CN102453897A

CN102453897A - 制造棒线材热轧辊碳化钨硬质合金耐磨涂层的方法

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Publication number: CN102453897A
Application number: CN201010518694XA
Authority: CN
Inventors: 陶兴启; 陈海涛; 崔忠宝
Original assignee: SHENYANG DALU LASER SYSTEM CO Ltd
Current assignee: SHENYANG DALU LASER SYSTEM CO Ltd
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2030-10-26
Also published as: CN102453897B

Abstract

制造棒线材热轧辊碳化钨硬质合金耐磨涂层 的方法，在普通的轧辊基体上，采用激光熔覆的工艺手段，使基体表面形成0.1-1mm左右的镍基合金为粘接相的碳化钨硬质合金涂层，其工艺过程：先进行碳化钨硬质合金激光熔覆材料的配制；再 工作层机械加工及表面清理 ，然后激光熔覆加工使棒线材热轧辊表面形成碳化钨硬质合金涂层。本发明大幅延长辊役，实现资源效益最大化，具有生产率高、能耗低、熔覆层加工余量小、成品率高以及综合成本低等特点。

Description

制造棒线材热轧辊碳化钨硬质合金耐磨涂层的方法

技术领域

本发明涉及一种冶金设备部件表面制备耐磨、抗热涂层的方法,特别是涉及一种采用激光熔覆技术在棒线材热轧辊表面制备碳化钨硬质合金涂层的方法，属于激光熔覆技术领域。

背景技术

2009年以来国家陆续投入4万亿元资金加强铁路交通建设、城镇基础建设、能源开发建设、水利工程建设、房地产开发以及各种惠农政策等项目的实施。2009年棒材和钢筋的产量为17715万吨，线材产量为9586万吨。具不完全统计全国大约有500多套棒线材轧机生产线，09年全国又掀起了兴建高速线材、热轧带肋钢筋及棒材的新一轮高潮，估计目前我国棒材轧机和线材轧机生产线的总数将超过600套，产能近3亿吨，而冶金轧辊是棒线材轧钢生产线重要的关键消耗部件，轧辊的性能和使用寿命不仅决定了轧辊消耗，而且决定了轧钢生产产量和效率、能源消耗及产品质量，决定轧辊使用寿命的主要性能为轧辊强度和表面高温耐磨性。

理想的轧辊应同时具备高强度和高耐磨性，近百年来轧辊制造技术的发展主要是从冶炼、制造工艺、材质改进及热处理方面来调和轧辊强度与耐磨性的基本矛盾。在无法有效剥离上述基本矛盾的前提下，传统的材料及工艺技术的开发必然会带来轧辊制造成本的大幅上升。如想使轧辊兼备高强度和高耐磨性，制造过程中需添加大量贵重、稀有的镍、钼、钨等合金材料，造成难以承受的高成本，同时，轧辊的功能层仅几至几十毫米，而整体高合金的添加也造成稀缺资源的严重浪费。

因此，选择适当的在棒线材热轧辊表面制备碳化钨硬质合金涂层的工艺，使棒线材热轧辊表面碳化钨硬质合金涂层与基体结合强度高、耐磨性能好、合金涂层的厚度均匀，是所属领域当前亟待解决的课题。

激光熔覆技术作为一种先进的再制造技术，近年来得到了迅速推广和广泛应用。

激光熔覆技术是利用高能量密度（10 ³ ～10 ⁹ W/cm ² ）的激光束，使材料表面成分、组织结构和性能实现预期变化的技术。以不同的填料方式在被涂覆表面预先放置选择的涂层材料，经激光照射使之和基体表面一薄层同时熔化，并且快速凝固后形成稀释度极低的、与基体材料形成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料的表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化的一种工艺。

激光熔覆主要有以下优点：（1）激光能量密度高，作用时间短，基体材料的热影响区和由于加工应力而产生的变形小；（2）熔覆层结构细密，微观缺陷小，结合性高，性能优异；（3）激光熔覆对环境的污染小；（4）涂层与基体界面为冶金结合，组织细小，熔覆层成分及稀释率可控，易实现选区熔覆，易实现自动化制备。

目前，关于利用激光熔覆工艺制备设备部件耐磨合金涂层的专利和报道很多：例如，公开号为CN 1932082的中国发明专利申请给出的《在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺》，其特点在于利用高功率激光器,通过激光快速扫描在结晶器铜板表面熔覆与基体成冶金结合的良好的韧性打底过渡层,并通过激光宽带熔覆在打底合金表面制备耐磨及抗热性能优良的钴基合金。

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。

公开号为CN101338428的中国发明专利申请给出的《镐形截齿齿体头部激光熔覆耐磨涂层强化工艺》，包括以下工艺过程：首先是截齿齿体头部表面预处理；然后是合金粉末的选择和自动送粉装置的调整；最后是截齿头部激光熔覆耐磨合金涂层。

