CN101818342A

CN101818342A - 一种冶金热轧辊工作层的激光直接沉积制备方法和装置

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Publication number: CN101818342A
Application number: CN200910263062A
Authority: CN
Inventors: 孙桂芳; 张永康; 钱晓明; 刘常升; 鲁金忠; 李鹏
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2029-12-15
Also published as: CN101818342B

Abstract

一种冶金热轧辊工作层材料的激光辅助直接金属沉积制造方法和装置，属于激光技术应用领域，其特征在于：采用类高速钢粉末和Co基合金复合粉末作为轧辊工作层材料，具体为：将类高速钢粉末或者将机械混合好的以Co基合金等作为基底材料并添加不同含量的增强、增韧微细颗粒的粉末放入送粉系统，在由工作台控制行程的的辊芯表面开始激光辅助同步送粉直接金属沉积制造轧辊工作层。沉积方法采用交错沉积方式。根据工作层厚度要求沉积相应的厚度。对于Co基合金添加硬质相的粉末中硬质相的含量采取逐层增加的方式，以得到梯度沉积层。本发明利用激光辅助金属直接沉积技术在特定的工艺条件下在廉价热轧辊芯部材料表面上制备出强韧化、高耐磨工作层。

Description

一种冶金热轧辊工作层的激光直接沉积制备方法和装置

技术领域

本发明属于激光技术应用领域，特别涉及一种冶金热轧辊工作层材料的激光直接金属沉积制造的方法和装置。

背景技术

为满足对热轧辊使用性能的要求，热轧辊材质的升级换代和制造技术的进步是提高其耐磨性、延长使用寿命的重要途径。热轧辊材质的发展经历了从冷硬铸铁到高Cr铸铁，从半高速钢、高速钢到硬质合金的质的飞跃。热轧辊的制造技术也从传统的锻造法和向复合铸造法发展。离心复合铸造、连续浇铸外层成形法、喷射沉积法、热等静压、电渣重熔、表面堆焊法等复合方法都受到国内外轧辊研究和制造部门的重视，并在提高使用寿命等方面取得实质性的进展。近年来在轧辊制造方面的专利也是局限于传统铸造方法的改进(一种离心铸造高速钢轧辊制造方法，专利号：03114582.5；碳化钨精轧辊制造工艺技术，申请号：89107615.8)和辊套与辊芯的装配方面(超硬合金复合轧辊及使用它的热轧钢方法，申请号：01802062.3)。在制造工艺及生产成本等方面仍然存在一定的不足和局限性。

为了提高工作层材料的利用率，降低轧辊报废造成的材料浪费，表面强化技术和再制造技术成为提高热轧辊使用寿命的重要手段。轧辊表面感应加热淬火、堆焊、热喷焊、激光淬火、激光熔凝、激光熔覆和激光合金化技术等都取得了比较显著的效果。但是上述技术处理的强化层比较薄(0.3～2mm)，对使用寿命的贡献有限。众所周知，轧辊有效工作层的厚度是影响产品成本的重要因素之一，工作层越薄，单位成本越高。反之，单位成本越低。因此，增加热轧辊的有效工作层厚度来延长其使用寿命是其表面强化的重要发展方向。

