本發(fā)明屬于冷軋軋輥技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥，本發(fā)明還涉及該冷軋工作輥的制備方法。

背景技術(shù)：

軋輥是軋鋼機(jī)上的重要零件，利用一對或一組軋輥滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力來軋碾鋼材，實(shí)現(xiàn)板材和帶材的生產(chǎn)。常用的冷軋工作輥材料有合金鍛鋼、合金鑄鋼和鑄鐵等。鑄鐵軋輥硬度較高、表面光滑且耐磨，制備過程簡單、價(jià)格便宜，但是其強(qiáng)度較低，已經(jīng)不能滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。以高鉻合金鋼為材料的鋼軋輥，例如9Cr、9Cr2、9CrV和8CrMoV等，已經(jīng)成為冷軋工作輥的主流材質(zhì)。冷軋工作輥主要承受軋制時(shí)的動(dòng)靜載荷，除正常磨損之外，其主要失效形式是輥面剝落，特別是淬硬層的大塊剝落，其產(chǎn)生的主要原因是過早產(chǎn)生的疲勞裂紋的擴(kuò)展或淬硬層內(nèi)部的缺陷。因此，要求冷軋工作輥必須要有足夠的強(qiáng)度、均勻的高硬度和良好的表面質(zhì)量。

碳化鉻具有較高的比剛度、比模量、低熱膨脹系數(shù)以及良好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性及與鋼鐵材料良好的潤濕性等優(yōu)點(diǎn)，以其為增強(qiáng)體制備具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥，可以大幅度提高軋輥表面強(qiáng)度、硬度和表面質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥，以解決現(xiàn)有高鉻合金鋼冷軋工作輥在惡劣工況下輥面剝落的問題。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供上述冷軋工作輥的制備方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥，包括冷軋工作輥本體，所述冷軋工作輥本體材質(zhì)為高鉻合金鋼，所述本體的表面具有多個(gè)凹陷的管狀體，所述冷軋工作輥本體的表面和所述管狀體的內(nèi)表面均具有碳化鉻增強(qiáng)層。

進(jìn)一步地，所述管狀體之間的間距為25μm～1000μm，所述管狀體的管徑為10μm～40μm，所述管狀體的深度不大于20 μm。

進(jìn)一步地，所述碳化鉻增強(qiáng)層的厚度為8μm～20μm，所述碳化鉻增強(qiáng)層由碳化鉻顆粒組成；所述碳化鉻顆粒均勻分布在所述冷軋工作輥本體的基體中，碳化鉻顆粒的粒徑為2μm～15μm，碳化鉻顆粒的體積分?jǐn)?shù)為60%～85%。

進(jìn)一步地，所述冷軋工作輥本體的基體組織為馬氏體、奧氏體和鐵素體中的任意一種或幾種。

一種具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：對冷軋工作輥本體進(jìn)行表面處理，得到表面處理過的冷軋工作輥本體；

步驟2：利用激光打孔機(jī)對步驟1得到的表面處理過的冷軋工作輥本體進(jìn)行激光打孔，然后進(jìn)行酸洗，之后用水沖洗至中性，最后進(jìn)行超聲波清洗，得到清洗后的具有凹陷管狀體的冷軋工作輥本體；

步驟3：將步驟2得到的清洗后的具有凹陷管狀體的冷軋工作輥本體置于真空滲碳爐中在一定溫度下進(jìn)行滲碳，并保溫一定時(shí)間，得到具有微米級(jí)碳化鉻增強(qiáng)層的復(fù)合體；

步驟4：將步驟3得到的具有微米級(jí)碳化鉻增強(qiáng)層的復(fù)合體進(jìn)行加熱淬火與低溫回火后處理，得到具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥。

進(jìn)一步地，所述步驟1的表面處理具體為將冷軋工作輥本體表面用丙酮清洗干凈。

進(jìn)一步地，所述步驟2中激光打孔在真空條件或惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行。

