EP0299944A2 - Procédé de fabrication de cylindre multicouche et cylindre obtenu - Google Patents

Procédé de fabrication de cylindre multicouche et cylindre obtenu Download PDF

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EP0299944A2
EP0299944A2 EP88870121A EP88870121A EP0299944A2 EP 0299944 A2 EP0299944 A2 EP 0299944A2 EP 88870121 A EP88870121 A EP 88870121A EP 88870121 A EP88870121 A EP 88870121A EP 0299944 A2 EP0299944 A2 EP 0299944A2
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layer
deposition
layers
multilayer
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Dimitrios Totolidis
Adrien Magnée
Dimitri Coutsouradis
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B27/00—Rolls, roll alloys or roll fabrication; Lubricating, cooling or heating rolls while in use
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/123—Spraying molten metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a multilayer cylinder and to the cylinder obtained, more particularly to a metallurgical rolling mill cylinder.
  • the first group includes the cylinders obtained by forging. These have a fine and resistant metallic structure which responds well to the mechanical stresses of rolling mills.
  • the aforementioned shaping that is to say forging, greatly limits the composition of the alloy used because the ability necessary for forging restricts the additions of alloying elements possible to increase the hardness. It follows that this type of rolls must undergo a heat treatment step subsequent to shaping, in order to give it sufficient hardness to limit wear during its use in the rolling mill.
  • the second comprising the cylinders obtained by casting, does not pose any problem as to the chemical composition and is not limited in addition elements.
  • these cylinders often have a coarse structure due to the shaping means, that is to say the casting and the core of the cylinder is not always able to withstand high stresses by shocks that the cylinder undergoes during its work at the rolling mill.
  • the method of manufacturing a multilayer cylinder of the present invention has the great advantage of eliminating the drawbacks mentioned above linked to the type of production of the cylinder.
  • multilayer cylinder must be taken in the sense of a cylinder of which at least one element, for example the envelope surface of the cylinder, is formed of at least one layer of deposited material.
  • the process for manufacturing a multilayer cylinder, object of the present invention is essentially characterized in that the layer or layers are formed by depositing one or more metals or metal alloys in the form of fine liquid droplets under an atmosphere controlled.
  • the controlled atmosphere is of the neutral type in the metallurgical or chemical sense of the term.
  • the liquid droplets are obtained by dispersion of a metal or of a molten metal alloy using a cold fluid.
  • This production technique allows the deposition of any metal or metallic alloy without limitation in its composition and gives the deposited layer a structure with remarkable mechanical properties, linked in particular to the absence of coarse dendritic structures for casting and to the absence of solidification macrosegregations.
  • the deposition is carried out on the surface of a cylinder which is in rotation and in translation relative to the flow of droplets.
  • one proceeds to the deposition of one or more successive layers on a worn cylinder, that is to say that one proceeds to the operation of reloading said cylinder, said cylinder being of the cast or forged type.
  • thermomechanical resistance properties can be selected according to their working location in the rolling mill and which are more reliable from the point of view of wear than the conventional cast envelopes obtained by disgorging or centrifugation.
  • the deposition of a layer forming part of a series of successive layers is controlled both from the point of view of thickness and chemical composition, so that after wear of the outer layer
  • the cylinder is able to be used again, but upstream from its initial position in the rolling mill.
  • the previous method defines a remarkable advantage of multilayer cylinders compared to conventional cylinders: a multilayer cylinder after wear of its outer layer can be used again on a rolling mill, but in an upstream location, that is to say towards the beginning of the rolling mill train from the place where it previously worked.
  • this raising of the train by the cylinder can be prepared in advance during the development of the cylinder, by controlling the composition and the thickness of the deposit forming each layer as a function of the location of the cylinder in the rolling mill and its future development.
  • the deposited layer or layers are subjected to a thermomechanical densification treatment.
  • the present invention also relates to the cylinders obtained by applying the method described above.
  • the multilayer cylinder obtained by implementing the method which is the subject of the present invention is essentially characterized in that it consists of at least two elements, in that the first element constitutes the core of the cylinder and that it supports the latter during its assembly in a rolling mill train and in that the outermost element with respect to at the longitudinal axis of the cylinder is formed by at least one layer deposited on the whole or only part of the surface of the core or of the previous layer.
  • Table 1 defines the chemical composition and the type of production of the elements forming the core of the cylinders.
  • Table 2 defines the chemical composition of the layers deposited by implementing the method of the present invention.
  • TABLE 2 No. Composition (in% by weight) Yes Mn VS Or Cr Mo V 1 0.2 0.3 0.8 - 1.7 0.2 0.1 2 0.43 0.95 2.84 1.41 17.8 1.07 0.21 3 0.95 0.98 3.37 4.42 1.88 0.31 4 0.49 0.69 1.35 0.76 11.8 2 0.13 5 0.53 0.79 1.95 0.7 13 3 0.3 6 2.2 1 3.3 4.4 4.7 2 -
  • Table 3 defines the combinations chosen for a total deposited thickness of 60 mm.
  • Table 4 gives the values of the hardnesses HV 50 kg obtained. TABLE 4 Deposited metal HV 50 kg 1 757 2 783 3 661 4 752 5 762 2 + 1 657 + 779 2 + 6 + 1 661 + ( ⁇ 715) + 776
  • the wear resistance varies according to the nature of the layer, in order to allow the latter maximum performance taking into account other stresses that can be envisaged.

