CN100482813C - 一种退火炉炉辊表面强化涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种退火炉炉辊表面强化涂层及其制备方法，通过选定的热喷涂方法在辊基表面制备强化涂层，包括粘结涂层、工作涂层和粘结涂层、工作涂层之间的过渡涂层，各涂层材料中合金和陶瓷比例按照梯度变化，即由内向外，各涂层中的合金比例逐步减少，而陶瓷比例逐步增加，最终形成梯度涂层，不仅使得工作涂层具有很好的抗氧化、耐磨损和抗结瘤性能，也提高了强化涂层与辊基的结合性能，以及涂层内部的内聚结合性能。这样，通过本发明的方法制备的退火炉炉辊表面强化涂层，能够延长炉辊的使用寿命，降低使用和修复成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种退火炉炉辊表面强化涂层及其制备方法，特别适用于冷轧、冷轧镀锌和硅钢退火炉炉辊，也可用于其它类似工况条件下金属或合金部件的表面强化涂层及其制备方法。
背景技术
冷轧、冷轧镀锌和硅钢钢板生产线上连续退火炉中的炉辊是用于传送钢板，退火炉炉辊服役于600-1200℃高温和弱氧化或还原性气氛环境下。炉中气氛的波动以及前置工序残留于钢带表面的化学物质致使少量氧元素的存在，钢带速度与辊子转速的不匹配出现接触表面的相对滑动以及高温，致使炉辊与钢带作相对运动可致辊面的磨损；氧元素的存在可导致辊面的局部氧化而性能下降；速度不匹配致使铁基型颗粒转移粘附于辊子表面形成结瘤；钢带表面氧化物与辊子表面材料形成化合物而结瘤。炉辊如果磨损到一定程度，或出现相对较大的结瘤，将影响钢板表面的质量，需要进行更换或修复。随着钢板厚度越来越薄，生产速度越来越快，钢板表面质量的要求越来越高，对连续退火炉中辊表面性能的要求就越来越高，要求其具有更好的高温耐磨性和高温抗结瘤性。
为了提高钢带的表面质量同时有效延长炉辊的使用寿命，通行的方法是在炉辊表面制备强化层。现有技术中，制备强化层的主要技术方案有：
将高温合金，如Co基、Fe基或Ni基合金，应用于炉辊的表面强化。高温合金尽管可以形成与辊基良好结合的涂层，但其高温耐磨和高温抗结瘤性能仍不够理想。
为提升炉辊表面的高温耐磨性和高温抗结瘤性，常见的技术方案还有采用金属或合金添加陶瓷形成复合材料涂层。相当多的专利文献公开了炉辊表面强化涂层材料的技术方案，以使炉辊表面具有抗氧化、耐磨损、抗结瘤的良好性能，如：
(1)美国专利4124737提出以Co为基含Cr、Ta、C以及添加Mn、Si、Al并复合氧化物陶瓷材料来改善其高温耐磨性。
(2)日本专利57-51057提出炉辊表面涂层含超过15％wt.的Nb其余为金属元素构成的材料来改善抗结瘤性能。
(3)美国专利4822689提出涂层组分包含60-95％vol难熔氧化物和Co基或Fe基或Ni基合金来改善高温耐磨性和抗结瘤性。
(4)日本专利JP225590提出以MCrAlY高温合金为基添加MgAl2O4、MgO、Y2O3陶瓷材料来改善抗结瘤性。
(5)已公开的中国专利申请200510025632.4和200410066937.5则都是通过在MCrAlY中添加不同比例的氧化物和硼化物来改善高温耐磨性和抗结瘤性。
上述的强化涂层具有良好的抗氧化、耐磨损、抗结瘤性能。陶瓷材料尤其是难熔的氧化物陶瓷高温耐磨性和高温抗结瘤性良好，但其热胀系数远小于金属和合金材料，如果直接在辊基表面以热喷涂方式制备强化涂层，相对较低的温度下就会出现涂层的剥落；添加到金属或合金中就会削弱涂层与基体的热胀系数的匹配性，也会降低结合性。
为解决强化涂层与辊基的结合问题，现有技术的解决思路是制备一层Ni-Al、Ni-Cr的过渡涂层作为粘结底层，由于其热胀系数与辊基材料较为匹配，可在一定程度上改善强化涂层与辊基的结合，但粘结底层与工作涂层之间同样存在热胀系数不匹配的问题，加之材料本身的构成，仍不足以满足长期高温下服役的要求。