進(jìn)一步地，所述步驟2中酸洗使用的酸液為體積濃度為300ml/L的鹽酸、60ml/L的磷酸、120ml/L的雙氧水、300ml/L的氫氟酸或200ml/L的硫酸中的任意一種，超聲波清洗使用乙醇或丙酮。

進(jìn)一步地，所述步驟3中真空滲碳爐中碳質(zhì)量濃度為0.9%～1.0%，真空度不大于1×104 Pa，滲碳溫度為850℃～900℃，冷軋工作輥本體表面的單位面積內(nèi)滲碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.5%，保溫時(shí)間為8 min～25min。

進(jìn)一步地，所述步驟4中加熱淬火的溫度為780℃～820℃，低溫回火的溫度為300℃～420℃。

本發(fā)明的有益效果是：發(fā)明一種具有管狀碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥，鉻原子與碳原子在固態(tài)溫度下反應(yīng)生成碳化鉻，并利用預(yù)先打好的孔的位置限制碳化鉻的擴(kuò)散，碳化鉻顆粒與冷軋工作輥本體間為冶金結(jié)合，結(jié)合牢固，顆粒不易脫落，可通過控制滲碳工藝參數(shù)和激光打孔參數(shù)控制碳化鉻增強(qiáng)相的顆粒體積分?jǐn)?shù)、分布和形態(tài)，提高了現(xiàn)有冷軋工作輥的表面強(qiáng)度和硬度，提高了復(fù)合材料的耐熱和耐磨性能，解決冷軋工作輥輥面剝落問題，且制備方法簡單，易于實(shí)施。

附圖說明

圖1是本發(fā)明具有碳化鉻增強(qiáng)層的熱軋工作輥的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明具有碳化鉻增強(qiáng)層的熱軋工作輥A區(qū)局部放大結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明具有碳化鉻增強(qiáng)層的熱軋工作輥B區(qū)局部放大結(jié)構(gòu)示意圖，即管狀碳化鉻結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1. 冷軋工作輥本體，2. 碳化鉻增強(qiáng)層，3. 碳化鉻顆粒，4. 管狀體。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明一種具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥，如圖1-3所示，包括冷軋工作輥本體1，冷軋工作輥本體1的表面具有多個(gè)凹陷的管狀體4，管狀體4之間的間距為25μm～1000μm，管狀體4的管徑為10μm～40μm，管狀體4的深度不大于20 μm，冷軋工作輥本體1的表面和管狀體4的內(nèi)表面均具有厚度為8μm～20μm的碳化鉻增強(qiáng)層2，碳化鉻增強(qiáng)層2由碳化鉻顆粒3組成，碳化鉻顆粒3均勻分布在冷軋工作輥本體1中，碳化鉻顆粒3的粒徑為2μm～15μm，碳化鉻顆粒3的體積分?jǐn)?shù)為60%～85%，冷軋工作輥本體1的基體為高鉻合金鋼，高鉻合金鋼包括xCr12、xCr12MoV等碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.5%（即x＜5）、鉻含量大于10%的高鉻合金鋼，基體1組織為馬氏體、奧氏體和鐵素體中的任意一種或幾種。

上述冷軋工作輥的制備方法，具體包括以下步驟：

步驟1：將冷軋工作輥本體表面用丙酮清洗干凈，得到表面處理過的冷軋工作輥本體；

步驟2：利用激光打孔機(jī)在真空條件或惰性氣體保護(hù)下對步驟1得到的表面處理過的冷軋工作輥本體進(jìn)行激光打孔，然后進(jìn)行酸洗，酸洗使用的酸液為體積濃度為300ml/L的鹽酸、60ml/L的磷酸、120ml/L的雙氧水、300ml/L的氫氟酸或200ml/L的硫酸中的任意一種，之后用水沖洗至中性，最后使用乙醇或丙酮進(jìn)行超聲波清洗，得到清洗后的具有凹陷管狀體的冷軋工作輥本體；

