CN103589932B - 低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末及合金化处理工艺 - Google Patents

低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末及合金化处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末及合金化处理工艺，其中合金粉末包括：WC、TiC、Ni、Cr、Co、Si、Mo、Y2O3粉末组成。本发明还提供了一种合金粉末化处理工艺，该工艺包括将待处理轧辊表面打磨除锈、用有机溶剂去除表面油污，将前述合金粉末与清漆乙醇溶液混合，将所得的混合液均匀喷涂在轧辊待处理工作面，风干后采用激光对轧辊表面进行扫描，使合金粉末和轧辊表层熔化混合，形成激光合金化层等步骤。采用本发明所述的合金粉末及合金化处理工艺对材质为低镍铬无限冷硬铸铁的轧辊进行激光合金化处理，轧辊工作表面形成组织超细化的合金层层，增强了显微硬度并提升了轧辊过钢量。

Description

低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末及合金化处理工艺
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体为涉及一种金属激光合金化用合金粉末及合金化处理工艺，特别是应用于低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末及合金化处理工艺。
背景技术
轧辊质量及使用寿命直接关系到企业的生产效率、产品质量及经济效益，我国国产轧辊，尤其是镍铬无限冷硬铸铁轧辊性能普遍低于国外同类产品，高性能的轧辊尚依赖进口。因此如何改善国产轧辊质量和精度，提高其使用寿命，降低生产成本成为当前急需解决的问题。
影响轧辊性能、产品质量及其使用寿命的关键因素是高温(>500℃)耐磨性。传统工艺中多需向钢材中添加高比例的镍、铬等贵金属元素及对轧辊进行表面强化，但常规的表面强化技术如火焰淬火、高中频淬火、等离子喷涂、喷焊及电弧堆焊等均不能有效提高轧辊表面抗高温磨损和抗冷热疲劳性能。
而现有技术中也有应用激光陶瓷合金化技术对轧辊进行处理，目的是提高轧辊工作层的硬度和高温耐磨性。激光合金化技术的处理效果与合金粉末的配方选择有密切关系。目前现有技术中多是添加硬质合金粉末，如 SiC，WC，TiC 等，或者激光表面合金化过程中原位生成如碳化物、氮化物、硼化物等金属间化合物来增强合金化涂层的耐磨性，虽然可以在钢材表面形成高硬度、高耐磨的合金层，在一定程度上提高轧辊的使用寿命，但是因为其配方选择不够合理，应用在铸铁材料时存在贯穿性裂纹和气孔，严重影响合金层的表面质量，其使用寿命和技术效果均不理想，特别是在大面积轧辊上应用还处于实验探索阶段,目前存在的最大问题是合金层易在轧制过程中脱落，严重影响了激光合金化处理的应用效果，限制了这一技术的推广应用。
发明内容
本发明旨在提供一种低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末及合金化处理工艺，采用上述合金化粉末和激光陶瓷合金化处理工艺在轧辊表面制备出在轧制过程中不易脱落的合金层，该合金层具有组织细小、无孔洞和裂纹、合金化层与基材呈冶金结合、结合强度高的特点，且所形成的合金化层具有较高的显微硬度、高温耐磨性、耐冲击性、抗热裂性，从而提高该类热轧辊的使用寿命。
本发明所述的一种低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末, 按重量百分比计算，它是由下述原料粉末混合而成：WC 33～36份、TiC 23～26份、Ni 10～13份、Cr 5～7份、Co 12～15份、Si 0.3～2份、Mo 4～7份、Y2O3  0.2～2份。
所述的WC 为碳化钨，TiC 为碳化钛，Ni为镍，Cr为铬，Co为钴，Si为硅，Mo为钼，Y2O3为氧化钇。
所述的低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末的制备方法为：取颗粒度为80～150nm的合金粉末，按粉末配比用高精度电子秤称量出各粉末重量，倒入混粉器皿中充分混合均匀，即得合金粉末产品。
