CN101775479B

CN101775479B - 一种球墨铸铁轧辊表面合金化处理方法

Info

Publication number: CN101775479B
Application number: CN201010125564XA
Authority: CN
Inventors: 蒋汉前; 田为军
Original assignee: Wuhan Gass Laser Technology Co Ltd
Current assignee: Wuhan Gass Laser Technology Co Ltd
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: CN101775479A

Abstract

本发明公开了一种球墨铸铁轧辊表面合金化处理方法，其步骤如下：A、将欲处理的轧辊工作面除锈，清洗干净；B、用无水酒精将合金粉末和酚醛树脂调成浆糊状合金化涂料，均匀涂覆在工作面上，并晾干或吹干；C、用激光束连续搭接扫描整个工作面；D、用装有钢丝磨轮的手持式砂轮机清理表面。处理完的轧辊无需后续处理，可直接上机使用。该方法简单易行，使激光合金化扩展到带锐角的球铁精轧辊上，使用寿命提高0.9倍以上。

Description

一种球墨铸铁轧辊表面合金化处理方法

技术领域

本发明属于激光加工领域，更具体涉及一种球墨铸铁轧辊(简称球铁轧辊)表面合金化处理方法，适用于中轧、精轧的棒材、槽钢、角钢、工字钢等冶金轧辊。

背景技术

随着科学技术的进步和发展，具有高性能的轧辊应用越来越广泛。但国内的轧钢业，由于受成本、资金、技术水平的制约，仍在大量使用铸钢和球铁轧辊，而且球铁轧辊的使用量占整个轧辊使用量的50％以上。

球铁轧辊虽然是一种高强度的铸铁辊，其综合性能接近于钢，成本低廉。但其硬度、抗回火软化性等远不及用具有高性能材料制造的轧辊，普遍耐磨性较低，服役寿命短，换辊频繁，严重影响了轧机的生产效率。

造成上述差异的主要原因是具有高性能的轧辊，为了得到高的硬度、高的抗回火软化性、高的抗磨性，有目的地加入了大量的数种合金元素。而球铁轧辊由于受其冶炼、铸造技术的限制，没有或只少量加入了一些合金元素，其硬度、抗回火软化性低，严重影响了其抗磨性，降低了使用寿命。

为了提高球铁辊的抗磨性，近年来发展起来的利用激光合金化强化球铁轧辊的方法及应用，却因以下原因受到制约：

1、连续扫描搭接带软化问题。激光扫描轧辊表面时，因光斑能量分布和被扫描处金属热传导的共同作用，其温度场的分布是光斑中间最高，超过了金属的熔点，形成熔池；邻近熔池一定区域内，温度超过了奥氏体相变点A1，低于熔点，快速扫描时会淬火产生相变硬化。紧接邻的是温度低于A1临界点的温度区，在这温度区间内，离激光光斑的距离越远温度越低，扫描时都会经历一个回火过程，离激光光斑的距离越近回火温度越高。在用激光对轧辊整个工作面合金化处理时，必须采用连续搭接扫描的方式进行，后道与前道搭接的邻近区会产生高温回火，使整个工作面呈现软带、硬带相间的分布，软带与硬带的硬度差一般在18-25HRC之间。造成这一现象的主要原因是合金元素的配比设计问题。目前，球铁轧辊激光合金化大多采用添加一种或几种硬质相(如TiC、WC、VC)或生成硬质相(如Cr、V、W、B、C)的合金元素的方法。而在增加硬质相的同时，添加一些能起抗回火软化的合金元素，使球铁轧辊工作面形成具有高性能(高硬度、高抗回火软化性、高的高温强韧性、高抗磨性)的合金化层的方法还未见报道。

2、表面粗糙度问题。用激光对球铁轧辊表面合金化时，经过熔化和凝固，都或多或少破坏了轧辊表面的粗糙度。目前，还不能把它控制在一个较小的，处理后不需要经过任何加工就可直接使用的范围内，阻止了这一技术在型材精轧辊上的应用，如角钢轧辊精轧辊的直角处。

3、裂纹扩展问题。球铁材料快速熔凝时，难免产生裂纹。其趋势随熔化和凝固速度增加而增加。特别是采用高功率密度光斑，高速多道搭接扫描球铁时，微裂纹会横贯扫描道形成长裂纹，严重的使用时会掉块，造成轧辊报废。这也是阻止这一技术在型材精轧辊锐角处应用的主要问题之一。清华大学的刘文今、李正阳、钟敏霖等发明了一种分布式激光点状合金化方法(CN200610011676)来阻止裂纹扩展。据悉，这项技术在某厂得到应用，使合金化后的球铁轧辊过钢量单车次提高50％以上，终于使得这项技术在球铁轧辊上的应用有了起色。

