具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明优选实施例1的高铬铸铁合金复合轧辊图；图2是本发明优选实施例2的高铬铸铁合金复合轧辊图；图3是本发明优选实施例1的高铬铸铁合金复合轧辊金相图。

如图1和图2所示，本实施例的高铬铸铁合金复合轧辊，包括：辊轴1和套设于辊轴1外的复合辊套2，复合辊套2包括具有韧性的过渡层21，过渡层21外壁面开设有凹槽和/或凹孔，凹槽和/或凹孔内容纳有耐磨性和高硬度的工作层22；工作层22采用高铬铸铁合金粉末，包括：C为3.0％～3.8％、Si为0.5％～1.2％、Mn为0.3％～0.8％、Cr为18.0％～28.0％、Mo为1.0％～3.0％、V为2.0％～9.0％、W为0.2％～2.0％、余量为Fe，Cr与C的比值大于等于3.5；过渡层21采用低碳钢。

本发明的高铬铸铁合金复合轧辊，包括：辊轴1和套设于辊轴1外的复合辊套2，复合辊套2包括过渡层21和布设在过渡层21凹槽和/或凹孔内的工作层22，工作层22采用高铬铸铁合金粉末，具有组织均匀、碳化物晶粒细、形态好，耐磨性能优异等优点，过渡层21为低碳钢，具有硬度低、韧性好、可加工性能好等特点。而且，复合辊套2外层(也即工作层22)为高耐磨性和高红硬性的高铬铸铁合金粉末，内层为韧性好的低碳钢，外硬内韧，有利于提高复合辊套2的耐磨性和安全性，由于高铬铸铁合金价格昂贵，采用低碳钢可代替部分高铬铸铁合金粉末，也有利于降低轧辊的成本。

上述高铬铸铁合金粉末，包括：C为3.0％～3.8％、Si为0.5％～1.2％、Mn为0.3％～0.8％、Cr为18.0％～28.0％、Mo为1.0％～3.0％、V为2.0％～9.0％、W为0.2％～2.0％、余量为Fe，Cr与C的比值大于等于3.5。高铬铸铁合金粉末是指通过高压惰性气体或高压水雾化高铬铸铁铁水而得到的细小的合金粉末，然后在高温、高压下压制成形，再经烧结而成。具有高铬铸铁合金含量高、纯度高、无偏析、碳化物颗粒细小和各向同性同质等特点，因而具有极佳的韧性和机加工性、良好的红硬性、较高的抗压强度和高的耐磨性，在冲击负荷大的切削加工和模具磨损场合得到了广泛的应用。

本实施例中，凹槽和/或凹孔的深度为30mm～50mm。凹槽和/或凹孔底厚为20mm～30mm。上述过渡外壁面开设凹槽和/或凹孔，以使得高铬铸铁合金粉末填满凹槽和/或凹孔内，形成工作层22。凹槽和/或凹孔的深度为30mm～50mm，实际上为工作层22的厚度，即工作层22的厚度为30mm～50mm，也可以高铬铸铁合金粉末填满凹槽和/或凹孔并超出凹槽和/或凹孔的深度，从而使得工作层22的厚度大于30mm～50mm。凹槽和/或凹孔底厚为20mm～30mm，可以理解为，将低碳钢管上开设凹槽和/或凹孔，最终低碳钢管形成凹槽结构或凹孔结构，凹槽结构或凹孔结构底部作为过渡层21，其底部厚度实际上为过渡层21厚度，为20mm～30mm。其上部内凹处为承载高铬铸铁合金粉末，进一步增加低碳钢与高铬铸铁合金粉末的接触面积，以使得从简单的单面结合转变为三面结合形式，增加复合层之间的结构稳定性。在热等静压处理后，低碳钢与高铬铸铁合金粉末相互扩散连接形成整体结构。

如图1所示，优选地，低碳钢上开设有一个凹槽，凹槽上对应封盖有高铬铸铁合金粉末，凹槽的表面积为低碳钢外表面积的85％～95％。或者，低碳钢上开设有一个凹孔，凹孔上对应封盖有高铬铸铁合金，凹孔的表面积为低碳钢层外表面积的85％～95％。

