喷射成形制备高速钢复合轧辊的发展及应用

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喷射成型

喷射成形（Spray Forming）技术，也有人称为喷射沉积（Spray Deposition）或喷射铸造（Spray casting）技术，这是廿世纪80年代以来，工业发达国家在传统快速凝固／粉末冶金（RS/PM）工艺基础上发展起来的一种全新的先进材料制备与成形技术。

喷射成形技术的基本原理是用高压惰性气体将金属液流雾化成细小液滴，并使其沿喷嘴的轴线方向高速飞行，在这些液滴尚未完全凝固之前，将其沉积到一定形状的接收体上成形。

这样，通过合理地设计接收体的形状和控制其运动方式，便可以从液态金属直接制备出具有快速凝固组织特征，整体致密的圆棒、管坯、板坯、圆盘等不同形状的沉积坯。

采用喷射成形工艺制备的材料与用传统铸造或变形工艺制备的材料相比，由于在制备过程中的快速冷却使显微组织明显细化、析出相细小且均匀分布，从而使材料的化学成分和组织在宏观和微观上得到有效地控制，因此材料的力学性能几乎没有各向异性，使材料的总体性能得到了明显的提高。

这种新工艺与传统的粉末冶金工艺相比，由于从冶炼到坯件成形可在一个工序完成，省去了粉末冶金制粉、混料、压坯和烧结等多道工序，且可有效地控制材料中的氧含量与纯净度，这可使材料坯件的制造成本大幅度地降低。

当今，各工业发达国家利用喷射成形技术在高速钢、高温合金、铝合金、铜合金等先进材料的开发和生产方面已经取得了很大进展，其中高性能铝合金是喷射成形技术领域中最具吸引力的开发方向。

喷射成形技术的开发和应用喷射成形技术作为一种高新技术，其产品可广泛用于航天、航空、国防、汽车、化工、海洋和石油等工业领域。

国外喷射成形技术的应用开发主要集中在圆锭坯和管坯上，对平板产品的应用较少。

目前，已经能生产直径450mm和长度2500mm的棒材，其收得率可高达70%~80%，所生产的管坯直径为150~1800mm、长度为8000，其收得率为80%~90%。

而成形的合金材料主要有：铝硅合金、铝锂合金、2000及7000系列铝合金、各种铜合金、不锈钢和特种合金等。

喷射成型

喷射成形技术的开发和应用喷射成形技术作为一种高新技术，其产品可广泛用于航天、航空、国防、汽车、化工、海洋和石油等工业领域。

国外喷射成形技术的应用开发主要集中在圆锭坯和管坯上，对平板产品的应用较少。

目前，已经能生产直径450mm和长度2500mm的棒材，其收得率可高达70%~80%，所生产的管坯直径为150~1800mm、长度为8000，其收得率为80%~90%。

而成形的合金材料主要有：铝硅合金、铝锂合金、2000及7000系列铝合金、各种铜合金、不锈钢和特种合金等。

高速钢轧辊

【原创】高速钢轧辊的性能与应用作者: xucz 发布日期: 2009-04-08 13:46轧辊是钢铁材料生产中的重要构件，而其本身材质开发与应用也十分重要，在此简要概述一下高速钢辊材的发展与应用，抛砖引玉，请大家讨论！1，应用现状轧制过程自动化、连续化、重型化是现代轧制技术的发展方向。

近年来，随着我国汽车、家电、铁路、桥梁、建筑业的快速发展，推动了轧钢工业的迅速发展，对轧材的尺寸精度、表面质量、使用性能也提出了更高的要求，促进了轧制技术的进步，轧辊的工作环境越来越苛刻，轧辊的使用性能要求也越来越高。

如何提高轧辊的使用性能以适应轧钢的需求是轧辊工作者面临的新课题。

上世纪末，高速钢复合轧辊工业应用已经取得成功，高速钢复合轧辊是将工作层和芯部以熔铸方式复合起来的高性能轧辊，工作层具有高硬度、高耐磨性和优异的抗热裂纹性能。

采用锻钢、铸钢或球墨铸铁作为轧辊芯部材料具有较高的强韧性。

高速钢复合轧辊充分发挥了两种材料的性能优势，使用寿命比高铬铸铁轧辊提高3倍以上。

目前，高速钢轧辊主要应用于热轧精轧前段机架，并逐步向后段机架推广，有可能在未来十年内完全取代高铬铸铁轧辊。

高速钢轧辊的使用可以减少换辊次数、降低辊耗和周转量，还可以提高轧制精度、实现无规程轧制，具有广阔的应用前景。

1988年日本首先开始采用高速钢轧辊，美国在90年代初开始引入高速钢轧辊，欧洲起步相对较晚但发展很快，我国大型高速钢复合轧辊还处于研制阶段，关键生产工艺尚未成熟，高速钢复合轧辊的使用也仅限于宝钢等几家大型钢铁企业。

