轧辊及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有耐磨涂层的复合轧辊及其制备方法，尤其涉及一种具有耐磨碳化物涂层的复合轧辊及其制备方法，具体涉及一种应用于合金钢表面的耐磨碳化物涂层复合轧辊及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在钢铁冶金设备中，滚动式轧辊使用非常广泛，且更换频繁、用量大。由于轧辊工作条件非常严酷，需要长时间承受轧制型材高温、热冲击和高速摩擦磨损等因素的影响，所以用传统材料(如高铬铸铁、球墨铸铁、低合金钢、高速钢、耐热钢、硬质合金材料及堆焊复合材料等)所制成的轧辊经常因磨损、粘钢等原因失效。
[0003]高铬铸铁虽硬度高、耐磨性能好，但由于材料脆性大导致发生断裂，且机加工性能差；球墨铸铁的耐磨性和抗热冲击性能均较差，不能满足使用要求而被淘汰；堆焊材料虽然能提高使用寿命，但堆焊设备昂贵，堆焊一次，其寿命增加不大；高合金钢在高温下会发生退火现象，且由于材料本身不存在高硬质相，所以耐磨性能大幅下降；高合金粉末冶金液相烧结方法在国内外已有大量报道，但研宄尚不成熟，该方法制备的复合材料，其合金成分在基体中难以分布均匀、可控性差，且由于添加了表面活性剂，使得材料组织中出现大量气孔等缺陷。
[0004]目前，结构钢生产中使用的轧辊，主要使用的材料为Crl2MoV合金钢，导致了大量合金材料的浪费，结构钢生产的轧辊，其技术性能要求主要有:
[0005]1、高耐磨，乳辊表面磨损量和局部损伤越小越好，保证轧制品高精度尺寸公差；
[0006]2、抗热疲劳性好，避免产生疲劳裂纹的产生和扩展；
[0007]3、高的机械性能，要求轧辊具有高的抗压强度和抗拉强度；
[0008]4、高韧性，避免轧辊发生脆性断裂。
[0009]然而仅仅提高轧辊基体材料的硬度仍然不足以保证其服役的持久性，因此在其工作部位增加涂层是解决该问题既经济又有效的手段。现阶段使用较多的为碳化物材料的涂层，其具有硬度高、耐磨损性能优越的特点，以涂层方式覆盖在金属合金基体表面可以提高由基体材料制备的零部件的耐磨性与寿命。其中￥(；是一种常见的涂层材料，其有如下特点特性:
[0010](I)具备密度低、强度高、弹性模量高、抗氧化、耐磨、耐腐蚀等优异的物理化学性會K ;
[0011](2)烧结过程中长大倾向小，颗粒一般呈圆形，是一种较为理想的增强材料；
[0012](3)钒资源丰富，容易获得，价格比较低廉，碳化钒在金属基复合材料中获得普遍应用；
[0013](4)具有很高的热稳定性和高硬度的面心立方结构，晶格常数和晶格类型与奥氏体非常接近，这便于更好地与钢铁基体结合；
[0014](5) VCp的标准生成焓Λ G C1值低，其合成反应易于进行；
[0015](6) VCp涂覆的钢铁基复合材料除了硬度高、耐磨性好外，可切削加工、锻造、焊接、热处理强化且变形小，而且具有普通熔炼钢的冷热加工性能。因此，VCp涂层材料被广泛地用作无肩冷热金属加工工具、切削刀具、各种模具、耐磨耐热耐蚀零件的耐磨表面。
[0016]目前制备碳化物涂层的方法有化学气相沉积法、物理气相沉积法、热喷涂方法、热渗镀方法等，但是这些方法，存在生产设备要求苛刻、生产效率低、涂层结合强度低等不足。
[0017]因此如何在轧辊工作表面获得VCp涂层，并且选择一种生产设备简单、工艺流程短的制备方法，获得与基体结合力好、不易脱落且力学性能、耐磨性能优异的涂层是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0018]针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种复合轧辊，其辊身表面具有一种耐磨涂层，而辊芯仍为合金钢基体，该耐磨涂层为V2C致密陶瓷层，其化学稳定性和耐磨性好，具有低摩擦系数、高硬度、低表面能以及低传热性；并且进一步地，提供一种用于获得上述复合轧辊的制备方法。
[0019]进一步地，本发明还提供一种复合轧辊，其辊身表面具有一种梯度复合涂层，其优选被涂覆于辊身基体表面，以提高其表面的耐磨性和断裂韧性，特别是合金钢表面，并且提供一种用于获得上述涂层的制备方法。
[0020]所述轧辊，包括辊身、辊颈和辊头三部分。其中在其辊身工作表面具有耐磨涂层。优选地，具体辊身直径为500-13000mm，辊身长度为1000-4000mm。该长度的选择有利保证辊身工作部位的表面具有很高的硬度和很好的耐磨性，而辊身部分具有很好的韧性。