如图2所示，优选地，低碳钢上沿低碳钢的壁面均匀开设有多个凹槽，每一个凹槽上均封盖有高铬铸铁合金粉末，凹槽的总表面积为低碳钢外表面积的85％～95％；或者，低碳钢上沿低碳钢的壁面均匀开设有多个凹孔，每一个凹孔上均封盖有高铬铸铁合金粉末，凹孔的表面积为低碳钢层外表面积的85％～95％。上述低碳钢上沿低碳钢的壁面均匀开设有多个凹槽或凹孔，进一步增加低碳钢与高铬铸铁合金的接触面积，增加二者结合的稳定性。

优选地，低碳钢上沿低碳钢的壁面均匀开设有一个凹槽和多个凹孔，每一个凹槽和每一个凹孔上均封盖有高铬铸铁合金粉末，凹槽和凹孔的总表面积为低碳钢外表面积的85％～95％；或者，低碳钢上沿低碳钢的壁面均匀开设有一个凹孔和多个凹槽，每一个凹槽和每一个凹孔上均封盖有高铬铸铁合金粉末，凹槽和凹孔的总表面积为低碳钢外表面积的85％～95％。

本实施例中工作层的肖氏硬度(HSD)为81～85。具有较高的耐磨性能。上述，高铬铸铁合金形成的工作层包括基体和碳化物，碳化物的显微硬度(HV)为1300～1800，工作层的金相组织中基体的显微硬度为HV500～700。上述高铬铸铁合金具有耐磨性和抗高温和抗腐蚀性能，并保证铬碳比超过3.5，使高铬铸铁合金中形成M7C3型碳化物，高铬铸铁合金组织中形成的Cr7C3碳化物显微硬度达HV1300～1800，具有很高的耐磨性。而且，高碳高铬含量增加碳化物的体积分数，进而提高耐磨性。

本实施例中，将高铬铸铁合金粉末注入到过渡层21外壁面开设的凹槽和/或凹孔内，并通过热等静压扩散连接形成复合辊套2。高铬铸铁合金粉末与低碳钢在热等静压处理后，受到高温和压力的作用，高铬铸铁合金粉末与低碳钢烧结并相互扩散，达到冶金结合，并改善铸造的高铬铸铁组织晶粒粗大且碳化分布不均匀的现象，以将高铬铸铁合金粉末形成有大量的Cr7C3碳化物、无偏析、碳化物颗粒细小和各向同性同质等特点，从而使得形成的工作层22具有极佳的韧性和机加工性、良好的红硬性、较高的抗压强度和高的耐磨性。优选地，高铬铸铁合金粉末的粒度为25μm～95μm。

本实施例中，低碳钢包括Q235、20钢或A3碳中的一种。低碳钢价格便宜，韧性好，淬火后硬度低易加工，将高铬铸铁合金与低碳钢结合，外硬内韧，耐磨性好(使用性能好)、安全性高。

本实施例中，辊轴1采用42CrMo锻钢轴。辊轴1与复合辊套2过盈配合。芯棒为42CrMo锻钢轴，疲劳强度高、韧性好、可重复使用、降低轧辊成本。

上述高铬铸铁合金复合轧辊制备方法，包括以下步骤：

S1、将高铬铸铁合金制备成高铬铸铁合金粉末；

S2、采用低碳钢制备过渡层21，所述过渡层21包括第一包套和套设于第一包套外表面的第二包套；第一包套上开设有凹槽和/或凹孔结构，凹槽和/或凹孔结构与第二包套围合成用于容纳高铬铸铁合金粉末的空腔；

S3、将高铬铸铁合金粉末填满包套内的空腔；

S4、对带有高铬铸铁合金粉末的包套进行抽真空，以抽除包套内的气体；

S5、采用电子束焊接以密封抽除气体后的包套；

S6、将密封后的包套进行热等静压处理，以将高铬铸铁合金粉末烧结形成高铬铸铁合金层，高铬铸铁合金层与包套复合形成复合辊套半成品；

S7、将复合辊套半成品进行热处理；

S8、热处理后的复合辊套半成品冷却至室温，采用车削加工去除复合辊套半成品中的第二包套，以露出高铬铸铁合金层，获得复合辊套2，并按设计规格和轧件规格对复合辊套2进行加工；