本发明还提供了一种运用低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末对铸铁轧辊表面进行激光合金化处理的方法，包括以下步骤：
A、将待处理轧辊表面打磨除锈、去除表面油污；
B、将清漆和无水乙醇按照1-3:40-60的体积比配置成清漆乙醇溶液；
C、将所述的合金粉末与清漆乙醇溶液按照1-3：10-20的重量比混合，搅拌均匀，得到合金粉末涂料；
D、将合金粉末涂料喷涂在轧辊待处理表面上，自然风干形成合金粉末涂层；
E、将已喷合金粉末涂料的轧辊吊装到激光加工系统上，采用激光对轧辊表面进行扫描，使合金粉末和轧辊表层熔化混合，凝固后在轧辊表面形成激光合金化层。
所述步骤A采用的有机溶剂为煤油、汽油、丙酮、甲苯、三氯乙烯、四氯乙烯中一种或几种的混合，视不同的油污成份而定。
所述步骤D中的合金粉末涂层厚度为0.07～0.10mm。
所述激光加工系统按以下工艺参数对轧辊表面进行扫描：输出功率P=4000～4400W，扫描速度v=3.0～3.5 m/min,光斑尺寸D=2.0～2.5 mm，光斑搭接率30%。
所述低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末及合金化处理工艺，用于铸铁轧辊的激光表面合金化，优选对低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化，所述的铸铁轧辊中各成分的重量百分比为：C 2.8～3.7、Si 0.3～0.8、Mn 0.3～1.1、P ≤0.45、S ≤0.12、Cr 0.2～0.7、Ni 0.5～1.1、Fe 余量。
本发明选用的合金粉末为碳化钨和碳化钛为主要硬质相的纳米陶瓷粉末，为了进一步细化组织和增强韧性，发明人通过大量实验研究出了独特的合金粉末配方。本发明的合金粉末的核心技术点包括两部分，改变碳化钨和碳化钛的质量比和添加新的独特配比的合金元素。本发明的合金粉末包括Ni、Cr、Co、Si、Y2O3、Mo，通过研发出来这些成分的独特配比，结合碳化钨和碳化钛的比例组合，在激光处理之后形成与铁质轧辊的紧密配合，形成的合金化层具有组织细小、无孔洞和裂纹、合金化层与基材呈冶金结合、结合强度高的特点，这是现有技术所无法达到的，且所形成的合金化层具有较高的显微硬度、高温耐磨性、耐冲击性、抗热裂性，从而提高该类热轧辊的使用寿命，使得铁质轧辊合金化能够真正大幅度提升轧辊的工作效率和使用寿命。
在合金粉末选定的情况下，对激光合金化表面质量影响最大的是激光加工工艺参数，从实际控制的角度出发其主要的工艺参数应为激光功率、扫描速度和光斑直径。发明人根据查阅文献和实践经验知激光表面合金化处理低合金铸铁轧辊的功率范围为：4000～5000W；扫描速度为：3～4m/min；光斑直径为：2.0～3.0mm；通过多次激光合金化实验发现，当激光功率增加，扫描速度降低时，表面的粗糙度增加。当激光功率为 4000-4400W 范围内，扫描速度在 3.5 m/min 以下，光斑直径越细，表面越平整光滑。当激光增大激光功率时，必须同时增加扫描速度和缩小光斑直径合金层表面的粗造度才会降低，表面宏观形貌转好。通过反复的激光合金化试验，确定了优化的工艺参数为 P=4000～4400W，v=3.0～3.5 m/min,D=2.0～2.5 mm。
采用本发明所述的合金粉末及合金化处理工艺对铁质轧辊，主要是螺纹钢和型钢的中轧、精轧辊进行激光合金化处理，在轧辊工作表面形成组织超细化的合金层层，其厚度达在0.4mm时就能获得良好的效果，其显微硬度高达Hv0.11100，轧辊过钢量比原轧辊提高180％以上，比普通的合金层耐用50%以上，并且激光合金化轧辊在工作过程中能有效抑制冷热疲劳裂纹的扩展，减少断辊现象，使轧钢生产作业率提高9%以上。本发明的合金粉末配方尤其适合应用于低镍铬无限冷硬铸铁轧辊上，该合金粉末的配方与低镍铬无限冷硬铸铁轧辊的配合能够更加的紧密，激光处理之后，能够实现最为良好的效果，其合金层组织细小、无孔洞和裂纹、合金化层与基材的冶金结合最为紧密，其强度达到最好效果的特点，具有突出的实质性特点和显著的进步。
