CN109778186A

CN109778186A - 一种用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆合金材料及其制造方法

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Publication number: CN109778186A
Application number: CN201910227485.0A
Authority: CN
Inventors: 张金涛; 杨佳才; 陈海涛
Original assignee: Beijing Dalu Tianrui Laser Engineering Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Dalu Tianrui Laser Engineering Technology Co Ltd
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明属于激光熔覆复合制造技术领域，特别涉及板材连轧线层流冷却辊道激光熔覆合金材料及其制造方法。一种用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆合金材料，由以下组分按质量百分数组成：硼铁合金粉末：3‑10%、钒合金粉末：8‑15%、镍铌合金粉末：3‑5%、铁基合金粉末：余量。其中硼铁合金粉末，由B、Al、Si、C、Fe组成，钒合金粉末由C、N、V组成，镍铌合金粉末由Nb、Ta、Al、Ni组成，铁基粉末由C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Fe组成。通过本发明在板材连轧线层流冷却辊道上制备出的熔覆层，具有结合性能优异、抗磨损、抗冲击、热障、抗氧化、防腐蚀、抗结瘤、抗粘结等优势。

Description

一种用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆合金材料及其制造方法

技术领域

本发明属于激光熔覆复合制造技术领域，特别涉及板材连轧线层流冷却辊道激光熔覆合金材料及其制造方法。

背景技术

板材连轧线层流冷却辊道是热轧层流冷却系统的重要装备之一,位于精轧出口到卷取机前的层流冷却阶段,是提供带钢输送的传动设备。层流冷却辊在工作中与高温带钢直接接触,要求辊道表面具有抗磨损、抗冲击、热障、抗氧化、防腐蚀、抗结瘤、抗粘结等性能要求。在实际生产中因磨损导致表面质量恶化直接影响着生产效率、产品质量及生产成本。传统采用Ni60自熔金金粉末进行热喷涂、喷焊、感应重熔等工艺方法提高层流冷却辊的表面性能,但无论是在加工工艺及使用性能上均存涂层结合力、抗冲击性与致密性不足的问题。激光熔覆技术复合作为一种新兴的表面处理技术,可以在廉价的基材表面制备出具有优异性能的冶金结合涂层，但采用Ni60自熔金金粉末直接进行激光熔覆，熔覆裂纹问题将难以控制与解决。利用激光熔覆快速冶金, 在板材连轧线层流冷却辊道上制备结合性能优异，抗磨损、抗冲击、热障、抗氧化、防腐蚀、抗结瘤、抗粘结涂层,将建立一种强化和制造层流冷却辊的新工艺方法,显著提高其使用性能与服役寿命。

发明内容

针对现有技术存在的问题及层流冷却辊表面性能要求，本发明的核心内容是采用激光熔覆快速原位冶金技术在板材连轧线层流冷却辊道上制备结合性能优异、抗磨损、抗冲击、热障、抗氧化、防腐蚀、抗结瘤、抗粘结的熔覆层。

一种用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆合金材料，由以下组分按质量百分数组成：硼铁合金粉末：3-10%、钒合金粉末：8-15%、镍铌合金粉末：3-5%、铁基合金粉末：余量。

所述硼铁合金粉末，其特征在于，各组分质量百分数为：B：20-24%、Al：1.2-2%、Si：1.5-2%、C：＜0.1%、Fe 余量。

所述钒合金粉末，其特征在于，各组分质量百分数为：C：10-12%，N：＞6.0%，V 余量。

所述镍铌合金粉末，其特征在于，各组分质量百分数为：Nb：59-60%，Ta：0.2-0.6%，Al：0.3-05%，Ni 余量。

所述铁基粉末，其特征在于，各组分质量百分数为：C：≤0.08%，Si≤1.0%，Mn：≤2.0%，Cr：15-18%，Ni：3-5%，Mo：2-4%，Fe 余量。

