CN106480445B - 在卷取机夹送辊表面制备耐磨抗热复合涂层的合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种在卷取机夹送辊表面制备耐磨抗热复合涂层的合金材料，其特点是：以铁基合金做为打底层，在打底层的表面熔覆镍基合金，其中：铁基合金粉末的化学成分为：C 0.15~0.25，Cr 15.00~16.80，Si 1.00~1.50，Ni 1.00~2.00，Mn 0.30~0.50，Mo 0.80~2.00，B 1.00~1.50，余量为铁；镍基合金粉末的化学成分为：C 3.05~4.35，Cr 8.02~8.99，Fe 2.80~3.00，Si 1.00~1.55，Mn 0.55~0.89，Al 0.38~0.80，W 28.50~30.00，余量为Ni。
Description
技术领域
本发明涉及一种冶金部件表面制备耐磨抗热复合涂层的的激光熔覆技术，特别是涉及一种采用激光熔覆在卷取机夹送棍表面制备耐磨层的合金材料。
背景技术
卷取机是热轧生产线上的重要设备，用于将轧制的成品热轧带钢卷成钢卷。夹送辊担负着将轧制好的钢板导向、夹送的任务，利用异径辊的错位布置迫使带钢头部产生大的弯曲，引导带钢头部进入卷取机，在尾部卷曲阶段对带钢施加稳定的张力。因此夹送辊对带钢的表面质量产生很大的影响，目前随着各行各业的发展，用户对带钢的表面质量的要求越来越高，解决好批量性的带钢的表面质量问题有着重要的意义。夹送辊的工作温度在500~740℃，与钢带接触且要承受很大的压力，导致其自身产生的氧化物和钢带的氧化物压入夹送辊的表面，影响钢带的表面质量。夹送辊主要的损坏形式是腐蚀产生的高硬度的氧化铁皮压入夹送辊表面，并在表面形成尺寸较大的积瘤，和钢带接触形成划痕，破坏钢带的表面质量。针对这个问题，传统制造方式的解决方法有三种，一是采用工具钢焊丝进行堆焊，由于铬含量低夹送辊的表面会迅速的形成氧化物膜，氧化膜的脱落会有效防止氧化物在夹送辊表面的堆积，但是由于这种堆焊层氧化速度快，使用寿命较低15~20天后便会失效；一种是采用马氏体不锈钢进行表面的堆焊，提高涂层的抗氧化性在表面形成致密的氧化膜，但是由于氧化物的硬度高于涂层的硬度，会有氧化物的压入，在使用8~12小时之后就会有氧化物压入涂层表面导致带钢表面有划痕；另一种是在夹送辊表面进行喷涂，但是由于喷涂层不够致密抗冲击性能较差，涂层寿命和质量均不好。根据夹送辊的使用现状，迫切的需要新的制造技术提高夹送辊的质量和寿命。
近年，随着激光技术的成熟和发展，激光熔覆可以获得性能优良的表面涂层，介于激光的高方向性和高能量密度，激光加工具有很多可贵的优势，如能量密度高热影响区小、灵活、高效。因此利用激光熔覆的优势提高卷曲机夹送棍表面的热疲劳性能和耐磨性，提高夹送辊的表面质量是保证钢带的质量的重要途径。同时也是可大幅度延长夹送辊的寿命提高经济效益和生产效率的根本措施。
然而，尚缺乏针对卷取机夹送辊激光熔覆工艺的研究，特别是关于激光熔覆制备卷取机夹送辊的专用合金材料缺乏深入研究。所以，利用激光制造的方式进行夹送辊表面激光熔覆仍需本领域技术人员创造性地解决存在的一系列的问题：制造高硬度无裂纹合金熔覆层是激光制造夹送辊的难题；裂纹的形成是由于熔覆层中存在大量的硬质相以及硬质相的不良分布，其高脆性难以承受熔覆过程产生的较大拉应力所致；要解决激光熔覆层出现的裂纹问题，一方面要优化合金粉末成分，提高粉末的强韧性；另一方面就是要设法降低热应力影响，从工艺上降低熔覆过程的残余拉应力。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的夹送辊使用寿命短，表面质量易恶化问题，通过反复研究改进，给出了一种采用高功率CO2激光器快速熔覆在夹送辊表面制备高硬度耐磨抗热复合涂层的专用合金材料。该专用合金材料可与基体形成冶金结合的特殊功能涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及抗氧化特性。特制涂层的合金材料是在镍基粉末中添加了一定量的钨元素，采用激光熔覆会在涂层内原位生成硬质相，提高涂层的硬度，因此与夹送辊基材性能相差过大，需要在基材上首先熔覆一层打底层做为基体和功能层性能的过渡层。
本发明的目的是这样实现的：在卷取机夹送辊表面制备耐磨抗热复合涂层的专用合金材料，其特点是：以铁基合金做为打底层，在打底层的表面熔覆镍基合金，其中。
