CN102220522B - 一种轧机牌坊激光再制造专用钴基合金粉末 - Google Patents
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Abstract
一种轧机牌坊激光再制造专用钴基合金粉末，其特点是专用钴基合金粉末的各组分质量百分数 为：C:0.8～1.4%;Cr:26～32%；W:3～6%；Mo:0.6～1.4%;Ni：1.2～1.8%；Mn：0.2～0.6%；Si：0.8～2.4%；Fe:1.2～4.8%;B:0.4～1.6%;Ce：0.2～0.6%； Hf ：0.2 ～ 0.6% ；Co:余量。本发明适用于 轧机牌坊大面积失效工作面的 激光熔覆，通过熔覆该合金粉末材料，使 轧机牌坊 不仅恢复了使用，而且提高了 抗氧化、耐腐蚀、 耐冲刷磨损。有效解决了失效的 轧机牌坊在线 修复难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光熔覆用的合金粉末,特别是涉及一种硬度较高、抗氧化、耐腐蚀、耐冲刷磨损、具有优越熔覆性能、适合大面积熔覆的轧机牌坊激光再制造专用钴基合金粉末。
背景技术
轧机牌坊也称为轧机机架，是一种典型的框架结构，主要由截面厚大的两立柱及上、下横梁组成。它是轧机中最关键的零部件之一,为一个整体框架，并且永久使用，无法更换的。轧机中实现轧制功能的所有部件全部集中安装于牌坊上，因此它是轧机中承受轧制力的部件，在轧机中起到支撑和固定作用，一般都要承受上千吨的载荷，而且除了无头轧制以外，在咬钢时还要承受巨大的冲击载荷。
在钢铁生产过程中，热轧机械设备的工况十分恶劣。特别是轧制过程中，轧辊通过轴承座对牌坊的冲击力特别大。加上轧制冷却水的迅速雾化，并夹带着从辊坯表面脱落的氧化铁粉末向四周喷射。使轧机牌坊工作面同时受到轧制的冲击、冷却水的腐蚀和氧化粉尘的磨粒冲刷磨损，造成牌坊工作面腐蚀、磨损严重。使牌坊与衬板不能完全贴合，引起牌坊螺栓连接局部应力集中，螺丝孔易产生裂纹，进而导致牌坊严重失效而报废。另外发生失效的牌坊严重影响轧制钢材的质量，给轧钢生产和企业效益带来很大经济损失。
对于失效的轧机牌坊，厂家通常采用在线机械加工的方式、金属修补液进行修复、电弧堆焊修复方法。其中，在线机械加工的方式对其进行修复是通过机械加工去除材料，清除牌坊表面受损层找平接触面，扩大的尺寸通过增加衬板厚度来补偿。这种修复方式操作简单方便，但并未改变牌坊面的性质，使用一段时间后牌坊表面又会受到腐蚀磨损而失效，而且再次(多次)机械加工将会对牌坊的强度和刚度产生不利影响。金属修补液进行修复也是比较常用的修复方式，此种方法操作简单方便，可对牌坊局部受损处进行修补，但由于修补液与基体并没有形成冶金连接，其结合强度不高，牌坊工作时承受较大的冲击会造成修补金属的剥落。电弧堆焊修复方法一方面能恢复机加工后去除材料扩大的尺寸，并可通过堆焊一层防腐耐磨材料从而改变牌坊表面的性质。但由于该方法的热影响区大，进行大面积的电弧堆焊可能会造成牌坊结构的变形。
目前，对于失效的轧机牌坊最有效、最经济的修复方法是采用激光熔覆技术结合耐磨损耐腐蚀粉末的方法。例如，本申请人的在先发明专利申请《一种轧机牌坊的现场激光修复方法》，它有效地避免了其它修复方法所带来的局限性和风险，有效地提升了牌坊工作表面的耐蚀耐磨性能，周期短，效率高，使用寿命提高显著。