步驟3：將步驟2得到的清洗后的具有凹陷管狀體的冷軋工作輥本體置于真空滲碳爐中在一定溫度下進(jìn)行滲碳，真空滲碳爐中碳質(zhì)量濃度為0.9%～1.0%，真空度不大于1×104 Pa，滲碳溫度為850℃～900℃，冷軋工作輥本體表面的單位面積內(nèi)滲碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.5%，保溫8 min～25min，得到具有碳化鉻增強(qiáng)層的復(fù)合體；

步驟4：將步驟3得到的具有碳化鉻增強(qiáng)層的復(fù)合體在780℃～820℃的溫度下進(jìn)行加熱淬火，并在300℃～420℃的溫度下進(jìn)行低溫回火后處理，得到具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥。

本發(fā)明將激光打孔、滲碳和熱處理工藝相結(jié)合，在冷軋工作輥表面得到碳化鉻增強(qiáng)層，且該增強(qiáng)層內(nèi)具有具有凹陷的管狀體；凹陷的管狀體是由高體積分?jǐn)?shù)的碳化鉻顆粒與少量冷軋工作輥基體組成的。

滲碳溫度選擇850℃～900℃是因?yàn)椋?50℃以上滲碳，一方面，碳在基體中的擴(kuò)散系數(shù)會(huì)迅速升高，擴(kuò)散速度過快，擴(kuò)散深度增加，不利于碳化鉻增強(qiáng)層中碳化鉻體積分?jǐn)?shù)的提高；另一方面，滲碳溫度高于900℃，會(huì)使生成的碳化鉻顆粒急速長大，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。滲碳溫度低于850℃，降低擴(kuò)散動(dòng)力，基體表面碳濃度低。

真空滲碳爐中碳質(zhì)量濃度選擇0.9%～1.0%是因?yàn)椋禾假|(zhì)量濃度高于1.0%，碳在基體中的擴(kuò)散速度加快，擴(kuò)散深度增加，不利于碳化鉻增強(qiáng)層中碳化鉻體積分?jǐn)?shù)的提高；碳質(zhì)量濃度低于0.9%，基體表面碳濃度過低。

真空滲碳爐中保溫時(shí)間選擇8min～25min是因?yàn)椋罕貢r(shí)間高于25min，碳化鉻會(huì)集中向基體中擴(kuò)散，不利于保持碳化鉻增強(qiáng)層中碳化鉻的高體積分?jǐn)?shù)；保溫時(shí)間低于8min，滲碳層中的碳不能完全反應(yīng)完，影響增強(qiáng)層的增強(qiáng)效果。

真空滲碳爐中碳質(zhì)量濃度選擇0.9%～1.0%是因?yàn)椋禾假|(zhì)量濃度高于1.0%，碳在基體中的擴(kuò)散速度加快，擴(kuò)散深度增加，不利于碳化鉻增強(qiáng)層中碳化鉻體積分?jǐn)?shù)的提高；碳質(zhì)量濃度低于0.9%，基體表面碳濃度過低。

本發(fā)明的有益效果是：

1）在真空環(huán)境中利用激光打孔技術(shù)在冷軋工作輥本體表面實(shí)現(xiàn)微米級(jí)盲孔的制備，并可對其間距、深度、直徑等進(jìn)行調(diào)整；

2）冷軋工作輥本體與外源碳在加熱、保溫過程中，使鉻原子與碳原子在固態(tài)溫度下反應(yīng)生成碳化鉻，并利用預(yù)先打好的孔的位置限制碳化鉻的擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)管狀碳化鉻增強(qiáng)冷軋工作輥的制備；

3）管狀碳化鉻增強(qiáng)體可以有效增加冷軋工作輥的表面復(fù)合厚度；

4）管狀碳化鉻內(nèi)徑為10～40μm，微觀硬度可達(dá)到980～1650 HV，復(fù)合材料沖擊韌性aK可達(dá)到24～32 J/cm2，大幅度提高了復(fù)合材料的整體力學(xué)性能和耐熱、耐磨性能；