铁基合金粉末的化学成分（重量%）为。
C 0.15~0.25，Cr 15.00~16.80，Si 1.00~1.50，Ni 1.00~2.00，Mn 0.30~0.50，Mo0.80~2.00，B 1.00~1.50，余量为铁。
镍基合金粉末的化学成分（重量%）为。
C 3.05~4.35，Cr 8.02~8.99，Fe 2.80~3.00，Si 1.00~1.55，Mn 0.55~0.89，Al0.38~0.80，W 28.50~30.00，余量为Ni。
本发明采用的这种在卷取机夹送辊表面制备耐磨抗热复合涂层的工艺方法为。
1、卷取机夹送辊表面预处理。
在室温下采用200~300g/l的H2SO4与100~120g/l的HCl的混合液对卷取机夹送辊表面进行酸洗去锈，并采用酒精对卷取机夹送辊表面进行清洗，防止有污染物存在界面处，影响激光熔覆层与基体界面的质量。
2、激光器快速熔覆打底层铁基合金。
选用高功率CO2激光器，以数控机床为工作台，用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式（低阶模），获得稳定的等离子体弧状态。在良好的保护氛围中对卷取机夹送辊进行快速熔覆打底铁基合金，具体工艺参数如下：
聚焦镜f = 300~400
熔覆功率P=3000~5000W
光斑尺寸长×宽=（2~10）mm×（1~2）mm
熔覆扫描速度V=400~800mm/min
搭接率40~60%。
3、高功率激光器熔覆前预热。
选用高功率电阻率炉对夹送辊进行熔覆前预热，调整工件的装卡精度后对其进行熔覆前预热，预热温度在350~650℃，达到预热温度后在保温的条件下进行激光熔覆。
4、高功率激光器宽带熔覆镍基合金。
在保温条件下，采取预置送粉方式喂入合金粉末，采用宽带熔覆方法在铁基合金打底层表面熔覆镍基合金，具体工艺参数如下：
聚焦镜f = 300~400
熔覆功率P=5000～10000W
矩形光斑长×宽=（2～10）mm×（1～2）mm
熔覆扫描速度V=400～800mm/min
搭接率40～60%。
5、后续热处理。
激光宽带熔覆镍基合金后要随炉缓慢冷却，经过24小时的缓慢冷却后，再对卷取机夹送辊在热处理炉中进行去应力退火处理，加热到 250～350℃去应力退火5～7个小时后缓慢冷却至室温。
本发明的工艺特点在于激光器类型是高功率CO2气体激光器，其最高功率是10000W，波长10.6微米，可采用窄带低阶模快速扫描以及宽带矩形扫描进行熔覆，实现无裂纹高硬度的夹送辊功能涂层。
本发明的合金材料的特点是在Ni-Cr-Fe镍基粉末中添加了30%的W提高粉末的硬度，提高涂层中硬质相的体积比，从而大幅度的提高涂层的硬度和耐磨性，制备硬度高于氧化物的涂层，从而解决有余氧化物的压入影响夹送辊的寿命和表面质量的问题。
本发明选用与卷取机夹送辊基材成分相近的铁基粉末作为打底层，这是因为一方面，夹送辊基材是一种钢材，与镍基合金的物理性能相差较大，将镍基粉末熔覆于夹送辊基体上，热膨胀系数和硬度的巨大差异会导致大量裂纹和残余应力产生，这种铁基合金粉末具有优良的韧性及较好的耐磨性，铁基粉末和夹送辊基体的热膨胀系数和熔点均十分相近，这样可以抑制激光熔覆过程中由于基材与熔覆材料热物理性能之间的差异产生的组织应力，实现熔覆层与基材的良好过渡；另一方面，打底层为后期宽带激光熔覆镍基合金熔覆层提供了良好的“隔热”屏障作用，降低对基材性能的影响。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过选取与卷曲夹送辊基材成分和热物理性能相近的最佳隔热铁基合金粉末作为打底层，合理设计并优化工艺参数，在高功率低阶模起弧条件下进行激光快速熔覆，与夹送辊形成牢固的冶金结合，实现和基体材料良好的韧性过渡；然后选取耐热、耐磨、耐蚀性能都很好的镍基合金形成均匀致密的功能涂层，镍基粉末是在传统镍基粉末中添加一定含量的钨元素，增加涂层原位生成的硬质相，提高涂层的硬度和耐磨性。
具体实施方式
实施例1。
利用本发明作为激光熔覆材料的在卷取机夹送辊表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层的工艺包括以下过程。
1、卷取机夹送辊表面预处理。
