CN109402631B - 高硬度梯度增强冷轧辊及其表面激光熔覆涂层制备方法 - Google Patents

高硬度梯度增强冷轧辊及其表面激光熔覆涂层制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高硬度梯度增强冷轧辊及其表面激光熔覆涂层制备方法，包括冷轧辊基体和表面激光熔覆涂层，所述表面激光熔覆涂层设置为包括激光熔覆打底层、激光熔覆过渡层和激光熔覆工作层的梯度式结构；本发明中所述激光熔覆打底层能够减少激光熔覆涂层与碳含量较高的冷轧辊基体之间的热膨胀系数，降低碳含量，提高激光熔覆涂层的韧性；通过添加CeO2强化相，使激光熔覆涂层组织得到细化晶粒，同时有利于降低激光熔覆涂层的摩擦系数；通过设计激光熔覆涂层的成分梯度变化，降低激光熔覆涂层的裂纹敏感性。

Description

高硬度梯度增强冷轧辊及其表面激光熔覆涂层制备方法
技术领域
本发明涉及轧辊技术领域，具体涉及一种高硬度梯度增强冷轧辊及其表面激光熔覆涂层制备方法。
背景技术
当前，冷轧辊的市场需求越来越大，产品质量要求也越来越高。轧制过程中，冷轧辊与板、带材在高压下紧密接触，工作应力极大，同时轧件上的夹杂、边裂及氧化皮在轧制时发生破碎、脱落，从而造成多种磨损形式，使轧辊表面形成划伤、裂纹甚至失效剥落，这不仅造成了失效轧辊的大量浪费，同时停工停产使得企业生产效益的损失巨大。因此，制备出具有良好硬度、强韧性、耐磨和抗开裂性能的强化冷轧辊，提高冷轧辊使用寿命的需求十分迫切。
适用于轧辊表面强化的工艺主要有：堆焊工艺、热喷涂工艺和激光熔覆工艺等。其中，堆焊工艺以其相对较低的成本，在钢质轧辊的再制造产业中应用得最为普遍。但由于堆焊时热输入量大，易变形，同时造成过大的热影响区，从而难以获取细小均匀的金相组织和高硬度的堆焊层。而热喷涂形成的涂层不能与基体形成冶金结合，结合强度较低，一般只适用于对受冲击力较小的轧辊进行修复和强化，如输送辊的热喷涂。激光熔覆过程中能量密度集中，基材的热影响区较小，涂层搭接率以及涂层与基材的稀释率均可控，能够实现快速加热和快速冷却而获得均匀细小的组织，得到性能优越的熔覆层，结合同步送粉装置，熔覆过程易实现自动化和工业化生产。通过选用不同合金粉末进行多层搭接熔覆，可以实现大尺寸厚度可控的涂层制备，对于大面积轧辊强化层的制备优势显著。
但现有技术中冷轧辊的熔覆工艺，均具有一定的工艺难度；冷轧辊选用低碳合金进行制备时，虽能够实现良好的熔覆成型，但力学性能很难达到冷轧辊的使用要求；冷轧辊选用高碳合金进行制备时，熔覆性能虽能达到要求，但大面积熔覆层极易产生开裂，难以应用于轧辊的整体强化。
鉴于所述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决所述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种高硬度梯度增强冷轧辊，包括冷轧辊基体和表面激光熔覆涂层，所述表面激光熔覆涂层设置为包括激光熔覆打底层、激光熔覆过渡层和激光熔覆工作层的梯度式结构。
较佳的，所述激光熔覆打底层采用自熔性铁基合金粉末激光熔覆至所述冷轧辊基体的辊身和辊颈表面形成；所述自熔性铁基合金粉末的粒度为100目～270目，所述自熔性铁基合金粉末的合金质量百分比成分为：C：0.2％～0.3％，Cr：16.5％～17.5％，B：1.6％～1.8％，Si：1.2％～1.6％，Mo：1.8％～2.2％，其余为Fe。
较佳的，所述激光熔覆过渡层采用过渡层增强合金粉末激光熔覆至所述自熔性铁基合金打底层表面形成；所述过渡层增强合金粉末的粒度为100目～270目，所述过渡层增强合金粉末的合金质量百分比成分为：CeO2：0.45％～0.55％，C：0.2％～0.3％，Cr：16.5％～17.5％，B：1.6％～1.8％，Si：1.2％～1.6％，Mo：1.8％～2.2％，其余为Fe。
