CN100453699C - 一种热喷涂与堆焊复合处理方法及其产品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种表面硬化的处理方法及其产品，特别涉及一种热喷涂与堆焊复合处理方法及其产品，主要解决涂层与基体性能不匹配的技术问题。本发明的技术方案为：一种热喷涂与堆焊复合处理方法，首先在基材表面堆焊堆焊过渡层，然后在堆焊过渡层表面喷涂热喷涂涂层，堆焊过渡层包括堆焊打底层和堆焊面层。热喷涂与堆焊复合处理方法获得的产品，具有复合结构，基材表面为堆焊过渡层，堆焊过渡层表面为热喷涂涂层，堆焊过渡层包括堆焊打底层和堆焊面层，堆焊打底层直接与基材本体焊合，而堆焊面层则在热喷涂涂层和堆焊层打底层之间。本发明可应用于(但不限于)钢铁企业冷轧生产线张力辊的表面保护涂层。
Description
技术领域：
本发明涉及一种表面硬化的处理方法及其产品，特别涉及一种热喷涂与堆焊复合处理方法及其产品，可应用于(但不限于)钢铁企业冷轧生产线张力辊的表面保护涂层。
背景技术：
目前国内高档钢板材冷轧生产线(如宝钢1800)使用的热镀锌机组关键部件张力辊只能依赖于进口，不仅显著提高了经济成本，还成为制约提高产品质量和生产效率的潜在因素。
张力辊辊身用S50C钢板卷制，尺寸规格Φ1000mm×2100mm；辊面中频淬火后，在表面电镀厚度约0.05mm左右的硬铬层。为此，此类张力辊具有如下的综合优势：第一，辊身材料S50C使得辊子具有良好的韧性，从而提高抗裂纹能力；第二，辊身材料S50C仍能够保持着较良好的可焊接性；第三，辊子表面经中频感应淬火后，不仅强度与硬度(HS70±3)得以提高，并能够使辊身与电镀硬铬层之间具有良好的匹配关系；进而提高张力辊抗变形和抗冲击的能力；第四，辊子表面电镀硬铬层可使辊子具有优良的耐磨性能、抗冲击性能，以及粗糙度保持能力，从而具有较好的摩擦张力。但与此同时，进口张力辊的制造在如下两个方面却存在着明显的不足之处：第一，此类张力辊辊面进行中频淬火时，必须采用频率为2000~3000Hz、额定功率大于1000KW的大型立式表面感应淬火设备；由于国内还没有大型立式表面感应淬火设备，受到机械设备条件的制约，所以只能依赖于从国外进口。同时，此类张力辊为钢板卷制、拼焊制成，焊缝及焊接热影响区域与辊面本体的组织结构存在着明显差异；因此，辊子经表面感应淬火后，焊缝区域的力学性能往往与辊面其它区域有所不同，进而成为引发辊面涂层失效的潜在因素。第二，此类张力辊表面电镀铬层在使用性能方面也有其自身缺点，如硬度较低、耐磨性较差；镀铬层内存在微裂纹，耐腐蚀性较差；镀铬层难以保持整体的性能稳定性和均匀性。再有，还必须要充分考虑电镀铬工艺的问题。电镀铬不仅难以实现集约化高效率生产，而且对环境有着非常严重的污染；因此，世界各国均加强了对电镀铬生产的限制，并制定了严格的环保标准，从而使得电镀硬铬的制造成本很高，张力辊价格高昂。
当前，随着热喷涂技术的飞速发展，采用热喷涂涂层替代电镀硬铬涂层，不仅具有与电镀硬铬层相同甚至更高的性能，而且也没有其他替代电镀硬铬技术(PVD、CVD、激光涂层等)的高成本经济风险(其成本与电镀硬铬层相当，并且仍在不断降低中)；同时，在环保方面的优势，热喷涂技术比电镀硬铬技术具有更好的竞争性。更为重要的是热喷涂代替硬铬技术已经在纺织机械、航空业等领域取得了成功应用。因此，在钢铁行业领域，使用热喷涂技术代替电镀硬铬技术也有着很大的实际应用范围。
然而，针对于本发明中的张力辊涂层制件产品，单纯使用热喷涂技术替代电镀硬铬是不可行的。原因在于，如果将极高硬度的热喷涂涂层直接喷涂于硬度很低的辊子基材S50C上面，在工作过程中，由于热喷涂涂层与其所依附的辊体表面在硬度上不具有合适的匹配度，非常容易导致表面涂层的失效。这也是张力辊表面在电镀硬铬前，需要进行感应淬火的主要原因之一。
