硬質合金軋輥

隨着鋼材產品質量、價格市場競爭的日益激烈，鋼鐵企業一方面不斷更新自身的裝備技術，不斷提升軋機的軋製速度；同時，如何減少軋機的停機次數，進一步提高軋機的有效作業率，已成為軋鋼工程師們關注的重要課題。而採用具有更高軋製壽命的軋輥材料是實現這一目標的重要手段之一。

硬質合金軋輥因具有良好的耐磨性、高温紅硬性、耐熱疲勞性及較高的強度，已普遍應用於棒、線材、螺紋鋼及無縫鋼管等的生產中，大大提高了軋機的有效作業率。根據各個機架軋輥工作環境的差異，已研製出各種不同牌號的硬質合金輥環 ^[1]  。

硬質合金輥環它是在 1909年粉末冶金技術問世之後，隨着金屬加工工業的發展而誕生的。自1918年德國推出了硬質合金拉絲模後，激發了各國對硬質合金的研究，各種用途的軋輥也相繼出現了。但硬質合金軋輥的大量應用則是在1960年之後。1964年摩根(Morgen)公司第一台高速無扭線材軋機的誕生，把當時線材的精軋速度 提高了4倍。由於精軋機組是在高速度、高應力下工作的，鑄鐵輥、工具鋼輥的耐磨性差，軋槽壽命短，軋輥的修理裝卸非常頻繁，影響了軋機的效能，已不適應精軋生產的要求，故被組合式硬質合金軋輥所取代。世界上已有二百多套摩根式軋機，年消耗硬質合金軋輥數百噸。

硬質合金軋輥有高的硬度，而且其硬度值隨温度的變化甚小，700℃時的硬度值為高速鋼的4倍；而彈性模量、抗壓強度、抗彎強度、導熱率也都高出工具鋼1倍以上。由於硬質合金軋輥的導熱率高，所以散熱效果好，使軋輥表面處於高温的時間較短，因而使軋輥同冷卻水中的有害雜質的高温 反應時間較短。因此，硬質合金軋輥比工具鋼輥更抗腐蝕、抗冷熱疲勞。

硬質合金軋輥是在硬質合金刀具基礎上發展起來的，它是一種以難熔金屬化合物（WC、TaC、TiC、NbC 等）為基體，以過渡族金屬（Co、Fe、Ni）為黏結相，通過粉末冶金方法製備的金屬陶瓷工具材料。其具有高硬度、高紅硬性、高耐磨性等一系列優良性能。有時為獲得耐腐蝕性能，相應加入一定量的鎳、鉻等元素。

硬質合金軋輥的性能與黏結相金屬的含量和基體相——碳化鎢顆粒的大小有關。不同的黏結劑含量與相應的碳化鎢顆粒度形成不同的硬質合金牌號。已開發出系列化的適用於不同架次的硬質合金牌號，碳化鎢在硬質合金中約佔總組成質量的70%～90%，其平均顆粒度在0.2～14μm。若增加金屬黏結劑含量或增大碳化鎢的顆粒度，則硬質合金的硬度下降而韌性提高。硬質合金軋輥的抗彎強度可達2200 MPa 以上，衝擊韌性可達（4～6）×106 J/m²，洛氏硬度HRA 為78～90。

硬質合金軋輥按結構形式可分為整體硬質合金軋輥和複合硬質合金軋輥兩種。整體硬質合金軋輥已廣泛應用於高速線材軋機的預精軋和精軋機架（包括定減徑機架、夾送輥機架）等。複合硬質合金軋輥由硬質合金與其他材料複合而成，又可分為硬質合金複合輥環和整體硬質合金複合軋輥。硬質合金複合輥環安裝於輥軸上；整體硬質合金複合軋輥則將硬質合金輥環直接鑄造於輥軸中形成一個整體，應用於軋製負荷較大的軋機上 ^[2]  。

1.鑄入式複合硬質合金輥環

為適應現代軋製生產的要求，一種新的硬質合金複合軋輥鑄入式（CIC，即 CAST IN CARBIDE）複合硬質合金輥環。該技術是將硬質合金環與球墨鑄鐵內套澆鑄在一起。輥環與輥軸之間為鍵聯接。這種聯接方式，由處於複合輥環外層的具有極高硬度和優良耐磨性的硬質合金材料承受軋製力，由處於內層的具有良好強度、韌性的球墨鑄鐵傳遞扭矩。CIC 複合軋輥的結構特點：

（1）採用複合層，增強了輥環的強度和韌性，可以承受大的軋製負荷；

（2）輥環與輥軸之間採用以過盈配合的鍵聯接，解決了冷裝結構容易將鍵打壞的問題，使軋製過程更穩定；

（3）輥環與輥軸接觸面無間隙，避免了含雜質的冷卻水對接觸面的腐蝕而導致的輥環變形。

鑄入式CIC 複合輥環技術的開發，是粉末冶金技術和鑄造技術的新結合，是複合耐磨材料技術在軋輥上應用的一大進步。

2.粉末冶金式複合WC 輥環

該技術是將硬質合金環與添加Ni、Cr 粉末的鋼基體，通過粉末冶金技術將兩者結合在一起。其工藝要點是先將硬質合金粉末壓制並燒結成環後，再與選擇好的鋼基粉末模壓、燒結。硬質合金和鋼基之間有着牢固的冶金聯接。該工藝的關鍵是要掌握好1100～1200 ℃的燒結温度和100～120 MPa 的壓力條件，燒結成形的毛坯經粗車、消除應力等工藝過程，最後精車並磨削加工成形。