S9、将复合辊套2与辊轴1进行装配；获得高铬铸铁合金复合轧辊。

上述步骤S4中抽真空包括将包套放入真空箱中抽真空，包套的真空度大于等于1×10^-2Pa。高铬铸铁合金填满包套内的空腔后，放置在电束焊接设备的真空箱内抽真空，目的是抽走高铬铸铁合金之间的空气，要求真空度为1×10^-2Pa以上。

本实施例中，步骤S6中热等静压处理工艺：温度为1000℃～1200℃，压力为120MPa～140MPa，保温时间为2h～4h。高铬铸铁合金粉末与低碳钢在热等静压处理后，受到高温和压力的作用，高铬铸铁合金粉末与低碳钢烧结并相互扩散，达到冶金结合。并改善铸造的高铬铸铁组织晶粒粗大且碳化物分布不均匀的现象，以将使高铬铸铁合金形成有大量的Cr7C3碳化物、无偏析、碳化物颗粒细小和各向同性同质等特点，从而使得形成的工作层22具有极佳的韧性和机加工性、良好的红硬性、较高的抗压强度和高的耐磨性。优选地，热等静压处理工艺：温度为1000℃～1200℃，压力为120MPa～140MPa，保温时间为2h～4h，以满足高铬铸铁合金与低碳钢烧结。

上述步骤S7中复合辊套半成品进行热处理包括以下步骤：S71、将热等静压处理后的复合辊套半成品放置炉内进行退火处理，温度降低至400℃出炉，空冷至室温；S72、将复合辊套半成品放置炉内进行淬火处理，温度降低至500℃出炉，空冷或风冷至室温；S73、将复合辊套半成品放置炉内进行回火处理，空冷至室温。优选地，退火处理：退火温度为850℃～900℃，保温时间为3h～5h；淬火处理：淬火温度为1000℃～1100℃，保温时间为2h～4h；回火处理：回火温度为400℃～600℃，保温时间为3h～5h。

实施例

实施例1

高铬铸铁合金复合轧辊

辊轴1和套设于辊轴1外的复合辊套2，复合辊套2包括过渡层21和工作层22，过渡层21包括第一包套和套设于第一包套外表面的第二包套，第一包套的外径Ф390mm，内径Ф260mm，高度680mm，第二包套的外径Ф397mm，内径Ф392mm，高度680mm，第一包套上开设有1个凹槽，凹槽的深度为80mm，凹槽的总表面积为第一包套外表面积的94％，凹槽结构与第二包套围合成用于容纳高铬铸铁合金粉末的空腔，第一包套端部设有用于高铬铸铁合金粉末注入包套内部并对包套内部抽气的通孔，通孔的直径为10mm，过渡层21采用20钢制备。

工作层22采用高铬铸铁合金粉末，包括：C为3.0％～3.8％、Si为0.5％～1.2％、Mn为0.3％～0.8％、Cr为18.0％～28.0％、Mo为1.0％～3.0％、V为2.0％～9.0％、W为0.2％～2.0％、余量为Fe。

高铬铸铁合金复合轧辊制备方法，包括以下步骤：

S1、将高铬铸铁合金制备成高铬铸铁合金粉末，高铬铸铁合金粉末的粒度为40μm；

S2、采用20钢制备的包套；

S3、将高铬铸铁合金粉末通过通孔进入到包套内，并填满包套内的空腔；

S4、对带有高铬铸铁合金粉末的包套放置真空箱中抽真空，以抽除包套内的气体，使得包套内的真空度为1×10^-2Pa以上；

S5、采用电子束对第一包套和第二包套封口进行焊接，将通孔封口焊接；

S6、将密封后的包套进行热等静压处理，温度为1150℃，压力为130MPa，保温时间为3h，以将高铬铸铁合金粉末烧结形成高铬铸铁合金层，高铬铸铁合金层与包套复合形成复合辊套半成品；

S7、将复合辊套半成品进行热处理，退火温度为890℃，保温时间为4h，温度降低至400℃出炉，空冷至室温，将复合辊套半成品放置炉内进行淬火处理，淬火温度为1050℃，保温时间为3h，温度降低至500℃出炉，空冷或风冷至室温，将复合辊套半成品放置炉内进行回火处理，回火温度为500℃，保温时间为4h，空冷至室温；

