CN102677046A - 轧机牌坊激光熔覆专用复合合金材料 - Google Patents

Abstract

一种轧机牌坊激光熔覆专用复合合金材料，包括过渡层材料和功能层材料；过渡层材料：C0.03-0.08%，Cu22-25%，Cr1.0-3.0%，Fe0.5-1.5%，Si1.5-2.5%，B0.6-1.6%，Ce0.2-0.6%，其余为Ni；功能层材料：C1.2-1.6%，Si1.0-1.5%，Cr28-32%，W8.0-10.0%，Ni3.0-4.5%，Fe2.0-3.0%，Hf0.2-0.6%，其余为Co。这种复合合金材料是通过激光熔覆的加工方式，在失效的H型钢轧机铸铁牌坊工作面上，形成硬度较高、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、具有较高强度且熔覆性能优越的复合合金覆层。

Description

轧机牌坊激光熔覆专用复合合金材料

技术领域

本发明属于材料科学范畴，特别是一种H型钢轧机球磨铸铁牌坊激光熔覆专用的复合合金材料。

背景技术

H型钢轧机牌坊是冶金连轧线上的关键零部件，一般为球墨铸铁材质。连轧线中实现轧制功能的所有部件全部集中安装于一对牌坊间，它决定了整条连轧线的定位基准。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H型钢材的质量，给轧钢生产和企业效益带来很大经济损失。

对于失效的H型钢轧机牌坊，由于其材质是球墨铸铁的，无法用普通的焊接方法进行修复，厂家只能选择定期更换的方法。一套H型钢轧机牌坊单重约几吨，频繁更换牌坊既造成停产损失，又造成经济损失。

激光熔覆是一项新兴的高科技加工技术，作为一种先进的再制造技术，随着激光器功率和稳定性的不断提高，得到了迅速推广和广泛应用。激光熔覆是在金属表面获得与基体牢固冶金结合，且无气孔、裂纹等缺陷的高性能表面覆层的先进再制造技术，它可以将高熔点的合金材料熔覆在低熔点的基材表面，也可以在低成本基材上制备出高性能的表面涂层，以取代大量高级、高性能的整体材料，节约贵重金属，降低零部件成本。激光熔覆技术解决了振动焊、氩弧焊、喷涂、镀层等传统修理方法无法解决的材料选用局限性、工艺过程热应力、热变形、材料晶粒粗大、基体材料结合强度难以保证的矛盾。为产品再制造和失效零部件的修复提供了一种技术独特、先进有效的方法。

将激光熔覆这种先进的再制造技术，结合抗氧化耐腐蚀耐磨损钴基合金粉末，可以对失效的H型钢轧机球墨铸铁牌坊进行成功修复，使其恢复并提高使用功能。关键问题是寻求或提供激光熔覆所需要的合适的合金粉末材料，该粉末材料除具有所需的特殊性能外，还要适合大面积激光熔覆。目前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已很多，但国内尚无先例，国外也没有见到专用于球墨铸铁牌坊工作表面大面积激光再制造的合金材料的相关报道，国内外市场上目前还没有这种具有特殊属性和特殊性能的合金粉末商品。

发明内容

本发明是针对现有技术中的空缺，提供一种硬度较高、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、具有优越熔覆性能、适合大面积熔覆的H型钢轧机球墨铸铁牌坊激光熔覆专用复合合金材料。

实现上述发明目的采用以下技术方案：一种轧机牌坊激光熔覆专用复合合金材料，该复合合金材料包括过渡层材料和功能层材料；在进行激光熔覆过程中，在轧机牌坊工作面上先熔覆一层与球墨铸铁基材浸润良好的过渡层材料，再熔覆一层能够提高工作面表面耐蚀耐磨性的功能层材料，其中：

a、所述的过渡层材料中各化学成分及其重量百分比为：C0.03-0.08%，Cu22-25%，Cr1.0-3.0%，Fe0.5-1.5%，Si1.5-2.5%， B0.6-1.6%，Ce0.2-0.6%，其余为Ni；

b、所述的功能层材料中各化学成分及其重量百分比为：C1.2-1.6%， Si1.0-1.5%，Cr28-32%，W8.0-10.0%，Ni3.0-4.5%，Fe2.0-3.0%，Hf0.2-0.6%，其余为Co。