开展高速钢轧辊的制造和使用技术研究，可以为新型高速钢轧辊的推广应用奠定基础，因而具有十分重要的实用价值。

未完，待续......相关回复：作者: xucz 发布日期: 2009-04-08 14:05热轧工作辊的工况条件非常复杂，承受剧烈的机械负荷、热负荷和冷却水的循环作用，因而存在多种损伤形式。

热轧工作辊承受的基本应力可分为三类：1). 机械应力：即在轧制过程中，由轧制载荷而产生的直接剪应力、弯曲应力和为了驱动轧辊克服轧制摩擦力所必需的转矩而产生的扭转剪切应力，尤其是在咬钢和抛钢瞬时产生的机械冲击负荷，加剧了机械应力的作用。

5喷射沉积技术简介

喷射沉积的概念和原理最早是由英国Swansea大学的A. Singer教授于1968年提出，1970年首次公开报导的。当时他把熔融金属雾化沉积在一个旋转的基体上，形成沉积坯料，并直接轧制成带材。Singer等人主要集中在铝合金方面的研究，一般采用氮气雾化，气体压力为0.55-0.83MPa，获得的雾化液滴直径为100-150m，喷射距离为0.45m。采用这样的参数，可以获得致密的雾化沉积带坯，存在的主要问题是带材的厚薄不均。1974年R. Brooks等人成功地将Singer提出的喷射沉积原理应用于锻造毛坯的生产，发展了世界著名的 Osprey工艺，开发了适合于喷射沉积的一系列合金，设计和制造了多种Osprey成套设备，并取得了两项专利。从此， Osprey工艺蜚声于世，成为了喷射沉积工艺的代名词。 Singer教授提出的喷射轧制示意图和Osprey工艺的喷射锻造示意图如下图所示。
雾化沉积过程的热传导主要是依靠雾化液滴和惰性气体的对流和辐射进行热交换以及沉积坯通过基底传导和表面气体的对流、辐射进行热交换来实现的。根据所选择的工艺参数的不同，经雾化喷射后的颗粒与基底碰撞时，可以有以下几种状态： (1) 绝大部分颗粒在与基底碰撞前已凝固，在这种情况下，只能获得疏松的粉末堆聚体。 (2) 绝大部分颗粒在与基底碰撞前仍保持液相，在这种情况下，金属在沉积后的凝固行为类似铸造。 (3) 金属颗粒在与基底碰撞时，部分颗粒呈现液态(约占30-50%)，部分颗粒呈现固态和半固态，碰撞后有可能在基底上形成液体薄层，再与下层颗粒流结合成致密的沉积层。 (4) 金属颗粒在与基底碰撞时，大部分颗粒呈现液态(约占50-70%)，由于基底冷却速度快，过冷熔体在基体上迅速冷却而获得具有快速凝固组织特征的沉积层。这种沉积方式的基体在下一层颗粒碰撞前一般不形成液体薄层，消除孔隙和溅射边界主要是靠上层较多量的液相。

辊压成型技术的价值工程应用

汽车轻量化（辊压成型）中应用的关键技术及发展
北方工业大学
机械系汽车轻量化技术研究团队
感谢北汽福田邀请
1 辊压成型工艺与技术 2 辊压成型技术在汽车部件制造中的应用 3 北方工业大学的辊压成型关键技术研发应用 4 国内外下一代辊压成型技术研究与发展 5 北方工业大学的研发目标
一、辊压成型工艺与技术
双轴变截面成型样机
在NCUT试验机组上，目前已完成了多种不同参数，不同方式的实验，并取得成功。
检测分析仪器
CCD三维变形测量仪
激光刻蚀机
北京市高校科研平台北方工业大学重点科研
建设项目
北方工业大学汽车部件轻量化关键制造技术工艺与装备研究三年计划科研投入500万元
变截面薄板RF技术在汽车轻量化中的应用
Profile Forming
Standardisation
Particularisation
Integrated Engineering
Production Strategy
Laser local heating
ROLL FORMING
Laser forming
Electromagnetic forming
冷弯型钢 ERW焊管
中国连续13年钢产量居世界第一，比排名第2位至第8位国家的总和还多 2008年我国辊压成型产品产量约3198万吨，占我国钢铁总产量的6.37%
数据来源于国际钢铁协会IISI统计、《中国冷弯型钢协会2008年报告》、《中国焊管50年》、《焊管》(2009年第7期）
辊压成型属于先进制造技术领域
发表论文30多篇、出版专译著2本
广泛的国际交流合作
坚持理论与实践相结合打破国外企业的技术垄断