其中，各合金粉末粒度范围：30μm-100μm。

一种用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆工艺方法，包括以下步骤：

（1）辊道预处理

对板材连轧线层流冷却辊道表面进行除油、除锈处理，探伤法检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂；

（2）粉末配置

按照以下组分质量百分数配置粉末：硼铁合金粉末：3-10%、钒合金粉末：8-15%、镍铌合金粉末：3-5%、铁基合金粉末：余量；

（3）激光熔覆

选用光纤激光器，采用气载同步送粉装置将配置的合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿指定方向进给；

具体参数：激光功率P＝2000～4000W，聚焦矩形光斑尺寸：长*宽=（2.5-3.5）*（1-1.5）mm，扫描速度V＝1000～3500mm/min，搭接率40～50％，涂层厚度：1～2mm；

熔覆过程中采用N₂气保护；

（4）时效硬化热处理。

所述用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆工艺方法，其特征在于，N₂气保护熔覆过程中保护气量为15-30L/min，N₂气纯度大于等于99.99%。

所述板材连轧线层流冷却辊道，其特征在于，其基体为碳钢或低合金结构钢，含碳量为0.1-0.4%。

所述时效硬化热处理，其特征在于，时效温度为500-600摄氏度，时效时间为4-6小时。

本发明的原理是：利用高能激光束辐照及快速凝固技术，在板材连轧线层流冷却辊道上熔覆制备合成特定成分的合金，在上述条件下冶金合成的合金相组成为新亚稳相组织与细小、弥散分布的碳化物、氮化物及硼化物。在经过时效析出硬化及组织稳定化热处理后合金层将具有抗磨损、抗冲击、热障、抗氧化、防腐蚀、抗结瘤、抗粘结的特性。

与现有技术相比，本发明的优势和特点是：

（1）本发明采用硼铁合金粉末、钒合金粉末、镍铌合金粉末和铁基合金粉末配比得到最终的激光熔覆合金材料，相比于单质元素的直接配比，可以减少激光熔覆过程中单质元素的烧损，有利于原位冶金反应成分的均匀，避免合金成分的偏析；也可以降低合金的熔点，使高熔点的元素容易参与冶金反应，也有利于与基体形成牢固的冶金结合；同时在特定的激光工艺参数作用下不仅各个中间合金自身会发生反应，而且各个中间合金之间也会相互作用，彼此提供各自需要的合金元素，形成新的组织与强化相，并通过合适的热处理生成特定形态与分布的组织和强化相，使熔覆层的性能进一步提高，解决了传统热喷涂、喷焊、感应重熔等工艺方法涂层与基体结合力差、抗冲击性差、组织稀松且焊层易剥落等问题。

（2）加入3-10%的硼铁合金可以强化熔覆层内的晶界，细化晶粒，提高熔覆层的抗氧化性能；但过多的硼铁合金（＞10%）加入会降低熔覆层的韧性，使熔覆层的抗冲击性能下降；硼铁合金过少（＜3%）则会引起熔覆层内的夹杂和气孔等缺陷，过多造成熔覆层性能下降，同时抗氧化性能下降。

（3）8-15%钒合金的加入可以在熔覆过程不仅可以获得更加细小的碳化物，而且可以使后续热处理的硬度再次提升，从而提高熔覆层在使用过程中的耐磨性及高温红硬性，避免在与高温的钢板接触时产生粘钢和结瘤；若钒合金加入量超过15%会使熔覆层的脆性增加，同时也更容易在熔覆过程中出现时效裂纹；加入量过少会使后续二次硬化时的硬度降低，使用过程中的红硬性下降，易出现粘钢和结瘤现象，而且会降低镍铌合金在熔覆层中起的作用；因此钒合金加入量需严格控制。