目前，利用激光熔覆工艺制备设备部件耐磨合金覆层的专利很多： 公开号为CN1786272的中国发明专利申请给出的《激光熔覆镍基纳米WC/Co预涂层的制备方法》，该制备方法包括下列步骤：①按每克重的虫胶与10～20克重的无水乙醇称量虫胶和无水乙醇，然后将所述的虫胶加入无水乙醇中制成粘结剂；②根据需要按每克镍基纳米WC/Co粉末与0.1毫升～0.25毫升的粘结剂的比例，称量镍基纳米WC/Co粉末和所述的粘结剂并混合，充分搅拌均匀制成预涂胶；③将上述预涂胶均匀地涂在待激光熔覆处理的工件表面，制成预涂层；④烘干。采用自制的粘结剂制备镍基纳米WC/Co预涂层，然后再采用激光熔覆工艺，制备出了表面较平整，较细密、基本消除了裂纹与孔隙并与基体呈冶金结合的镍基纳米WC/Co复合涂层。
公开号为CN101338427的中国发明专利申请给出的《液压支架立柱缸筒、活塞杆耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺》，包括以下工艺过程：首先立柱缸筒、活塞杆表面预处理：室温下对立柱缸筒、活塞杆表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净；然后合金粉末的选择和自动送粉装置的调节：选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末，铁基合金粉末的成份中主要含有Fe、C、Cr、Ni、Mo、Si、N、Nb、Ta、B；最后自动送粉装置的调节：调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.6-1.2mm。
公开号为CN101338425的中国发明专利申请给出的《铁路道岔滑床板表面耐磨抗蚀合金涂层激光熔覆工艺》，包括以下工艺过程：首先滑床板表面预处理，即在室温下对滑床板表面进行除油除锈，并用酒精清洗干净；然后是合金粉末的预置，即把待熔覆的铁基、镍基或钴基合金粉末预置于上述处理后的滑床板表面，并用带有导轨的刮尺来调整预制合金粉末，使之均匀分布在滑床板表面并具有适当的厚度，以满足熔覆后涂层厚度的要求；最后是光熔覆强化滑床板，选用气体CO
2
激光器，工作台为数控机床，在滑床板表面进行激光熔覆强化。
现有技术给出的上述技术方案虽能利用激光熔覆工艺及相匹配的合金粉末材料对部分设备部件进行耐磨覆层处理，取得一定的技术效果。但对其他特定的设备部件，例如像轧机牌坊这样的特定结构，现有激光熔覆工艺及相匹配的合金粉末材料已明显不能适应与时俱进的发展需要。
将激光熔覆这种先进的再制造技术，结合耐氧化腐蚀耐磨损钴基合金粉末，对失效的轧机牌坊进行成功修复，使其恢复并提高使用功能。最关键问题是寻求或提供激光熔覆所需要的更加合适的合金粉末材料，该粉末材料除具有特殊性能外，还要适合大面积激光熔覆。虽然关于利用激光熔覆或激光再制造工艺进行设备零部件修复的专利和报道很多，本申请人也曾提出过这方面的发明专利申请，但经本申请人检索查证：国内外没有见到有专用于轧机牌坊工作表面大面积激光再制造的钴基合金粉末材料的相关报道，特别是国内外市场上目前还没有公开出售过这种具有特殊属性和特殊性能的合金粉末商品。
因此，选择更加适当的专用于轧机牌坊工作表面大面积激光再制造的钴基合金粉末材料，使轧机牌坊的工作性能满足复杂工况的使用需要，是所属领域技术人员亟待解决的课题。
发明内容