为解决强化涂层与辊基的结合问题，中国专利CN1047113A公开了一种技术方案：在基体表面喷涂一层与基体材料结合良好的金属、合金或复合金属打底层(粘结涂层)，再在粘结涂层上喷涂一层以上的过渡涂层，再在过渡涂层上喷涂工作涂层。每层的热膨胀系数依次递减，第一层过渡层其膨胀系数接近粘结涂层，最后一层过渡层其膨胀系数接近工作涂层，达到提高结合性能的目的。但是，该专利公开的技术方案粘结涂层和过渡涂层选用的材料为Ni合金或者是Ni合金为基的金属陶瓷材料，而工作涂层选用AlMo(10％)与Cr2O3(90％)的金属陶瓷。这样，其工作涂层的材料与过渡涂层的材料不相同，并且其陶瓷成分远高于合金成分，其结果是工作涂层与粘结涂层的热膨胀系数差很大，因此该专利的技术方案需要多层(一层以上)的过渡涂层，提高强化涂层的结合性能，并且每层的厚度需要进行严格控制(粘结涂层50-150μm，过渡涂层50-100μm/层，工作涂层70-200μm)，工艺难度较大，整个强化涂层的厚度为220μm以上。综上所述，为提升金属或合金的高温耐磨性和抗结瘤性，需要通过陶瓷材料的添加来解决。添加量多时，有利于高温耐磨性和抗结瘤性，但会导致结合性能下降；添加少，则反之。辊基的表面强化涂层的现有技术，均无法实现既有很好的高温耐磨性和抗结瘤性，又有很好的结合性能的技术要求。
发明内容
本发明提供一种退火炉炉辊表面强化涂层及其制备方法，以热喷涂方式制备梯度涂层，目的在于克服上述现有技术中存在的缺陷，解决强化涂层的良好结合性与高温耐磨、抗结瘤性之间的矛盾，使得强化涂层既有很好的高温耐磨性和抗结瘤性，又可以与辊基很好的结合，从而提高炉辊的使用寿命。
实现本发明目的的一种退火炉炉辊表面强化涂层，其技术方案是：
一种退火炉炉辊表面强化涂层，通过热喷涂方法固定在辊基表面，包括粘结涂层、工作涂层和粘结涂层与工作涂层之间的过渡涂层。粘结涂层材料是Co基合金，或是以Co基合金为基，陶瓷为添加物的复合材料；过渡涂层和工作涂层均是以Co基合金为基，陶瓷为添加物的复合材料；粘结涂层的Co基合金含量最高，过渡涂层次之，工作涂层最低，而粘结涂层的陶瓷含量最低，过渡涂层次之，工作涂层最高；从而形成梯度涂层。
所述的过渡涂层可以是一层，也可以是多层。过渡涂层为两层或两层以上时，上层过渡涂层中的Co基合金含量低于下层过渡涂层，而上层过渡涂层中的陶瓷含量高于下层过渡涂层。
所述的陶瓷可以是氧化物，包括Al、Cr、Zr、Y、Si、Ca、Mg等的氧化物中的一种或多种的混合，优选Al2O3，或者是Al2O3和Cr2O3的混合。
表面强化涂层可为三层，陶瓷是Al2O3，或者是Al2O3和Cr2O3的混合，其中第一层为粘结涂层，陶瓷含量为0-15％wt.；第二层为过渡涂层，陶瓷含量为15-30％wt；第三层为工作涂层，陶瓷含量为30％-50％wt.。
表面强化涂层也可为五层，包括三层过渡涂层，陶瓷是Al2O3，或者是Al2O3和Cr2O3的混合，其中第一层为粘结涂层，Al2O3和Cr2O3含量分别为0-10％wt.和0-6％wt.；第二层Al2O3和Cr2O3含量分别为10-20％wt.和0-7％wt.；第三层Al2O3和Cr2O3含量分别为20-30％wt.和0-8％wt.；第四层Al2O3和Cr2O3含量分别为30-40％wt.和0-9％wt.；第五层为工作涂层，Al2O3和Cr2O3含量分别为40-50％wt.和0-10％wt.。
所述的陶瓷材料还可以是氧化物、碳化物和硼化物的混合，氧化物包括Al、Cr、Zr、Y、Si、Ca、Mg等的氧化物中的一种或多种的混合；碳化物包括Cr、Ti、Si、W、B等的碳化物中的一种或多种的混合；硼化物包括Mo、Ti、Zr、Cr等的硼化物中的一种或多种的混合。粘结涂层和中间涂层的陶瓷含量为0-15％wt.，工作涂层的陶瓷含量为15％-50％wt.，陶瓷材料中碳化物占0.1-20％wt.，硼化物占0.1-30％wt.，其余是氧化物。工作涂层的陶瓷材料中，碳化物占0.1-10％wt.，硼化物占0.1-20％wt.，其余是氧化物。
所述的热喷涂方法为高速火焰喷涂或爆炸喷涂；制备的表面强化涂层厚度为80-200μm。
实现本发明目的的一种退火炉炉辊表面强化涂层的制备方法，其技术方案是：
步骤一、对辊基表面进行预处理；
步骤二、选定制备表面强化涂层的材料，包括粘结涂层、过渡涂层和工作涂层材料；粘结涂层材料是Co基合金，或是以Co基合金为基，以陶瓷为添加物的复合材料；过渡涂层和工作涂层均以Co基合金为基，以陶瓷为添加物的复合材料，陶瓷是氧化物，或者是氧化物、碳化物和硼化物的混合；粘结涂层的Co基合金含量最高，过渡涂层次之，工作涂层最低，而粘结涂层的陶瓷含量最低，过渡涂层次之，工作涂层最高；所述的过渡涂层可以是多层，上层过渡涂层中的Co基合金材料含量低于下层过渡涂层，而上层过渡涂层中的陶瓷含量高于下层过渡涂层；
步骤三、将粘结涂层材料高速火焰喷涂或爆炸喷涂在辊基表面，形成粘结涂层；