（4）3-5%镍铌合金的加入可形成高温下更稳定，硬度更高的碳化物，在熔覆过程中也是有效的形核质点，可以阻止初始奥氏体晶粒的长大起到细晶强化的作用，进而提高熔覆层的抗蠕变性能，可避免熔覆层在高温下出现疲劳裂纹，同时镍铌合金的加入进一步提高了熔覆层的抗氧化能力，另一方面降低了熔覆层后续热处理的回火脆性，降低热处理难度。但镍铌合金的加入过多，会影响钒合金中元素在熔覆层内起的作用，不利于熔覆层的整体性能；过少则不能发挥镍铌合金在熔覆层中所起的作用。

（5）采用适量的N₂保护可以保证和提高合金中的氮的含量，充分发挥N元素对钒合金、镍铌合金及铁基粉末的作用，生成特定的细小弥散N化物，同时有利于后续热处理的二次硬化，提高使用过程耐磨性。

（6）层流冷却辊道连续在线使用一年后熔覆层厚度减小量小于1mm，没有出现类似喷涂Ni60使用过程中的剥落现象，抗氧化性能良好，使用过程中没有出现粘钢，结瘤等现象，下线后经探伤后表面没有裂纹，使用寿命比原辊道提高1倍，生产作业率提高10%以上，节约成本200万以上。

具体实施方式

实施例1。

（1）板材连轧线层流冷却辊道表面预处理。

室温下对板材连轧线层流冷却辊道表面进行除油、除锈处理。用着色探伤法对待加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

（2）合金粉末配制。

合金粉末：硼铁合金粉末：3%、钒合金：8%、镍铌合金：3%、铁基合金粉末86%。

硼铁合金粉末成份：B：20-24%、Al：1.2-2%、Si：1.5-2%、C：＜0.1%、Fe 余量。

钒合金成份：Nb：59-60%，Ta：0.2-0.6%，Al：0.3-05%，Ni 余量。

镍铌合金成份： Nb ：59-60%、Ta： 0.2-0.6%，AL： 0.3-0.5%，Ni 余量。

铁基粉末：C：≤0.08%，Si≤1.0%，Mn：≤2.0%，Cr：15-18%，Ni：3-5%，Mo：2-4%，Fe 余量。

合金粉末粒度范围：30μm-100μm。

（3）板材连轧线层流冷却辊道激光快速冶金熔覆制造。

选用光纤激光器，工作台为数控激光加工机，采用气载同步送粉装置将配置的合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿指定方向进给，形成均匀致密的功能层。在激光熔覆快速冶金制造过程中采用N₂气保护，气量15L/min，N₂纯度大于等99.99%。层流冷却辊道基体为碳钢或低合金结构钢，含碳量为0.1-0.4%。

激光熔覆快速冶金工艺参数为：激光功率P＝2000W、聚焦矩形光斑尺寸：长*宽=2.5*1mm、扫描速度V＝1000mm/min、搭接率40～50％、涂层厚度：1mm。

（4）时效硬化热处理。

在加热保温炉中对板材连轧线层流冷却辊道进行时效硬化热处理，时效温度为540摄氏度，时效时间为6小时。

实施例2。

（1）板材连轧线层流冷却辊道表面预处理。

（2）合金粉末配制。

合金粉末：硼铁合金粉末：7%，钒合金：11%,镍铌合金：4%，铁基合金粉末78%。

钒合金成份：Nb：59-60%，Ta：0.2-0.6%，Al：0.3-05%，Ni 余量。

合金粉末粒度范围：30μm-100μm。

（3）板材连轧线层流冷却辊道激光快速冶金熔覆制造。

选用光纤激光器，工作台为数控激光加工机，采用气载同步送粉装置将配置的合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿指定方向进给，形成均匀致密的功能层。在激光熔覆快速冶金制造过程中采用N₂气保护，气量20L/min，N₂纯度大于等99.99%。层流冷却辊道基体为碳钢或低合金结构钢，含碳量为0.1-0.4%。

激光熔覆快速冶金工艺参数为：激光功率P＝3000W、聚焦矩形光斑尺寸：长*宽=3*1.5mm、扫描速度V＝1500mm/min、搭接率40～50％、涂层厚度：1.5mm。