[0021]为实现本发明目的，本发明采用了如下技术方案:
[0022]一种辊身表面具有耐磨涂层的轧辊，该耐磨涂层为V2C致密陶瓷层；优选地，V2C致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0023]更优选地，沿V2C致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为9-23 μ m，优选为12-22 μ m，更优选为15-20 μπι ;优选地，其中V2C的体积分数大于80%，优选大于90% ;优选地，V2C晶粒尺寸为 20-50 μ m，优选为 30-50 μ m。
[0024]此外，本发明还提供一种辊身表面具有梯度复合涂层的轧辊，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，包括依次呈梯度分布的V2C致密陶瓷层、微米V8C7致密陶瓷层、V8C7与基体的融合层。
[0025]优选地，V2C致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0026]更优选地，沿V2C致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为9-23 μ m，优选为12-22 μ m，更优选为15-20 μπι ;优选地，其中V2C的体积分数大于80%，优选大于90% ;优选地，V2C晶粒尺寸为 20-50 μ m，优选为 30-50 μ m。
[0027]进一步优选地，沿微米V8C7致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为17-88 μπι，优选为40-88 μ m，更优选为70-88 μ m ;优选地，V8C7的体积分数大于70%，优选大于75% ;优选地，V8C7的晶粒尺寸为5-15 μm，优选为6-15 μm，更优选为8-15 μπι。
[0028]更进一步优选地，沿V8C7与基体的融合层纵向剖面，其厚度为124 μ m-1069 μ m，优选为300-1069 μm ;优选地，其中V8C7的体积分数为20% -85%，优选为50% -85% ;优选地，V8C7的晶粒尺寸为5-20 μ m，优选为10-20 μ m。
[0029]优选地，梯度复合涂层总厚度为150-1180 μm，优选在400-1180 μπι。
[0030]更优选地，乳辊基体组织根据热处理方式不同可分为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种；优选地，该梯度复合涂层被施加于合金钢表面。
[0031]本发明提供一种辊身表面具有耐磨涂层的轧辊的制备方法，包括如下步骤:
[0032]I)先准备一钒板，优选的，其中钒的纯度应控制在99.7-99.9%;更优选地，所述钒板的厚度控制在0.2-3mm ;优选地，所述I凡板先被加以表面处理；
[0033]2)根据轧辊的工作受力状况，其主要磨损的部位是辊身表面，据此在管模内壁固定外碳源，然后将步骤I中的钒板按照管模内壁尺寸进行卷绕，使其与外碳源紧密结合；优选地，在离心机的奥氏体不锈钢管模内壁固定外碳源；
[0034]3)将合金钢基材冶炼为钢液；优选地，温度控制在1500_1560°C ；
[0035]4)将上述钢液浇铸到上述放置有钒板和碳源的离心机管模内，待金属液冷却后拔出，得到铸态的复合轧辊，其辊身表面为合金钢与钒板的复合体，而辊芯仍为合金钢基体；优选地，将上述钢液通过离心铸造浇铸到上述放置有钒板和碳源的离心机管模内；优选地，浇铸温度控制在1500-1560°C，浇铸时间为60-120秒为宜；更优选地，离心机转速为500-600rpm ;优选地，待金属液冷却2_3min后拔出；
[0036]5)将拔出的铸态复合轧辊很快转移到具有保护气氛的热处理炉内进行保温，最后随炉冷却至室温，从而在辊身表面形成耐磨涂层，而辊芯基体仍为合金钢基体；
[0037]其中，耐磨涂层为V2C致密陶瓷层。
[0038]优选地，通过控制步骤5)中保温时间、保温温度获得该V2C致密陶瓷层；优选地，V2C致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0039]本发明还提供一种辊身表面具有梯度复合涂层的轧辊的制备方法，包括如下步骤:
[0040]I)先准备一钒板，优选的，其中钒的纯度应控制在99.7-99.9%;更优选地，所述钒板的厚度控制在0.2-3mm ;优