激光辅助直接金属沉积技术为制备具有一定厚度和性能的三维改性层或部件提供了可能。激光辅助直接金属沉积技术是一种综合了计算机辅助设计、激光涂覆和快速原型的新制造技术，是一种基于材料添加的制造工艺，可以实现沉积材料和基体的冶金结合。可在不加工(少加工)和无模具的情况下，从CAD设计的三维实体数据快速地制造出复杂的实体样件，具有原材料选择广泛、多余材料易于清理、应用范围宽、对环境影响小等优点，可以制造硬金属或者稀有金属组件，修复难熔和贵重组件等等。近年来，随着计算机和快速原型技术的快速发展，通过该方法制备各种功能涂层正成为表面技术领域的重要研究方向之一。密歇根大学用该方法沉积制备了H13工具钢零件；俄亥俄州立大学利用激光辅助近净形制造法制备出Ti-V和Ti-Mo成分梯度合金；国内西北工业大学用激光快速原型方法制备出Ti基合金-Rene88DT高温合金的梯度材料。迄今，未见有关应用激光辅助直接金属沉积技术制备热轧辊工作层的研究成果的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用激光辅助直接金属沉积方法制备冶金热轧辊工作层的方法和装置。它综合了冶金轧辊的制造技术和材质两个方面，旨在利用激光辅助金属直接沉积技术在特定的工艺条件下在廉价热轧辊芯部材料表面上制备出强韧化、高耐磨工作层。在制造技术方面，利用现有的激光辅助直接金属沉积技术自行发明了沉积设备并探索了沉积工艺；在材质方面，在现有高速钢和硬质合金轧辊成分的基础上，发明了新的性能优良的沉积层粉末。

激光辅助直接金属沉积技术是材料添加工艺，可以得到形状和尺寸较为精确的成形件，可以省去前后处理工序，节约材料，提高生产效率。由于可以增加沉积层数，故可得到所需厚度的沉积层。

在沉积层设计中，采用高速钢、Co基合金等作为基底材料并添加不同含量的增强、增韧微细颗粒来保证沉积层的高硬度和高耐磨性；通过添加稀土元素降低和抑制裂纹；通过成分设计和交错沉积方式，改变成分和微结构的梯度分布来调控沉积层的残余应力分布并实现其强韧化。

实施本发明方法的装置包括CO₂激光器及其控制系统、工作台、电机系统、送粉系统以及计算机编程系统。沉积粉末采用同轴同步送粉方式。其具体实施过程如下：

(1)用汽油、酒精等去油、去污溶剂去除辊芯表面油污和锈，然后用砂纸打磨其表面进一步去除污物。

(2)将类高速钢粉末或者将机械混合好的以Co基合金等作为基底材料并添加不同含量的增强、增韧微细颗粒的粉末放入送粉系统，在由工作台控制行程的的辊芯表面开始激光辅助同步送粉直接金属沉积制造轧辊工作层。沉积方法采用交错沉积方式。根据工作层厚度要求沉积相应的厚度。对于Co基合金添加硬质相的粉末中硬质相的含量采取逐层增加的方式，以得到梯度沉积层。

类高速钢粉末粒度为60～150μm，其组成按重量百分比为：(0.6％-1.5％)C、(4％-5％)Cr、(2％-5％)Mo、(1％-4％)V、(5％-15％)W、(4％-10％)Co、(0-3％)Nb、0.3％Si、0.4％Mn，余量为Fe。

其具体工艺参数如下：

激光功率为0.4～1kW

光斑直径为0.5～1.5mm

同层中前后道次搭接宽度为40％～60％

上下层间步长为0.2～0.3mm

扫描速度为0.4～0.8m/min。

Co基合金粉末粒度为60～150μm，WC粒度为100～180μm，添加的稀土元素(Ce或Y)的粒度为200～400μm。Co基合金粉末组成按重量百分比为26％Cr、11％Ni、8％W、0.5％C，余量为Co。Co基合金复合粉末整体组成按重量百分比为：(30％-60％)WC、(0.5％-1.5％)Ce或者Y，余量为Co基合金。

其具体工艺参数如下：

激光功率为0.6～1.3kW

光斑直径为0.5～1.5mm

同层中前后道次搭接宽度为40％～60％

上下层间步长为0.2～0.3mm

扫描速度为0.3～0.6m/min

下一层较前一层中粉末中WC的递增量为3％～6％。

(3)室温下冷却沉积层。

(4)机器打磨沉积层表面，或者对其进行微切削，使其达到工作辊的尺寸和精度要求。

本发明的优点是：

1.利用高功率CO₂激光器在本发明的实施装置中可以实现冶金热轧辊工作层的直接制造。相对于现在普遍使用的同轴送粉装置，该发明中的送粉装置由于在外侧增设了一个保护气体的通道，减少了粉末的飞散，使更多粉末汇聚于熔池，提高了粉末利用率及粉末的保护程度。