步骤四、将过渡涂层材料高速火焰喷涂或爆炸喷涂在粘结涂层上，形成过渡涂层；
步骤五、将工作涂层材料高速火焰喷涂或爆炸喷涂在过渡涂层上，形成工作涂层；
步骤六、制备的表面强化涂层的厚度为80-200μm；对工作涂层表面进行磨削和/或抛光至Ra为0.1-3μm。
步骤七、对制备了表面强化涂层的炉辊进行后热处理。
本发明的有益效果在于，通过选定的热喷涂方法在辊基表面制备强化涂层，包括粘结涂层、工作涂层和粘结涂层、工作涂层之间的过渡涂层，各涂层材料中Co基合金和陶瓷比例按照梯度变化，即由内向外，各涂层中的合金比例逐步减少，而陶瓷比例逐步增加，最终形成梯度涂层，不仅使得工作涂层具有很好的抗氧化、耐磨损和抗结瘤性能，也提高了强化涂层与辊基的结合性能，以及涂层内部的内聚结合性能。这样，通过本发明的方法制备的退火炉炉辊表面强化涂层，能够延长炉辊的使用寿命，降低使用和修复成本。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明：
实施例1-3为三层结构的退火炉炉辊表面强化涂层，其中第一层(内层)为粘结涂层，第二层(中间层)为过渡涂层，第三层(外层)为工作涂层。
(1)对辊基表面进行预处理，包括在炉中进行去应力退火处理；
(2)选定制备表面强化涂层的材料，如下表所示：
| 涂层 | 第一层 | 第二层 | 第三层 |
| 实施例1 | Co基合金 | Co基合金+20％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+5％Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Co基合金+40％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+10％Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> |
| 实施例2 | Co基合金+8％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Co基合金+16％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Co基合金+30％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> |
| 实施例3 | Co基合金 | Co基合金+25％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+3％CrB<sub>2</sub>+2％Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub> | Co基合金+45％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+2％CrB<sub>2</sub>+0.2％Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub> |
(3)将粘结涂层材料爆炸喷涂在辊基表面，形成粘结涂层；
(4)将过渡涂层材料高速火焰喷涂或爆炸喷涂在粘结涂层上，形成过渡涂层；
(5)将工作涂层材料高速火焰喷涂或爆炸喷涂在过渡涂层上，形成工作涂层；表面强化涂层的总厚度为150μm左右。
(6)对工作涂层表面进行磨削和/或抛光至Ra为1.5μm；
(7)对制备了表面强化涂层的炉辊进行后热处理。
根据实施例1-3制备的退火炉炉辊表面强化涂层，均为三层结构，包括由粘结涂层、过渡涂层和工作涂层。工作涂层中陶瓷材料较高，因此具有很好的抗氧化、耐磨损和抗结瘤性能。而各涂层材料中合金和陶瓷比例按照梯度变化，即由内向外，各涂层中的合金比例逐步减少，而陶瓷比例逐步增加，最终形成梯度涂层，提高了强化涂层与辊基材料的结合性能，以及涂层内部的内聚结合性能。
选用辊基材料制作30mm×30mm×5mm的试样块，根据实施例1-3在试样块表面制备强化涂层，进行热冲击试验。试验方案为：在普通的热处理炉中加热至一定温度浸入水中进行水淬，如此反复循环直到涂层出现剥落现象。其中实施例1和2加热温度为1100-1200℃，热冲击可到达20次以上；实施例3加热温度为850-900℃，热冲击可达到25次以上。可见实施例1-3均具有很好的热冲击性能。