这种复合合金材料应用于球墨铸铁材质的轧机牌坊。

本发明所公开的这种复合合金材料是专用于H型钢轧机球墨铸铁牌坊激光熔覆。通过激光熔覆的加工方式，在失效的H型钢轧机铸铁牌坊工作面上，形成硬度较高、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、具有较高强度且熔覆性能优越的复合合金覆层，解决了失效球墨铸铁牌坊快速成功修复的技术难题，为冶金行业成功修复失效后的H型钢轧机球墨铸铁牌坊，并提高耐腐蚀耐磨损性能，提供了一种行之有效、经济适用的激光熔覆专用复合合金粉末材料和修复方法。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明所公开的这种轧机牌坊激光熔覆专用复合合金材料包括过渡层材料和功能层材料。在进行激光熔覆过程中，在轧机牌坊工作面上，利用激光熔覆技术，先熔覆一层与球墨铸铁基材浸润良好的过渡层材料作为过渡，再熔覆一层能够提高工作面表面耐蚀耐磨性的功能层材料，实现失效球墨铸铁轧机牌坊激光修复与再制造。这种复合合金材料应用于球墨铸铁材质的轧机牌坊。

a、过渡层材料中各化学成分及其重量百分比为：C0.03-0.08%，Cu22-25%，Cr1.0-3.0%，Fe0.5-1.5%，Si1.5-2.5%， B0.6-1.6%，Ce0.2-0.6%，其余为Ni。在NiCu合金基础上通过添加Fe、Cr、B、Si元素，降低合金熔点，形成自溶合金，强化合金基体并改善熔覆性能；添加微量稀土元素Ce进行基体晶粒细化和晶界强化，形成适合于球墨铸铁激光熔覆专用的打底过渡层粉末材料。

通过添加合金基体强化元素、晶粒细化和晶界强化元素，并调整元素的百分含量，使过渡层合金获得优越的综合性能，并适合和满足在球墨铸铁基材上实现良好熔覆。从而实现了合金在具有较高硬度和强度的同时，又降低了合金熔点。从根本上解决并提高了过渡材料的抗裂性、成型性、表面平整性、工艺稳定性和成分均匀性，进而完美实现了合金粉末在球墨铸铁基材上形成的熔覆过渡层。 

b、功能层材料中各化学成分及其重量百分比为：C1.2-1.6%， Si1.0-1.5%，Cr28-32%，W8.0-10.0%，Ni3.0-4.5%，Fe2.0-3.0%，Hf0.2-0.6%，其余为Co。在CoCrW合金基础上通过添加Ni、Fe、C、Si元素，形成自溶合金，进行合金基体强化并改善熔覆性能；添加微量稀土元素Hf进行基体晶粒细化和晶界强化，形成适合于激光熔覆的、具有优良耐蚀耐磨性能的功能层粉末材料。

通过添加合金基体强化元素、晶粒细化和晶界强化元素，并调整元素的百分含量，使功能层合金获得优越的综合性能，并适合在与球墨铸铁基材过渡后的打底层上实现良好熔覆。从而实现了合金在具有较高硬度和强度的同时，又降低了合金熔点。从根本上解决并提高了功能材料的抗裂性、成型性、表面平整性、工艺稳定性和成分均匀性，进而完美实现了合金粉末在球墨铸铁基材上形成的复合熔覆功能层。 