较佳的，所述激光熔覆工作层采用工作层增强合金粉末激光熔覆至所述增强合金过渡层表面形成；所述工作层增强合金粉末的粒度为100目～270目，所述工作层增强合金粉末的合金质量百分比成分为：CeO2：0.9％～1.1％，C：0.2％～0.3％，Cr：16.5％～17.5％，B：1.6％～1.8％，Si：1.2％～1.6％，Mo：1.8％～2.2％，其余为Fe。
较佳的，所述激光熔覆打底层厚度为1mm～1.5mm；所述激光熔覆过渡层厚度为1.5mm～2mm；所述激光熔覆工作层厚度为2mm～2.5mm。
一种表面激光熔覆涂层制备方法，包括步骤；
S1，对所述冷轧辊基体进行预处理；
S2，采用光纤激光器及同步送粉装置将所述自熔性铁基合金粉末熔覆于所述冷轧辊基体的辊身和辊颈表面形成所述激光熔覆打底层；
S3，采用所述光纤激光器及所述同步送粉装置将所述过渡层增强合金粉末熔覆于所述激光熔覆打底层表面形成所述激光熔覆过渡层；
S4，采用所述光纤激光器及所述同步送粉装置将所述工作层增强合金粉末熔覆于所述激光熔覆过渡层表面形成所述激光熔覆工作层；
S5，对激光熔覆强化后的所述冷轧辊基体进行保温处理后冷却；
S6，对所述激光熔覆工作层表面进行磨削处理。
较佳的，所述步骤S1中所述预处理过程为，将低温回火后的所述冷轧辊基体表面打磨平整、清洁干净，然后对所述冷轧辊基体进行均匀预热，加热温度为180℃，加热时间为1h～2h。
较佳的，所述步骤S2中的激光熔覆工艺参数为：所述光纤激光器的激光功率为1.5kW，扫描速度为100mm/min～120mm/min，所述同步送粉装置的送粉量为7g/min～8g/min；所述步骤S3中的激光熔覆工艺参数为：所述光纤激光器的激光功率为1.5kW，扫描速度为120mm/min～130mm/min，所述同步送粉装置的送粉量为11g/min～12g/min；所述步骤S4中的激光熔覆工艺参数为：所述光纤激光器的激光功率为1.5kW，扫描速度为130mm/min，所述同步送粉装置的送粉量为12g/min～13g/min。
较佳的，所述步骤S5中所述保温处理的保温温度为150℃～180℃，保温时间为2h～3h。
较佳的，在所述步骤S4中还包括对所述激光熔覆过渡层的预热处理，所述预热处理完成后再进行所述激光熔覆工作层的激光熔覆；所述预热处理的预热温度为180℃。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，所述激光熔覆打底层能够减少激光熔覆涂层与碳含量较高的冷轧辊基体之间的热膨胀系数，降低碳含量，提高激光熔覆涂层的韧性；通过添加CeO2强化相，使激光熔覆涂层组织得到细化晶粒，同时有利于降低激光熔覆涂层的摩擦系数；通过设计激光熔覆涂层的成分梯度变化，降低激光熔覆涂层的裂纹敏感性；2，通过本发明制备方法的处理使所述表面激光熔覆涂层处于组织细小，均匀致密，无裂纹气孔等缺陷的理想状态，涂层与基体、涂层多道搭接以及层间搭接均实现冶金结合，涂层与基体结合强度高，可制备大厚度具有良好综合力学性能的辊面强化层。根据粉末特性和组分含量，使材料和激光工艺实现最佳匹配，涂层截面硬度自下而上呈梯度升高且变化平缓，截面维氏硬度达到HV750，熔覆层表层具有高的耐磨耐蚀性能。
附图说明
图1为本发明所述高硬度梯度增强冷轧辊截面的结构示意图；
图2为GCr15冷轧辊和本发明梯度增强冷轧辊截面的硬度变化图；
图3为所述激光熔覆打底层的组织相图；
图4为所述激光熔覆工作层的组织相图；
图5为所述表面激光熔覆涂层及GCr15冷轧辊材料的摩擦系数曲线图。
图中数字表示：