本发明的合金粉末及合金化处理工艺在中型轧钢厂做装机实验，轧辊运行平稳，轧辊过钢量大幅度提高实现了非常可观的经济效益。
具体实施方式：
实施例1
合金粉末是由下述颗粒度为80~150nm原料粉末混合：WC 33份、TiC 26份、Ni 13份、Cr 5份、Co 12份、Si 2份、Mo 4份、Y2O3 2份。
按粉末配比用高精度电子秤称量出各粉末重量，倒入混粉器皿中充分混合均匀，即得合金粉末产品。
运用该合金粉末铸铁轧辊激光表面合金化处理工艺，包括以下步骤：
步骤1、将待处理低镍铬无限冷硬铸铁轧辊表面打磨除锈、用丙酮、甲苯的混合液去除表面油污；
步骤2、将前述铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末与清漆乙醇溶液混合，搅拌均匀。其中清漆和无水乙醇按照1:40的体积比配置成清漆乙醇溶液，所述的合金粉末与清漆乙醇溶液按照1：10的重量比混合。
步骤3、用油漆喷枪将步骤2所得的混合液均匀喷涂在轧辊待处理工作面上，自然风干后确保粉末涂层厚度达到0.10mm。
步骤4、将已喷粉轧辊吊装到大功率CO2激光加工系统上，采用激光功率4.0KW、激光光斑直径2.0mm、激光扫描速度3.0m/min、光斑搭接率30%的激光工艺参数对轧辊表面进行扫描，使预置的合金粉末和轧辊表层迅速熔化混合，快速凝固后在轧辊表面形成深度0.4mm的激光合金化层。
激光合金化后，合金层的形貌为树枝晶或胞-树枝晶，整个合金层的组织为由表及里为过共晶、共晶组织。合金层的平均硬度为 983HV。
实施例2：
合金粉末是由下述颗粒度为85～100nm原料粉末混合：WC 36份、TiC 23份、Ni 10份、Cr 7份、Co 15份、Si 1份、Mo 7份、Y2O3  1份。
按粉末配比用高精度电子秤称量出各粉末重量，倒入混粉器皿中充分混合均匀，即得合金粉末产品。
铸铁轧辊激光表面合金化处理工艺，包括以下步骤：
步骤1、将待处理低镍铬无限冷硬铸铁轧辊表面打磨除锈、用煤油、汽油的混合液去除表面油污；
步骤2、将前述铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末与清漆乙醇溶液混合，搅拌均匀。其中清漆和无水乙醇按照1:60的体积比配置成清漆乙醇溶液，所述的合金粉末与清漆乙醇溶液按照1:20的重量比混合。
步骤3、用油漆喷枪将步骤2所得的混合液均匀喷涂在轧辊待处理工作面上，自然风干后确保粉末涂层厚度达到0.07mm。
步骤4、将已喷粉轧辊吊装到大功率CO2激光加工系统上，采用激光功率4.4KW、激光光斑直径2.0mm、激光扫描速度3.0m/min、光斑搭接率30%的激光工艺参数对轧辊表面进行扫描，使预置的合金粉末和轧辊表层迅速熔化混合，快速凝固后在轧辊表面形成深度0.4mm的激光合金化层。
激光合金化后，合金层的形貌为树枝晶或胞-树枝晶，整个合金层的组织为由表及里为过共晶、共晶组织。合金层的平均硬度为 1002HV。
实施例3
合金粉末是由下述颗粒度为95～110nm原料粉末混合：WC 35份、TiC 25份、Ni 11份、Cr 6份、Co 14份、Si 1.5份、Mo 6.5份、Y2O3  1份。
按粉末配比用高精度电子秤称量出各粉末重量，倒入混粉器皿中充分混合均匀，即得合金粉末产品。
铸铁轧辊激光表面合金化处理工艺，包括以下步骤：
步骤1、将待处理低镍铬无限冷硬铸铁轧辊表面打磨除锈、用三氯乙烯、四氯乙烯的混合液去除表面油污；
步骤2、将前述铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末与清漆乙醇溶液混合，搅拌均匀。其中清漆和无水乙醇按照1:50的体积比配置成清漆乙醇溶液，所述的合金粉末与清漆乙醇溶液按照1:15的重量比混合。
步骤3、用油漆喷枪将步骤2所得的混合液均匀喷涂在轧辊待处理工作面上，自然风干后确保粉末涂层厚度达到0.10mm。
步骤4、将已喷粉轧辊吊装到大功率CO2激光加工系统上，采用激光功率4.4KW、激光光斑直径2.0mm、激光扫描速度3.5m/min、光斑搭接率30%的激光工艺参数对轧辊表面进行扫描，使预置的合金粉末和轧辊表层迅速熔化混合，快速凝固后在轧辊表面形成深度0.4mm的激光合金化层。
