套筒在物理屬性上保持基本一樣。

如在圖6所示，邊界界面30位于內(nèi)芯和外套筒之間并且在熔合時發(fā)生。部件在這樣的溫度下被熔合，所述溫度低于芯和套筒的具有最低原始燒結(jié)溫度的硬質(zhì)合金的熔點。這個較低的溫度和較短的時間使得熔合能夠以粘結(jié)劑金屬橫跨界面30的短范圍擴(kuò)散來進(jìn)行，并且在微觀結(jié)構(gòu)中引起最小的顆粒生長而形成單一體32。

示例

復(fù)合軋輥由6％Co粘結(jié)劑等級的外套筒和回收的30％Ni/Co/Cr粘結(jié)劑等級的內(nèi)芯構(gòu)成。芯和套筒兩者在50t手動操作壓機(jī)上(Sealey有限公司，薩?？耍?使用單端壓制來壓制，并且在其相應(yīng)的溫度下燒結(jié)，對于內(nèi)芯是1360℃，而對于外套筒是1510℃。

表格1示出在燒結(jié)前后的內(nèi)芯22(“內(nèi)部”)和外套筒24(“外部”)的尺寸和性質(zhì)。如能夠看到的，該芯和套筒的重量在燒結(jié)前后相對未變。內(nèi)芯輕微地收縮，而外套筒輕微地膨脹，但整體厚度僅最小的量地改變。Hc由于晶粒粗化而輕微地增加。因此，在芯和套筒之間存在物理接觸，以能夠?qū)崿F(xiàn)熔合。

表格1

芯和套筒兩者均通過EDM切割，并根據(jù)ISO 286-2：1988極限與配合ISO系統(tǒng)，初始研磨到區(qū)位干涉配合。內(nèi)芯被放置在液態(tài)氮中約30s且然后被壓入到外套筒中，例如在收縮配合(收縮配合公差為+20μm)之后利用熱膨脹的現(xiàn)象得到強(qiáng)接合。所應(yīng)用的公差朝向區(qū)位過渡配合逐漸減小，且該工藝重復(fù)，直到內(nèi)芯能夠定位在外套筒內(nèi)為止。

參考圖7(a)-7(c)，SEM顯微照片示出了熔合處理之前的兩個構(gòu)件之間的連結(jié)線26、28。如能夠看到的，芯和套筒被連結(jié)在一起，且內(nèi)芯和套筒被熔合，以形成單一復(fù)合軋輥。

圖8(a)和8(b)為SEM顯微照片，其示出了熔合處理之后的芯和套筒之間的邊界區(qū)域30。如能夠看到的，已經(jīng)發(fā)生了一些晶粒粗化，對于內(nèi)芯材料更是如此，但不優(yōu)先地發(fā)生在芯和外套筒之間的連結(jié)表面26、28的界面處。

應(yīng)當(dāng)理解，不同等級的材料能夠連結(jié)，以優(yōu)化復(fù)合軋輥的局部屬性。因此，例如，能夠選擇材料的耐磨性、韌性、釬焊性、摩擦系數(shù)和/或立方氮化硼(cBN)含量。此外，還能夠選擇鈷或晶粒大小不匹配，以引起粘結(jié)劑金屬熔合和隨后的密度變化。這能夠引起表面處的壓應(yīng)力，從而提供增韌效果。例如，如果結(jié)合了鈷含量/鈷平均自由行程/WC顆粒尺寸降低的一層或多層，則能夠增加耐疲勞性。

雖然已經(jīng)關(guān)于特定方面對本實施例進(jìn)行了描述，但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很多其它變形和改型和其它使用是顯而易見的。因此優(yōu)選的是，本實施例不被這里的特定公開限定，而是僅由權(quán)利要求書限定。