发明内容：
本发明的目的是使表面保护涂层与基材本体之间具有良好的性能匹配性，以及表面保护涂层与基材本体具有高的结合强度，进而满足表面保护涂层制品长时间和稳定的实际生产使用要求，提供一种热喷涂与堆焊复合处理方法及其产品。为此，本发明的思路是：以张力辊为例，在热喷涂前对张力辊表面进行了堆焊处理，从而能够获得辊子本体、辊子表面和热喷涂涂层之间的良好匹配性；同时，由于堆焊层与辊子本体之间为冶金结合，两者的结合强度高，这与感应淬火的辊子表面和辊子本体在结合的强度等级上几乎是等同的。显而易见，采用热喷涂-堆焊复合方法制造高档钢板材冷轧生产线用张力辊，充分发挥了热喷涂与堆焊技术各自的优势，优势互补，应能够满足张力辊实际使用的综合性能要求。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种热喷涂与堆焊复合处理方法，首先在基材表面堆焊堆焊过渡层，然后在堆焊过渡层表面喷涂热喷涂涂层。堆焊过渡层包括堆焊打底层和堆焊面层。
由热喷涂与堆焊复合处理方法获得的产品，具有复合结构，基材表面为堆焊过渡层，堆焊过渡层表面为热喷涂涂层，堆焊过渡层包括堆焊打底层和堆焊面层，堆焊打底层直接与基材本体焊合，堆焊打底层最多为2层，而堆焊面层则在热喷涂涂层和堆焊层打底层之间。热喷涂涂层包括热喷涂打底层和热喷涂工作面层，热喷涂打底层直接与堆焊面层结合，最多为2层，厚度为整体热喷涂涂层总厚度的1/5-1/2。当产品为张力辊时，堆焊打底层采用Φ3.5mm的0.12C-2.7Mn-0.6Mo合金焊丝，焊接电流280-400A、电压26-30V、焊接速度300-450mm/min；堆焊面层Φ3.5mm的采用0.25C-1.8Mn-1.0W-6.0Cr-1.0Mo合金焊丝，焊接电流380-450A、电压26-30V、焊接速度300-400mm/min；热喷涂工作面层粉体材料采用WC-12Co，热喷涂氧气流速为880-890升/分钟、煤油流速为0.23-0.28升/分钟、喷涂距离为350-390mm、热喷涂供粉速度为43-50克/分钟。
与现有技术相比，本发明具有如下的特点：热喷涂与堆焊复合处理方法充分发挥了热喷涂与堆焊技术各自的优势，优势互补，能够使表面涂层制件与基材本体之间的匹配性良好，制件产品兼具良好的韧性、高的抗冲击能力、优良的可焊接性、高的抗剥落能力、以及优异的表面粗糙度维持能力等优良的综合性能；同时，热喷涂与堆焊复合处理方法对扩大热喷涂和堆焊的功能和应用，对解决特殊要求，有着特别的效益；此外，相对电镀硬铬技术而言更是一种绿色环保可持续制备技术，有着良好的应用潜力和市场前景。
具体实施方式：
以宝钢1800冷轧热镀锌机组关键部件张力辊表面涂层的制备，对本发明进行例解。
一、张力辊制件产品的涂层系统设计
张力辊辊身用S50C钢板卷制，制件的成品尺寸规格Φ1000mm×2100mm，堆焊打底层采用0.12C-2.7Mn-0.6Mo合金焊丝，厚度约2-3mm；堆焊面层采用0.25C-1.8Mn-1.0W-6.0Cr-1.0Mo合金焊丝，厚度约9-11mm；热喷涂工作面层粉体材料采用WC-12Co，粉体粒度在25-65μm，涂层厚度约0.2mm。经上述设计的涂层系统以及涂层材料选择，目的是使张力辊保持优良综合优势：(1)辊身S50C基材使辊子具有良好的韧性，以及可焊接性；(2)0.25C-1.8Mn-1.0W-6.0Cr-1.0Mo合金堆焊面层硬度达到HS70±3，从而使辊子表面硬度合乎要求；(3)0.12C-2.7Mn-0.6Mo合金堆焊打底层，可使辊身基材S50C与堆焊面层有着良好的匹配性；(4)WC-12Co热喷涂工作面层有着比电镀硬铬更好的硬度和粗糙度保持能力，能够满足张力辊实际工况的使用要求。
