CN115261850B - 一种用于无氧化热处理炉的激光熔覆材料及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及激光熔覆技术领域，具体涉及一种用于无氧化热处理炉炉辊的激光熔覆金属材料及制作方法。本发明提供一种无氧化热处理炉的激光熔覆材料，按照质量百分比如下组成：C：0.03%‑0.1%，Si：1.9%‑2.8%，Mn：0.3%‑0.8%，Cr：12%‑15.5%，W：2%‑4.5%，Mo：18.5%‑25%，Ni：10%‑15%，Fe：10.5%‑18.8%，Co余量。并将此材料应用到一种无氧化热处理炉的激光熔覆材料熔覆炉辊的制备工艺中。本发明材料具有较好的抗热震性，较好的耐磨性，较好的抗结瘤性为性能，良好的稳定性；本发明的工艺解决了炉辊的结瘤问题。

Description

一种用于无氧化热处理炉的激光熔覆材料及制作方法

技术领域

本发明专利涉及激光熔覆技术领域，具体涉及一种用于无氧化热处理炉炉辊的激光熔覆金属材料及制作方法。

背景技术

辊底式热处理炉是轧钢热处理工序的核心设备，要实现灵活的热处理制度，满足不同钢种的热处理要求。其中辊底式热处理炉具有热处理质量好，产量高，温度调节灵活，易实现机械化和自动化操作，降低生产成本等诸多优点。无氧化（辐射管）热处理炉是辊底式加热炉的一种重要形式，炉内通入纯度很高的氮气作为保护气体，最大程度减少炉内钢板的氧化和脱碳，用于钢板的正火、淬火和回火热处理，现在新建和改建的高质量的生产线都是采用无氧化辊底式热处理炉。钢板在炉内的运行通过炉辊运送，炉辊采用空心辊无水冷，由于高温恶劣工况辊底式热处理炉普遍存在炉辊结瘤，导致钢板下表面有辊印，造成钢板大面积修磨，甚至于报废严重影响产品表面质量。因此，炉辊的结瘤问题已经严重影响正常生产，也一直困扰着工业炉公司及钢铁企业。

导致热处理炉炉辊结瘤的因素包括炉辊材质、介质、钢板表面质量、热处理工艺和排产计划等多个因素，目前生产使用中通过调整工艺来改善结瘤问题。首先提高钢板抛丸质量，减少氧化铁皮的带入；另一方面通过合理安排装炉工艺来减缓炉辊结瘤时间。今年来开展的炉辊材质的研究，目前常用材料为4Cr25Ni20Si2、3Cr24Ni7N、3Cr24Ni7NRe等，但并未解决结瘤问题。同时，复合制作炉辊结瘤方法也陆续发展起来，其中有：石墨套辊、陶瓷芯喷涂辊、合金钢喷涂辊，但现有复合制造应对中厚板热处理炉表现出严重的不匹配。需针对无氧化热处理炉尤其是中厚板的热处理炉辊研究新的材料和复合工艺解决结瘤问题。

激光熔覆是一种金属材料表面改性技术，其工作原理是利用高能激光束将金属材料添加到基体表面，实现对基体材料表面改性，且实现冶金结合，同时急冷急热也让熔覆层获得优异的性能。相较堆焊，热喷涂、离心铸造有这结合强度高、组织性能好、便于自动化控制等优点，被广泛的应用于电力、冶金、航空航天、军事、汽车等领域。激光熔覆制备的关键是材料的设计，它将直接决定熔覆层的力学性能、使用效果。现有的材料无法满足加热炉炉辊的力学性能及工艺性能需要，有待进一步研究。

发明内容

本发明提供一种应对无氧化热处理炉炉辊的金属材料，材料激光熔覆制备热处理炉炉辊表面具备如下性能：（1）较好的抗热震性，在加热炉生产过程升温和降温时复合涂层稳定抗疲劳无脱落；（2）较好的耐磨性，满足长期连续生产的需要无影响钢板质量的磨损痕；（3）较好的抗结瘤性为性能，辊面光洁无异物，保证钢板表面质量；（4）具备良好的稳定性，高温下使用周期内性能不衰退。

本发明提供一种应对无氧化热处理炉炉辊性能需求的激光熔覆材料，材料的元素质量百分比为：C：0.03%-0.1%，Si：1.9%-2.8%，Mn：0.3%-0.8%，Cr：12%-15.5%，W：2%-4.5%，Mo：18.5%-25%，Ni：10%-15%，Fe：10.5%-18.8%，Co余量。