实施例4和5为五层结构的退火炉炉辊表面强化涂层，其中第一层(内层)为粘结涂层，第二层至第四层(中间层)为过渡涂层，第五层(外层)为工作涂层。各层的材料如下表所示：
| 涂层 | 第一层 | 第二层 | 第三层 | 第四层 | 第五层 |
| 实施例4 | Co基合金+5％ Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+3％ Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Co基合金+15％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+4％Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Co基合金+25％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+5％Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Co基合金+35％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+6％Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Co基合金+45％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+7％Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> |
| 实施例5 | Co基合金+5％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+3％CrB<sub>2</sub>+2％Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub> | Co基合金+15％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+3％CrB<sub>2</sub>+2％Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub> | Co基合金+25％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+3％CrB<sub>2</sub>+2％Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub> | Co基合金+35％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+3％CrB<sub>2</sub>+2％Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub> | Co基合金+45％Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+3％CrB<sub>2</sub>+0.2％Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub> |
根据实施例4和5制备的退火炉炉辊表面强化涂层，均为五层结构，包括粘结涂层、三层过渡涂层和工作涂层。工作涂层中陶瓷材料较高，因此具有很好的抗氧化、耐磨损和抗结瘤性能。而各涂层材料中合金和陶瓷比例按照梯度变化，即由内向外，各涂层中的合金比例逐步减少，而陶瓷比例逐步增加，最终形成梯度涂层。而形成的梯度比实施例1-3更多，更加提高了强化涂层与辊基材料的结合性能，以及涂层内部的内聚结合性能。
选用辊基材料制作30mm×30mm×5mm的试样块，根据实施例4和5在试样块表面制备强化涂层，进行相同方案的热冲击试验。实施例4加热温度为1100-1200℃，实施例5加热温度为850-900℃，热冲击均可达到30次以上，可见实施例4和5具有更好的热冲击性能。
将根据实施例1-5制备表面强化涂层的试样块进行抗结瘤试验，实验方案为：将试样块置于与连续退火炉相同气氛的炉中加热至热冲击试验相同温度保温4天，涂层外表面与Fe粉始终保持接触。实验结果表明，实施例1-5均具有很好的高温抗结瘤性能。