激光合金化后，合金层的形貌为树枝晶或胞-树枝晶，整个合金层的组织为由表及里为过共晶、共晶组织。合金层的平均硬度为 1100HV。
实施例4：
合金粉末是由下述颗粒度为120～130nm原料粉末混合：WC 36份、TiC 23份、Ni 10份、Cr 7份、Co 15份、Si 1份、Mo 7份、Y2O3 1份。
按粉末配比用高精度电子秤称量出各粉末重量，倒入混粉器皿中充分混合均匀，即得合金粉末产品。
铸铁轧辊激光表面合金化处理工艺，包括以下步骤：
步骤1、将待处理低镍铬无限冷硬铸铁轧辊表面打磨除锈、用丙酮去除表面油污；
步骤2、将前述铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末与清漆乙醇溶液混合，搅拌均匀。其中清漆和无水乙醇按照3:40的体积比配置成清漆乙醇溶液，所述的合金粉末与清漆乙醇溶液按照3:20的重量比混合。
步骤3、用油漆喷枪将步骤2所得的混合液均匀喷涂在轧辊待处理工作面上，自然风干后确保粉末涂层厚度达到0.07mm。
步骤4、将已喷粉轧辊吊装到大功率CO2激光加工系统上，采用激光功率4.0KW、激光光斑直径2.5mm、激光扫描速度3.5m/min、光斑搭接率30%的激光工艺参数对轧辊表面进行扫描，使预置的合金粉末和轧辊表层迅速熔化混合，快速凝固后在轧辊表面形成深度0.5mm的激光合金化层。
激光合金化后，合金层的形貌为树枝晶或胞-树枝晶，整个合金层的组织为由表及里为过共晶、共晶组织。合金层的平均硬度为 1050HV。
实施例5
合金粉末是由下述颗粒度为140～150nm原料粉末混合：WC 36份、TiC 23份、Ni 10份、Cr 7份、Co 15份、Si 1份、Mo 7份、Y2O3 1份。按粉末配比用高精度电子秤称量出各粉末重量，倒入混粉器皿中充分混合均匀，即得合金粉末产品。
铸铁轧辊激光表面合金化处理工艺，包括以下步骤：
步骤1、将待处理低镍铬无限冷硬铸铁轧辊表面打磨除锈、用丙酮去除表面油污；
步骤2、将前述铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末与清漆乙醇溶液混合，搅拌均匀。其中清漆和无水乙醇按照3:60的体积比配置成清漆乙醇溶液，所述的合金粉末与清漆乙醇溶液按照3:20的重量比混合。
步骤3、用油漆喷枪将步骤2所得的混合液均匀喷涂在轧辊待处理工作面上，自然风干后确保粉末涂层厚度达到0.07mm。
步骤4、将已喷粉轧辊吊装到大功率CO2激光加工系统上，采用激光功率4.4KW、激光光斑直径2.5mm、激光扫描速度3.0m/min、光斑搭接率30%的激光工艺参数对轧辊表面进行扫描，使预置的合金粉末和轧辊表层迅速熔化混合，快速凝固后在轧辊表面形成深度0.4mm的激光合金化层。
激光合金化后，合金层的形貌为树枝晶或胞-树枝晶，整个合金层的组织为由表及里为过共晶、共晶组织。合金层的平均硬度为 993HV。
实施例6
   采用本发明所述的合金粉末配比是：WC 35份、TiC 25份、Ni 11份、Cr 6份、Co 14份、Si 1.5份、Mo 6.5份、Y2O3 1份。
采用本发明所述的铸铁轧辊激光表面合金化处理工艺，步骤如下：
步骤1、将待处理低镍铬无限冷硬铸铁轧辊表面打磨除锈、用三氯乙烯、四氯乙烯的混合液去除表面油污；
步骤2、将前述铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末与清漆乙醇溶液混合，搅拌均匀。其中清漆和无水乙醇按照1:50的体积比配置成清漆乙醇溶液，所述的合金粉末与清漆乙醇溶液按照1:15的重量比混合。
步骤3、用油漆喷枪将步骤2所得的混合液均匀喷涂在轧辊待处理工作面上，自然风干后确保粉末涂层厚度达到0.10mm。
步骤4、将已喷粉轧辊吊装到大功率CO2激光加工系统上，采用激光功率4.4KW、激光光斑直径2.0mm、激光扫描速度3.5m/min、光斑搭接率30%的激光工艺参数对轧辊表面进行扫描，使预置的合金粉末和轧辊表层迅速熔化混合，快速凝固后在轧辊表面形成深度0.4mm的激光合金化层。
实施例7