本发明提供一种无氧化热处理炉的激光熔覆材料熔覆炉辊的制备工艺，主要操作步骤如下：

（1）对待熔覆炉辊基体材料表面采用酒精进行清洗；

（2）待上述酒精蒸发后对炉辊基体材料进行熔覆前预热，预热温度为210-280℃；

（3）对待熔覆的炉辊基体材料预热后先采用角磨机打磨去除表面锈迹，打磨抛去除异物和氧化膜并降低表面对激光的反射；

（4）、按照比例称量合理的各组分粉末，进行干燥和冷却，干燥温度为80℃-150℃，干燥时间为1-2小时；

（5）、利用激光将激光熔覆粉末熔覆在金属基材的表面，其中，激光波长：1060微米，功率：2100W-3000W，圆光斑直径：2.5mm-3.6mm，距离焦点距离10-15mm，扫描速度：9mm/s-25mm/s，送粉速度：14-25g/min；粉末采用气动同轴送粉。

进一步的，所述的步骤5中激光熔覆参数为：功率：2500W，圆光斑直径：3mm，距离焦点距离10mm，扫描速度：15mm/s，送粉速度：17g/min。

进一步的，所述的步骤5中激光熔覆方式为采用光纤激光器结合气动同轴送粉方式进行熔覆。

进一步的，所述的步骤5中激光熔覆需要进行两次熔覆，具体操作方法为如下操作：

（1）第一次采用与辊轴线成45度，沿辊面进行第一层激光熔覆，采用零搭接的方式进行等距熔覆，

（2）第一层熔覆后采用钢丝刷对熔覆后的表面进行抛磨，清除表面熔覆后的氧化膜和飞溅的材料残渣。

（3）对经过第一层激光熔覆辊面进行预热，预热至230-245℃

（4）、采用与辊轴线成45度角，与第一次熔覆方向的反方向进行第二层的熔覆，获得菱形交叉的熔覆形貌。

（5）对经过二次激光熔覆的炉辊磨削加工处理，获得辊面规律分布的高低菱形格；

（6）、对上述规律分布的高低菱形格的辊面材料进行组织性能检测。

本发明与现有技术相比，所带来的有益技术效果。

材料的特点是采用钴基合金作为材料的母相，钴奥氏体在铁钴镍三大母相中具备最优异的高温强度和稳定性，保持在加热炉使用温度450℃~950℃内保持足够的强度和使用过程中性能不衰退。材料在钴基中添加大量钼、钨和硅元素获得一定体积比的金属化合物莱夫相强化奥氏体基体，由于莱夫相组织是六方密排晶体结构，从室温到共晶温度都非常稳定，保证该材料组织非常好的高温耐磨性。本发明材料添加大量的铁，组合镍一起进行材料组织性能的调整大大增加奥氏体的稳定性提高韧性，保持炉辊在热处理炉升温和降温过程的抗热振性。钴基合金设计都是含有非常高含量的铬，以获得高温下良好的抗氧化性能，但无氧化加热炉内是通氮气等惰性气体作为保护气，但本发明设计铬的含量为12%-15.5%，一方面此含量铬可形成具有保护作用的氧化铬膜，也可满足长时间工作后铬元素对氧化铬膜的供给；同时又限制铬的含量在氧化膜形成的临界值附近，形成具有一定厚度的氧化膜形成辊面与结瘤异物之间的隔绝。因为在高温下氧化物之间的活性是非常低的，不易发生扩散和反应，但是金属和氧化物间就易发生扩散和粘合；同时钴基奥氏体上分布大量的硬质相保证材料在高温下具有良好的高温强度，结合激光熔覆工艺获得细小无偏析的均匀组织保证辊面无任何的压入缺陷，起隔绝作用的氧化膜得到基体良好的支撑解决表面结瘤问题。

附图说明

图1激光熔覆第一层、第二次及搭接后的形貌图。

图2 实施案例1材料的组织形貌图。

图3 实施案例1材料的硬度曲线图。

图4实施案例2材料的组织形貌图。

图5实施案例2材料的硬度曲线图。

具体实施例

本发明同时提供了一种采用上述材料熔覆炉辊的激光熔覆实施工艺，可满足对4Cr25Ni20Si2、3Cr24Ni7N、3Cr24Ni7NRe等炉辊材料的激光熔覆。

实施案例1。

对4Cr25Ni20Si2材料的炉辊进行激光熔覆。选择材料元素质量百分比为：C：0.03%，Si：1.9%，Mn：0.3%，Cr：12%，W：2%，Mo：25%，Ni：10%，Fe：18.8%，Co余量。