公开号为CN101109026的中国发明专利申请给出的《一种高炉风口套表面耐磨抗热复合涂层的激光熔焊方法》，其特征在于利用高功率激光器,通过激光快速扫描在高炉风口套表面激光熔焊与基体成冶金结合的良好的镍基韧性过渡层,并通过激光宽带熔覆在镍基过渡层表面制备耐磨及抗热性能优良的钴基合金,其工艺过程如下：(1)高炉风口套表面预处理，在室温下采用200～300G/L的H2SO4与100～120G/L的HCL的混合液对高炉风口套表面进行除油去锈处理；(2)等离子喷涂预沉积镍基打底合金，喷涂前先将样品用丙酮清洗，然后进行喷砂粗化处理,喷涂时采用氢气做助燃气,氩气做保护气，先将喷枪火苗提高，对样品进行50-100℃预热，然后在电压55V，电流500A条件下进行等离子喷涂，预沉积打底合金涂层厚度为0.3～0.4MM；(3)高功率激光器快速熔焊镍基打底合金，选用DL-HL-T10000型CO2激光器，工作台为SIEMENS数控机床，用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式(低阶模)，获得稳定的等离子体弧状态，对喷涂后的高炉风口基材进行400-500℃预热，然后进行激光熔焊，具体工艺参数如下：聚焦镜F=150，熔焊功率P=6000W，光斑直径D=1.8MM，扫描速度V=4-10M/MIN，搭接率40-60%；(4)高功率激光器宽带熔覆钴基合金，采取同步送粉方式喂入合金粉末，采用宽带熔覆方法在镍基打底合金涂层表面激光熔覆钴基合金，其参数为：熔覆功率P=3000W，矩形光斑20×1MM2，扫描速度V=4-10M/MIN，搭接率40-60%；(5)后续热处理，激光宽带熔覆钴基合金后要慢速缓冷，在热处理炉中对工件进行300℃去应力退火6个小时。

现有技术给出的上述技术方案虽能利用激光熔覆工艺对部分设备部件进行耐磨涂层处理，取得一定的技术效果。但对其他特定的设备部件，例如像棒线材热轧辊这样特定的设备部件，现有激光熔覆工艺所提供的工艺参数已明显不能适应。

经本申请人检索查证：采用激光熔覆工艺在棒线材热轧辊表面制备碳化钨硬质合金涂层，国内尚无先例，国外也没有见到相关报道。因此，寻找出适当的采用激光熔覆在棒线材热轧辊表面制备碳化钨硬质合金涂层的工艺参数，仍需所属领域的技术人员进一步作出创造性的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术对在棒线材热轧辊表面制备碳化钨硬质合金涂层处理难的课题，利用激光熔覆技术的优异性能，解决棒线材轧辊在制造使用过程中强度与耐磨性的矛盾，给出了一种新的在棒线材热轧辊表面制备碳化钨硬质合金涂层的方法。本发明在普通的轧辊基体上，采用激光熔覆的工艺手段，使基体表面形成0.1-1mm左右的镍基合金为粘接相的碳化钨硬质合金涂层，从而提高轧辊使用寿命数倍以上。

本发明给出的技术方案是：这种制造棒线材热轧辊碳化钨硬质合金耐磨涂层的方法，其特点是工艺过程如下：1、碳化钨硬质合金激光熔覆材料的配制。

A、镍基合金为粘接相的化学成分，其各组分按重量百分数计为：碳0.08-0.2%、硅2.5-3.5%、硼1.5-2.5%、铬2-6%、铁2-6%、其余为镍。

B、碳化钨特征：球状铸造碳化钨，粒度45-60um。

C、粉末比例：球状铸造碳化钨重量百分数为30%--80%;镍基合金为粘接相重量百分数为20%--70%。

按上述材料及配比范围在电子天平上进行配制，并在混粉器进行混合4小时以上。

2、工作层机械加工及表面清理。

机械加工预留出激光熔覆所需的工作层厚度，对棒线材热轧辊表面的油污和锈层进行清理，以保证涂层与基体结合强度。

3、激光熔覆加工。

1）合金粉末的选择和自动送粉装置的调整：根据轧辊的工况，选用合适比例粘接相、球状铸造碳化钨粉末，调节自动送粉装置送粉速率，以满足涂层厚度所需送粉速率。

2）激光熔覆工艺参数。

圆形光斑熔覆：聚焦镜f = 100～400，熔覆功率P=3000～5000W，光斑直径D=3～6mm，熔覆扫描速度V=200～1000mm/min，搭接率45～55%。

矩形光斑激光宽带熔覆：熔覆功率P=3000～5000W，矩形光斑长×宽=3.5mm×（1～2）mm，熔覆扫描速度V=100～800mm /min，搭接率45～55%。

本发明自行配制的合金粉末由于镍基合金为粘接相与球状铸造碳化钨具高的较高浸润性及材料热物性的差异协调性，因而有优艺的抗热疲劳性和抗热磨损性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在普通的棒线材热轧辊上，通过采用激光熔覆的工艺手段，在棒线材热轧辊表面制造0.1--1mm的碳化钨硬质合金耐磨涂层，可大幅延长辊役，实现资源效益最大化，另外激光熔覆工艺对环境无污染、无辐射、低噪声，还具有生产率高、能耗低、成品率高以及综合成本低等特点。

