CN110093580A

CN110093580A - 一种冶金辊表面复合耐磨合金涂层

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Publication number: CN110093580A
Application number: CN201910430628.8A
Authority: CN
Inventors: 陈道龙; 陈治鹏
Original assignee: MAANSHAN HENGTAI HEAVY INDUSTRY MACHINE Co Ltd
Current assignee: MAANSHAN HENGTAI HEAVY INDUSTRY MACHINE Co Ltd
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2019-08-06

Abstract

本发明提供一种冶金辊表面复合耐磨合金涂层，涉及冶金辊技术领域，包括冶金辊基体，冶金辊基体表面由内向外依次设置有内涂层和外涂层，内涂层原料为NiCrAl合金粉末和SiBCrFe合金粉末的混合物，外涂层原料为CrN粉末、Cr₃C₂粉末、WC‑Co‑Cr型粉末和BNi粉末的混合物，其中，WC‑Co‑Cr型粉末中Co和Cr的质量比为5:1，BNi粉末中还含有Cr、Si、Fe、P、C元素，其中各元素的质量百分比为Cr 5‑7％、Si 4‑6％、Fe 1.5‑3.5％、B 2.95‑3.75％、P 0.34‑0.87％、C 1.5‑2.4％，余量为Ni，本发明采用激光等离子复合热源喷涂技术分别将内涂层和外涂层的原料喷涂在基体表面，制得的涂层具有优异的抗磨损耐腐蚀性能，硬度大，并且该涂层与基体的结合强度大，孔隙率低，使用寿命长。

Description

一种冶金辊表面复合耐磨合金涂层

技术领域

本发明涉及冶金辊技术领域，具体涉及一种冶金辊表面复合耐磨合金涂层。

背景技术

目前，冶金行业普遍使用的冶金辊是采用合金工具钢，通过“炼钢+浇铸+热处理”、“炼钢+铸锭+锻造+热处理”获得的铸辊和锻辊，这种传统冶金辊最大的问题是表面磨损或掉块后只能通过一次补焊来进行修复，补焊金属与基体结合强度大大降低，因此生命周期比较短。在连续生产的前提下，每支辊的一次生命周期(即没有修复前)只有3-6天时间，算上修复后的生命周期不超过10天。但是，这种整体合金工具钢制造的冶金辊的成本却比较高，使得企业生产的吨钢成本大幅度上升。

表面涂层技术以其“低成本、高成效”的优势在诸多表面工程防护技术中脱颖而出，在世界工业各领域推广开来。该技术是在被防护基质材料表面上涂敷保护涂层，通过涂敷层特有的材料成分、组织结构和应力状况分布等达到改善基质材料性能或赋予其特殊功能的目的。

现有技术中，通常采用激光熔化注射技术将一些硬质耐磨颗粒注射到冶金辊的基体表面，通过激光束的照射使颗粒和基体熔化，从而获得耐磨涂层，但是通常情况下，单种粉末颗粒的形成的涂层与基体的结合力不强，容易出现裂纹甚至脱落等现象，因此，提供一种可以提高冶金辊表面耐磨性能的涂层，该涂层又可以与基体的结合力好，避免出现裂纹或脱落现象，是本领域目前发展亟待解决的技术问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种冶金辊表面复合耐磨合金涂层，该涂层具有优异的抗磨损耐腐蚀性能，硬度大，并且该涂层与基体的结合强度大，孔隙率低，使用寿命长。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种冶金辊表面复合耐磨合金涂层，包括冶金辊基体，冶金辊基体表面由内向外依次设置有内涂层和外涂层，内涂层原料为NiCrAl合金粉末和SiBCrFe合金粉末的混合物，外涂层原料为CrN粉末、Cr₃C₂粉末、WC-Co-Cr型粉末和BNi粉末的混合物，其中，WC-Co-Cr型粉末中Co和Cr的质量比为5:1。

进一步的，BNi粉末中还含有Cr、Si、Fe、P、C元素，其中各元素的质量百分比为Cr5-7％、Si4-6％、Fe1.5-3.5％、B2.95-3.75％、P0.34-0.87％、C1.5-2.4％，余量为Ni。

进一步的，内涂层原料中，NiCrAl合金粉末和SiBCrFe合金粉末的质量比为3-7:2-1。

进一步的，外涂层原料CrN粉末、Cr₃C₂粉末、WC-Co-Cr型粉末和BNi粉末的百分含量为CrN粉末15-30％、Cr₃C₂粉末20-40％、WC-Co-Cr型粉末25-35％、BNi粉末18-33％。

