高速钢复合轧辊制造新工艺研究

徐冠军 王 勤

（1.安徽机电职业技术学院，芜湖 241002；2.铜陵孚融机械科技有限公司，铜陵 244000）

高速钢复合轧辊的制造工艺通过将高速刚性材料与高韧性和高耐磨性的高速钢材料复合，从而达到材料的优势互补和成本的最优化。这种制造工艺借助于特殊的热处理和表面处理技术，使复合轧辊在集中载荷、高温热压和强冲击等极端工况下表现出出色的性能。

1 高速钢复合轧辊制造新工艺价值

高速钢复合轧辊制造新工艺可以改善轧辊的质量和性能。轧辊制造工艺通常采用单一材料制造，金属在连续轧制过程中容易产生磨损、塑性变形和裂纹等问题，导致使用寿命较短，需要频繁更换，难以满足高强度、高耐磨、高耐热等多种工况要求。而高速钢复合轧辊制造新工艺采用多种材料的复合结构，可以在满足不同工况需求的同时提高轧辊的耐磨性、耐热性、强度和韧性等性能指标。例如，可以将高速钢与高强度结构钢等材料复合制造，既保证了轧辊的耐磨性和耐热性，又提高了强度、韧性和稳定性，延长了轧辊的使用寿命。同时，复合结构的设计可以减轻轧辊的质量，减少应力集中，从而减少裂纹和断裂的风险，进而降低设备的维护和更换成本，提高生产效率和经济效益。轧辊制造工艺需要采用高成本的特殊材料或合金，加工难度较大，制造周期长，成本较高。采用高速钢复合轧辊制造新工艺可以通过合理的复合结构设计，最大限度利用材料的性能优势，降低材料成本，提高生产效率。

2 高速钢复合轧辊制造新工艺要点

2.1 材料选择与预处理

高速钢是制造复合轧辊的主要材料，具有良好的高温强度和耐磨损性能。选择材料时，需要考虑高速钢的化学成分、晶粒结构、热处理能力等因素。高速钢应具备高硬度、高强度和耐磨损的特点，以满足轧辊在高温和高压下的工作要求。另外，晶粒结构的细度和均匀性是确保高速钢复合轧辊性能稳定的关键[1]。预处理旨在改善高速钢材料的组织结构和性能，为后续的加工和成型做好准备。常见的预处理步骤包括热处理和表面处理。热处理通常包括退火、正火和淬火（见图1）等工艺，通过控制加热和冷却过程，使高速钢材料获得理想的组织结构和力学性能。热处理过程中的温度、时间和冷却介质的选择非常关键，需要根据高速钢的具体成分和要求进行调整。表面处理也是预处理的重要环节，包括酸洗、酸蚀、喷砂等工艺，以清除表面的氧化层和杂质，提高材料的表面质量和耐蚀性。

图1 淬火示意图

在高速钢复合轧辊制造的材料选择和预处理过程中，需要综合考虑材料的化学成分、晶粒结构、力学性能及加工要求。合适的材料选择和预处理能够确保高速钢复合轧辊具备良好的高温强度和耐磨性能，提高钢铁生产的效率和质量。制定合理的预处理方案，能够改善材料的组织结构和表面质量，为下一步的成型和加工提供良好的基础。

2.2 复合工艺路线设计

在高速钢复合轧辊的制造工艺中，合金材料的选择和复合方法的确定至关重要。选择合金材料时应考虑其硬度、耐磨性、耐热性和机械强度等性能指标，以适应高速轧制工作环境下的要求。复合方法可以选择热压焊、冷轧焊、爆炸焊等，具体选择需要根据材料特性和工艺要求综合考虑。例如，可以使用热压焊复合方法将高速钢层与基体材料层通过高温和压力结合在一起，确保复合层的牢固程度和良好的界面质量[2]。在复合工艺路线的设计中，需要详细确定各个工艺步骤和相应的工艺参数，包括预处理、预热、焊接（见图2）、热处理和后处理等环节。预处理包括材料清洗、表面处理和加工预备等，作用是确保材料的表面清洁和加工性能。预热可以提高焊接区域的温度，并控制好预热温度和时间，以保证焊接质量。焊接过程中需要控制好焊接速度、焊接压力和温度等参数，确保复合层的均匀性和密实性。热处理过程中，需要根据材料特性和产品要求确定合适的温度和保温时间，使材料获得良好的组织结构和性能。后处理包括切割、修磨、清洗、检测等环节，以保证最终产品的表面质量和性能。

