CN106756251A

CN106756251A - 激光制造热轧带钢卷曲前导尺衬板的梯度材料设计工艺

Info

Publication number: CN106756251A
Application number: CN201611240842.XA
Authority: CN
Inventors: 张冬雪; 陈海涛; 史建民; 董思远
Original assignee: Shenyang Continental Laser Engineering Technology Co Ltd
Current assignee: Shenyang Continental Laser Engineering Technology Co Ltd
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2036-12-29
Also published as: CN106756251B

Abstract

一种激光制造热轧带钢卷曲前导尺衬板的梯度材料设计工艺，其特点是梯度设计分为打底层、过渡层、功能层，其中打底层熔覆材料的成分为Cr：3.6~18%；Mn：5~16%；Si:0.2~0.7%；N：3~8%；W：4~18%；B；8~19%；Ni：余量；过渡层熔覆材料的成分为Cr：3~18%；Mn：4~15%；Si:0.1~0.6%；N：3~8%；W：6~16%；B；8~15%；Ni：余量；功能层熔覆材料的成分为Cr：3~16%；Mn：5~15%；Si:0.1~0.5%；N：3~6%；W：8~18%；B；8~12%；Ni：余量。本发明使导尺衬板使用寿命提高至原导尺衬板使用寿命的5‑6倍。

Description

激光制造热轧带钢卷曲前导尺衬板的梯度材料设计工艺

技术领域

本发明涉及一种制造热轧带钢卷曲前导尺衬板的材料设计工艺,特别是涉及一种采用激光熔覆的方式制造热轧带钢卷曲前导尺衬板的梯度材料设计工艺，属于IPC国际专利分类表中的C23C24/10(2006.01)I技术领域。

背景技术

随着钢铁行业竞争的日益激烈，近年来，卷材的高标准卷形要求指标已然成为钢卷成品合格率的重要指标，直接影响产品的等级。而作为重要备件的导尺衬板，特别是卷取前导尺衬板更是热轧生产线的重要组成部分，对钢卷的最后成型有着决定性的影响作用。导尺衬板是将高速运行的带钢准确的导入卷取机的夹送辊中，由于实际生产中普遍使用的导尺衬板的磨损性能较差，而磨损严重的导尺衬板失去了原有的精准夹持精度以后就可能会对带钢边部质量造成影响，进而导致质量降级损失效益，严重时甚至会堆钢等事故的发生。而频繁的更换不仅浪费了人力物力，更加影响了整条热轧生产线的作业率。

由于导尺衬板的工作环境温度较高，并且带钢高速通过导尺衬板时，会猛烈的撞击导尺衬板并且产生强力机械磨损，所以在带钢高速通过的工况条件下，不仅要耐高温磨损，还要兼顾考虑到高温氧化以及摩擦系统剧烈升温等影响。

传统的导尺衬板制造方式主要采用堆焊方式进行，并且其焊材也是已被普遍采用的普通焊丝。首先，这种制造方式由于高的热输入及焊接应力原因，必然要导致导尺衬板变形，导尺衬板变形对带钢的导入和夹持会造成消极影响，很可能致使带钢卷曲塔型或者“边损”等质量事故发生，存在很大的安全隐患；更重要的是，传统焊材在应用于卷曲机前导尺衬板的工作环境中，其使用寿命短，堆焊材料的耐高温磨损性能远不能满足正常生产需求，由于更换导尺衬板的时间成本会直接造成人力及财力的成本浪费。

近年来，激光熔覆技术作为一种先进的制造技术得到了广泛的推广应用——利用高能量激光束瞬间将在基材表面具有特殊指定性能的合金粉末完全熔化，同时与基材部分形成致密的冶金结合层，以达到表面强化的目的，可以最大程度保证到导尺衬板的平直度合格。

目前，关于利用激光熔覆工艺进行设备部件制造的专利和报道很多，虽然现有技术给出的技术方案能利用激光熔覆工艺对部分设备部件进行制造，但对其他特定的设备部件，尤其是在像导尺衬板这种应用于特殊工况条件下的部件，能否采用常规的激光熔覆成型工艺进行无裂纹和气孔缺陷、均质的制造并且使其使用寿命达到大幅度提升至原始使用寿命的5-6倍以上，经本申请人检索查证：国内以及国外没有见到相关报道，绝大多数情况下均为对导尺衬板服役结构的改进研究，寻找出适当的采用激光熔覆的方式制造导尺衬板的工艺方法仍需所属领域的技术人员进一步作出创造性的研究工作。