5）管狀碳化鉻中的碳化鉻顆粒與基體間為冶金結(jié)合，結(jié)合牢固，顆粒不易脫落。同時(shí)，可通過控制滲碳工藝參數(shù)和激光打孔參數(shù)控制碳化鉻增強(qiáng)相的顆粒體積分?jǐn)?shù)、分布和形態(tài)。基體的種類、合金化程度、形態(tài)分布等也可根據(jù)工況要求調(diào)節(jié)，達(dá)到增強(qiáng)相與基體相間的性能最佳匹配。

6）制備方法簡單、易行，操作方便，便于實(shí)施。

實(shí)施例1

步驟1：將冷軋工作輥本體表面用丙酮清洗干凈，得到表面處理過的冷軋工作輥本體；

步驟2：利用激光打孔機(jī)在真空條件下對步驟1得到的表面處理過的冷軋工作輥本體進(jìn)行激光打孔，孔徑為30μm，孔深為20μm，孔間距為1000μm；然后進(jìn)行酸洗，酸洗使用的酸液為體積濃度為300ml/L的鹽酸，之后用水沖洗至中性，最后使用乙醇進(jìn)行超聲波清洗，得到清洗后的具有凹陷管狀體的冷軋工作輥本體；

步驟3：將步驟2得到的清洗后的具有凹陷管狀體的冷軋工作輥本體置于真空滲碳爐中在900℃的溫度下進(jìn)行滲碳，真空滲碳爐中碳質(zhì)量濃度為0.9%，真空度不大于1×104 Pa，冷軋工作輥本體表面的單位面積內(nèi)滲碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.5%，保溫25 min，得到具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥本體復(fù)合體；

步驟4：將步驟3得到的具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥本體復(fù)合體在780℃的溫度下進(jìn)行加熱淬火，并在350℃的溫度下進(jìn)行低溫回火后處理，得到具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥。

所得冷軋工作輥中，微米級(jí)管狀碳化鉻層的厚度為20μm左右，其組織包括粒徑為5～15 μm的顆粒狀碳化鉻和馬氏體基體，碳化鉻顆粒的體積分?jǐn)?shù)為60%。管狀碳化鉻微觀硬度為980 HV，冷軋工作輥的沖擊韌性ak可達(dá)到32 J/cm2。

實(shí)施例2

步驟1：將冷軋工作輥本體表面用丙酮清洗干凈，得到表面處理過的冷軋工作輥本體；

步驟2：利用激光打孔機(jī)在惰性氣體氬氣保護(hù)下對步驟1得到的表面處理過的冷軋工作輥本體進(jìn)行激光打孔，孔徑為20μm，孔深為18μm，孔間距為25μm；然后進(jìn)行酸洗，酸洗使用的酸液為體積濃度為300ml/L的氫氟酸，之后用水沖洗至中性，最后使用丙酮進(jìn)行超聲波清洗，得到清洗后的具有凹陷管狀體的冷軋工作輥本體；

步驟3：將步驟2得到的清洗后的具有凹陷管狀體的冷軋工作輥本體置于真空滲碳爐中在850℃的溫度下進(jìn)行滲碳，真空滲碳爐中碳質(zhì)量濃度為1.0%，真空度不大于1×104 Pa，冷軋工作輥本體表面的單位面積內(nèi)滲碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.5%，保溫8 min，得到具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥本體復(fù)合體；

步驟4：將步驟3得到的具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥本體復(fù)合體在800℃的溫度下進(jìn)行加熱淬火，并在300℃的溫度下進(jìn)行低溫回火后處理，得到具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥。

所得冷軋工作輥中，微米級(jí)管狀碳化鉻層的厚度為8 μm左右，其組織包括粒徑為2～10 μm的顆粒狀碳化鉻和馬氏體基體，碳化鉻顆粒的體積分?jǐn)?shù)為85%。管狀碳化鉻微觀硬度為1650 HV，冷軋工作輥的沖擊韌性ak可達(dá)到24 J/cm2。