2.相对于传统轧辊制造工艺，如离心铸造等方法，激光辅助直接金属沉积技术制造轧辊工作层材料可以省去前后处理工序，节约材料，提高生产效率。由于可以增加沉积层数，故可得到所需厚度的沉积层，比激光表面合金化技术得到的合金化层在厚度上提高很多，可降低轧辊单位成本，延长其使用寿命。

3.在沉积层设计中，采用高速钢、Co基合金等作为基底材料并添加不同含量的增强、增韧微细颗粒以及稀土元素可以保证沉积层的高硬度和高耐磨性；成分设计和交错沉积方式可以改变成分和微结构的梯度分布，从而调控沉积层的残余应力分布并实现其强韧化。预期不仅可以强化轧辊工作层表面，亦可用于轧辊的修复和再制造，显著延长轧辊的使用寿命，降低生产成本，具有很好的应用前景。

附图说明

图1是激光辅助直接制造装置图。

图2是喷嘴的局部放大示意图

1终聚焦系统，2激光束，3保护气体接口，4粉末接口，5喷嘴，6轧辊，7CNC工作台，8电机，9夹具，10增设的保护气体通道。

图3是沉积方式示意图。

图4激光辅助金属直接沉积试样的组织与形貌

(a)沉积十层单壁墙横截面显微组织；(b)两层试样表面宏观形貌

具体实施方式

下面结合图1、图2和图3详细说明本发明装置、工艺和粉末的细节和工作情况。如图1和图2所示，激光束2通过终聚焦系统1后照射在轧辊6上。粉末输送采取同轴同步送粉方式，配置好的粉末经过机械混合均匀后通过送粉系统由送粉气体送入和激光出口同轴的粉末接口4，同时粉末运行过程中采取气体保护，保护气体通道接口为3。该装置在粉末流动腔外面增设了保护气体的另外一个通道10，其作用一是汇聚粉末于熔池，提高粉末利用率，二是增加反应过程中对粉末的保护程度。轧辊6的空间三维运动由CNC工作台7控制，沿轴向的转动由固定在数控机床上的由电机8带动的夹具9控制。

如图3所示，具体沉积方式为确定好初始沉积点后，开动CNC工作台7先沿轧辊轴向(X方向)沉积，沉积一个轧辊轴向长度后，CNC工作台7停止运动；通过电机8带动使轧辊旋转一定角度，使后续道次A_N和前面道次A_N-1进行搭接，然后CNC工作台7反方向运动；依次进行沉积；沉积完整个轧辊侧面后，CNC工作台7在高度方向下降一个沉积层厚度的距离，在结束点开始沿轧辊周长方向沉积。CNC工作台7先保持不动，电机8带动轧辊旋转，沉积一个轧辊周长后，电机8停止运动；开动CNC工作台7，使轧辊在轴向前进一定长度，使后续道次B_N与前面道次B_N-1同样进行相同搭接率的搭接，然后电机8带动轧辊转动；依次进行沉积。直至得到所需厚度的沉积层。

实施例一：类高速钢粉末

用汽油、酒精等去油、去污溶剂去除辊芯表面油污和锈，然后用砂纸打磨辊芯表面进一步去除污物，便于沉积层的沉积；然后将机械混合好的待沉积粉末装入送粉系统，调节保护气体、送粉气体流速以及粉末流量控制系统以得到所需的粉末流量；打开CO₂激光器，在辊芯表面进行粉末沉积。如图3所示，先沿轧辊轴向(X方向)沉积，后续道次A_N和前面道次A_N-1进行搭接，沉积完整个轧辊侧面后，在结束点开始沿轧辊周长方向沉积，后续道次B_N与前面道次B_N-1同样进行相同搭接率的搭接。具体工艺参数如下：激光功率0.8kW，光斑直径1mm，搭接宽度为0.5mm，扫描速度V＝0.5/min，上下层间步长为0.25mm。