图2 焊接示意图

2.3 热处理工艺优化

钢材的热处理温度直接影响其组织结构和性能，对高速钢复合轧辊来说，热处理温度的控制尤为关键。在实际生产中，需要根据具体的合金成分和轧辊的使用要求来确定热处理温度的具体数值。高温处理能够改善高速钢的塑性和热稳定性，而低温处理则能够提高其硬度和耐磨性，需要通过调节热处理温度，使得高速钢复合轧辊在具有足够硬度和耐磨性的同时，保持较好的塑性和热稳定性，以满足轧辊在高速、高温、高应力环境下的工作要求。热处理温度的优化对于高速钢复合轧辊的制造至关重要，需要在保证硬度的前提下，综合考虑轧辊的整体性能和使用寿命[3]。淬火工艺直接影响高速钢的组织结构和硬度，对于复合轧辊的耐磨性和疲劳寿命有着重要影响。不同的淬火介质对于高速钢的淬火效果有不同的影响，需要选择合适的淬火介质来实现所需的组织结构和硬度。要根据不同型号的高速钢复合轧辊和使用要求确定适合的淬火温度范围，以保证较高的硬度和较好的组织结构稳定性，同时考虑淬火速度和成分控制等方面，保证轧辊的整体性能和使用寿命。

2.4 精密加工和表面处理

精密加工有助于确保复合轧辊的几何尺寸精度和轮廓形状精度，而表面处理可以提高轧辊的表面硬度和耐磨性。为了确保复合轧辊具有精确的几何尺寸和轮廓形状，需要对其进行精密加工，此时的首要任务是进行轧辊的车削和磨削工艺。在车削过程中，需要通过合理的刀具选择、切削参数确定和刀具路径规划，确保轧辊的截面形状和尺寸精确。在磨削过程中，则需要通过优化切削速度、进给量和磨削刀具的选择，将轧辊表面精加工至要求的精度和光洁度，还需要进行尺寸测量和超声波探伤等，以确保轧辊在使用过程中不会出现尺寸偏差和缺陷。精密加工可以保证高速钢复合轧辊的精度和稳定性，提高产品质量和生产效率。常见的表面处理工艺包括热处理和涂层处理[4]。热处理工艺主要包括淬火和回火，通过调节淬火温度和时间，可以改变高速钢的组织结构和硬度，从而提高轧辊的表面硬度和耐磨性。涂层处理则是在轧辊表面涂覆一层专用涂层，如碳化钨涂层、钼涂层等，以提高轧辊的耐磨性，降低摩擦系数。这些表面处理工艺不仅可以增加轧辊的使用寿命，还可以降低能源消耗和生产成本。表面处理在高速钢复合轧辊制造中至关重要，需要根据具体要求选择合适的表面处理工艺，并合理控制处理参数，以获得最佳的表面质量和性能。

2.5 数控加工技术和强化成形工艺

数控加工技术利用计算机软件来控制机床和刀具的运动，实现对工件的高精度加工。在复合轧辊制造过程中，利用数控车床和数控磨床等设备可以实现对轧辊工件的高效加工，确保其几何形状和尺寸精度。数控加工技术具有高度自动化和精准加工的特点，可以大大提高复合轧辊的生产效率和产品质量。采用数控加工技术，可以实现对轧辊工件的复杂曲面和轮廓的精密加工，确保产品的整体精度和稳定性。数控加工技术还可以通过优化刀具路径和切削参数，最大限度降低工件表面的加工残余应力和划痕，提高产品的表面质量和光洁度。数控加工技术在高速钢复合轧辊制造中具有重要作用，有助于实现“精确、快速、稳定”的生产要求[5]。强化成形工艺采用有限元分析、模拟计算和成形工艺优化等手段，通过改进模具结构和成形工艺，实现对轧辊工件的智能化成形。在复合轧辊的制造过程中，强化成形工艺可以通过模拟分析辊身和芯轴的材料变形、应力分布和变形过程，优化轧辊的结构设计和成形工艺参数，以满足工件的精度和性能需求。

3 结语

高速钢复合轧辊制造新工艺是钢铁行业技术创新的重要突破口。其应用有助于提高生产效率和产品质量、节能减排等，因此具有广阔的应用前景。未来，深入进行探讨和研究，可以进一步完善高速钢复合轧辊的制造工艺，推动相关技术的创新，促进金属加工领域的发展和进步。