實(shí)施例3

步驟1：將冷軋工作輥本體表面用丙酮清洗干凈，得到表面處理過的冷軋工作輥本體；

步驟2：利用激光打孔機(jī)在惰性氣體氬氣保護(hù)下對步驟1得到的表面處理過的冷軋工作輥本體進(jìn)行激光打孔，孔徑為10μm，孔深為17μm，孔間距為350μm；然后進(jìn)行酸洗，酸洗使用的酸液為體積濃度為200ml/L的硫酸，之后用水沖洗至中性，最后使用乙醇進(jìn)行超聲波清洗，得到清洗后的具有凹陷管狀體的冷軋工作輥本體；

步驟3：將步驟2得到的清洗后的具有凹陷管狀體的冷軋工作輥本體置于真空滲碳爐中在880℃的溫度下進(jìn)行滲碳，真空滲碳爐中碳質(zhì)量濃度為0.94%，真空度不大于1×104 Pa，冷軋工作輥本體表面的單位面積內(nèi)滲碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.5%，保溫17 min，得到具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥本體復(fù)合體；

步驟4：將步驟3得到的具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥本體復(fù)合體在820℃的溫度下進(jìn)行加熱淬火，并在380℃的溫度下進(jìn)行低溫回火后處理，得到具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥。

所得冷軋工作輥中，微米級(jí)管狀碳化鉻層的厚度為12μm，其組織包括粒徑為4μm～13μm的顆粒狀碳化鉻和珠光體基體，碳化鉻顆粒的體積分?jǐn)?shù)為72%。管狀碳化鉻微觀硬度為1340 HV，冷軋工作輥的沖擊韌性ak可達(dá)到14 J/cm2。

實(shí)施例4

步驟1：將冷軋工作輥本體表面用丙酮清洗干凈，得到表面處理過的冷軋工作輥本體；

步驟2：利用激光打孔機(jī)在惰性氣體氬氣保護(hù)下對步驟1得到的表面處理過的冷軋工作輥本體進(jìn)行激光打孔，孔徑為40μm，孔深為18μm，孔間距為700μm；然后進(jìn)行酸洗，酸洗使用的酸液為體積濃度為120ml/L的雙氧水，之后用水沖洗至中性，最后使用乙醇進(jìn)行超聲波清洗，得到清洗后的具有凹陷管狀體的冷軋工作輥本體；

步驟3：將步驟2得到的清洗后的具有凹陷管狀體的冷軋工作輥本體置于真空滲碳爐中在860 ℃的溫度下進(jìn)行滲碳，真空滲碳爐中碳質(zhì)量濃度為0.98%，真空度不大于1×104 Pa，冷軋工作輥本體表面的單位面積內(nèi)滲碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.5%，保溫20 min，得到具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥本體復(fù)合體；

步驟4：將步驟3得到的具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥本體復(fù)合體在790℃的溫度下進(jìn)行加熱淬火，并在420℃的溫度下進(jìn)行低溫回火后處理，得到具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥。

所得冷軋工作輥中，微米級(jí)管狀碳化鉻層的厚度為10 μm，其組織包括粒徑為3～11 μm的顆粒狀碳化鉻和馬氏體基體，碳化鉻顆粒的體積分?jǐn)?shù)為76%。管狀碳化鉻微觀硬度為1350 HV，冷軋工作輥的沖擊韌性ak可達(dá)到16 J/cm2。

本發(fā)明一種具有碳化鉻增強(qiáng)層的冷軋工作輥，其組織特征為微米級(jí)管狀碳化鉻均勻垂直分布于冷軋工作輥本體表面，內(nèi)徑為10～40μm，深度不大于20 μm，間距在25～1000μm范圍內(nèi)可調(diào)。管狀碳化鉻的組織包括均勻分布的粒徑為2μm～15μm，體積分?jǐn)?shù)為60%～85%。管狀碳化鉻微觀硬度可達(dá)到980～1650 HV，冷軋工作輥的沖擊韌性aK可達(dá)到24～32 J/cm2。通過在冷軋工作輥本體表面制備微米級(jí)管狀碳化鉻增強(qiáng)體，可進(jìn)一步提高冷軋工作輥的耐磨性能和耐高溫性能，且成本低廉，制備工藝簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。