1-冷轧辊基体；2-激光熔覆打底层；3-激光熔覆过渡层；4-激光熔覆工作层。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明所述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例一
如图1所示，图1为本发明所述高硬度梯度增强冷轧辊截面的结构示意图；本发明所述高硬度梯度增强冷轧辊包括冷轧辊基体1和表面激光熔覆涂层，所述表面激光熔覆涂层设置为包括激光熔覆打底层2、激光熔覆过渡层3和激光熔覆工作层4的梯度式结构。
其中，所述激光熔覆打底层2采用自熔性铁基合金粉末激光熔覆至所述冷轧辊基体1的辊身和辊颈表面形成；所述自熔性铁基合金粉末的粒度为100目～270目，合金质量百分比成分为：C：0.2％，Cr：17％，B：1.7％，Si：1.4％，Mo：2％，其余为Fe。所述激光熔覆打底层2厚度一般设置为1mm～1.5mm。
所述激光熔覆过渡层3采用过渡层增强合金粉末激光熔覆至所述激光熔覆打底层2表面形成；所述过渡层增强合金粉末的粒度为100目～270目，合金质量百分比成分为：CeO2：0.5％，C：0.2％～0.3％，Cr：17％，B：1.7％，Si：1.4％，Mo：2％，其余为Fe。所述激光熔覆过渡层3厚度一般设置为1.5mm～2mm。
所述激光熔覆工作层4采用工作层增强合金粉末激光熔覆至所述激光熔覆过渡层3表面形成；所述工作层增强合金粉末的粒度为100目～270目，合金质量百分比成分为：CeO2：1％，C：0.2％～0.3％，Cr：17％，B：1.7％，Si：1.4％，Mo：2％，其余为Fe。所述激光熔覆工作层4厚度一般设置为2mm～2.5mm。
所述激光熔覆打底层2、所述激光熔覆过渡层3和所述激光熔覆工作层4由致密的树枝晶和等轴晶构成，其中所述激光熔覆工作层4中的等轴晶具有较高比例，可达到80％，保证激光熔覆涂层无任何裂纹缺陷。
本发明的冷轧辊具有高硬度、高韧性、优良的耐磨和耐腐蚀等复合性能，截面硬度达到HV750，所述表面激光熔覆涂层成型质量好，表面无任何裂纹缺陷，实现了涂层和轧辊材料的最佳匹配。
所述激光熔覆打底层2能够减少激光熔覆涂层与碳含量较高的冷轧辊基体1之间的热膨胀系数，降低碳含量，提高激光熔覆涂层的韧性；通过添加CeO2强化相，利用稀土的净化、变质和细化作用，使激光熔覆涂层组织得到细化晶粒，尤其是(Fe，Cr)7C3碳化物更加细化均匀，同时有利于降低激光熔覆涂层的摩擦系数；再通过设计激光熔覆涂层的成分梯度变化，进一步降低激光熔覆涂层的裂纹敏感性。
实施例二
在本实施例中，所述冷轧辊基体1的材质为GCr15高碳铬轴承钢，GCr15高碳铬轴承钢具有较高的淬透性，热处理后可获得高而均匀的硬度，但焊接性差，对白点形成敏感。现有领域中用于轧制6mm带钢的GCr15冷轧辊，在线使用周期很短，轧辊失效造成大量浪费的同时，停工停产更换轧辊更极大降低了企业的生产效益。通过本发明的制备方法对GCr15冷轧辊进行激光熔覆强化形成激光熔覆涂层，以提高GCr15冷轧辊的性能并延长使用周期。
具体的，本实施例中，在GCr15冷轧辊表面上进行无裂纹激光熔覆涂层的制备方法包括如下步骤：
S1，配制所述自熔性铁基合金粉末，所述自熔性铁基合金粉末成分按质量百分比：铁粉77.7％、铬粉17.0％、钼粉2.0％、硅粉1.4％、硼粉1.7％、碳粉0.2％进行配比，并在混合均匀后制备成球形颗粒状，所述自熔性铁基合金粉末粒度为100目～250目；将所述自熔性铁基合金粉末置于100℃下烘干90min；
