CN110144586B - 一种连铸足辊的制备方法 - Google Patents

一种连铸足辊的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种连铸足辊的制备方法，属于金属表面工程技术领域。所述制备方法包括以下步骤：在芯轴两端的轴承位激光熔覆锡铅青铜合金粉末，形成锡铅青铜合金轴套，得到带有锡铅青铜合金轴套的芯轴；所述锡铅青铜合金粉末包括以下质量百分含量的组分：Sn 4.0～6.0％，Pb 18～23％，Zn 1.6～2.0％，P 1.0～1.5％，Ni 2.3～2.5％和余量的Cu；将所述带有锡铅青铜合金轴套的芯轴与辊体进行装配，得到连铸足辊。采用本发明方法制得的连铸足辊，上线使用寿命达到采用滚动轴承方式的传统连铸足辊的3～5倍。

Description

一种连铸足辊的制备方法
技术领域
本发明涉及金属表面工程技术领域，尤其涉及一种连铸足辊的制备方法。
背景技术
连铸辊是各板坯连铸设备的关键备件之一，其作用主要是控制铸坯的引导、冷却、驱动和成型。连铸坯出结晶器的温度一般在1200℃，连铸辊与铸坯接触的最高温度可达到近600℃。连铸辊在工作中要承受高温钢坯的高温磨损、钢坯重量载荷、喷淋冷却水的冷热疲劳、高温潮湿气体的氧化腐蚀，经过一段时间就会由于烧损、磨损和氧化等原因而失效。
在连铸线各处辊道中，足辊属于0段辊，最靠近结晶器，这时钢坯温度最高，而且由于足辊没有水道，无法有效降温，使得足辊往往早期失效。经过统计，其中绝大部分足辊的早期失效是由于足辊中的滚动轴承在高温钢坯烘烤下产生热粘连和热变形而引起轴承失效，导致足辊无法正常转动，致使辊面出现局部磨损、烧蚀而失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连铸足辊的制备方法，利用激光在芯轴表面熔覆锡铅青铜合金，制备锡铅青铜合金轴套替代传统滚动轴承足辊，使得其可承受更高的工作温度，更好适应足辊的高温工况，满足了足辊长寿命的工作需要。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种连铸足辊的制备方法，包括以下步骤：
在芯轴两端的轴承位激光熔覆锡铅青铜合金粉末，形成锡铅青铜合金轴套，得到带有锡铅青铜合金轴套的芯轴；所述锡铅青铜合金粉末包括以下质量百分含量的组分：Sn4.0～6.0％，Pb 18～23％，Zn 1.6～2.0％，P 1.0～1.5％，Ni 2.3～2.5％和余量的Cu；
将所述带有锡铅青铜合金轴套的芯轴与辊体进行装配，得到连铸足辊。
优选的，所述芯轴和辊体的材质为40Cr。
优选的，所述激光熔覆的功率为3000～3300W，扫描速度为1200～1500mm/min。
优选的，所述激光熔覆的搭接率为30～50％。
优选的，所述激光熔覆的激光光斑的直径为3mm。
优选的，所述锡铅青铜合金轴套的厚度为18～22mm。
优选的，所述激光熔覆为多层激光熔覆，单层激光熔覆层的厚度为1.6～2.2mm。
优选的，所述锡铅青铜合金粉末的粒径为135～325目。
优选的，激光熔覆锡铅青铜合金粉末前，还包括对所述芯轴两端的轴承位进行清洗。
优选的，所述装配前，还包括对锡铅青铜合金轴套进行检测和机加工。
本发明提供了一种连铸足辊的制备方法，包括以下步骤：在芯轴两端的轴承位激光熔覆锡铅青铜合金粉末，形成锡铅青铜合金轴套，得到带有锡铅青铜合金轴套的芯轴；所述锡铅青铜合金粉末包括以下质量百分含量的组分：Sn4.0～6.0％，Pb 18～23％，Zn 1.6～2.0％，P 1.0～1.5％，Ni 2.3～2.5％和余量的Cu；将所述带有锡铅青铜合金轴套的芯轴与辊体进行装配，得到连铸足辊。本发明采用激光熔覆技术，利用锡铅青铜合金粉末制得的熔覆层形成锡铅青铜合金轴套，组织致密，晶粒细化，具有高于滚动轴承更高的熔点、高温软化点等，因此能更好适应足辊的高温工况，满足足辊长寿命的工作需要。采用本发明方法制得的连铸足辊，上线使用寿命达到采用滚动轴承方式的传统连铸足辊的3～5倍。
此外，与传统工艺的整体铜轴套相比，本发明在40Cr钢基上激光熔覆锡铅青铜合金粉末，制得钢基锡铅青铜合金轴套，替代原来的整体铜轴套，不但降低了成本，而且提高了轴套强度和耐热温度。
具体实施方式
本发明提供了一种连铸足辊的制备方法，包括以下步骤：