根据本发明制备表面强化涂层的退火炉炉辊，具有很好的抗氧化、耐磨损和抗结瘤性能，并且强化涂层与辊基材料具有很好的结合性能，可有效延长炉辊的使用寿命。
Claims (10)
1、一种退火炉炉辊表面强化涂层，通过热喷涂方法固定在辊基表面，包括粘结涂层、过渡涂层和工作涂层，其特征在于：粘结涂层材料是Co基合金，或是以Co基合金为基，陶瓷为添加物的复合材料；过渡涂层和工作涂层均是以Co基合金为基，陶瓷为添加物的复合材料；粘结涂层的Co基合金含量最高，过渡涂层次之，工作涂层最低，而粘结涂层的陶瓷含量最低，过渡涂层次之，工作涂层最高；从而形成梯度涂层。
2、根据权利要求1所述的一种退火炉炉辊表面强化涂层，其特征在于：过渡涂层为一层或多层，过渡涂层为两层或两层以上时，上层过渡涂层中的Co基合金含量低于下层过渡涂层，而上层过渡涂层中的陶瓷含量高于下层过渡涂层。
3、根据权利要求1或2所述的一种退火炉炉辊表面强化涂层，其特征在于：陶瓷是氧化物，包括Al、Cr、Zr、Y、Si、Ca、Mg的氧化物中的一种或多种的混合。
4、根据权利要求3所述的一种退火炉炉辊表面强化涂层，其特征在于：陶瓷是Al2O3，或者是Al2O3和Cr2O3的混合。
5、根据权利要求4所述的一种退火炉炉辊表面强化涂层，其特征在于：表面强化涂层为三层，第一层为粘结涂层，陶瓷含量为0-15％wt.；第二层为过渡涂层，陶瓷含量为15-30％wt；第三层为工作涂层，陶瓷含量为30％-50％wt.。
6、根据权利要求4所述的一种退火炉炉辊表面强化涂层，其特征在于：表面强化涂层为五层，包括三层过渡涂层，其中第一层为粘结涂层，Al2O3和Cr2O3含量分别为0-10％wt.和0-6％wt.；第二层Al2O3和Cr2O3含量分别为10-20％wt.和0-7％wt.；第三层Al2O3和Cr2O3含量分别为20-30％wt.和0-8％wt.；第四层Al2O3和Cr2O3含量分别为30-40％wt.和0-9％wt.；第五层为工作涂层，Al2O3和Cr2O3含量分别为40-50％wt.和0-10％wt.。
7、根据权利要求1或2所述的一种退火炉炉辊表面强化涂层，其特征在于：陶瓷材料是氧化物、碳化物和硼化物的混合，氧化物包括Al、Cr、Zr、Y、Si、Ca、Mg的氧化物中的一种或多种的混合；碳化物包括Cr、Ti、Si、W、B的碳化物中的一种或多种的混合；硼化物包括Mo、Ti、Zr、Cr的硼化物中的一种或多种的混合。
8、根据权利要求7所述的一种退火炉炉辊表面强化涂层，其特征在于：粘结涂层和过渡涂层的陶瓷含量为0-15％wt.，陶瓷材料中碳化物占0.1-20％wt.，硼化物占0.1-30％wt.，其余是氧化物；工作涂层的陶瓷含量为15％-50％wt.，陶瓷材料中碳化物占0.1-10％wt.，硼化物占0.1-20％wt.，其余是氧化物。
9、根据权利要求1或2所述的一种退火炉炉辊表面强化涂层，其特征在于：热喷涂方法为高速火焰喷涂或爆炸喷涂；制备的表面强化涂层厚度为80-200μm。
10、一种退火炉炉辊表面强化涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、对辊基表面进行预处理；
步骤二、选定制备表面强化涂层的材料，包括粘结涂层、过渡涂层和工作涂层材料；粘结涂层材料是Co基合金，或是以Co基合金为基，以陶瓷为添加物的复合材料；过渡涂层和工作涂层均以Co基合金为基，以陶瓷为添加物的复合材料，陶瓷是氧化物，或者是氧化物、碳化物和硼化物的混合；粘结涂层的Co基合金含量最高，过渡涂层次之，工作涂层最低，而粘结涂层的陶瓷含量最低，过渡涂层次之，工作涂层最高；所述的过渡涂层可以是多层，上层过渡涂层中的Co基合金材料含量低于下层过渡涂层，而上层过渡涂层中的陶瓷含量高于下层过渡涂层；
步骤三、将粘结涂层材料高速火焰喷涂或爆炸喷涂在辊基表面，形成粘结涂层；
步骤四、将过渡涂层材料高速火焰喷涂或爆炸喷涂在粘结涂层上，形成过渡涂层；
步骤五、将工作涂层材料高速火焰喷涂或爆炸喷涂在过渡涂层上，形成工作涂层；
步骤六、制备的表面强化涂层的厚度为80-200μm；对工作涂层表面进行磨削和/或抛光至Ra为0.1-3μm；
步骤七、对制备了表面强化涂层的炉辊进行后热处理。
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