專利名稱：連續澆鑄輥的不銹鋼表面包層的制作方法
技術領域：
一般來說，本發明涉及澆鑄輥，更具體地說，涉及這些輥包層的外表面。
背景技術：
所謂“澆鑄輥”的輥一般用于熔融金屬的鑄造。澆鑄輥是一系列輥或滾子，它們容納和支承著一個正在固化的金屬板坯，并將板坯通過一條通道輸送。當熔融的金屬從一個連續鑄模中流出時，澆鑄輥支承著熔融金屬，它將熔融的金屬帶“彎曲”至水平位置，并將金屬帶輸送至工作臺上，完全凝固。
澆鑄輥要求在惡劣的不利的工作環境下工作，在這種環境下，輥受到循環的熱沖擊、熱應力和機械彎曲應力作用和高溫磨耗的影響。在第一個澆鑄輥上的正在固化的板坯的溫度可能超過1204℃。另外，當正在固化的板坯在澆鑄輥之間運動時，該板坯快速冷卻下來，因而，在輥上造成迅速的熱偏差。所有這些作用都是在輥處在冷卻水的高腐蝕性水環境下產生的，冷卻水中含有來自熔劑和水處理化學物質的酸和/或堿。此外，當輥與正在固化的板坯接觸時，在接觸位置處，輥膨脹，因此，輥總是受到拉伸壓縮循環應力作用。
一般輥的外徑為15～48cm，輥體長度為25～230cm。典型的輥結構是空心的，有一個中心孔，供滾子軸承水冷之用。
為了延長在這種惡劣的工作環境下工作的澆鑄輥的壽命，一般要在輥體的工作表面上焊上一層或包上一層合金，該合金與基底合金鋼輥材料比較，對工作環境的有害作用具有卓越的抵抗力。換句話說，澆鑄輥具有一個厚度約為0.1～2.5cm的外保護金屬包層或連續的外工作表面。這樣，輥為復合或雙金屬結構。由于控制板坯厚度和凝固所要求的容許偏差小，因此，輥直徑的波動必須不能大于大約0.05cm。當磨損、熱沖擊或腐蝕使輥表面產生哪怕是很小一點的變化，都必需停止鑄造作業。然后，取下輥組件(一般，一組中有8～16個輥)，并將損壞的輥重新機加工和/或進行焊接表面處理。
澆鑄輥的表面處理可以用鎳基、鈷基、鐵基和不銹鋼形式的合金來進行。最典型的金屬包層是馬氏體不銹鋼。本領域的技術人員都知道，表面金屬包層過程中有關的熱量輸入和冷卻速率，對不銹鋼合金和其他材料的微觀結構有不利影響。這會造成微觀結構的改變、偏析和沉淀的不均勻區，這些都影響工作性能，這些將在下文中更詳細地說明。
輥表面惡化的主要原因是從形核區(稱為“腐蝕坑”)擴展開來的裂紋，這些形核區擇優位于靠近焊接內焊縫區域的再加熱區中。
更具體地說，金屬包層一般是用材料圍繞輥體的圓周焊接一條連續焊縫，或沿著輥體焊接縱向焊縫而形成。首先，將輥加熱至大約260～370℃。當焊上焊縫時，它冷卻，并粘接在輥表面上(一般輥為經熱處理的鍛鋼)。本領域的技術人員知道，在輥被第一條焊縫限定以后，焊炬的下一次回轉與第一條焊縫的一個側面稍微隔開一點，使新的焊縫稍稍與前一次回轉的凝固焊縫重疊。每一條焊縫的寬度一般約為1.3～7.6cm。以均勻的厚度或深度連續涂敷材料，直至整個輥表面都被覆蓋為止。一般使用多層焊縫。例如，為了生產厚度約為0.6cm的最終的金屬包層，需要三個完整的焊接層。另外，每一個焊接層的成分特性可以改變。
在焊好焊縫后，表面冷卻至室溫，以便于微觀結構轉變，然后，將輥回火，以軟化表層，釋放應力，再將焊接的表面機加工，以獲得光滑均勻的表面。分析表明，再加熱區包含鉻的碳化物，它們在先前的奧氏體晶界上形成。亦即，當熔融的焊縫與凝固的粘接區重疊時，固溶體中的碳和鉻以碳化物沉淀物的形式，從固溶體中析出，形成貧鉻區。此外，當焊縫的第二層施加在第一層上時，產生另一個沉淀/貧化區。實際上，在整個金屬包層上，產生了貧鉻的圓周方向的和平行的平面。這個過程有時稱為活化。貧鉻區會形成陽極區，這些陽極區容易受到腐蝕和喪失鈍化作用。