采用本发明所述的合金粉末及合金化处理工艺进行激光合金化处理的低镍铬无限冷硬铸铁轧辊在中型轧钢厂做装机实验，其中分别对采用本发明合金粉末激光合金化处理、不进行激光合金化处理的两类轧辊进行对比实验，分别得出它们的运行性能。
表1为采用本发明合金粉末激光合金化处理、不进行激光合金化处理的两类轧辊运行性能对比：
 表1
处理工艺 本发明粉末激光合金化 无表面合金化处理
表面硬度（HV） 950-1115 812
平均单槽轧制量（万吨） 0.56 0.2
每次车削量(mm) 5 7
轧辊车削次数（次） 9 7
一付轧辊总轧制量（万吨） 35.28 9.8
吨钢轧辊费用（元） 0.1978 0.2346
万吨钢换轧换辊次数（次） 1.8 5
万吨钢换轧换辊总时间（分钟） 9 25

Claims (8)

1.一种低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末,其特征在于，它是由包括下述重量份的粉末原料制备而成的：WC 33～36份、TiC 23～26份、Ni 10～13份、Cr 5～7份、Co 12～15份、Si 0.3～2份、Mo 4～7份、Y2O3  0.2～2份。
2.根据权利要求1所述的低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末，其特征在于，其使用方法包括以下步骤：
A、将待处理铸铁轧辊表面打磨除锈、去除表面油污；
B、将清漆和无水乙醇按照1-3:40-60的体积比配置成清漆乙醇溶液；
C、将所述的合金粉末与清漆乙醇溶液按照1-3：10-20的重量比混合，搅拌均匀，得到合金粉末涂料；
D、将合金粉末涂料喷涂在轧辊待处理表面上，自然风干形成合金粉末涂层；
E、将已喷合金粉末涂料的轧辊吊装到激光加工系统上，采用激光对轧辊表面进行扫描，使合金粉末和轧辊表层熔化混合，凝固后在轧辊表面形成激光合金化层。
3.根据权利要求1所述的低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末，其特征在于，铸铁轧辊中各成分的重量百分比为：C 2.8～3.7、Si 0.3～0.8、Mn 0.3～1.1、P ≤0.45、S ≤0.12、Cr 0.2～0.7、Ni 0.5～1.1、Fe 余量。
4.一种运用如权利要求1所述的低镍铬无限冷硬铸铁轧辊激光表面合金化的合金粉末对铸铁轧辊表面进行激光合金化处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将待处理轧辊表面打磨除锈、去除表面油污；
B、将清漆和无水乙醇按照1-3:40-60的体积比配置成清漆乙醇溶液；
C、将所述的合金粉末与清漆乙醇溶液按照1-3：10-20的重量比混合，搅拌均匀，得到合金粉末涂料；
D、将合金粉末涂料喷涂在轧辊待处理表面上，自然风干形成合金粉末涂层；
E、将已喷合金粉末涂料的轧辊吊装到激光加工系统上，采用激光对轧辊表面进行扫描，使合金粉末和轧辊表层熔化混合，凝固后在轧辊表面形成激光合金化层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤A采用的有机溶剂为煤油、汽油、丙酮、甲苯、三氯乙烯、四氯乙烯中一种或几种的混合。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤D中的合金粉末涂层厚度为0.07～0.10mm。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，激光加工系统按以下工艺参数对轧辊表面进行扫描：输出功率P=4000～4400W，扫描速度v=3.0～3.5 m/min,光斑尺寸D=2.0～2.5 mm，光斑搭接率30%。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的铸铁轧辊中各成分的重量百分比为：C 2.8～3.7、Si 0.3～0.8、Mn 0.3～1.1、P≤0.45、S ≤0.12、Cr 0.2～0.7、Ni 0.5～1.1、Fe 余量。
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