上述冶金辊表面复合耐磨合金涂层的制备方法包括以下步骤：

1)基体表面预处理：用钢丝刷浸蘸无水乙醇或丙酮清洗基材表面，去除表面油污、锈斑及氧化皮，使基体表面保持清洁，对基体表面进行喷砂粗化，使基体表面形成均匀的毛化面，有利于喷涂粒子与基体表面更好的嵌合，增大涂层与基材结合的面积，使基体表面活化，有助于喷涂曾与基体表面实现物理与化学结合。

2)粉末预处理：将内外涂层所需原料按照比例各自混合均匀，混合均匀后将混合粉末置于100℃的电热炉中保温2h，使其干燥去湿，增强粉末喷涂流动性。

3)采用激光等离子复合热源喷涂技术分别将内涂层和外涂层的原料喷涂在基体表面，同时采用低功率激光束照射等离子喷射流中心点，喷涂完成后，加大激光器发射功率，利用高能量密度激光束对基体及涂层进行激光二次重熔，实现涂层与基体粘合。

进一步的，步骤3)中，激光能量密度为290-330W/cm²，扫面间距为2.3-3.5mm，喷涂距离为90-110mm，喷涂速度为290-310mm/s，复合喷涂角度为45°。

进一步的，涂层厚度为1.5-2.5mm。

(三)有益效果

本发明提供了一种冶金辊表面复合耐磨合金涂层，该涂层具有优异的耐磨性能，NiCrAl合金粉末和SiBCrFe合金粉末为粘结相，可提高涂层与基体的结合强度，从而提高整体涂层使用性能及使用寿命；CrN粉末、Cr₃C₂粉末、WC-Co-Cr型粉末和BNi粉末的混合物作为外涂层，可显著提高涂层的硬度以及耐磨损耐腐蚀性能。

其中，镍具有良好的耐腐蚀、抗氧化特性，向镍中加入磷、硅、硼等元素可以降低熔点和提高热强度，磷元素可以降低镍的熔点，但磷过量会导致脆性化合物的生成，因此，本发明BNi中磷元素的含量为最优含量，既可以降低熔点，使涂层与机体的熔合效果更好，又可避免生成脆性化合物降低涂层强度，镍与硼、碳相互作用时，形成硬度较高的化合物，可以提高涂层硬度。

采用激光等离子复合热源喷涂技术将内外涂层原料分别喷涂在基体上，喷涂粒子同时受等离子焰流和激光热源的双重加热，熔融更充分，基体与喷涂粒子间为液液面接触，可有效提升涂层结合强度，降低涂层孔隙率。

本发明涂层厚度为1.5-2.5mm，涂层厚度小，则涂层效用不大，涂层厚度过大，由于涂层与基体之间的硬度值差异以及热膨胀系数差异，可能导致裂纹的产生，使涂层强度降低，使用寿命短，因此本发明涂层厚度为1.5-2.5mm，使涂层强度最大化，并提高使用寿命。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种冶金辊表面复合耐磨合金涂层，包括冶金辊基体，冶金辊基体表面由内向外依次设置有内涂层和外涂层，内涂层原料为NiCrAl合金粉末和SiBCrFe合金粉末的混合物，其质量比为5:2，外涂层原料为CrN粉末、Cr₃C₂粉末、WC-Co-Cr型粉末和BNi粉末的混合物，各个原料的质量百分含量为CrN粉末28％、Cr₃C₂粉末20％、WC-Co-Cr型粉末32％、BNi粉末20％，其中，WC-Co-Cr型粉末中Co和Cr的质量比为5:1，BNi粉末中还含有Cr、Si、Fe、P、C元素，各元素的质量百分比为Cr7％、Si4％、Fe3％、B2.95％、P0.78％、C1.5％，余量为Ni。

1)基体表面预处理：用钢丝刷浸蘸无水乙醇或丙酮清洗基材表面，去除表面油污、锈斑及氧化皮，使基体表面保持清洁，对基体表面进行喷砂粗化，使基体表面形成均匀的毛化面；

2)粉末预处理：将内外涂层所需原料按照比例各自混合均匀，混合均匀后将混合粉末置于100℃的电热炉中保温2h；

3)采用激光等离子复合热源喷涂技术分别将内涂层和外涂层的原料喷涂在基体表面，同时采用低功率激光束照射等离子喷射流中心点，喷涂完成后，加大激光器发射功率，利用高能量密度激光束对基体及涂层进行激光二次重熔，实现涂层与基体粘合。其中，激光能量密度为300W/cm²，扫面间距为2.5mm，喷涂距离为95mm，喷涂速度为200mm/s，复合喷涂角度为45°，涂层厚度为2mm。