发明内容

本发明的目的在于提供一种球墨铸铁轧辊表面合金化处理方法，该方法易行，操作简便，通过添加合金元素和优化工艺，防止了微裂纹的扩展，最大限度减小了搭接带引起的硬度、表面粗糙度下降问题，使激光合金化扩展到带锐角的球铁精轧辊上，使用寿命提高0.9倍以上。

本发明采用以下技术措施：

一种球墨铸铁轧辊表面合金化处理方法，其步骤如下：

A、将欲处理的轧辊工作面用砂纸或手持式砂轮除锈，用酒精或丙酮对轧辊工作面进行清洗，直至表面光洁，无油污；

B、用无水酒精将94wt％-98wt％的合金粉末和2wt％-6wt％的酚醛树脂调成浆糊状合金化涂料，均匀涂覆在工作面上，涂层厚0.1-0.15mm，并晾干或吹干。所述合金粉末为纯的铬粉、镍粉、钼粉和碳化钨粉按重量比配制，具体为Cr∶Ni∶Mo∶WC＝(40-50)∶(5-10)∶(10-15)∶(30-40)，其中各纯金属粉的粒度均为2-5微米，碳化钨粉的粒度35-45微米。加入Cr(铬)主要是和球铁中的碳形成高硬度的抗高温回火软化的合金碳化物Cr₇C₃、(Cr，Fe)₇C₃(这两种碳化物在850℃以下硬度基本没有变化，耐磨性很好)，基体中的含Cr量超过13wt％才会形成这样的合金碳化物。本发明方法处理后得到的合金化层中的Cr含量为15-23wt％；另一方面铬显著提高了淬透性，能在快速熔化和冷却凝固过程中阻止奥氏体转变成珠光体。

Ni(镍)不形成碳化物，溶入基体和Cr联合作用，可进一步提高淬透性，提高基体强度，硬度和韧性，本发明方法处理后得到的合金化层中的Ni含量为1-2wt％。

Mo(钼)会形成细小、分散的稳定碳化物MoC、Mo₂C，细化晶粒。钼还能阻止奥氏体转变成珠光体，提高基体强度和硬度，显著提高回火稳定性，防止回火脆性，本发明方法处理后得到的合金化层中的Mo含量为2-3wt％。

WC(碳化钨)是种高硬度，抗高温软化的粒子，抗磨性极好。它的配入起弥散强化的作用，大大提高了合金化层的抗磨性，本发明方法处理后得到的合金化层中的WC含量为15-22wt％。

所用合金粉末中的元素配比是经多次试验而得的。用这种合金粉末对球铁激光合金化，可得到含Mo高Cr复合白口铸铁层。其基体组织以残余奥氏体为主+少量马氏体+少量贝氏体+莱氏体，均匀镶嵌WC耐磨粒子组成。其残余奥氏体会在接下来的搭接扫描中，经淬火或高温(500-600℃)回火转变成马氏体，产生二次硬化，最大限度减小了搭接扫描引起的硬度下降，最终得到一种具有优良高温综合性能、高硬度、高的抗磨性能的合金化层。

C、用激光束连续扫描整个工作面，激光输出功率3.5-4.5KW，光斑直径Ф2.8-3.8mm，扫描速度1.8-2.2m/min，熔道间的搭接率45-48％，同时吹氩气(或者氮气，或者氦气)保护，保护气输出压力0.1-0.2Mpa；

D、用装有钢丝磨轮的手持式砂轮机清理表面。

用这种技术方法处理过的球铁轧辊表面硬度高、粗糙度高、锐角面保持了原貌，裂纹细小散布，不需要任何后续加工，可直接上轧机使用。

本发明采用的技术方案具有如下优点和效果：

目前，球铁轧辊工作面在制造或者使用中有时会产生一些裂纹，使用中只要不剥落或者掉块，不影响轧辊的正常工作。本发明在合金化过程中采用大的搭接率，对形成的裂纹采取疏导方式，让其形成的裂纹浅、细小、散布。具体措施是使用了较小的光斑，较大的搭接率，较快的扫描速度。这样做会获得以下效果：

1、搭接部位会重熔凝固，提高了合金化的均匀度和表面粗糙度。表面粗糙度提高的原因见图1；

2、搭接部邻近的前道扫描区会经历淬火、高温回火，产生二次硬化。同时高温回火，使应力得到释放，大大削减了形成横贯大裂纹的驱动力，杜绝了掉块问题；

3、处理后的轧辊表面粗糙度高，直角面能保持原貌，裂纹细小散布，不需要任何后续加工，可直接上轧机使用。

另外，本发明的合金粉末经激光合金化后形成的合金化层，抗回火软化性好，二次硬化明显，最大限度减小了高温回火软化，也就解决了搭接软化问题。

表1为这种合金粉末与商品化合金粉末在试样表面单道扫描激光合金化后，几种温度回火测试的硬度值，同时也列出同试样熔凝试验结果作对照。

表1

注：试验是在球铁轧辊上截取的12*15*320样块上进行的，所述商品化粉末为一种常见的商品化合金粉末，其成分为碳化钒和碳化钛，其重量配比为VC∶TiC＝60-70∶30-40。