本发明关键点在于对于激光熔覆材料的梯度设计工艺方法。由于导尺衬板这种应用于特殊工况条件下的部件，常规的激光熔覆成型工艺及材料设计工艺方法无法达到导尺衬板的无缺陷均质制造。原因是由于这种特定耐高温磨损材料，即兼具耐高温氧化及耐磨损性能材料在常规激光熔覆中只可以实现单层熔覆，一旦进行多层熔覆极易造成熔覆多道次激光焊接过程中细小热裂纹的累积，严重时甚至造成熔覆层强烈起层开裂情况发生，甚至导致熔覆层脱落掉块，根本无法应用于生产。通过分析制约其多层熔覆原因，筛选出适当的材料设计工艺方案，寻找出准确的激光熔覆的材料设计工艺方式制造高使用寿命的导尺衬板，是当前亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，由于该耐高温氧化磨损材料不可进行多层熔覆，通过大量试验和反复研究得知制约其多层熔覆的原因在于该材料的热膨胀系数在反复熔覆过程中由于受到热影响区成分扩散影响，导致合金材料的成分出现较大变化，并且每层合金材料的热影响区厚度不同，所以每层材料的热膨胀系数变化均不相同，呈现出梯度变化趋势，热膨胀系数存在梯度差异的激光熔覆层在冷却过程中会致使结合界面处产生巨大拉应力，该拉应力远大于界面结合力，最终会导致熔覆层起层开裂。为此，本发明给出了一种卷曲机前导尺衬板的梯度材料的设计方法，该梯度材料的设计方法使得该耐高温氧化磨损材料实现多层均质无缺陷熔覆，可以获得熔覆质量良好的合金组织，导尺衬板尺寸完好，表面平整，同时使用寿命提高至原导尺衬板使用寿命的5-6倍。

本发明给出的技术方案是：由于上述热影响区对每层材料合金元素成分的稀释作用，会导致材料的整体热膨胀系数改变，界面结合力减弱，界面拉应力加强，极易引起界面层开裂，甚至起层脱落。所以需要研制一种针对这种激光制造热轧带钢卷曲前导尺衬板的梯度材料设计工艺方法，其材料结构设计的成分组成包括有Cr、Mn、Si；其特点是还包括有N、W、B；其中梯度设计分为三个梯度成分，分别为打底层、过渡层、功能层，其中。

打底层熔覆材料的成分为Cr：3.6~18%；Mn：5~16%；Si:0.2~0.7%；N：3~8%；W：4~18%；B；8~19%；Ni：余量。

过渡层熔覆材料的成分为Cr：3~18%；Mn：4~15%；Si:0.1~0.6%；N：3~8%；W：6~16%；B；8~15%；Ni：余量。

功能层熔覆材料的成分为Cr：3~16%；Mn：5~15%；Si:0.1~0.5%；N：3~6%；W：8~18%；B；8~12%；Ni：余量。

导尺衬板梯度材料设计工艺方法实施过程中所涉及使用的激光熔覆工艺参数基本如下。

功率：800～1500W，光斑直径：1～5mm，置粉厚度：0.5～1.5mm。

扫描速度：20～50mm/s，搭接率：25%~75% 。

本发明是在原有的耐高温氧化磨损的自润滑涂层的合金材料基础上，通过反复激光工艺试验研究得出多层熔覆结构中合金材料热影响区的变化趋势，由于在进行多层激光熔覆过程中，由于激光多次热输入所形成的热影响区对合金材料成分具有稀释作用，其作用规律呈梯度趋势，所以在材料结构方面，需要研究人员适当对每层待熔覆材料的合金元素质量分数进行调整，使熔覆后的每层耐高温氧化磨损材料的热膨胀系数相匹配，保证界面冶金结合稳定性，获得具有一定设计尺寸厚度的良好的激光熔覆组织。

与现有技术相比，本发明的有益效果是。

通过材料成分梯度设计方式实现了一种适用于导尺衬板的耐高温氧化磨损的材料的多层无缺陷熔覆。由于该种材料是利用激光复合方式向耐高温氧化磨损材料基体中复合进入一定比例的硼化物，其成分扩散情况在多层熔覆过程中容易受到热影响区稀释作用影响。在进行多层熔覆过程中，由于热影响区的稀释作用，会导致其合金熔覆层的热膨胀系数差异较大，从而导致界面处产生巨大拉应力，最终致使熔覆层起层开裂。本发明专利通过反复的试验研究，考虑到了热影响区存在的客观稀释作用对该层材料的梯度影响趋势，对多层熔覆过程中每层该合金材料的成分比例（质量分数）进行了梯度设计，从而使其熔覆后的热膨胀系数相匹配，最大程度减少界面处的残余拉应力，保证多层熔覆组织无缺陷，熔覆层质量良好，从而大幅度提高导尺衬板的使用寿命。