幾百年來，一直采用對各種金屬進行熱處理，以改善各種性能。具體地說，有控制地加熱(例如爐子)和控制冷卻速度(例如，借助在水中快速的冷卻)，早就是冶金和金屬加工技術的一部分。公知這種工藝可以改變要處理的金屬或合金的微觀結構，以增強有利的性能。利用熱處理，可以改變材料的微觀結構，生成有利的結構。
一般，熱處理可作為淬硬一個工件的表面區域的手段，使在使用過程中會受到磨損的工件表面區域淬火。當借助熱處理使工件表面區域淬硬以抵抗磨損時，它也使處理區變脆。熱處理還會使工件的原來形狀變形，因此增加了后續再加工的工作量，并使工件不再滿足要求的尺寸公差。
自從1927年將感應熱處理用于軋輥以來，已經利用感應熱處理對冷軋應用場合的非包層鍛鋼的工作表面進行表面淬硬(深度達到大約2.5cm)。現在這個技術已在全世界廣泛使用。另外，鑄鋼和鍛鋼的工作輥和支承輥，已經借助感應和氧化燃料爐淬火的方法表面淬硬或有區別地淬硬至7.5cm深度。然而，據申請者所知，這些方法還沒有應用于本發明所提供的金屬包層澆鑄輥。
感應熱處理是在許多工業部門中廣泛應用以增加關鍵的機械零件抗磨損能力的通用的工程方法。感應熱處理運用了基本的規律即隨時間變化的磁場可感應出電場(法拉第定律)。當一個導體(例如工件)放在電場中時，電流在電場方向上，流過該導體，電流大小與電場強度成正比，與導體電阻成反比(庫侖定律和歐姆定律)。工件對電流的阻力使工件發熱，從而導致理想的熱處理效應。
本發明將感應加熱的獨特用途集中在控制的時間、溫度和深度上，以便將在輥上不銹鋼表面包層固溶退火，并控制冷卻速度，使碳化物生成和沉淀在整個結構的基體上均勻地分布，從而，可避免先前的奧氏體晶界處形成鉻的碳化物。
發明概要和目的從一個方面來說，本發明提供了一種金屬包層輥，其中金屬包層基本上沒有活化區。
在另一方面，本發明提供了一種形成金屬包層輥的方法，該方法包括下述步驟在一個輥的滾壓表面上形成一個焊接金屬包層，該金屬包層具有多個貧鉻區；將所述焊接的金屬包層加熱至足以將形成的碳化物溶入奧氏體固溶體的溫度，并去除所形成的碳化物和貧鉻區；然后，淬火和/或控制冷卻金屬包層，以生成活化區數量非常少的微觀結構。
還有一方面，本發明的熱處理是這樣來完成的將一個感應線圈在金屬包層表面上掃過，以有選擇地只加熱金屬包層的一部分，然后淬火和/或控制該被有選擇地加熱了的金屬包層部分的冷卻。
因此，本發明的主要目的是消除或最大限度減少表面金屬包層輥上靠近焊接內焊縫區域的再加熱區中的被活化的微觀結構。
本發明的另一個目的是采用感應加熱提供橫跨整個輥體長度基本上沒有活化的金屬包層。
本發明的另一個目的是要提供一種基本上沒有活化的滾子金屬包層，而又不會對精加工的滾子尺寸精度有不利的影響。
本發明還有一個目的是要提供一種基本上沒有活化的滾子金屬包層，其有足夠的深度以至于直徑減少不超過1.3cm，從而不需要再加熱處理工作表面。
本發明的另一個目的是提供一種基本上沒有活化的滾子金屬包層，其有足夠深度使得位于表面金屬包層和基底輥材料之間的熔融區下面的熱影響區(HAZ)的強度和韌性，對于所期望的應用場合是最優的，包括低的循環疲勞應力和高的彎曲應力。
本發明的再一個目的是要提供一種對用過的澆鑄輥表面進行熱處理的方法，在這些用過的輥表面中，工作中遇到的高溫已造成微觀結構不穩定，并且出現了活化。