本发明的目的就是提供一种硬度较高、抗氧化、耐腐蚀、耐冲刷磨损、具有优越熔覆性能、适合轧机牌坊这一特定零部件表面大面积激光再制造的专用钴基合金粉末。本发明是在传统的钴铬钨高温合金基础上，通过添加Ni、B、Si等元素，形成自熔合金，进行合金基体强化并改善熔覆性能。添加微量稀土元素Ce、Hf进行基体晶粒细化和晶界强化，形成适合于激光熔覆专用的粉末材料。通过激光熔覆的加工方式，在轧钢现场将其熔覆在失效的轧机牌坊工作面上，形成硬度较高、抗氧化、耐腐蚀、耐冲刷磨损、具有较高强度且熔覆性能优越的钴基合金覆层。解决了失效轧机牌坊现场快速成功修复的技术难题，为冶金行业成功修复失效后的轧机牌坊，并增加耐腐蚀耐冲刷磨损性能，提供了一种行之有效、经济适用的激光熔覆专用材料和修复方法。
本发明给出的技术方案是：这种轧机牌坊激光再制造专用钴基合金粉末，其特点是所述专用钴基合金粉末的各组分质量百分数为：C: 0.8～1.4%; Cr: 26～32%； W: 3～6%； Mo: 0.6～1.4%; Ni：1.2～1.8%；Mn：0.2～0.6%；Si：0.8～2.4%；Fe: 1.2～4.8%; B:0.4～1.6%; Ce：0.2～0.6%；Hf：0.2～0.6%；Co:余量。
为更好的实现本发明的目的，较好的专用钴基合金粉末的各组分质量百分数为：C:0.9%; Cr:28%；W:3.8%；Mo:1.0%;Ni: 1.3%；Mn：0.3%；Si：1.2%； Fe：2.0%；B: 0.8%; Ce：0.2%; Hf：0.3%；Co:余量。
为更好的实现本发明的目的，较好的专用钴基合金粉末的各组分质量百分数为：C:0.9%; Cr:29%；W:4.5%；Mo:1.2%;Ni: 1.5%； Mn：0.4%；Si：1.6%； Fe：2.5%；B:1.0%;Ce：0.4%;Hf：0.4%；Co:余量。
为更好的实现本发明的目的，较好的专用钴基合金粉末的各组分质量百分数为：C:1.1%; Cr:30.5%；W:4.6%；Mo:1.4%;Ni:1.6%；Mn：0.45%；Si：2.0%； Fe：3.0%；B:1.2%;Ce：0.3%;Hf：0.3%；Co:余量。
本发明通过添加合金基体强化元素、晶粒细化晶界强化元素，并做了大量实验调整各组成元素的百分比含量，使专用钴基合金粉末获得优越的综合性能。从而实现了专用钴基合金粉末在具有较高硬度和强度的同时，又降低了合金熔点，增加了抗氧化、耐腐蚀和耐冲刷磨损性能。从根本上解决并提高了合金粉末在熔覆层中的抗裂性、成型性、表面平整性、工艺稳定性和成分均匀性，满足了轧机牌坊对熔覆层耐高温、耐腐蚀、耐冲刷磨损和较高强度硬度等的综合性能要求，以及激光再制造后牌坊工作表面平整、不需机加的要求。
本发明给出的轧机牌坊激光熔覆专用钴基合金粉末材料是通过真空熔炼、气雾化、筛选等工序精心制备的，粒度是－100+270目。
本发明给出的轧机牌坊激光熔覆专用钴基合金粉末，在实际熔覆操作中可以采用1000～2500W全固态固体激光器，结合五轴联动的机器人加工机，在轧钢现场进行。在失效的轧机牌坊工作表面上熔覆所述粉末材料的激光工艺参数是：功率：1000～2500W，焦距：100～140mm，光斑直径：1.0～1.8mm，扫描速度：480～600mm/min，置粉厚度：0.2～0.6mm，搭接率：30～50%。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本发明的轧机牌坊激光熔覆专用钴基合金粉末是在钴铬钨合金基础上，添加合金基体强化元素、晶粒细化和晶界强化元素，并调整各元素的百分比含量。通过多种强化手段，强化合金基体，又改进了晶界质量，使合金获得良好的综合性能。从而实现了合金在具有较高硬度和较高强度的同时，又降低了合金熔点，增加了抗氧化、耐腐蚀、耐冲刷磨损性能，从根本上解决并提高了合金粉末在激光熔覆层中的抗裂性、成型性、工艺稳定性和成分均匀性。