本发明的工艺方法在河北和贵州两个钢厂激光加工站工业考核一年多，证明此工艺处理后的球铁轧辊裂纹细小散布，粗糙度接近精车的级别。随后复型车削量也有了减少，没有出现过因激光处理而掉块的现象。

附图说明

图1为此种工艺方法处理的3道扫描熔道合成的横截面轮廓示意图。

1-A为凸形熔道未搭接的形貌；

1-B为凹形熔道未搭接的形貌；

1-C为凸形熔道搭接率10％的形貌；

1-D为凹形熔道搭接率10％的形貌；

1-E为凸形熔道搭接率45％的形貌；

1-F为凹形熔道搭接率45％的形貌。

三种搭接率扫描熔道之间最大高度差依次为h、h1、h2。

从图1可见搭接率在0％-50％范围内，随着扫描熔道间搭接率的增加，熔道之间的高度差减小h＞h1＞h2，粗糙度提高。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步说明本发明，以利于理解本发明，但不限制本发明内容。

实施例1：

本发明方法用于强化角钢球铁精轧辊的方法步骤如下：

(1)将轧辊装于机床上，其轴线沿水平方向，并可绕轴转动；

(2)用砂纸或砂轮除锈；

(3)用酒精或丙酮清洁轧辊工作面，直至表面无油污，光洁；

(4)用无水酒精将94wt％的合金粉末和6wt％的酚醛树脂，或者97wt％的合金粉末和3wt％的酚醛树脂调成浆糊状合金化涂料，均匀涂覆在工作面上，涂层厚0.1或0.12mm，并晾干或吹干；

(5)开启CO₂横流激光器，激光输出功率为3.5或4.0KW，将光斑调到Ф2.8mm或Ф3.5mm，对准扫描起始点，扫描速度1.8m/min或2.2m/min，同时吹氩气或氦气保护，保护气输出压力为0.1或0.15Mpa；

(6)激光束扫描轨迹为螺旋连续搭接方式，本例搭接率为45％；

(7)重复步骤(5)和(6)直至完成对另一个直角面的加工；

(8)用装上了钢丝磨轮的手持式砂轮机清理表面。

处理完的轧辊直接上机使用，过钢量单车次单槽由400吨提高到1000吨以上。

实施例2：

本发明方法用于强化球铁工字钢精轧辊方法步骤如下：

(1)将待处理轧辊表面用砂纸或砂轮除锈；

(2)用酒精或丙酮清洁轧辊工作面，直至表面无油污，光洁；

(3)用无水酒精将98wt％的合金粉末和2wt％的酚醛树脂调成浆糊状合金化涂料，均匀涂覆在工作面上，涂层厚0.13或0.15mm，并晾干或吹干；

(4)开启CO₂横流激光器，激光输出功率4.5KW，将光斑调到Ф3.8mm，扫描速度2.1m/min，同时吹氮气保护，保护气输出压力为0.2Mpa，并对准扫描起始点；

(5)激光束扫描轨迹为螺旋连续搭接方式，搭接率为47％或48％；

(6)重复步骤(4)和(5)直至扫描完余下的两个工作面；

(7)用装上了钢丝磨轮的手持式砂轮机清理表面。

处理完的轧辊直接上机使用。其工作面的硬度由38-61HS提高到63-79HS，过钢量单车次单槽由400吨提高到800吨以上。

上述两实例复型车削量单边减少了1-1.5mm，这类轧辊原来一般可复型车削6-7次，每次单边车削5-6mm。以此计算，经激光合金化处理后，其复型车削至少增加了1次，大大提高了轧辊的服役寿命。

Claims

1.一种球墨铸铁轧辊表面合金化处理方法，其步骤如下：

B、用无水酒精将94wt％-98wt％的合金粉末和2wt％-6wt％酚醛树脂调成浆糊状合金化涂料，涂覆在工作面上，涂层厚0.1-0.15mm，并晾干或吹干，所述的合金粉末为纯的铬粉、镍粉、钼粉和碳化钨粉，重量配比为铬粉∶镍粉∶钼粉∶碳化钨粉＝40-50∶5-10∶10-15∶30-40，其中各纯金属粉的粒度均为2-5微米，碳化钨粉的粒度35-45微米；

C、用激光束连续扫描整个工作面，激光输出功率3.5-4.5KW，光斑直径Φ2.8-3.8mm，扫描速度1.8-2.2m/min，熔道间的搭接率45-48％，同时吹保护气，保护气为氩气，氦气和氮气中的一种，保护气输出压力0.1-0.2MPa；

D、用装有钢丝磨轮的手持式砂轮机清理表面。