本發明的另一個目的是要提供一種對用過的澆鑄輥表面進行熱處理的方法，這些表面由于暴露在高溫下，已使其輥工作表面軟化，因此需要重新淬硬輥表面，以避免過早地磨損。
本發明的再一個目的是要提供一種基本上沒有活化的滾子金屬包層，使得金屬包層處于受壓縮狀態，而不是拉伸狀態，從而使輥的工作表面更能抵抗在疲勞負載作用下的裂紋形核和擴展。
本發明的再一個目的是要提供一種形成沒有活化的滾子金屬包層的方法，其中，輥體經過熱處理，從而可阻斷對輥體的熱作用，可以避免在支承軸頸精加工的表面上形成氧化皮和脫碳。
附圖的說明
圖1為根據本發明的處于中間階段的一個焊縫輥的透視圖；圖2為一個焊縫輥的透視圖；圖3為根據本發明用感應加熱對一個澆鑄輥的表面金屬包層進行熱處理的設備的基本結構的示意圖。
優選實施例的詳細說明現參照圖1，圖中表示了具有連續的圓柱形表面22的澆鑄輥20。圖中所示的粘附在表面22一部分上的焊縫24是在制造的中間階段。雖然，本發明特別適用于支承從連續的鑄模中流出的正在固化的金屬，例如，鋼或類似物的那種形式的澆鑄輥，但也適用于其它的輥，例如，輥道輥、拉伸輥、夾道輥和熱與冷加工輥。一般，輥20的直徑為15～48cm，其長度大約為25～230cm。如上所述，一般，輥20是空心的，并有一個或多個冷卻液通道，主要用于冷卻軸承。焊縫24在表面22上連續地圍繞著輥20的圓周延伸，并可以使用諸如埋弧焊、或開弧焊、或氣體保護焊、或電渣焊、或電子束或激光焊之類的方法，順序地焊接而成的。一般，單個側面焊縫表面26(即，每一條焊縫)的寬度約1.3～7.6cm，從表面22向外測量的厚度或深度約為0.13～0.32cm。表面22一般為經過熱處理的鍛鋼，而構成表面22的輥20的壁厚一般為大約7.6～21.6cm。在輥20被第一條焊縫28包圍之后，將連續焊機移動一下，使第二條焊縫，焊縫30與焊縫28稍微重疊，其重疊區約為0.3～1.3cm。應當理解，焊縫26在與表面22接觸以后，幾乎立即就凝固。這個過程以均勻的速度和厚度繼續直至整個輥表面20被焊縫層32覆蓋為止，圖2清楚地表示了這點。也可以采用其他的金屬包層方法。
在許多情況下，為了形成合適厚度的最終的金屬包層，需要重復進行連續的焊接作業，使得第二和有可能第三層焊縫表面，一個位于另一個的頂面上。可以使用許多合金作為焊縫26，例如鎳合金、鈷合金、鐵合金和不銹鋼類合金。本發明最優選使用的是不銹鋼合金，例如410或414或/420或423SS。為了使材料的使用和金屬包層的表面特性最優，在某些應用場合，可能希望改變各個焊縫層的成分，即第一、第二和第三焊縫層使用不同的合金。在多數應用場合中，在表面22上形成的焊縫或焊接金屬包層32的厚度約為0.25～1.30cm。如下面將更詳細地說明那樣，在以后的操作階段中，表面32的一些部分被加工除去。
已經發現，當熔融的焊縫接觸和再次加熱先前凝固的焊縫時，固溶體中的鉻析出形成碳化物，結果產生貧鉻區。這些貧鉻區這里稱為“活化”帶或區。這樣，金屬包層32具有許多被活化的區域，包括圓周區域，它們容易受到腐蝕，因而會造成材料損失。這里所述的“基本上沒有活化區”等意味著一種微觀結構，在其整個基體上，碳化物的生成是穩定的和均勻分布的，沒有由于金屬包層工藝出現貧鉻區。