喷射沉积技术

气体之间的对流散热;
沉积坯通过沉积基底传导散热; 利用沉积坯表面的气体对流散热、辐射散热。
2.雾化颗粒状态对沉积坯质量的影响
绝大部分雾化颗粒在与沉积基体碰撞前已凝固
成固相颗粒，在这种情况下，沉积坯为组织疏
松的粉末堆聚体。
绝大部分雾化颗粒在与沉积基体碰撞前仍保持
为液态，沉积坯形成铸造化组织。
凝固和成形工艺，称之为喷射沉积(Spray Deposition)或喷射成形(Spray Forming)工艺，
很好地解决了上述矛盾。
该工艺的诞生对铸造、粉末冶金等技术产生了深远的影响，成为当今最引人注目的材料制备方法之一。
1.Osprey技术的发明
喷射沉积的概念和原理最早是由英国Swansea大学的A. R. E. Singer教授于 1968年提出，1970年首次公开报导的。当时他把熔融金属雾化沉积在一个旋转的基体上，形成沉积坯料，并直接轧制成带材。
积层表面的前一批溅射沉积物尚未完全凝固，这样在沉
积层表面形成液体薄层，其厚度非常小，为此后的雾化
沉积提供了一个坚固的表面，溅射过程将继续下去。
液体薄层的厚度应足够小，以防止产生横向流动，抑制
宏观范围内的成分偏析。
借助于雾化沉积时的机械作用，还可将部分凝固的沉积
层内部的细小枝晶打碎，获得无原始边界的等轴细晶组
英国Osprey公司已经能够生产直径100～ 250mm的盘坯和150mm×1000mm的棒坯等。
德国的Mannesman Demag公司能够生产尺寸约1000mm×2000mm×10mm的钢板。
德国的PEAK公司则能够生产直径为150～ 400mm，长度为700～1200mm，质量为35～ 400kg的Al-Si合金坯。

喷射成形快速凝固技术制备高性能钢铁材料的研究进展(二)——喷射成形钢铁材料的研究进展

射成形材料的磨损量只有普通铸造轧辊的１２到／１６，线材轧机中使用的喷射成形轧辊寿命超过／在
普通轧辊寿命的２—３倍。
作者简介：崔成松，，男工学博士，主要从事快速凝固技术、新材料开发及计算机模拟等方面的研究，ｍａ：ｓｕ＠ｉｔｕｌｒｍｎｄＥｉｃｃｉｗ．ｎ— ｅｅ．ｅｌｂ
第３４卷
第３期
上
海
金
属
Ｖｏ．４，Ｎｏ３１３．Ｍａｙ，２２３０１９
２１０２年５月
ＳＨＡＮＧＨＡＩＭＥＴＡＬＳ
喷射成形快速凝固技术制备高性能钢铁材料的研究进展（）二
— —
喷射成形钢铁材料的研究进展
ｆｒｄｉｏｎｔｅｔｒａｓｗａｅｃｉｄ，ａｄｔｅｍｉｒｓｒｔｒｓａｄｐｒｐｒｉｓｏｈｔｒａｓｏｍｅｒｎａｄｓｅｌｍａｅｉｌｓｄｓｒｂｅｎｈｃｏｔｕｃｕｅｎｏｅｔｆｔｅｍａｅｉｌｅｗｅｅａｓｅｉｗｅ．ｒｌｏｒｖｅｄ
散状态，克服其粗化问题，而获得更加优异的使从用性能。
要集中于对商业合金的性能改进和成本降低，近
年来在发展新合金及复合材料上关注较多Ⅲ 。１本文将按钢种分类阐述近二十年来喷射成形钢铁材料的主要研究进展，对喷射成形钢铁材料的并
崔Байду номын сангаас 松章靖国