实施例2：

一种冶金辊表面复合耐磨合金涂层，包括冶金辊基体，冶金辊基体表面由内向外依次设置有内涂层和外涂层，内涂层原料为NiCrAl合金粉末和SiBCrFe合金粉末的混合物，其质量比为3-7:2-1，外涂层原料为CrN粉末、Cr₃C₂粉末、WC-Co-Cr型粉末和BNi粉末的混合物，各个原料的质量百分含量为CrN粉末20％、Cr₃C₂粉末35％、WC-Co-Cr型粉末26％、BNi粉末19％，其中，WC-Co-Cr型粉末中Co和Cr的质量比为5:1，BNi粉末中还含有Cr、Si、Fe、P、C元素，各元素的质量百分比为Cr6％、Si6％、Fe2％、B3.75％、P0.52％、C2.5％，余量为Ni。

3)采用激光等离子复合热源喷涂技术分别将内涂层和外涂层的原料喷涂在基体表面，同时采用低功率激光束照射等离子喷射流中心点，喷涂完成后，加大激光器发射功率，利用高能量密度激光束对基体及涂层进行激光二次重熔，实现涂层与基体粘合。其中，激光能量密度为310W/cm²，扫面间距为2.8mm，喷涂距离为90mm，喷涂速度为290mm/s，复合喷涂角度为45°，涂层厚度为1.5mm。

实施例3：

一种冶金辊表面复合耐磨合金涂层，包括冶金辊基体，冶金辊基体表面由内向外依次设置有内涂层和外涂层，内涂层原料为NiCrAl合金粉末和SiBCrFe合金粉末的混合物，其质量比为3-7:2-1，外涂层原料为CrN粉末、Cr₃C₂粉末、WC-Co-Cr型粉末和BNi粉末的混合物，各个原料的质量百分含量为CrN粉末15％、Cr₃C₂粉末33％、WC-Co-Cr型粉末25％、BNi粉末27％，其中，WC-Co-Cr型粉末中Co和Cr的质量比为5:1，BNi粉末中还含有Cr、Si、Fe、P、C元素，各元素的质量百分比为Cr5％、Si5％、Fe1.5％、B3.56％、P0.34％、C2.2％，余量为Ni。

3)采用激光等离子复合热源喷涂技术分别将内涂层和外涂层的原料喷涂在基体表面，同时采用低功率激光束照射等离子喷射流中心点，喷涂完成后，加大激光器发射功率，利用高能量密度激光束对基体及涂层进行激光二次重熔，实现涂层与基体粘合。其中，激光能量密度为320W/cm²，扫面间距为3mm，喷涂距离为100mm，喷涂速度为310mm/s，复合喷涂角度为45°，涂层厚度为2.5mm。

实施例4：

一种冶金辊表面复合耐磨合金涂层，包括冶金辊基体，冶金辊基体表面由内向外依次设置有内涂层和外涂层，内涂层原料为NiCrAl合金粉末和SiBCrFe合金粉末的混合物，其质量比为3-7:2-1，外涂层原料为CrN粉末、Cr₃C₂粉末、WC-Co-Cr型粉末和BNi粉末的混合物，各个原料的质量百分含量为CrN粉末30％、Cr₃C₂粉末22％、WC-Co-Cr型粉末30％、BNi粉末18％，其中，WC-Co-Cr型粉末中Co和Cr的质量比为5:1，BNi粉末中还含有Cr、Si、Fe、P、C元素，各元素的质量百分比为Cr7％、Si4％、Fe3.5％、B3.02％、P0.87％、C1.8％，余量为Ni。

3)采用激光等离子复合热源喷涂技术分别将内涂层和外涂层的原料喷涂在基体表面，同时采用低功率激光束照射等离子喷射流中心点，喷涂完成后，加大激光器发射功率，利用高能量密度激光束对基体及涂层进行激光二次重熔，实现涂层与基体粘合。其中，激光能量密度为290W/cm²，扫面间距为2.4mm，喷涂距离为110mm，喷涂速度为295mm/s，复合喷涂角度为45°，涂层厚度为2mm。

实施例5：

一种冶金辊表面复合耐磨合金涂层，包括冶金辊基体，冶金辊基体表面由内向外依次设置有内涂层和外涂层，内涂层原料为NiCrAl合金粉末和SiBCrFe合金粉末的混合物，其质量比为3-7:2-1，外涂层原料为CrN粉末、Cr₃C₂粉末、WC-Co-Cr型粉末和BNi粉末的混合物，各个原料的质量百分含量为CrN粉末18％、Cr₃C₂粉末21％、WC-Co-Cr型粉末28％、BNi粉末33％，其中，WC-Co-Cr型粉末中Co和Cr的质量比为5:1，BNi粉末中还含有Cr、Si、Fe、P、C元素，各元素的质量百分比为Cr6％、Si5％、Fe2.6％、B3％、P0.5％、C2％，余量为Ni。