2.该粉末材料适用于轧机牌坊（材质是普通铸钢）大面积失效工作面的激光熔覆，通过熔覆该合金粉末材料，使轧机牌坊不仅恢复了使用，而且提高了抗氧化、耐腐蚀、耐冲刷磨损。有效解决了失效的轧机牌坊在线修复难题，为冶金轧钢行业成功修复失效后的轧机牌坊提供了一种行之有效、经济适用的便捷方法，经济效益和社会效益显著。
3. 大量实验数据表明，用本发明钴基合金粉末进行了激光再制造，效果良好，经在线实际检验，牌坊工作表面耐磨性能提高5倍，耐腐蚀性能提高20倍，保证牌坊正常使用十年内不会由于表面磨损腐蚀而停产进行机加或大修更换。
具体实施方式
实施例1。
用熔覆性能稳定的1000W 全固态固体激光器，对国内某钢铁公司失效的轧机牌坊进行激光熔覆。设计的钴基合金粉末合金元素的质量百分数是：C:0.9%; Cr:28%；W:3.8%；Mo:1.0%;Ni: 1.3%；Mn：0.3%；Si：1.2%；Fe：2.0%；B: 0.8%;Ce：0.2%;Hf：0.3%；Co:余量。
其熔覆工艺参数是：功率：1000W，焦距：110mm，光斑直径： 1.2mm，扫描速度：480mm/min，置粉厚度：0.4mm，搭接率：35%。
实施例2。
用熔覆性能稳定的2000W 全固态固体激光器，对失效的轧机牌坊进行激光熔覆。设计的钴基合金粉末合金元素的质量百分数是：C:0.9%; Cr:29%；W:4.5%；Mo:1.2%;Ni:1.5%；Mn：0.4%；Si：1.6%；Fe：2.5%；B:1.0%;Ce：0.4%;Hf：0.4%；Co:余量。
其熔覆工艺参数是：功率：2000W，焦距：120mm，光斑直径：1.2mm，扫描速度：520mm/min，置粉厚度：0.5mm，搭接率：40%。
实施例3。
用熔覆性能稳定的2500W 全固态固体激光器，对失效的轧机牌坊进行激光熔覆。设计的钴基合金粉末合金元素的质量百分数是：C:1.1%; Cr:30.5%；W:4.6%；Mo:1.4%;Ni:1.6%；Mn：0.45%；Si：2.0%；Fe：3.0%；B:1.2%;Ce：0.3%;Hf：0.3%；Co:余量。
其熔覆工艺参数是：功率：2500W，焦距：130mm，光斑直径：1.2mm，扫描速度：560mm/min，置粉厚度：0.5mm，搭接率：40%。
Claims (1)
1.一种轧机牌坊激光再制造专用钴基合金粉末，用于普通铸钢材质的轧机牌坊，其特征在于所述专用钴基合金粉末的各组分质量百分数为：
C:0.9%; Cr:28%；W:3.8%；Mo:1.0%;Ni: 1.3%；Mn：0.3%；
Si：1.2%；Fe：2.0%；B: 0.8%;Ce：0.2%;Hf：0.3%；Co:余量；或
C:0.9%; Cr:29%；W:4.5%；Mo:1.2%; Ni:1.5%；Mn：0.4%；
Si：1.6%；Fe：2.5%；B:1.0%;Ce：0.4%;Hf：0.4%；Co:余量；或
C:1.1%; Cr:30.5%；W:4.6%；Mo:1.4%;Ni:1.6%；Mn：0.45%；Si：2.0%；Fe：3.0%；B:1.2%;Ce：0.3%;Hf：0.3%；Co:余量。
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