该复合合金材料中的过渡层材料和功能层材料均经真空熔炼、真空雾化、筛选，其筛选粒度是-100+270目。因此，过渡层合金材料和功能层合金材料分别为合金粉末。本发明H型钢轧机球墨铸铁牌坊激光熔覆专用复合材料中的镍基和钴基合金粉末，在实际操作中可以采用5000W CO₂ 激光器，结合加工机床，在牌坊工作面表面进行激光熔覆。熔覆基本工艺参数是：功率：3800-4400W，焦距：280-320mm，光斑直径：3.0-4.0mm，扫描速度：480-600mm/min，置粉厚度：0.8-1.2mm，搭接率：30-50%。

本发明的优点还在于：

（1）H型钢轧机球墨铸铁牌坊激光熔覆专用复合材料中的镍基合金，是在NiCu合金基础上通过添加合金基体强化元素、晶粒细化和晶界强化元素，并调整各元素的重量百分比。以多种强化手段，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，形成适合于球墨铸铁激光熔覆专用的打底层粉末材料；

（2）H型钢轧机球墨铸铁牌坊激光熔覆专用复合材料中的钴基合金，是在钴铬钨合金基础上，通过添加合金基体强化元素、晶粒细化和晶界强化元素，并调整各元素的重量百分比。以多种强化手段，强化合金基体，又改进了熔覆层质量，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，形成适合于球墨铸铁激光熔覆专用的功能层粉末材料；

（3）该复合粉末材料适用于H型钢轧机球墨铸铁牌坊大面积失效工作面的激光熔覆。通过熔覆该复合合金材料，使H型钢轧机球墨铸铁牌坊不仅恢复了使用，而且提高了抗氧化、耐腐蚀、耐磨损性能。有效解决了失效的H型钢轧机球墨铸铁牌坊的修复难题，减少了更换次数，为冶金轧钢行业成功修复失效后的球墨铸铁牌坊，提供了一种行之有效、经济适用的便捷方法和激光熔覆球墨铸铁的复合合金粉末材料，激光应用市场广阔，经济效益和社会效益显著。

实施例：用熔覆性能稳定的国产5000W CO₂ 激光器和实际设计生产的球墨铸铁激光熔覆专用的复合合金粉末材料，对国内某钢铁公司失效的H型钢轧机球墨铸铁牌坊工作面进行激光熔覆修复。安装使用后效果良好，耐磨耐蚀性能大幅提高，延长了牌坊更换周期，获得用户的赞誉。

设计的打底层镍基合金元素的重量百分数是：

C: 0.04%;  Si：1.8%； B: 0.9%;  Cu: 22.8%；Cr: 1.6%； Fe: 0.6%;  Ce：0.3%； Ni:余量。

设计的功能层钴基合金元素的重量百分数是：

C: 1.2%;  Si：1.2%； Cr: 30%；W: 8.5%;  Ni: 3.4%；Fe: 2.2%; Hf：0.2%；Co:余量。

其熔覆工艺参数是：功率：4000W，焦距：300mm，光斑直径： 3.5mm，扫描速度：480mm/min，置粉厚度：0.8mm，搭接率：35%。

Claims (2)

1. 一种轧机牌坊激光熔覆专用复合合金材料，其特征在于，该复合合金材料包括过渡层材料和功能层材料；在进行激光熔覆过程中，在轧机牌坊工作面上先熔覆一层与球墨铸铁基材浸润良好的过渡层材料，再熔覆一层能够提高工作面表面耐蚀耐磨性的功能层材料，其中：

a、所述的过渡层材料中各化学成分及其重量百分比为：C0.03-0.08%，Cu22-25%，Cr1.0-3.0%，Fe0.5-1.5%，Si1.5-2.5%， B0.6-1.6%，Ce0.2-0.6%，其余为Ni；

b、所述的功能层材料中各化学成分及其重量百分比为：C1.2-1.6%， Si1.0-1.5%，Cr28-32%，W8.0-10.0%，Ni3.0-4.5%，Fe2.0-3.0%，Hf0.2-0.6%，其余为Co。

2.根据权利要求1所述的轧机牌坊激光熔覆专用复合合金材料，其特征在于，所述的复合合金材料应用于球墨铸铁材质的轧机牌坊。