現參照圖3，圖中表示了具有表面42的滾子40。表面42是焊縫包層的外表面，其邊緣用標號44表示。如所說明的那樣，焊縫包層44的厚度最好大約為0.13～1.30cm。在對焊接金屬包層44進行熱處理之前，要利用通常的金屬成形方法，將金屬包層44加工成均勻光滑的表面，或者，如果金屬包層44的直徑是均勻的，公差在±0.32cm范圍內，則可在金屬包層44處于剛焊接好條件下進行熱處理。
最好在對金屬包層44進行熱處理之前，將輥40預熱至大約20℃～370℃，這有助于控制金屬包層44的加熱和冷卻速度，防止熱沖擊和減小金屬包層44的應力。輥40支承在軸頸46上，而末端48與變速回轉驅動裝置50連接。軸頸51的端部52與不被驅動的尾座54連接。本領域的熟練技術人員知道，有許多使輥40作相對運動的方法。即熱源或滾子、或兩者都可以運動，以產生相對運動。
在本發明中，如上所述，為了清除由焊縫產生的活化區，金屬包層44要經過熱處理。為此，可以應用許多熱源，例如，氧/燃料燃燒器，或激光或等離子體，或電子束。最優選的是使用感應加熱，因此，為了逐漸地對金屬包層44進行感應加熱，圖中表示了一個接收交流電的導電線圈56。更具體地說，在本發明的優選實施例中，金屬包層44的表面，在按箭頭B方向轉動時，被按箭頭A方向掃過。因此，設置了滑座58，它可按箭頭A的方向，沿著軌道60運動。當滑座58運動時，線圈56也運動。線圈56可以包括單一一圈式或多圈式線圈，并且最好包括銅繞組。線圈56被支承在圍繞輥40的中心軸的位置上。為了控制表面掃描區和掃描速度，即，熱處理區和速度，滑座58可以不同的速度沿著輥40的長度運動。
設置了一個過程控制器61，它可用于預先設定沿著輥40長度的掃描速度。可以理解，在靠近輥40末端的地方，存在“體端效應”，它使輥40的這些區域的熱輸入和熱損失特性不同，因此，為了補償這種變化，這些區域的掃描速度可以改變。
最好，在鄰近線圈56的地方或與它作成一整體，設置一個淬火頭62。淬火頭62將將淬火介質輸送至金屬包層44的表面42上，使得在線圈56將表面42的一個區域加熱后，立即就將表面42相應地淬火。可以使用多種淬火介質，例如水、空氣或水、空氣或其他冷卻劑的綜合，以產生一種冷卻速度，該速度對于形成所希望的基體微觀結構和控制碳化物生成，以及得到基本上沒有活化區的穩定的微觀結構是必需的。
熟悉馬氏體不銹鋼時間-溫度轉變(TTT曲線)性能的人們知道，以使奧氏體轉變為馬氏體的從固溶退火溫度開始的適當的冷卻速度為大約1000秒冷卻至704℃以下。因此，這些類型的材料可歸類為“可在空氣中淬硬”的合金，這樣，以前提到的淬火一般可在空氣介質(原樣的或經過推動的空氣)中完成。合金元素可以使轉變曲線偏移，從而增加或減少達到所希望的轉變所需的時間。在澆鑄輥的情況下，橫截面的面積一般足以使表層表面自行冷卻。
靠近淬火頭62，設置有回火線圈64，它也是單一或多圈式的感應線圈，其掃描速度可由控制器61控制。回火線圈64用于在由感應線圈56和淬火頭62進行熱處理后，接著使金屬包層44回火。回火線圈64是供選擇使用的，而線圈56既可用于對金屬包層44進行開始的熱處理，又可以接著進行回火。
線圈56(和可能設有的線圈64)可以是分裂式的環狀線圈。最好，線圈56(和可能設有的線圈64)可以包括一個單一的線圈，而輥40放在線圈中心，彼此隔開一個預定的距離。
如此后將更詳細地說明那樣，由于表面42和線圈之間的間隔很重要，因此，必需為每一個輥子直徑配置一個專用的線圈，即感應線圈的內徑應足夠恰當地容納輥。最好，線圈滑座58的形狀應能使具有適當內徑的可互換的感應線圈能快速地與滑座臂68連接。