具体实施方式

实施例1。

激光熔覆制造棒线材热轧辊碳化钨硬质合金耐磨涂层工艺，包括以下过程：1、碳化钨硬质合金激光熔覆材料的配制。

A、镍基合金为粘接相的化学成分，其各组分按重量百分数计为：碳0.2%硅3.5%硼2.5%铬6%铁6%其余为镍。

B、碳化钨特征：球状铸造碳化钨。

C、粉末比例：球状铸造碳化钨重量百数为80%;镍基合金为粘接相重量百数为20%。

按上述材料及配比在电子天平上进行配制，并在专用混粉器进行混合4小时以上。

棒线材轧辊基体材料为中镍铬钼无限冷硬合金铸铁轧辊。

2、工作层机械加工及表面清理。

机械加工的目的是为了预留激光熔覆所需的工作层厚度，表面清理是保证涂层与基体结合强度的重要工序，油污等用溶剂或清洗剂清除，对锈层可用打磨或喷砂清除。

3、激光熔覆加工。

1）合金粉末的选择和自动送粉装置的调整：根据轧辊的工况，选用上述比例的粘接相、球状铸造碳化钨粉末，调节自动送粉装置送粉速率，以满足涂层厚度所需送粉速率。

2）激光熔覆工艺参数：聚焦镜f = 400，熔覆功率P=4000W，光斑直径D=4mm，熔覆扫描速度V=1000mm/min，搭接率50%。

实施例2。

激光熔覆制造棒线材热轧辊碳化钨硬质合金耐磨涂层工艺，包括以下过程：1.碳化钨硬质合金激光熔覆材料的配制。

A、镍基合金为粘接相的化学成分，其各组分按重量百分数计为：碳0.1%硅2.5%硼1.5%铬2%铁2%其余为镍。

B、碳化钨特征：球状铸造碳化钨。

C、粉末比例：球状铸造碳化钨重量百数为60%;镍基合金为粘接相重量百数为40%。

棒线材轧辊基体材料为铸钢轧辊。

2、工作层机械加工及表面清理。

3、激光熔覆加工。

1）合金粉末的选择和自动送粉装置的调整：根据轧辊的工况，选用上述比例粘接相、球状铸造碳化钨粉末，调节自动送粉装置送粉速率，以满足涂层厚度所需送粉速率。

2）激光熔覆工艺参数：熔覆功率P=10000W，矩形光斑长×宽=3.5mm×1mm，熔覆扫描速度V=600mm /min，搭接率40%。

Claims

1.一种制造棒线材热轧辊碳化钨硬质合金耐磨涂层的方法，其特征在于工艺过程如下：

（1）碳化钨硬质合金激光熔覆材料的配制

A、镍基合金为粘接相的化学成分：

碳0.08-0.2% 、硅2.5-3.5% 、硼1.5-2.5%、

铬2-6%、铁2-6% 、其余为镍，

B、碳化钨特征

球状铸造碳化钨，粒度45-60um ，

C、粉末比例

球状铸造碳化钨重量百数为30%--80%;镍基合金为粘接相重量百数为20%--70%.，

按上述材料及配比范围在电子天平上进行配制，并在混粉器进行混合4小时以上；

（2）工作层机械加工及表面清理

机械加工预留出激光熔覆所需的工作层厚度，对棒线材热轧辊表面的油污和锈层进行清理，以保证涂层与基体结合强度；

（3）激光熔覆加工

1）合金粉末的选择和自动送粉装置的调整

根据轧辊的工况，选用合适比例粘接相、球状铸造碳化钨粉末，调节自动送粉装置送粉速率，以满足涂层厚度所需送粉速率；

2）激光熔覆工艺参数

圆形光斑熔覆：

聚焦镜f = 100～400，

熔覆功率P=3000～5000W，

光斑直径D=3～6mm，

熔覆扫描速度V=200～1000mm/min，

搭接率45～55%；

矩形光斑激光宽带熔覆：

熔覆功率P=3000～5000W，

矩形光斑长×宽=3.5mm×（1～2）mm，

熔覆扫描速度V=100～800mm /min，

搭接率45～55%。

2.根据权利要求1所述的制造棒线材热轧辊碳化钨硬质合金耐磨涂层的方法，其特征在于较好的镍基合金的化学成分按重量百分数计为：碳0.2% ，硅3.5% ，硼2.5% ，铬6% ，铁6% ，其余为镍。

3.根据权利要求1所述的制造棒线材热轧辊碳化钨硬质合金耐磨涂层的方法，其特征在于较好的镍基合金的化学成分按重量百分数计为：碳0.1%，硅2.5% ，硼1.5% ，铬2% ，铁2% ，其余为镍。