S8、采用车削加工去除复合辊套半成品中的第二包套，以露出高铬铸铁合金层，获得复合辊套2，并按设计规格和轧件规格对复合辊套2进行加工；

S9、将复合辊套2与辊轴1进行装配，获得高铬铸铁合金复合轧辊。

实施例2

高铬铸铁合金复合轧辊

辊轴1和套设于辊轴1外的复合辊套2，复合辊套2包括过渡层21和工作层22，过渡层21包括第一包套和套设于第一包套外表面的第二包套，第一包套的外径Ф390mm，内径Ф260mm，高度680mm，第二包套的外径Ф397mm，内径Ф392mm，高度680mm，第一包套上开设有12个凹槽，凹槽的深度为80mm，凹槽的总表面积为第一包套外表面积的92％，凹槽结构与第二包套围合成用于容纳高铬铸铁合金粉末的空腔，第一包套端部设有用于高铬铸铁合金粉末注入包套内部并对包套内部抽气的通孔，通孔的直径为10mm，过渡层21采用20钢制备。

工作层22采用高铬铸铁合金粉末，包括：C为3.8％、Si为1％、Mn为0.8％、Cr为28.0％、Mo为3.0％、V为7.0％、W为2.0％、余量为Fe，

高铬铸铁合金复合轧辊制备方法，包括以下步骤：

S1、将高铬铸铁合金制备成高铬铸铁合金粉末，高铬铸铁合金粉末的粒度为50μm；

S2、采用20钢制备的包套；

S3、将高铬铸铁合金粉末通过通孔进入到包套内，并填满包套内的空腔；

S4、对带有高铬铸铁合金粉末的包套放置真空箱中抽真空，以抽除包套内的气体，使得包套内的真空度为1×10^-2Pa以上；

S5、采用电子束对第一包套和第二包套封口进行焊接，将通孔封口焊接；

S6、将密封后的包套进行热等静压处理，温度为1200℃，压力为120MPaa，保温时间为4h，以将高铬铸铁合金粉末烧结形成高铬铸铁合金层，高铬铸铁合金层与包套复合形成复合辊套半成品；

S7、将复合辊套半成品进行热处理，退火温度为850℃，保温时间为5h，温度降低至400℃出炉，空冷至室温，将复合辊套半成品放置炉内进行淬火处理，淬火温度为1100℃，保温时间为3h，温度降低至500℃出炉，空冷或风冷至室温，将复合辊套半成品放置炉内进行回火处理，回火温度为600℃，保温时间为3h，空冷至室温；

S8、采用车削加工去除复合辊套半成品中的第二包套，以露出高铬铸铁合金层，获得复合辊套2，并按设计规格和轧件规格对复合辊套2进行加工；

S9、将复合辊套2与辊轴1进行装配，获得高铬铸铁合金复合轧辊。

对比例1

轧辊

S1、将与实施例1相同化学成分的高铬铸铁材质熔炼成高铬铸铁铁水，进行除渣和变质处理；

S2、将球墨铸铁材质熔炼成球墨铸铁铁水；

S3、当温度降至1400℃时将高铬铸铁铁水注入卧式离心模具内成型完成工作层浇铸；

S4、合模，当温度降至1350℃时将球墨铸铁铁水注入型腔，完成芯轴浇铸，获得成型轧辊的毛坯；

S5、将毛坯进行低温回火处理，回火温度为530℃，时间为10h，再进行机械加工，获得轧辊。

将上述实施例1、实施例2和对比例1进行肖氏硬度、冲击韧性和密度的测定，测定结果如表1所示。

表1性能测试结果

上述实施例1和实施例2的高铬铸铁合金复合轧辊的性能明显优于对比例1的轧辊性能，且冲击韧性明显高于对比例1，耐磨性高，使高铬铸铁合金复合轧辊的使用次数增加。

实施例1的高铬铸铁合金复合轧辊的工作层的金相图如图3所示。金相图中白色小颗粒为碳化物，其他为基体，从金相图中可看出，在回火马氏体基体组织上均匀分布大量颗粒细小的高硬度Cr7C3碳化物，这种碳化物显微硬度达HV1300～1800，具有很好的耐磨性，且碳化物体积分数达到了30％～40％，使得组织(材料)具有很好的耐磨性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。