在室温下采用200g/l的H2SO4与100g/l的HCl的混合液对卷取机夹送辊表面进行酸洗去锈，除净为止；再用工业酒精对卷取机夹送辊进行进一步的清洗，保证激光熔覆表面的清洁度。
2、激光熔覆打底层铁基合金。
选用DL-HL-T10000 型CO2激光器，打开SIEMENS数控机床。用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式（低阶模），获得稳定的等离子体弧状态。然后在良好的保护氛围下，在清洁的夹送辊表面进行打底铁基粉末激光熔覆，具体工艺参数如下：
聚焦镜f = 300
熔覆功率P=4000W
光斑尺寸长×宽=10mm×1mm
扫描速度V=450mm/min
搭接率50%。
3、高功率激光器宽带熔覆前预热。
选用高功率电阻率炉对夹送辊进行熔覆前预热，调整工件的装卡精度后对其进行熔覆前预热，预热温度在500℃，达到预热温度后保温，进行功能层激光熔覆。
4、高功率激光器宽带熔覆镍基合金。
采取预置送粉方式喂入合金粉末，采用宽带熔覆方法在铁基合金表面熔覆镍基合金，其工艺参数为：
聚焦镜f = 300
熔覆功率P=5000W
矩形光斑长×宽=10mm×1mm
熔覆扫描速度V=500mm/min
搭接率40%。
5、后续热处理。
激光宽带熔覆镍基合金后要慢速缓冷，在热处理炉中对夹送辊进行300℃去应力退火6个小时。
所述铁基合金的组分以重量%计为。
C ：0.17%，Cr：15.8%，Si：1.2%，Ni：1.7%，Mn ：0.35%，Mo：1.12%，B：1.25%，余量为铁。
所述镍基合金的组分以重量%计为。
C：3.5%，Cr：8.55%，Fe：2.9%，Si：1.22%，Mn：0.75%，Al：0.64%，W：29.1%，余量为Ni。
实施例2。
本发明是在卷取机夹送辊表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺，包括以下过程。
1、卷取机夹送辊表面预处理。
在室温下采用250g/l的H2SO4与110g/l的HCl的混合液对卷取机夹送辊表面进行酸洗去锈，除净为止；再用工业酒精对卷取机夹送辊进行进一步的清洗，保证激光熔覆表面的清洁度。
2、激光熔覆打底层铁基合金。
选用DL-HL-T10000 型CO2激光器，打开SIEMENS数控机床。用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式（低阶模），获得稳定的等离子体弧状态。然后利用激光器，以450mm/min扫描速度在清洁后的夹送辊表面进行打底层激光熔覆，具体工艺参数如下：
聚焦镜f = 300
熔覆功率P=4000W
光斑尺寸长×宽=6.5mm×1.5mm
扫描速度V=450mm/min
搭接率50%。
3、高功率激光器宽带熔覆前预热。
选用高功率电阻率炉对夹送辊进行熔覆前预热，调整工件的装卡精度后对其进行熔覆前预热，预热温度在550℃，达到预热温度后保温，进行功能层激光熔覆。
4、高功率激光器宽带熔覆镍基合金。
采取预置送粉方式喂入合金粉末，采用宽带熔覆方法在铁基合金表面熔覆镍基合金，其工艺参数为：
聚焦镜f = 400
熔覆功率P=8000W
矩形光斑长×宽=10mm×1.5mm
熔覆扫描速度V=700mm/min
搭接率50%。
4、后续热处理。
5、激光宽带熔覆镍基合金后要慢速缓冷，在热处理炉中对夹送辊进行350℃去应力退火7个小时。
所述铁基合金的组分以重量%计为。
C ：0.17%，Cr：16.4%，Si：1.33%，Ni：1.25%，Mn ：0.39%，Mo：1.15%，B：1.30%，余量为铁。
所述镍基合金的组分以重量%计为。
C：3.08%，Cr：8.77%，Fe：2.92%，Si：1.23%，Mn：0.66%，Al：0.58%，W：28.90%，余量为Ni。
实施例3。
本发明是在卷取机夹送辊表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺，包括以下过程。
1、卷取机夹送辊表面预处理。
在室温下采用250g/l的H2SO4与110g/l的HCl的混合液对卷取机夹送辊表面进行酸洗去锈，除净为止；再将卷取机夹送辊用工业酒精进行进一步的清洗，保证激光熔覆表面的清洁度。
2、激光熔覆打底层合金。