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Abstract

On fabrique un cylindre multicouches, en formant la ou les couches par dépôt d'un ou de plusieurs métaux ou alliages métalliques sous forme de fines gouttelettes liquides sous une atmosphère contrôlée. Les gouttelettes liquides sont obtenues par dispersion d'un métal ou d'un alliage métallique en fusion à l'aide d'un fluide froid. Le dépôt est opéré sur la surface d'un cylindre qui est en rotation et en translation par rapport au flux de gouttelettes. La ou les couches déposées peuvent subir un traitement thermomécanique de densification.

Description

  • La présente invention a trait à un procédé de fabrication de cylindre multicouches et au cylindre obtenu, plus spécialement à un cylindre de laminoir métallurgique.
  • A l'heure actuelle, il existe deux grands groupes de cylindres de laminoirs qui sont classés suivant leur mode de fabrication.
  • Le premier groupe comprend les cylindres obtenus par forgeage. Ceux-ci présentent une structure métallique fine et résistante qui répond bien aux sollicitations mécaniques des laminoirs. Cependant, la mise à forme précitée, c'est-à-dire le forgeage, limite fortement la compo­sition de l'alliage utilisé car l'aptitude nécessaire au forgeage restreint les additions d'éléments d'alliage possibles pour augmenter la dureté. Il en résulte que ce type de cylindres doit subir une étape de traitement thermique ultérieure à la mise en forme, afin de lui conférer une dureté suffisante pour limiter l'usure lors de son emploi au laminoir.
  • Par opposition au premier groupe de cylindres, le second comprenant les cylindres obtenus par coulée, ne pose pas de problème quant à la composition chimique et n'est pas limité en éléments d'addition. Toutefois, ces cylindres présentent souvent une structure grossière due au moyen de mise à forme, c'est-à-dire la coulée et l'âme du cylindre n'est pas toujours apte à résister aux fortes sollicitations par chocs que le cylindre subit lors de son travail au laminoir.
  • En outre, il existe aussi des cylindres constitués d'éléments séparés, les différents éléments étant assemblés par frettage pour constituer un cylindre. En théorie, cette solution semble idéale car chaque élé­ment du cylindre peut être adapté au mieux à son travail au laminoir.
  • En pratique, on constate que des problèmes d'usure et de longévité naissent du fait qu'il n'y a pas de liaison ou de continuité métalli­que réelle entre les différents éléments constitutifs du cylindre.
  • Le procédé de fabrication d'un cylindre multicouches de la présente invention a le grand avantage de supprimer les inconvénients précédem­ment cités liés au type d'élaboration du cylindre.
  • Le terme "cylindre multicouches" doit être pris au sens d'un cylindre dont au moins un élément, par exemple la surface enveloppe du cylindre, est formé d'au moins une couche de matière déposée.
  • Le procédé de fabrication d'un cylindre multicouches, objet de la présente invention, est essentiellement caractérisé en ce qu'on forme la ou les couches par dépôt d'un ou de plusieurs métaux ou alliages métalliques sous forme de fines gouttelettes liquides sous une atmo­sphère contrôlée.
  • Suivant une première modalité de mise en oeuvre du procédé de la pré­sente invention, l'atmosphère contrôlée est du type neutre au sens métallurgique ou chimique du terme.
  • Suivant une deuxième modalité de mise en oeuvre du procédé de l'invention, les gouttelettes liquides sont obtenues par dispersion d'un métal ou d'un alliage métallique en fusion à l'aide d'un fluide froid.
  • Cette technique d'élaboration permet le dépôt de tout métal ou alliage métallique sans limitation dans sa composition et confère à la couche déposée une structure à propriétés mécaniques remarquables, liées notamment à l'absence de structures dendritiques grossières de coulée et à l'inexistence de macroségrégations de solidification.
  • Suivant une modalité préférentielle de mise en oeuvre du procédé de la présente invention,le dépôt est opéré sur la surface d'un cylindre qui est en rotation et en translation par rapport au flux de gouttelettes.
  • On comprend dès lors que cette technique permet de conjuguer les pro­priétés d'une âme forgée à la résistance à l'usure d'une enveloppe fortement alliée en réalisant le cylindre par dépôt de l'enveloppe sur un cylindre forgé qui en constitue l'âme.
  • Suivant une autre modalité de mise en oeuvre du procédé de la présente invention, on procède au dépôt d'une ou de plusieurs couches succes­sives sur un cylindre usé, c'est-à-dire qu'on procède à l'opération de rechargement dudit cylindre, ledit cylindre étant du type coulé ou forgé.
  • Le fait d'utiliser un cylindre usé sortant des laminoirs comme base du dépôt permet l'économie appréciable de la coulée et/ou du forgeage de ce cylindre et la rectification complexe des tourillons.
  • Le procédé de l'invention donne naissance à des cylindres multicouches dont les propriétés de résistance thermomécanique peuvent être sélectionnées en fonction de leur emplacement de travail dans le laminoir et qui sont plus fiables au point de vue usure que les enve­loppes coulées conventionnelles obtenues par dégorgement ou centri­fugation.
  • Suivant une autre modalité de réalisation préférentielle du procédé de l'invention, le dépôt d'une couche faisant partie d'une série de couches successives est contrôlé tant au point de vue épaisseur que composition chimique, de telle sorte qu'après usure de la couche exté­ rieure le cylindre est apte à être utilisé à nouveau, mais en amont par rapport à sa position première dans le laminoir.