3)采用激光等离子复合热源喷涂技术分别将内涂层和外涂层的原料喷涂在基体表面，同时采用低功率激光束照射等离子喷射流中心点，喷涂完成后，加大激光器发射功率，利用高能量密度激光束对基体及涂层进行激光二次重熔，实现涂层与基体粘合。其中，激光能量密度为330W/cm²，扫面间距为2.7mm，喷涂距离为105mm，喷涂速度为305mm/s，复合喷涂角度为45°，涂层厚度为2mm。

实施例6：

一种冶金辊表面复合耐磨合金涂层，包括冶金辊基体，冶金辊基体表面由内向外依次设置有内涂层和外涂层，内涂层原料为NiCrAl合金粉末和SiBCrFe合金粉末的混合物，其质量比为3-7:2-1，外涂层原料为CrN粉末、Cr₃C₂粉末、WC-Co-Cr型粉末和BNi粉末的混合物，各个原料的质量百分含量为CrN粉末17％、Cr₃C₂粉末40％、WC-Co-Cr型粉末25％、BNi粉末18％，其中，WC-Co-Cr型粉末中Co和Cr的质量比为5:1，BNi粉末中还含有Cr、Si、Fe、P、C元素，各元素的质量百分比为Cr5％、Si6％、Fe3.5％、B3.75％、P0.66％、C2.3％，余量为Ni。

3)采用激光等离子复合热源喷涂技术分别将内涂层和外涂层的原料喷涂在基体表面，同时采用低功率激光束照射等离子喷射流中心点，喷涂完成后，加大激光器发射功率，利用高能量密度激光束对基体及涂层进行激光二次重熔，实现涂层与基体粘合。其中，激光能量密度为300W/cm²，扫面间距为3.5mm，喷涂距离为100mm，喷涂速度为300mm/s，复合喷涂角度为45°，涂层厚度为2.5mm。

对本发明实施例1-6制备的复合耐磨合金涂层进行性能测试，其结果如表1所示。

表1：

组别	显微硬度/HV	摩擦系数	结合强度/MPa	孔隙率/％
					实施例1	2637.5	0.79±0.03	65	2.6
实施例2	2865.9	0.85±0.05	78	2
					实施例3	2795.1	0.88±0.06	73	1.8
实施例4	2748.6	0.75±0.04	69	2.5
					实施例5	2786.2	0.82±0.02	77	1.9
实施例6	2834.8	0.80±0.09	81	2.2

综上，本发明实施例具有如下有益效果：本发明实施例1-6制得的涂层具有优异的抗磨损耐腐蚀性能，硬度大，并且该涂层与基体的结合强度大，孔隙率低，使用寿命长。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种冶金辊表面复合耐磨合金涂层，包括冶金辊基体，冶金辊基体表面由内向外依次设置有内涂层和外涂层，其特征在于，所述内涂层原料为NiCrAl合金粉末和SiBCrFe合金粉末的混合物，所述外涂层原料为CrN粉末、Cr₃C₂粉末、WC-Co-Cr型粉末和BNi粉末的混合物，其中，WC-Co-Cr型粉末中Co和Cr的质量比为5:1。

2.如权利要求1所述的冶金辊表面复合耐磨合金涂层，其特征在于，BNi粉末中还含有Cr、Si、Fe、P、C元素，其中各元素的质量百分比为Cr 5-7％、Si 4-6％、Fe 1.5-3.5％、B2.95-3.75％、P 0.34-0.87％、C 1.5-2.4％，余量为Ni。

3.如权利要求1所述的冶金辊表面复合耐磨合金涂层，其特征在于，内涂层原料中，NiCrAl合金粉末和SiBCrFe合金粉末的质量比为3-7:2-1。

4.如权利要求1所述的冶金辊表面复合耐磨合金涂层，其特征在于，外涂层原料CrN粉末、Cr₃C₂粉末、WC-Co-Cr型粉末和BNi粉末的百分含量为CrN粉末15-30％、Cr₃C₂粉末20-40％、WC-Co-Cr型粉末25-35％、BNi粉末18-33％。

5.如权利要求1-4任一项所述的冶金辊表面复合耐磨合金涂层，其特征在于，该涂层的制备方法包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的冶金辊表面复合耐磨合金涂层，其特征在于，步骤3)中，激光能量密度为290-330W/cm²，扫面间距为2.3-3.5mm，喷涂距离为90-110mm，喷涂速度为290-310mm/s，复合喷涂角度为45°。

7.如权利要求5所述的冶金辊表面复合耐磨合金涂层，其特征在于，所述涂层厚度为1.5-2.5mm。