选用DL-HL-T10000 型CO2激光器，打开SIEMENS数控机床。用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式（低阶模），获得稳定的等离子体弧状态。然后利用激光器，以400mm/min扫描速度在清洁后的夹送辊表面进行打底层激光熔覆，具体工艺参数如下：
聚焦镜f = 300
熔覆功率P=5000W
光斑尺寸长×宽=10mm×1mm
扫描速度V=400mm/min
搭接率60%。
3、高功率激光器宽带熔覆前预热。
选用高功率电阻率炉对夹送辊进行熔覆前预热，调整工件的装卡精度后对其进行熔覆前预热，预热温度在550℃，达到预热温度后保温，进行功能层激光熔覆。
4、高功率激光器宽带熔覆镍基合金。
采取预置送粉方式喂入合金粉末，采用宽带熔覆方法在铁基合金表面熔覆镍基合金。其参数为：
聚焦镜f = 400
熔覆功率P=6000W
矩形光斑长×宽=6mm×1.5mm
熔覆扫描速度V=800mm/min
搭接率50%。
5、后续热处理。
激光宽带熔覆镍基合金后要慢速缓冷，在热处理炉中对夹送辊进行250℃去应力退火7个小时。
所述铁基合金的组分以重量%计为。
C ：0.16%，Cr：16.21%，Si：1.34%，Ni：1.67%，Mn ：0.44%，Mo：1.25%，B：1.27%，余量为铁。
所述镍基合金的组分以重量%计为。
C：4.01%，Cr：8.85%，Fe：2.85%，Si：1.32%，Mn：0.81%，Al：0.46%，W：29.83%，余量为Ni。
Claims (1)
1.一种在卷取机夹送辊表面制备耐磨抗热复合涂层的合金材料，其特征在于以铁基合金做为打底层，在打底层的表面熔覆镍基合金，其中：
铁基合金粉末的化学成分（重量%）为：
C 0.15~0.25，Cr 15.00~16.80，Si 1.00~1.50，Ni 1.00~2.00，Mn 0.30~0.50，Mo 0.80~2.00，B 1.00~1.50，余量为铁；
选用高功率CO2激光器，以数控机床为工作台，用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式，获得稳定的等离子体弧状态，在良好的保护氛围中对卷取机夹送辊进行快速熔覆打底铁基合金，具体工艺参数如下：
聚焦镜f = 300~400
熔覆功率P=3000~5000W
光斑尺寸长×宽=（2~10）mm×（1~2）mm
熔覆扫描速度V=400~800mm/min
搭接率40~60%；
镍基合金粉末的化学成分（重量%）为：
C 3.05~4.35，Cr 8.02~8.99，Fe 2.80~3.00，Si 1.00~1.55，Mn 0.55~0.89，Al 0.38~0.80，W 28.50~30.00，余量为Ni；
在保温条件下，采取预置送粉方式喂入合金粉末，采用宽带熔覆方法在铁基合金打底层表面熔覆镍基合金，具体工艺参数如下：
聚焦镜f = 300~400
熔覆功率P=5000～10000W
矩形光斑长×宽=（2～10）mm×（1～2）mm
熔覆扫描速度V=400～800mm/min
搭接率40～60%。
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Application publication date: 20170308 Assignee: SHENYANG DALU LASER FLEXIBLE MANUFACTURE TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: SHENYANG DALU LASER ENGINEERING CO.,LTD. Contract record no.: X2023210000125 Denomination of invention: Preparation of wear-resistant and heat-resistant composite coating alloy material on the surface of the pinch roller of the coiler Granted publication date: 20190226 License type: Common License Record date: 20230921 |