具体实施方式

实施例1。

唐山某热轧生产线上卷取机前导尺衬板的梯度材料熔覆设计。

热轧带钢卷曲前导尺衬板，进行导尺衬板的长寿化激光制造过程中，进行材料梯度设计并且使用适当的激光熔覆工艺进行熔覆，得到了熔覆质量良好且无开裂缺陷的多层熔覆结构，其中。

打底层熔覆材料的成分为Cr：16%；Mn：9.5%；Si:0.5%；N：6.5%；W：7.3%；B：:9.5%；Ni：余量。

过渡层熔覆材料的成分为Cr：15%；Mn：10.5%；Si:0.2%；N：4.5%；W：8.5%；B:10.2%；Ni：余量。

功能层熔覆材料的成分为Cr：14.6%；Mn：8.5%；Si:0.45%；N：3.8%；W：10.6%；B:10.5%；Ni：余量。

其中激光熔覆的工艺参数如下。

功率：1000W；光斑直径：1.7mm；置粉厚度0.6mm；扫描速度：28mm/s搭接率：42%。

该导尺衬板激光熔覆经梯度材料设计工艺进行激光熔覆后，不仅获得了该材料的多层熔覆结构，并且熔覆质量良好，最重要的是其使用寿命提高至原始使用寿命的5-6倍，不仅节约了成本，并且大幅度提高生产作业率。

实施例2。

上海某钢厂热轧线上卷取机前导尺衬板的梯度材料熔覆设计。

激光仿形熔覆功率：1200W；光斑直径：1.9mm；置粉厚度0.5mm；其中

打底层熔覆材料的成分为Cr：16.2%；Mn：9.3%；Si:0.45%；N：6.3%；W：7.8%；B：:10.5%；Ni：余量。

过渡层熔覆材料的成分为Cr：15.5%；Mn：11.5%；Si:0.35%；N：5.5%；W：8.8%；B:10.2%；Ni：余量。

功能层熔覆材料的成分为Cr：14%；Mn：8.2%；Si:0.42%；N：4.5%；W：9.2%；B:10.2%；Ni：余量。

扫描速度：30mm/s，搭接率：60%；熔覆厚度：根据现场情况设定熔覆厚度工艺，该材料进行多层梯度设计激光熔覆后，获得熔覆质量良好的无缺陷多层熔覆组织，达到导尺衬板的设计尺寸标准的同时，使导尺衬板使用寿命达到原始使用寿命的6倍，大大提高改善生产线的工作效率并节约了成本。

Claims

1.一种激光制造热轧带钢卷曲前导尺衬板的梯度材料设计，其材料结构设计的成分组成包括有Cr、Mn、Si，其特征在于还包括有N、W、B，其中梯度材料设计分为三个梯度成分，分别为打底层、过渡层、功能层，其中：

打底层熔覆材料成分按质量百分比计为：

Cr：3.6~18%；Mn：5~16%；Si:0.2~0.7%；N：3~8%；W：4~18%；

B；8~19%；Ni：余量；

过渡层熔覆材料成分按质量百分比计为：

Cr：3~18%；Mn：4~15%；Si:0.1~0.6%；N：3~8%；W：6~16%；

B；8~15%；Ni：余量；

功能层熔覆材料成分按质量百分比计为：

Cr：3~16%；Mn：5~15%；Si:0.1~0.5%；N：3~6%；W：8~18%；

B；8~12%；Ni：余量。

2.根据权利要求1所述的用于激光熔覆热轧带钢卷曲前导尺衬板梯度材料设计，其特征在于：

打底层熔覆材料成分按质量百分比计为：

Cr：16%；Mn：9.5%；Si:0.5%；N：6.5%；W：7.3%；B：:9.5%；

Ni：余量；

过渡层熔覆材料成分按质量百分比计为：

Cr：15%；Mn：10.5%；Si:0.2%；N：4.5%；W：8.5%；B:10.2%；

Ni：余量；

功能层熔覆材料成分按质量百分比计为：

Cr：14.6%；Mn：8.5%；Si:0.45%；N：3.8%；W：10.6%；

B:10.5%；Ni：余量。

3.根据权利要求1所述的用于激光熔覆热轧带钢卷曲前导尺衬板梯度材料设计，其特征在于：

打底层熔覆材料成分按质量百分比计为：

Cr：16.2%；Mn：9.3%；Si:0.45%；N：6.3%；W：7.8%；B：:10.5%；

Ni：余量；

过渡层熔覆材料成分按质量百分比计为：

Cr：15.5%；Mn：11.5%；Si:0.35%；N：5.5%；W：8.8%；

B:10.2%；Ni：余量；

功能层熔覆材料成分按质量百分比计为：

Cr：14%；Mn：8.2%；Si:0.42%；N：4.5%；W：9.2%；B:10.2%；

Ni：余量。