S2，配制所述过渡层增强合金粉末，所述过渡层增强合金粉末成分按质量百分比：铁粉77.1％、铬粉17.0％、钼粉2.0％、硅粉1.4％、硼粉1.4％、碳粉0.3％、氧化铈粉0.5％进行配比，并在混合均匀后制备成球形颗粒状，所述过渡层增强合金粉末粒度为100目～270目；将所述过渡层增强合金粉末置于100℃下烘干90min；
S3，配制所述工作层增强合金粉末，所述过渡层增强合金粉末成分按质量百分比：铁粉76.6％、铬粉17.0％、钼粉2.0％、硅粉1.5％、硼粉2.0％、碳粉0.25％、氧化铈粉1％进行配比，并在混合均匀后制备成球形颗粒状，所述工作层增强合金粉末粒度为100目～270目；将所述工作层增强合金粉末置于100℃下烘干90min；
S4，对所述GCr15冷轧辊进行预处理；具体的，将所述GCr15冷轧辊表面打磨光洁，清洁干净并使用加热片对所述GCr15冷轧辊表面预热至180℃左右；
S5，通过同步送粉设备输送所述自熔性铁基合金粉末，光纤激光器将所述自熔性铁基合金粉末熔覆于预处理后的所述GCr15冷轧辊表面，形成所述激光熔覆打底层2；所述光纤激光器功率为1500W，光斑直径为5mm，扫描速度为110mm/min，搭接率为50％，所述同步送粉设备的送粉速度为7.88g/min；
S6，通过所述同步送粉设备输送所述过渡层增强合金粉末，所述光纤激光器将所述过渡层增强合金粉末熔覆于所述激光熔覆打底层2表面，形成所述激光熔覆过渡层3；所述光纤激光器功率为1500W，光斑直径为5mm，扫描速度为130mm/min，搭接率为40％，所述同步送粉设备的送粉速度为11.57g/min；
S7，对所述激光熔覆过渡层3，使用氧丙烷火焰喷枪动态预热180℃左右；通过所述同步送粉设备输送所述工作层增强合金粉末，所述光纤激光器将所述工作层增强合金粉末熔覆于所述激光熔覆过渡层3表面，形成所述激光熔覆工作层4；所述光纤激光器功率为1500W，光斑直径为5mm，扫描速度为130mm/min，搭接率为40％，所述同步送粉设备的送粉速度为13.00g/min；
S8，对激光熔覆有所述表面激光熔覆涂层的冷轧辊表面进行150℃保温处理2h后冷却；
S9，选用合适规格的砂轮和砂带对所述表面激光熔覆涂层表面依次进行磨削和抛光，使所述表面激光熔覆涂层表面粗糙度达到使用要求。
如图2、图3、图4、图5所示，图2为GCr15冷轧辊和本发明梯度增强冷轧辊截面的硬度变化图；图3为所述激光熔覆打底层的组织相图；图4为所述激光熔覆工作层的组织相图；图5为所述表面激光熔覆涂层及GCr15冷轧辊材料的摩擦系数曲线图。
本发明采用光纤激光器和同步送粉装置在冷轧辊表面制备多层梯度复合熔覆层，基体与性能优越的涂层构成良好配合，涂层与基体性能实现良好过渡，所述表面激光熔覆涂层与基体一体，构成了具有高硬度、高韧性、优良耐磨和耐蚀性能辊面体系的冷轧辊，能够显著提高冷轧辊的使用寿命。
所述表面激光熔覆涂层处于组织细小，均匀致密，无裂纹气孔等缺陷的理想状态，涂层与基体、涂层多道搭接以及层间搭接均实现冶金结合，涂层与基体结合强度高，可制备大厚度具有良好综合力学性能的辊面强化层。根据粉末特性和组分含量，使材料和激光工艺实现最佳匹配，涂层截面硬度自下而上呈梯度升高且变化平缓，截面维氏硬度达到HV750，熔覆层表层具有高的耐磨耐蚀性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高硬度梯度增强冷轧辊，其特征在于，包括冷轧辊基体和表面激光熔覆涂层，所述表面激光熔覆涂层设置为包括激光熔覆打底层、激光熔覆过渡层和激光熔覆工作层的梯度式结构，所述激光熔覆打底层、所述激光熔覆过渡层和所述激光熔覆工作层均包括致密的树枝晶和等轴晶；所述激光熔覆工作层中的等轴晶占有最高80％的比例；