类高速钢粉末组成为：1.2％C、4％Cr、2％Mo、4％V、8％W、8％Co、2％Nb、0.3％Si、0.4％Mn，Fe余量。

实施例二：Co基合金复合粉末

用汽油、酒精等去油、去污溶剂去除辊芯表面油污和锈，然后用砂纸打磨辊芯表面进一步去除污物，便于沉积层的沉积；然后将机械混合好的待沉积粉末装入送粉系统，调节保护气体、送粉气体流速以及粉末流量控制系统以得到所需的粉末流量；打开CO₂激光器，在辊芯表面进行粉末沉积。如图3所示，先沿轧辊轴向(X方向)沉积，后续道次A_N和前面道次A_N-1进行搭接，沉积完整个轧辊侧面后，在结束点开始沿轧辊周长方向沉积，后续道次B_N与前面道次B_N-1同样进行相同搭接率的搭接。具体工艺参数如下：激光功率1kW，光斑直径1mm，搭接宽度为0.5mm，扫描速度V＝0.4/min，上下层间步长为0.25mm。

Co基合金复合粉末组成为：30％WC、0.8％C，余量为Co基合金。后一层中WC含量较前一层中的递增量为5％。

图4(a)为沉积十层Co基合金+WC粉末的单壁墙的横截面图，可见其高度达到了3.25mm。图4(b)为利用交错沉积方式在平面基体上沉积的底面积为25mm×25mm两层试样表面宏观形貌，两层沉积层的厚度达到1.46mm。激光表面合金化强化和修复失效轧辊时，强化层厚度一般在0.3～0.5mm。可见，利用该技术可大幅度提高轧辊工作层厚度，再配合工作层高的耐磨性可大大延长轧辊寿命。

Claims

1.一种制造热轧辊工作层的方法，利用激光辅助直接金属沉积技术制造轧辊工作层，其特征在于：采用类高速钢粉末和Co基合金复合粉末作为轧辊工作层材料。

2.权利要求1所述的方法，其特征在于：类高速钢粉末的组成按重量百分比为：(0.6％-1.5％)C、(4％-5％)Cr、(2％-5％)Mo、(1％-4％)V、(5％-15％)W、(4％-10％)Co、(0-3％)Nb、0.3％Si、0.4％Mn，余量为Fe；其粉末的粒度为60～150μm。

3.权利要求1所述的方法，其特征在于：Co基合金复合粉末的组成按重量百分比为：(30％-60％)WC、(0.5％-1.5％)Ce或Y，余量为Co基合金；Co基合金的粒度为60～150μm，硬质相WC粒度为100～180μm，Ce或Y的粒度为200～400μm。

4.权利要求2所述的方法，其特征在于：当采用类高速钢粉末作为工作层材料时，激光辅助直接沉积的具体工艺参数为：激光功率为0.4～1kW，光斑直径为0.5～1.5mm，同层中前后道次搭接宽度为40％～60％，上下层间步长为0.2～0.3mm，扫描速度为0.4～0.8m/min。

5.权利要求3所述的方法，其特征在于：当采用Co基合金复合粉末作为工作层材料时，激光辅助直接沉积的具体工艺参数为：激光功率为0.6～1.3kW，光斑直径为0.5～1.5mm，同层中前后道次搭接宽度为40％～60％，上下层间步长为0.2～0.3mm，扫描速度为0.3～0.6m/min，下一层较前一层中粉末中WC的递增量为3％～6％。

6.权利要求1、2、3、4或5所述的方法，其特征在于：先沿轧辊轴向沉积，后续道次A_N和前面道次A_N-1进行搭接，沉积完整个轧辊侧面后，在结束点开始沿轧辊周长方向沉积，后续道次B_N与前面道次B_N-1同样进行相同搭接率的搭接。

7.一种实施权利要求1所述制造热轧辊工作层的方法的装置，包括依次相连的计算机控制装置、激光工作系统、送粉系统及工作台，其特征在于：在送粉系统的喷嘴结构的外侧增设了一个外层的保护气体通道(10)。