  • La modalité précédente définit un avantage remarquable des cylindres multicouches par rapport aux cylindres conventionnels : un cylindre multicouches après usure de sa couche extérieure peut être utilisé à nouveau sur un laminoir, mais en une localisation en amont, c'est-à-dire vers le début du train de laminoir par rapport au lieu où il a travaillé précédemment.
  • On sait d'une part, que les cylindres de laminoirs "remontent dans le train", c'est-à-dire que plus leur usure augmente et plus leur locali­sation de travail se déplace vers l'amont du train de laminoir et d'autre part, que "la fente de laminage", c'est-à-dire la distance entre les cylindres au travail,augmente.
  • On comprend aisément que dans le cas d'un cylindre multicouches, cette remontée du train par le cylindre peut être préparée anticipativement lors de l'élaboration du cylindre, en contrôlant la composition et l'épaisseur du dépôt formant chaque couche en fonction de la locali­sation du cylindre dans le laminoir et son évolution future.
  • En outre, un tel cylindre multicouches simplifie de surcroît la gestion des stocks des cylindres de laminoirs en instaurant une rela­tion univoque : diamètre extérieur du cylindre = position dans le train = couche de surface à propriétés adéquates à son travail.
  • Suivant encore une autre modalité de mise en oeuvre du procédé de la présente invention, la ou les couches déposées subissent un traitement thermomécanique de densification.
  • La présente invention a aussi trait aux cylindres obtenus par ap­plication du procédé décrit ci-dessus.
  • Le cylindre multicouches obtenu par mise en oeuvre du procédé, objet de la présente invention, est essentiellement caractérisé en ce qu'il se compose d'au moins deux éléments, en ce que le premier élément constitue l'âme du cylindre et qu'il supporte celui-ci lors de son montage dans un train de laminoir et en ce que l'élément le plus ex­térieur par rapport à l'axe longitudinal du cylindre est formé par au moins une couche déposée sur la totalité ou partie seulement de la surface de l'âme ou de la couche précédente.
  • Suivant une modalité de réalisation préférentielle du cylindre multi­couches, objet de la présente invention, la ou les couches constituant l'élément extérieur du cylindre comprennent au moins un ou plusieurs des éléments suivants : Fe, Si, Mn, C, Ni, Co, Nb, Cr, Mo, V, W.
    • Le schéma de la figure 1 illustre une unité d'atomisation (U.A.). On y distingue en 1 le cylindre ou l'âme à traiter, en 2 et 3 les moyens respectifs pour mettre en translation longitudinale et en rotation le cylindre précité, en 4 le métal en fusion qui doit être déposé, en 5 le fluide qui assure la dispersion du métal précité, en 6 le flux de gouttelettes qui est déposé sur le cylindre 1 et enfin en 7 le cyclone assurant le dépôt sous atmosphère contrôlée.
    • Le schéma de la figure 2 montre une installation de recouvrement à deux unités d'atomisation (U.A.) pouvant travailler en continu. On y dis­tingue en 1 l'atelier où arrivent les cylindres usés (2), le four de préchauffage ou de traitement thermique (3), les deux U.A. (4 et 5), et le retour (6) des cylindres après rechargement.
    • La figure 3 schématise une ligne continue de rechargement à plusieurs unités d'atomisation (U.A.).
  • On y distingue le cylindre (1) à recharger; arrivant via un sas (2), il subit un préchauffage (3) puis trois opérations successives (4, 5, 6) de rechargement, il passe via un sas (7) dans un four (8) de traitement thermique et sort en (9) vers d'éventuels traitements ultérieurs.
  • A titre d'exemple non limitatif, on présentera ci-après les résultats de diverses réalisations pratiques par application du procédé de la présente invention.
  • Le Tableau 1 définit la composition chimique et le type d'élaboration des éléments formant l'âme des cylindres.
    Figure imgb0001
  • La Tableau 2 définit la composition chimique des couches déposées par mise en oeuvre du procédé de la présente invention. TABLEAU 2
    No. Composition (en % poids)
    Si Mn C Ni Cr Mo V
    1 0,2 0,3 0,8 - 1,7 0,2 0,1
    2 0,43 0,95 2,84 1,41 17,8 1,07 0,21
    3 0,95 0,98 3,37 4,42 1,88 0,31
    4 0,49 0,69 1,35 0,76 11,8 2 0,13
    5 0,53 0,79 1,95 0,7 13 3 0,3
    6 2,2 1 3,3 4,4 4,7 2 -
  • Le Tableau 3 définit les combinaisons choisies pour une épaisseur totale déposée de 60 mm.
    Figure imgb0002
  • Le Tableau 4 donne les valeurs des duretés HV 50 kg obtenues. TABLEAU 4
    Métal déposé HV 50 kg
    1 757
    2 783
    3 661
    4 752
    5 762
    2 + 1 657 + 779
    2 + 6 + 1 661 + (± 715) + 776
  • On a alors procédé à des essais d'usure en laboratoire,dans des con­ditions définies, afin d'obtenir des valeurs relatives d'usure en pre­nant comme référence l'acier forgé conventionnel; le Tableau 5 indique les valeurs obtenues.
    Figure imgb0003
  • L'avantage du procédé de l'invention est évident au vu des chiffres du Tableau 5,car il permet un rendement d'usure de 1,4 à presque 5 fois plus élevé, donc d'augmenter la longévité des cylindres dans les mêmes proportions.
  • Dans les deux derniers exemples, la résistance à l'usure varie selon la nature de la couche, afin de permettre à cette dernière une performance maximale compte tenu d'autres sollicitations que l'on peut envisager.
  • Il va de soi que cette description a été volontairement axée sur les cylindres de laminoirs, mais il ne sort pas du domaine de protection de l'invention d'appliquer son principe de travail à la réalisation d'autres cylindres tels que ceux de broyeurs, à cannelures, de renvoi en laminoir, coulée continue ou même traitement thermique.