所述激光熔覆打底层采用自熔性铁基合金粉末激光熔覆至所述冷轧辊基体的辊身和辊颈表面形成；所述自熔性铁基合金粉末的粒度为100目～270目，所述自熔性铁基合金粉末的合金质量百分比成分为：C：0.2％～0.3％，Cr：16.5％～17.5％，B：1.6％～1.8％，Si：1.2％～1.6％，Mo：1.8％～2.2％，其余为Fe；
所述激光熔覆过渡层采用过渡层增强合金粉末激光熔覆至所述自熔性铁基合金打底层表面形成；所述过渡层增强合金粉末的粒度为100目～270目，所述过渡层增强合金粉末的合金质量百分比成分为：CeO2：0.45％～0.55％，C：0.2％～0.3％，Cr：16.5％～17.5％，B：1.6％～1.8％，Si：1.2％～1.6％，Mo：1.8％～2.2％，其余为Fe；
所述激光熔覆工作层采用工作层增强合金粉末激光熔覆至所述增强合金过渡层表面形成；所述工作层增强合金粉末的粒度为100目～270目，所述工作层增强合金粉末的合金质量百分比成分为：CeO2：0.9％～1.1％，C：0.2％～0.3％，Cr：16.5％～17.5％，B：1.6％～1.8％，Si：1.2％～1.6％，Mo：1.8％～2.2％，其余为Fe。
2.如权利要求1所述的高硬度梯度增强冷轧辊，其特征在于，所述激光熔覆打底层厚度为1mm～1.5mm；所述激光熔覆过渡层厚度为1.5mm～2mm；所述激光熔覆工作层厚度为2mm～2.5mm。
3.一种表面激光熔覆涂层制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-2中任一项所述的高硬度梯度增强冷轧辊上的所述表面激光熔覆涂层，包括步骤；
S1，对所述冷轧辊基体进行预处理；
S2，采用光纤激光器及同步送粉装置将所述自熔性铁基合金粉末熔覆于所述冷轧辊基体的辊身和辊颈表面形成所述激光熔覆打底层；
S3，采用所述光纤激光器及所述同步送粉装置将所述过渡层增强合金粉末熔覆于所述激光熔覆打底层表面形成所述激光熔覆过渡层；
S4，采用所述光纤激光器及所述同步送粉装置将所述工作层增强合金粉末熔覆于所述激光熔覆过渡层表面形成所述激光熔覆工作层；
S5，对激光熔覆强化后的所述冷轧辊基体进行保温处理后冷却；
S6，对所述激光熔覆工作层表面进行磨削处理。
4.如权利要求3所述的表面激光熔覆涂层制备方法，其特征在于，所述步骤S1中所述预处理过程为，将低温回火后的所述冷轧辊基体表面打磨平整、清洁干净，然后对所述冷轧辊基体进行均匀预热，加热温度为180℃，加热时间为1h～2h。
5.如权利要求3所述的表面激光熔覆涂层制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的激光熔覆工艺参数为：所述光纤激光器的激光功率为1.5kW，扫描速度为100mm/min～120mm/min，所述同步送粉装置的送粉量为7g/min～8g/min；所述步骤S3中的激光熔覆工艺参数为：所述光纤激光器的激光功率为1.5kW，扫描速度为120mm/min～130mm/min，所述同步送粉装置的送粉量为11g/min～12g/min；所述步骤S4中的激光熔覆工艺参数为：所述光纤激光器的激光功率为1.5kW，扫描速度为130mm/min，所述同步送粉装置的送粉量为12g/min～13g/min。
6.如权利要求3所述的表面激光熔覆涂层制备方法，其特征在于，所述步骤S5中所述保温处理的保温温度为150℃～180℃，保温时间为2h～3h。
7.如权利要求3所述的表面激光熔覆涂层制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中还包括对所述激光熔覆过渡层的预热处理，所述预热处理完成后再进行所述激光熔覆工作层的激光熔覆；所述预热处理的预热温度为180℃。
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