喷射成形工艺

合金管这些高强度高温合金还可用于涡轮
盘对涡轮盘来说纯净度对满足低周疲劳
, ,
。
性能要求极为重要
括三次熔炼
,
。
。
传统的涡轮盘合金的主要制造方法包
第一次为真空感应熔炼
。
图
结合
、
和喷射成形的
工艺
主要是为了产生基本成份
第二次
飞机发动机公司供图
年第由
、
期
和
金
形铝一硅元件的最大的潜在市场与铸件相
,
属公司合作在通用电气公司建造的一台大
型喷射成形试验设备上进行了试验以证明
,
比重量的减轻可提高汽车发动机的功率并
,
可降低振动处于新的发展阶段的其它铝合
。
成形件仍会存在一些孔隙
。
最后必须指出
,
环形件的机械性能与铸件和锻件的一样甚
至更好
喷射成形的坯件晶粒细而无偏析
。
生产能力大的制管设备喷射成形的管
子分成几种规格再经环形轧制这样就能
, ,
的特殊
钢坯件
・
喷射成形制成高精度的致密的铝硅合金挤压坯件
开发了一些新型铜合金以及建造了喷射成形生产铜合金坯件的试验设备

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，：作者简介：徐轶（男，博士生；１９８０—）ａｉｌｘｂｗｂｗｔｕ．ｃｎ；２０１１０３０ｊｊ
·２·
３卷钢铁研究学报第２
）基金项目：国家高技术研究发展计划项目（２００７ＡＡ０３Ｚ５０２
型现代化轧钢设备的迅猛发展，高合金化是轧辊材质的发展趋势。
１世界轧辊行业发展现状
世界轧辊材质发展的一个明显趋势是广泛使用合金元素以及不断提高合金化程度。轧辊材质的研究主要包括两个方面：一是传统制造材料通过合金化提高轧辊性能；二是新型合金化材料在轧辊制造
喷射成形制备高速钢复合轧辊的发展及应用
，徐轶１，葛昌纯１２，张文君３，郭志家２，张宇２
（１．西南交通大学材料学院，四川成都６１００３１；０００８３；２．北京科技大学材料学院，北京１）３．江苏共昌轧辊有限公司，江苏宜兴２１４２５３摘要：综述了轧辊发展历程和目前国内外轧辊研究和应用现状。随着中国中低档次及常规轧辊需求不断减少，高性能、高品质轧辊的需求量逐步增大，中国轧辊制造业已面临必须加快结构调整、加速结构优化的紧迫要求。）重点介绍了高速钢（复合轧辊制造技术研究进展及面临的技术问题；根据近年喷射成形技术创新及发展，提ＨＳＳ阐述了喷射成形制备高速钢复合轧辊关键技术与装置、出采用改进型喷射成形技术是制备复合轧辊的重要方向；工艺优化、试验方法以及关键技术问题的解决途径，提出大力加强喷射成形高速钢复合轧辊制备研究非常必要。关键词：高速钢；复合轧辊；喷射成形（）文献标志码：Ａ文章编号：１００１０９６３２０１１１００００１０８－－－
ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＨＳＳＣｏｍｏｓｉｔｅＲｏｌｌｓｐｐｐＰｒｏｄｕｃｅｄｂＳｒａＵＭｅｔｈｏｄ－ｙｐｙｐ
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（，，，；１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＣｈｅｎｄｕ６１００３１，ＳｉｃｈｕａｎＣｈｉｎａｇｇｇｙｇ，Ｕ，；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏＢｅｉｉｎＢｅｉｉｎ１０００８３，Ｃｈｉｎａｇｇｙｇｙｊｇｊｇ，Ｙ，）３．ＪｉａｎｓｕＧｏｎｃｈａｎＲｏｌｌＣｏＬｔｄｉｘｉｎ２１４２５３，ＪｉａｎｓｕＣｈｉｎａｇｇｇｇｇ：ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｈｉｓｔｏｒａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈａｌｉｃａｔｉｏｎｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｒｏｌｌｓａｌｌｏｖｅｒｔｈｅｗｏｒｌｄｗａｓｒｅ－ｐｙｐｐｖｉｅｗｅｄ．Ｗｉｔｈｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｕａｎｔｉｔｄｅｍａｎｄｅｄｉｎｌｏｗｌｅｖｅｌａｎｄｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｒｏｌｌｓａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｕａｎｔｉｔｄｅｍａｎｄｅｄ－ｑｙｑｙ，ｈｉｈｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｈｉｈｕａｌｉｔｒｏｌｌｓｃｈｉｎａｒｏｌｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｓｈａｄｔｏａｃｃｅｌｅｒａｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｄｕｓｔｍｅｎｔａｎｄｏｉｎ－ｐ－ｇｇｑｙｊｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｏｒｅｓｓａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｉｃａｌｒｏｂｌｅｍｓｏｆＨＳＳｃｏｍｏｓｉｔｅｒｏｌｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｔｅｃｈｎｏｌｏｗａｓｐｇｇｐｐｇｇｙ，ｔｏｒｅｃｅｎｔｉｎｎｏｖａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｉｎｓｒａｆｏｒｍｉｎｔｅｃｈｎｏｌｏｉｔｗａｓａｉｍｏｒｔａｎｔｄｉｒｅｃｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎ－ｐｐｙｇｇｙｐｇ，ｔｉｏｎｔｏｕｓｅｍｏｄｉｆｉｅｄｓｒａｆｏｒｍｉｎｔｅｃｈｎｏｌｏｉｎｏｆｃｏｍｏｓｉｔｅｒｏｌｌｓ．Ｔｈｅｋｅｔｅｃｈｎｏｌｏｉｅｓｅｕｉｒｅａｒａｔｉｏｎ－ｐｙｇｇｙｐｐｐｙｇｑｐ，，ｍｅｎｔｓｒｏｃｅｓｓｅｓｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｓｏｆｓｒａｆｏｒｍｉｎｃｏｍｏｓｉｔｅｒｏｌｌｓａｎｄｈｏｗｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｏｂｌｅｍｓｐｐｙｇｐｐｗｅｒｅｒｅａｔｅｘｏｕｎｄｅｄ．ＩｔｉｓｖｅｒｎｅｃｅｓｓａｒｔｏｍａｋｅｅｆｆｏｒｔｓｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｓｒａｆｏｒｍｉｎＨＳＳｃｏｍｏｓｉｔｅｒｏｌｌｓｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．ｇｐｙｙｐｙｇｐ：；；Ｋｅｗｏｒｄｓｈｉｈｓｅｅｄｓｔｅｅｌｃｏｍｏｓｉｔｅｒｏｌｌｓｒａｆｏｒｍｉｎｇｐｐｐｙｇｙ
第２３卷第１０期２０１１年１０月
钢铁研究学报ｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＲｅｓｅａｒｃｈＪ
Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．１０Ｏｃｔｏｂｅｒ０１１２
有色金属材料等产生塑性变形轧辊是使钢材、从而轧制成型的关键工具，也是轧钢生产中的主要迄今为止，世界上３消耗备件之一，０００多种钢材产品，几乎全是通过轧制产生的。轧辊质量不仅关系到轧钢生产成本和轧机生产作业率，还在很大程度上影响轧材质量。纵观世界钢铁业的发展，随着钢材品种及轧制技术的不断发展，对轧辊提出了越来越高的要求。随着世界高速、连续化轧钢技术和大
中的应用。高合金复合轧辊是当今世界现代化轧制代表着世界先进的轧制技术水平，大量的主导产品，用于钢铁、有色金属的大型现代化轧机、大型万能轧机、连铸连轧、高速轧制、高精密轧制，也大量用于塑料橡胶、粮油、造纸、矿山等轧制领域。低合发达国家轧辊品种经历了由低合金铸铁、金铸钢到目前的高镍铬、高铬铸铁，及高速钢、高铬钢、热工具钢、高钨钢、硬质合金等高合金材质的发展过程。特别是２０世纪３０、４０年代随着欧美等发达国家大型现代化板带轧机相继问世及广泛使用，美国和日本于２０世纪６０年代研发出了离心铸造轧辊技术。该项技术的推广应用，为高合金轧辊成熟生产、降低成本以及不断开发新品种奠定了极好的基础。美国、日本于２０世纪７０年代首先研发了高镍铬、高铬铸铁复合轧辊，于８０年代末、９０年代初开发了高速钢轧辊，同时高镍铬、高铬铸铁轧辊已发展成为第３代增强型轧辊。高速钢已在欧美等发达国家得到了广泛应用。国外高速钢轧辊已开发出了第３代、第４代品种，甚第６代的高速钢轧辊品种。至目前还在研发第５代、、高速钢轧辊是由高碳（钨、钒、铬、１．０％～２．５％）钼、钴等元素组成的高合金成分外层钢水和芯部复合而成，工作层组织中的碳化物呈弥散颗粒状分布，辊身硬度可达到Ｈ并且在高温下仍能保持较ＳＤ８５，美国、日本和韩国等世界先进国高的硬度。在欧洲、家中，大型热轧带钢精轧前道机架已经大量使用该以取代高铬铁品种轧辊。现也有部分精品种轧辊，轧后道机架开始用其代替高镍铬复合轧辊。同时，高速钢还广泛用于冷轧板带、高速线材、钢管以及 “ 型钢等轧制领域。另外，半高速钢轧辊作为高Ｈ” 速钢轧辊材质的扩展延伸，也已大量使用于大型热以取代高铬钢、合金半钢等轧辊轧带钢的粗轧机架，品种。