根據本發明的方法，澆鑄輥40是由相應材料焊接包層的，例如如圖2所示那樣。然后，一般將金屬包層加熱至超過870℃，最好為870℃至1260℃之間的溫度。最好，具有焊縫層44的輥40放置成，使熱源，圖3中表示成感應線圈56，和輥40的表面42之間能有相對運動。
如上所述，可以使用許多裝置來得到相對運動。最好，相對運動不僅僅是沿著滾子40長度的掃描運動，而且包括回轉運動。在任何情況下，如本發明所要求那樣，使表面42的所有表面都接收必要的熱處理，以減少活化區，這時本發明是很關鍵的。最好采取分割的方法，即同時加熱，例如，在所約束的輥40上，寬度大約為1.3～7.6cm的一些小區域，然后淬火。然而，最好，本發明能將加熱的表面積從大約122cm2逐漸增加至390cm2。
當熱源為圖3所示的一個感應線圈時，應該通過將頻率大約為300HZ～5KHZ的交流電供給功率大約為0.5～2.0KW/cm2的感應線圈56，使得金屬包層44被加熱到大約870℃～1260℃之間。在這個條件下，金屬包層44的整個厚度將在優選的溫度范圍內。位于下面的輥，亦即在包層44下面的輥的加熱限制在達到大約O.1～2.5cm的深度。在大約1～60秒以后，淬火頭62對感應線圈56感應加熱的金屬包層44的區域進行淬火。當空氣是淬火介質時，一般可在室溫下冷卻大約5～360秒，這可以在大約5～360秒內，將層44的溫度降低至大約315℃～648℃。因此，用這種方法，可以通過沿圓周流動的感應電流，將輥40的表面金屬包層熱處理至控制深度。這樣，可使金屬包層44在固溶退火足夠的時間和達到相應的溫度，使得在以適當速度冷卻時，金屬包層44的微觀結構完全不被活化，特別是在靠近表面金屬包層內焊縫或重疊區的再加熱區中的微觀結構不被活化，從而大大減少表面42受腐蝕沖擊和降低裂紋擴展的敏感性。另外，最好，輥表面的熱處理是由感應線圈沿著輥體的長度掃描、逐漸地進行的。在不銹鋼的情況下，最優選的微觀結構是馬氏體微觀結構。
還應當理解，本發明的方法，不會對精加工的輥的尺寸精度有不利影響，最好，金屬包層達到足夠的深度，使得可將用過的滾子表面加工至較小的尺寸，一般直徑減小不超過1.3cm，而不需要對工作表面重新加熱處理。滾子金屬包層應有足夠的深度，使位于表面金屬包層和輥基體材料之間的熔融區下面的熱影響區(HAZ)的強度和韌性對于所期望的應用場合為最優，包括低的循環疲勞應力和高的彎曲應力。
本發明還可用于對用過的澆鑄輥表面進行處理，因為已查明，工作中遇到的高溫會造成微觀結構不穩定和在用過的澆注輥表面上出現活化，同時還查明，暴露在工作中的高溫下，會使輥工作表面軟化，即需要重新淬硬滾子表面，以避免其過早地磨損。
還應理解，本發明中所形成的金屬包層是受壓縮而不是受拉伸，這使滾子的工作表面更能抵抗在疲勞負載作用下的裂紋形核和擴展。
最后，還應當了解，本發明的過程提供了一種熱處理方法，它可隔斷對輥體的熱作用，并避免在支承軸頸的精加工表面上形成氧化皮和脫碳。
因此很清楚，根據本發明提供了一種可以完全滿足上述目的、目標和優點的方法和裝置。雖然本發明是結合具體的實施例說明的，但本領域的熟練技術人員從以上說明中可知道，顯然可以有許多變化、改進和變型。另外，還應清楚，根據需要，任何一個實施例可以與任何其他實施例一起使用。因此，我們的意圖是要包括所有在后附權利要求書精神和范圍內的所有變化、改進和變型。
權利要求
1.一種金屬包層的輥表面，它是由在輥表面上進行焊縫包層，并對所述的焊接包層進行熱處理，以產生基本上沒有活化區域的方法制造的。