激光制造工艺如下，首先对4Cr25Ni20Si2材质的炉辊表面采用工业酒精进行清洗，待酒精蒸发后对炉辊基体材料进行预热，预热温度为210℃，预热后先采用角磨机打磨；然后对激光熔覆材料进行温度为80℃*2h干燥。采用光纤激光器结合气动同轴送粉方式进行熔覆，工艺参数为：功率：2500W，圆光斑直径：3mm，距离焦点距离10mm，扫描速度：15mm/s，送粉速度：17g/min。采用如图1所示的方向进行两次熔覆，第一次采用与辊中心轴线成45度角如图1左侧简图所示采用螺旋线按箭头方式在辊面进行第一层激光熔覆，采用零搭接的方式进行等距熔覆，第一层熔覆后采用钢丝刷对熔覆后的表面进行抛磨，清除表面熔覆后的氧化膜和飞溅的材料残渣。然后对辊面进行第二次预热，预热至230℃，采用与辊轴线成45度角的反方向按螺旋线进行第二层的熔覆，熔覆方向如图1中间简图所示，熔覆的工艺参数采用相同参数，熔覆后如图1最右侧所示的简图形貌，获得菱形交叉的熔覆形貌，磨削加工后可获得辊面规律分布的高低菱形格。材料进行组织性能检测，材料的组织形貌如图2所示，如图所示可看到组织内形成了大量的金属间化合物的硬质相，硬质相均匀的分布在组织内部，获得材料的硬度如图3所示硬度高且均匀。

按此实施方式制造的炉辊，激光熔覆层和炉辊基体实现了良好的冶金结合，组织内部无大于20微米的缺陷和气孔，组织晶粒细小均匀硬度均匀，与离心铸造的耐热钢相比获得了优异的使用的效果，抗结瘤性能良好。

实施案例2。

对3Cr24Ni7NRe材料的炉辊进行激光熔覆。选择材料元素质量百分比为：C：0.1%，Si：2.8%，Mn：0.8%，Cr：15.5%，W：4.5%，Mo：18.5%，Ni：15%，Fe：10.5%，Co余量。

激光制造方法如下，首先对3Cr24Ni7NRe材料的炉辊表面采用工业酒精进行清洗，待酒精蒸发后对炉辊基体材料进行预热，预热温度为280℃，预热后先采用角磨机打磨；然后对激光熔覆材料进行温度为150℃*1h干燥。采用光纤激光器气动同轴送粉进行熔覆，激光熔覆参数是：功率：2100W，圆光斑直径：2.5mm，距离焦点距离10mm，扫描速度：25mm/s，送粉速度：25g/min；采用如图1所示的方向进行两次熔覆，第一次采用与辊轴线成45度角如图1左侧简图所示采用螺旋线按箭头方式在辊面进行第一层激光熔覆，采用零搭接的方式进行等距熔覆，第一层熔覆后采用钢丝刷对熔覆后的表面进行抛磨，清除表面熔覆后的氧化膜和飞溅的材料残渣。然后对辊面进行第二次预热，预热至245℃，采用与辊轴线成45度角的反方向按螺旋线进行第二层的熔覆，熔覆后如图1最右侧所示的简图形貌，获得菱形交叉的熔覆形貌。磨削加工后可获得辊面规律分布的高低菱形格，这样的表面结构对可进一步提高抗结瘤的能力，因为热处理炉炉辊结瘤与接触面温升而有很大的关系。材料进行组织性能检测，材料的组织状态如图4所示，如图所示可看到组织内形成了大量的金属间化合物的硬质相，硬质相均匀的分布在组织内部，获得材料的硬度如图5所示硬度高且均匀。

按此实施方式制造的炉辊，激光熔覆层和炉辊基体实现了良好的冶金结合，组织内部无大于20微米的缺陷和气孔，组织晶粒细小均匀硬度均匀，与离心铸造的耐热钢相比获得了优异的使用的效果，抗结瘤性能良好。

实施案例3

对3Cr24Ni7N材料的炉辊进行激光熔覆。选择材料元素质量百分比为：C：0.03%，Si：1.9%，Mn：0.3%，Cr：12%，W：2%，Mo：25%，Ni：10%，Fe：18.8%，Co余量。

激光制造方法如下，首先对3Cr24Ni7N材料的炉辊表面采用工业酒精进行清洗，待酒精蒸发后对炉辊基体材料进行预热，预热温度为250℃，预热后先采用角磨机打磨；然后对激光熔覆材料进行温度为125℃*1h干燥。采用光纤激光器气动同轴送粉进行熔覆，激光熔覆参数是：功率：3000W，圆光斑直径：3.6mm，距离焦点距离15mm，扫描速度：9mm/s，送粉速度：14g/min；采用如图1所示的方向进行两次熔覆，第一次采用与辊轴线成45度角如图1左侧简图所示采用螺旋线按箭头方式在辊面进行第一层激光熔覆，采用零搭接的方式进行等距熔覆，第一层熔覆后采用钢丝刷对熔覆后的表面进行抛磨，清除表面熔覆后的氧化膜和飞溅的材料残渣。然后对辊面进行第二次预热，预热至2450℃，采用与辊轴线成45度角的反方向按螺旋线进行第二层的熔覆，熔覆后如图1最右侧所示的简图形貌，获得菱形交叉的熔覆形貌。磨削加工后可获得辊面规律分布的高低菱形格，这样的表面结构对可进一步提高抗结瘤的能力，因为热处理炉炉辊结瘤与接触面温升而有很大的关系。材料进行组织性能检测，可看到组织内形成了大量的金属间化合物的硬质相，硬质相均匀的分布在组织内部，获得材料的硬度高且均匀。

按此实施方式制造的炉辊，激光熔覆层和炉辊基体实现了良好的冶金结合，组织内部无大于20微米的缺陷和气孔，组织晶粒细小均匀硬度均匀，与离心铸造的耐热钢相比获得了优异的使用的效果，抗结瘤性能良好。

Claims (5)

1.一种无氧化热处理炉的激光熔覆材料，其特征在于，按照质量百分比如下组成：C：0.03%-0.1%，Si：1.9%-2.8%，Mn：0.3%-0.8%，Cr：12%-15.5%，W：2%-4.5%，Mo：18.5%-25%，Ni：10%-15%，Fe：10.5%-18.8%，Co余量。

2.根据权利要求1所述的一种无氧化热处理炉的激光熔覆材料，其特征在于，所述材料熔覆炉辊的制备工艺主要操作步骤如下：

（1）对待熔覆炉辊基体材料表面采用酒精进行清洗；

（2）待上述酒精蒸发后对炉辊基体材料进行熔覆前预热，预热温度为210-280℃；

（3）对待熔覆的炉辊基体材料预热后先采用角磨机打磨去除表面锈迹，

（4）、按照比例称量合理的各组分粉末，进行干燥和冷却，干燥温度为80℃-150℃，干燥时间为1-2小时；

（5）、利用激光将激光熔覆粉末熔覆在金属基材的表面，其中，激光波长：1060微米，功率：2100W-3000W，圆光斑直径：2.5mm-3.6mm，距离焦点距离10-15mm，扫描速度：9mm/s-25mm/s，送粉速度：14-25g/min。

3.根据权利要求2所述的一种无氧化热处理炉的激光熔覆材料，其特征在于，所述的步骤5中激光熔覆参数为：功率：2500W，圆光斑直径：3mm，距离焦点距离10mm，扫描速度：15mm/s，送粉速度：17g/min。

4.根据权利要求2所述的一种无氧化热处理炉的激光熔覆材料，其特征在于，所述的步骤5中激光熔覆方式为采用光纤激光器结合气动同轴送粉方式进行熔覆。

5.根据权利要求2所述的一种无氧化热处理炉的激光熔覆材料，其特征在于，所述的步骤5中激光熔覆需要进行两次熔覆，具体操作方法为如下操作：

（1）、第一次采用与辊轴线成45度，沿辊面进行第一层激光熔覆，采用零搭接的方式进行等距熔覆；

（2）、第一层熔覆后采用钢丝刷对熔覆后的表面进行抛磨，清除表面熔覆后的氧化膜和飞溅的材料残渣；

（3）、对经过第一层激光熔覆辊面进行预热，预热至230-245℃；

（4）、采用与辊轴线成45度角，与第一次熔覆方向的反方向进行第二层的熔覆，获得菱形交叉的熔覆形貌；

（5）、对经过二次激光熔覆的炉辊磨削加工处理，获得辊面规律分布的高低菱形格；

（6）、对上述规律分布的高低菱形格的辊面材料进行组织性能检测。