Claims (9)

1. Procédé de fabrication d'un cylindre multicouches, caractérisé en ce que l'on forme la ou les couches par dépôt d'un ou de plusieurs métaux ou alliages métalliques sous forme de fines gouttelettes liquides sous une atmosphère contrôlée.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'atmo­sphère contrôlée est du type neutre au sens métallurgique ou chimique du terme.
3. Procédé suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les gouttelettes liquides sont obtenues par dispersion d'un métal ou d'un alliage métallique en fusion à l'aide d'un fluide froid.
4. Procédé suivant les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le dépôt est opéré sur la surface d'un cylindre qui est en rotation et en translation par rapport au flux de gouttelettes.
5. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 4, carac­térisé en ce qu'on procède au dépôt d'une ou de plusieurs couches suc­cessives sur un cylindre usé, c'est-à-dire qu'on procède à l'opération de rechargement dudit cylindre.
6. Procédé suivant une ou plusieurs des revendications 1 à 5, carac­térisé en ce que le dépôt d'une couche faisant partie d'une série de couches successives est contrôlé tant au point de vue épaisseur que composition chimique, de telle sorte qu'après usure de la couche extérieure le cylindre est apte à être utilisé à nouveau, mais en amont par rapport à sa position première dans le laminoir.
7. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 6, caracté­risé en ce que la ou les couches déposées subissent un traitement thermomécanique de densification.
8. Cylindre multicouches obtenu par mise en oeuvre du procédé suivant une ou plusieurs des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il se compose d'au moins deux éléments, en ce que le premier élément constitue l'âme du cylindre et qu'il supporte celui-ci lors de son montage dans un train de laminoir et en ce que l'élément le plus extérieur par rapport à l'axe longitudinal du cylindre est formé par une couche déposée sur la totalité ou partie seulement de la surface de l'âme ou de la couche précédente.
9. Cylindre multicouches suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la ou les couches constituant l'élément extérieur du cylindre comprennent au moins un ou plusieurs des éléments suivants : Fe, Si, Mn, C, Ni, Co, Nb, Cr, Mo, V, W.
EP88870121A 1987-07-14 1988-07-12 Procédé de fabrication de cylindre multicouche et cylindre obtenu Withdrawn EP0299944A3 (fr)

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