（4）时效硬化热处理。

实施例3。

（1）板材连轧线层流冷却辊道表面预处理。

（2）合金粉末配制。

合金粉末：硼铁合金粉末：10%、钒合金：15%、镍铌合金：5%、铁基合金粉末70%。

钒合金成份：Nb：59-60%，Ta：0.2-0.6%，Al：0.3-05%，Ni 余量。

合金粉末粒度范围：30μm-100μm。

（3）板材连轧线层流冷却辊道激光快速冶金熔覆制造。

选用光纤激光器，工作台为数控激光加工机，采用气载同步送粉装置将配置的合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿指定方向进给，形成均匀致密的功能层。在激光熔覆快速冶金制造过程中采用N₂气保护，量30L/min，N₂纯度大于等99.99%。层流冷却辊道基体为碳钢或低合金结构钢，含碳量为0.1-0.4%。

激光熔覆快速冶金工艺参数为：激光功率P＝3000W、聚焦矩形光斑尺寸：长*宽=3.5*1.5mm、扫描速度V＝2000mm/min、搭接率40～50％、涂层厚度：2mm。

（4）时效硬化热处理。

在加热保温炉中对板材连轧线层流冷却辊道进行时效硬化热处理，时效温度为560摄氏度，时效时间为6小时。

实施例4-6。

实施例各组分配比如下表：

其他工艺条件与参数与实施例2保持一致。

经对上述实施例制备的产品检测，发现实施例2的综合效果最佳。通过对上述本发明制造的一系列层流辊道进行检测发现其表面硬度可达HRC60以上；通过跟踪发现，本发明制造后的层流辊道连续在线使用一年后熔覆层厚度减小量小于1mm，没有出现类似喷涂Ni60使用过程中的剥落现象，抗氧化性能良好，使用过程中没有出现粘钢，结瘤等现象，下线后经探伤后表面没有裂纹，使用寿命比原辊道提高1倍，生产作业率提高10%以上，每年节约成本200万以上。

Claims

1.一种用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆合金材料，由以下组分按质量百分数组成：硼铁合金粉末：3-10%、钒合金粉末：8-15%、镍铌合金粉末：3-5%、铁基合金粉末：余量。

2.根据权利要求1所述的用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆合金材料，其特征在于，所述硼铁合金粉末各组分质量百分数为：B：20-24%、Al：1.2-2%、Si：1.5-2%、C：＜0.1%、Fe 余量。

3.根据权利要求1所述的用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆合金材料，其特征在于，所述钒合金粉末各组分质量百分数为：C：10-12%，N：＞6.0%，V 余量。

4.根据权利要求1所述的用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆合金材料，其特征在于，所述镍铌合金粉末各组分质量百分数为：Nb：59-60%，Ta：0.2-0.6%，Al：0.3-05%，Ni余量。

5.根据权利要求1所述的用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆合金材料，其特征在于，所述铁基粉末各组分质量百分数为：C：≤0.08%，Si≤1.0%，Mn：≤2.0%，Cr：15-18%，Ni：3-5%，Mo：2-4%，Fe 余量。

6.根据权利要求1-5任一所述的用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆合金材料，其特征在于，所述各合金粉末粒度范围：30um-100um。

7.一种用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆工艺方法，包括以下步骤：

（1）辊道预处理

（2）粉末配置

（3）激光熔覆

熔覆过程中采用N₂气保护；

（4）时效硬化热处理。

8.根据权利要求7所述的用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆工艺方法，其特征在于，N₂气保护熔覆过程中保护气量为15-30L/min，N₂气纯度大于等于99.99%。

9.据权利要求7所述的用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆工艺方法，其特征在于，所述板材连轧线层流冷却辊道为碳钢或低合金结构钢，含碳量为0.1-0.4%。

10.据权利要求7所述的用于板材连轧线层流冷却辊道的激光熔覆工艺方法，其特征在于，所述时效硬化热处理温度为500-600℃，时间为4-6小时。