通過選擇合適的基體材料，加上先進的工藝和配比，可使複合輥環中的硬質合金與鋼基體間的殘餘應力很低。這種粉末冶金技術在軋輥材料的製備工藝上開創了一個嶄新的紀元。

WC 輥環在熱軋過程中承受高温、軋製應力、熱腐蝕及衝擊負荷等作用，與國外生產的WC 輥環相比，我國製造輥環用原材料的純淨度、加工工藝及輥環的性能指標等方面還有一定差距，軋輥在使用過程中的耐磨性差、輥環易碎裂。在普通硬質合金輥環材料的基礎上，採用潤滑耐磨梯度材料Lubrication GradientMaterial（簡稱LGM），開發出了梯度材料LGM輥環。

該技術是在普通硬質合金材料中加入硫和氧，在金屬基材表面形成穩定的梯度金屬氧化物和金屬硫化物（分別為Co₃O₄和CoS）。而Co₃O₄和CoS 具有良好的潤滑和耐磨性能。LGM 輥環的工業性試驗表明，梯度材料中的硫化物和氧化物能夠降低軋製時的摩擦係數，明顯改善輥環在高温和較大軋製力條件下的潤滑性能，減少了橫向裂紋的生成，輥環的使用壽命是普通硬質合金輥環的1.5 倍，並可減少修磨量和換輥次數，具有顯著的經濟效益。

利用CIC 技術，開發了世界上含黏結相最少的硬質合金輥環H6T，其黏結相含量只有6 %，而硬度和耐磨性明顯高於普通牌號合金，尤其是耐磨性能提高了50 %；在成品機架及成品前機架上使用時，軋輥壽命為普通牌號硬質合金的2 倍；較好地解決了成品機架與成品前機架一起換輥的難題，可顯著減少換槽、換輥次數，從而提高了軋機的有效作業率。

CIC 複合硬質合金輥環已在線材軋機（中軋或預精軋）、棒材軋機（中軋、精軋）、小型材軋機（方鋼、六角形釺鋼、扁鋼及角鋼等）及三輥軋機系統（如KOCK 線棒材、無縫鋼管張力減徑機）上應用。複合硬質合金輥環用於高速線材軋機中軋機組或棒材小型軋機的精軋機架時，其單槽每次軋製量是普通鑄鐵軋輥的10 倍，而每次修磨量僅是鑄鐵軋輥的1/3～1/2，因此，與傳統鑄鐵軋輥相比，複合軋輥的總軋製量是普通軋輥的20～30 倍。用於無縫鋼管3 輥張力減徑機架和頂管機架時，與傳統的鑄鐵張力減徑機軋輥相比，在軋製較大直徑鋼管時，複合軋輥的單槽軋製量是普通鑄鐵輥的20 倍，而在軋製較小直徑鋼管時，複合軋輥的單槽軋製量為普通鑄鐵輥的40 倍，而且鋼管的成品質量和尺寸精度顯著提高。

為解決生產螺紋鋼絲所用合金工具鋼和硬質合金軋輥材料存在的問題，研製出介於合金工具鋼與硬質合金兩者之間的硬質合金GW30。經鍛造、機加工和熱處理後，減弱了合金中碳化物的“橋接”現象，材料的抗彎強度和衝擊韌性分別達到了2672 MPa 和18.0 J/cm²，可防止軋輥的早期脆裂失效。同時，充分發揮硬質合金中硬質相的耐磨性，在保持軋輥強韌性不變的條件下，對軋輥表面採取了表面滲硼處理，使滲硼層與鋼基體結合牢固，合金表層內的顯微結構及性能趨於一致，使合金的耐磨性得到進一步提高。工業試驗結果表明，軋輥的使用壽命是合金工具鋼的十幾倍，經濟效益顯著 ^[3]  。

近年來，硬質合金軋輥以其優良的性能在鋼鐵生產中獲得了越來越廣泛的應用。但在硬質合金軋輥的生產和使用過程中仍然存在以下幾方面的問題：

（1） 研製開發新型的硬質合金複合軋輥輥軸材料。隨着軋鋼工業對軋輥不斷提出新的更高要求，常規的球墨鑄鐵輥軸材料將難以承受更大的軋製力和傳遞更大的扭矩，為此，必須開發高性能的硬質合金複合軋輥輥軸材料。

（2）在複合軋輥製造過程中，必須儘可能減小或消除內層金屬與外層硬質合金之間因熱膨脹失配而產生的殘餘熱應力。硬質合金殘餘熱應力是影響複合軋輥使用壽命的關鍵因素，因此，選用的內層金屬和外層硬質合金之間的熱膨脹係數差值應儘可能小，同時考慮對輥環進行消除殘餘熱應力的熱處理的可能性。

（3）由於不同機架上的軋製力、軋製力矩、熱傳導性能都是不同的，因此不同機架應使用不同牌號的硬質合金軋輥。在硬質合金軋輥材料的設計過程中，必須保證軋輥的強度、硬度與衝擊韌性的合理匹配，應建立不同合金牌號材料的熱物性參數的數據庫，利用計算機實現軋輥材料設計的最優化。

（4）由於軋製過程中，硬質合金軋輥磨損不僅受外部條件如温度、軋製壓力以及熱衝擊負荷等的影響，而且還受內部因素硬質相WC 與黏結相Co/Co-Ni-Cr 之間存在着相當複雜的物理化學反應的影響。這就使磨損情況變得更為複雜。為此必須加強該方面機理的研究。

在線、棒材軋製中以硬質合金軋輥輥環取代傳統的鑄鐵和合金鋼軋輥已表現出很多優越性，隨着軋輥製造技術和使用技術的不斷髮展，將不斷擴大硬質合金軋輥的用途，其在軋製加工中的地位將會越來越重要，應用前景也將非常廣闊 ^[2]  。