复合材料托辊的研制与应用

孙金福，牟桂梅

（秦皇岛首钢长白机械有限责任公司，河北 秦皇岛 066311）

由于高速线材托辊的使用环境恶劣，辊子寿命极低，平均寿命不超过6天，严重影响生产效率和产品合格率。为此通过表面复合涂层技术，大幅度提高了辊子的使用寿命。

一、托辊的失效形式分析

1.高温磨损超差失效

导卫上分布有磨粒磨损形成的犁沟，是由轧件在高温轧制时表面脆性氧化皮形成的磨粒对导卫犁削所致。另外如导卫的抗氧化性不好也会导致氧化脱落而加速磨损，使导卫精度超差而失效。

2.粘钢失效

导卫辊粘钢失效主要是由于导卫辊材料硬度低，导卫辊工作面加工粗糙及安装精度不高而引起导卫辊在工作中局部受力过大，使氧化物粘着于导卫的工作面而失效。这主要是由于导卫辊硬度较低，特别是红硬性较低所致。

3.拉伤失效

导卫辊被拉削形成很深的沟槽，并在导卫辊的轧材导入段与工作直线交界处发生严重的粘钢现象，从而形成一条贯穿于辊子端面的裂纹。其主要原因是冷却不良导致导卫轴承烧毁，进而使导卫辊不能正常高速运转，轧材在固定位置拉削导卫辊，形成沟槽报废。

4.热疲劳与热裂失效

导卫辊在运行过程中产生热应力，导致辊子出现疲劳裂纹及热裂纹，并向心部扩散，导致表层剥落、导卫辊破裂而失效。

二、提高托辊寿命的措施

1.提高材料抗高温磨粒磨损性能

(1)提高辊子表面硬度以提高辊子的耐磨性。

(2)提高辊子的抗氧化能力，减少氧化物的产生，降低磨粒磨损。

2.改善抗粘钢失效

(1)提高导卫辊工作面硬度，避免粘钢现象的产生。

(2)提高导卫辊工作面的加工精度，保持其表面光洁。

(3)提高导卫辊安装精度，使之不倾斜，保证辊子受力均匀。

3.防止导卫辊拉伤失效

(1)提高辊子材质的机械性能、抗热疲劳性能，防止裂纹的延伸。

(2)提高导卫辊的冷却力度，延缓裂纹的产生，延长导卫辊的使用寿命。

三、托辊材料的选择

1.传统托辊使用的材料

传统托辊使用的材料有T7、T8、合金材料Cr16Ni3、Cr12MoV及镍铬合金奥氏体钢等。对这些材料的耐磨性进行比较，其顺序为T7(T8)＜Cr16Ni3＜Cr12MoV＜镍铬合金，然而经实践证明，即使是耐磨性能最好的镍铬合金也无法满足要求。

2.表面涂层材料的确定

根据前面对托辊磨损的分析可知，托辊材料必须具备良好的耐磨性、较高的硬度及较好的综合机械性能，同时必须具备良好的红硬性。实践表明，单一材质的托辊难以满足要求。为此，最终选定复合材料：基体为45、40Cr等，表面材料成分见表1，并通过热处理使合金材料与基体形成冶金结合。

表1 托辊表面合金的化学成分 %

四、托辊复合材料热处理工艺

表面合金材料涂敷到托辊基体后需进行热处理，其热处理工艺曲线见图1。

图1 热处理工艺曲线

热处理后，表面合金材料与基体形成牢固的冶金结合，在高温1 120℃下保持40min，使表面的富集元素N4i、Cr等向基体扩散，而基体的元素Fe向涂层扩散，形成一个过渡区。过渡区化学成分如表2所示。

表2 过渡区的化学成分

涂层形成后，还需对产品进行最终热处理。其工艺曲线见图2。

图2 最终热处理工艺曲线

这样，在有一定强度的基体上，形成了1层3～5mm的耐磨、耐蚀涂层，解决了托辊寿命问题。

五、复合材料托辊的应用效果

采用复合材料制造的托辊已先后在首钢、宣钢、包钢、湘钢等进行装机试验。试验结果显示优点如下。

寿命显著提高，采用复合材料后，平均寿命可达25d，试验结果见表3、4。

表3 复合材料托辊钢厂跟踪表

表4 首钢二线材立活套辊

辊子磨损均匀，运转平稳，提高了线材生产的质量。

复合材料辊子的应用，减少了停机换辊的次数，提高了生产率，降低了工人的劳动强度。

辊子寿命提高，降低了线材的生产成本。

[1]胡传沂，宋幼慧.涂层技术原理及应用[M].化学工业出版社，2000.

[2]徐滨士.表面工程与维修[M].机械工业出版计，1996.