2.如權利要求1所述的金屬包層輥，其特征為，所述熱處理工序包括將所述焊接包層的溫度升高至大約870℃～1260℃之間，經歷大約1～60秒，然后對所述加熱的金屬包層進行淬火處理。
3.如權利要求1所述的金屬包層輥，其特征為，所述輥為板坯連續鑄造用的一個澆鑄輥。
4.如權利要求1所述的金屬包層輥，其特征為，所述焊接金屬包層是由選自于由不銹鋼合金、鎳合金、鈷合金、鐵合金和它們的綜合構成的群組的材料焊接形成。
5.如權利要求2所述的金屬包層輥，其特征為，所述焊接包層是分成幾部分地進行熱處理的。
6.如權利要求2所述的金屬包層輥，其特征為，所述金屬包層輥利用感應加熱方法進行加熱。
7.如權利要求1所述的金屬包層輥，其特征為，所述熱處理包括預熱工序、退火工序、淬火工序和回火工序。
8.如權利要求1所述的金屬包層輥，其特征為，所述金屬包層經過機械加工，具有均勻光滑的外表面。
9.如權利要求1所述的金屬包層輥，其特征為，所述金屬包層圍繞著所述輥的圓周基本上是連續的。
10.一種形成金屬包層滾子的方法，它包括在所述滾子表面上形成一個焊接的包層；和對所述焊接包層進行熱處理，以減小在所述金屬包層中的貧鉻區域數目。
11.如權利要求10所述的方法，其特征為，所述焊接包層是由選自于由不銹鋼合金、鎳基合金、鈷基合金、鐵基合金和它們的綜合構成的群組中的材料焊接形成。
12.如權利要求10所述的方法，其特征為，所述金屬包層的厚度大約為0.13～1.30cm。
13.如權利要求10所述的方法，其特征為，所述熱處理為固溶退火。
14.如權利要求12所述的方法，其特征為，所述熱處理是利用感應加熱裝置進行的。
15.如權利要求14所述的方法，其特征為，所述感應加熱裝置為一個感應線圈。
16.如權利要求13所述的方法，其特征為，所述金屬包層在所述固溶退火的工序后，要進行淬火和回火。
17.如權利要求10所述的方法，其特征為，所述滾子為一個澆鑄滾子。
18.如權利要求15所述的方法，其特征為，所述感應線圈在所述金屬包層表面上掃過，以加熱所述包層的各個部分。
19.如權利要求15所述的方法，其特征為，所述熱處理包括淬火工序，并且其特征還在于，所述淬火工序是由位于靠近所述感應線圈的一個冷卻劑頭進行的。
20.如權利要求19所述的方法，其特征為，所述感應線圈和所述冷卻劑頭沿著所述金屬包層表面掃過。
21.如權利要求10所述的方法，其特征為，所述熱處理包括將所述金屬包層的一部分的溫度升高至大約20℃～1090℃，經歷約1～60秒，然后立即對所述金屬包層的所述部分進行淬火。
22.如權利要求10所述的方法，其特征為，所述金屬包層經機加工成一個光滑表面。
全文摘要
在連續的澆鑄輥(40)的工作表面上的一個熱處理的金屬包層(44)可減小活化區。所進行的熱處理,在圍繞滾子(40)的圓周的所有位置上,基本上均勻地對滾子的工作表面(44)進行調整,從而將所形成的碳化物溶解為奧氏體固溶體和除去所形成的碳化物和貧鉻區或在焊接過程中,與再加熱區相聯系的活化區。熱處理過程不會對基體滾子材料有熱的影響,或改變其性能與尺寸,不論是在滾子體工作表面之下相當深的地方或在滾子軸頸表面上或該表面之下。
文檔編號C21D9/50GK1201419SQ96198129
公開日1998年12月9日 申請日期1996年11月6日 優先權日1995年11月6日
發明者布魯斯·D·霍恩 申請人:Ag工業公司