二、张力辊制件表面涂层的制备工艺
堆焊打底层采用0.12C-2.7Mn-0.6Mo合金焊丝，直径Φ3.5mm，堆焊厚度约2-3mm；堆焊工艺规范：焊接电流280-400A，电压26-30V，焊接速度300-450mm/min；
堆焊面层采用0.25C-1.8Mn-1.0W-6.0Cr-1.0Mo合金焊丝，直径Φ3.5mm，每道次堆焊厚度控制在2-3mm；堆焊工艺规范：焊接电流380-450A，电压26-30V，焊接速度300-400mm/min；
热喷涂工作面层粉体材料采用WC-12Co，粉体粒度在25-65μm。使用Praxair/TAFA公司JP-5000装置制备涂层，工艺参数如下：氧气流速为880-890升/分钟，煤油流速为0.23-0.28升/分钟，喷涂距离为350-390mm，热喷涂供粉速度为43-50克/分钟，涂层厚度约0.2mm。
除了制备张力辊涂层制件产品之外，为了对涂层进行分析测试，还用Φ90mm的S50C钢管，使用上述工艺参数制取Φ105mm×150mm试样。
堆焊后的试样首先进行堆焊面层的硬度测试，而后进行热喷涂；热喷涂后的试样用于硬度测试和热震试验。在热震试验中，将试样加热至600℃温度并使之整体均热，而后取出淬水冷却至室温；重复此程序，至预定的次数或者直至表面热喷涂涂层出现剥落或裂纹，用以评估涂层的抗剥落能力。其中，高的热震次数说明涂层抗龟裂或剥落的能力强，较低的热震次数则反映涂层容易产生龟裂或剥落。比较案例为感应淬火与电镀硬铬的进口张力辊涂层，其性能指标来自于进口制造商提供的数据。
实施案例与比较案例评价结果均列于表1中。从表中可以看出，本发明工艺制备试样的热喷涂工作涂层显微硬度明显高于电镀硬铬层，并且与辊子有着良好的结合性，经过7次的热震性试验后才在某些局部区域出现微小剥落。
表1表面梯度保护涂层实施例与比较例
本发明以张力辊作为例解仅为本发明的较佳可行实施例，并非因此即局限本发明的专利范围，本发明还可以用于其他需要表面硬化处理的场合。即凡是应用本发明说明书及内容所述等效变化，均同理包含于本发明的范围内。
Claims (5)
1、一种热喷涂与堆焊复合处理方法，首先在基材表面堆焊堆焊过渡层，堆焊过渡层包括堆焊打底层和堆焊面层，然后在堆焊过渡层表面喷涂热喷涂涂层，堆焊打底层采用0.12C-2.7Mn-0.6Mo合金焊丝，堆焊打底层焊接参数为：焊接电流280-400A，电压26-30V，焊接速度300-450mm/min；堆焊面层采用0.25C-1.8Mn-1.0W-6.0Cr-1.0Mo合金焊丝，堆焊面层焊接参数为：焊接电流380-450A，电压26-30V，焊接速度300-400mm/min；热喷涂工作面层粉体材料采用WC-12Co，热喷涂参数为：氧气流速为880-890升/分钟，煤油流速为0.23-0.28升/分钟，喷涂距离为350-390mm，热喷涂供粉速度为43-50克/分钟。
2、由权利要求1热喷涂与堆焊复合处理方法获得的产品，其特征是，具有复合结构，基材表面为堆焊过渡层，堆焊过渡层表面为热喷涂涂层，堆焊过渡层包括堆焊打底层和堆焊面层，堆焊打底层直接与基材本体焊合，而堆焊面层则在热喷涂涂层和堆焊层打底层之间。
3、根据权利要求2所述的热喷涂与堆焊复合处理方法获得的产品，其特征是，堆焊打底层最多为2层。
4、根据权利要求2所述的热喷涂与堆焊复合处理方法获得的产品，其特征是，热喷涂涂层包括热喷涂打底层和热喷涂工作面层，热喷涂打底层直接与堆焊面层结合。
5、根据权利要求2或4所述的热喷涂与堆焊复合处理方法获得的产品，其特征是，热喷涂打底层最多为2层，厚度则为热喷涂涂层总厚度的1/5-1/2。
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