在芯轴两端的轴承位激光熔覆锡铅青铜合金粉末，形成锡铅青铜合金轴套，得到带有锡铅青铜合金轴套的芯轴；所述锡铅青铜合金粉末包括以下质量百分含量的组分：Sn4.0～6.0％，Pb 18～23％，Zn 1.6～2.0％，P 1.0～1.5％，Ni 2.3～2.5％和余量的Cu；
将所述带有锡铅青铜合金轴套的芯轴与辊体进行装配，得到连铸足辊。
本发明在所述芯轴两端的轴承位激光熔覆锡铅青铜合金粉末，形成锡铅青铜合金轴套，得到带有锡铅青铜合金轴套的芯轴。
在本发明中，所述芯轴两端的轴承位指的是芯轴两端对应卡合轴承的位置。在本发明中，所述锡铅青铜合金轴套的位置优选与轴承对应的区域完全重合或在不影响使用的前提下稍大于轴承对应的区域。鉴于成本考虑，本发明更优选锡铅青铜合金轴套的位置与轴承对应的区域完全重合。在本发明中，所述芯轴的材质优选为40Cr。本发明对所述芯轴的加工方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的芯轴的加工方式即可。在本发明中，所述40Cr基材的形状优选为棒材。本发明选用40Cr制作芯轴，得到的芯轴的综合机械性能好。
在本发明中，所述激光熔覆的功率优选为3000～3300W，更优选为3100～3200W；扫描速度优选为1200～1500mm/min，更优选为1300～1400mm/min；搭接率优选为30～50％，更优选为35～45％；激光光斑的直径优选为3mm。本发明将激光熔覆的参数控制在上述范围，有利于得到组织致密、晶粒细化的锡铅青铜合金熔覆层，即锡铅青铜合金轴套。在本发明中，所述激光熔覆采用的设备优选为连续光纤激光器。
在本发明中，所述锡铅青铜合金粉末包括以下质量百分含量的组分：Sn4.0～6.0％，Pb 18～23％，Zn 1.6～2.0％，P 1.0～1.5％，Ni 2.3～2.5％和余量的Cu，进一步优选包括：Sn4.5％，Pb 19％，Zn 1.7％，P 1.0～1.5％，Ni 2.3％和余量的Cu。本发明将锡铅青铜合金粉末的组分控制在上述范围，经激光熔覆后得到的锡铅青铜合金轴套，具有比滚动轴承更高的熔点、高温软化点等，因此能更好适应足辊的高温工况，满足足辊长寿命的工作需要。
在本发明中，所述锡铅青铜合金粉末的粒径优选为135～325目，更优选为200～300目。本发明对所述锡铅青铜合金粉末的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的制备方法制备得到即可。
在本发明中，所述激光熔覆的送粉方式优选为重力送粉；送粉速率优选为25～50g/m；所述激光熔覆优选为多层激光熔覆，单层激光熔覆层的厚度优选为1.6～2.2mm，更优选为2mm，经激光熔覆后，得到的锡铅青铜合金轴套的厚度优选为18～22mm，更优选为20mm。
进行激光熔覆前，本发明优选还包括对所述芯轴两端的轴承位进行清洗，以去除表面的氧化物、油污等杂质。本发明对所述清洗的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的清洗方式即可。在本发明的实施例中，优选采用质量浓度在95％以上的无水酒精清洗芯轴轴承位。
得到带有锡铅青铜合金轴套的芯轴之后，本发明将所述带有锡铅青铜合金轴套的芯轴与辊体进行装配，得到连铸足辊。
在本发明中，所述辊体的材质优选为40Cr。本发明对所述辊体的加工方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的辊体加工方式即可。在本发明中，所述40Cr基材的形状优选为棒材。本发明选用40Cr制作辊体，得到的辊体综合机械性能好。
本发明对所述装配的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人熟知的装配方式即可。
在进行装配前，本发明优选还包括对锡铅青铜合金轴套依次进行检验和机加工。在本发明中，所述检验优选为着色探伤，以检测锡铅青铜合金轴套是否存在裂纹等缺陷，防止使用有缺陷的锡铅青铜合金轴套。检测合格后，本发明优选对检测合格的锡铅青铜合金轴套进行机加工，在芯轴两端得到表面光洁度、尺寸和公差均满足要求的锡铅青铜合金轴套。
下面结合实施例对本发明提供的连铸足辊的制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
选择40Cr棒材为辊体和芯轴的母材；按尺寸加工好辊体和芯轴；采用无水酒精清洗芯轴轴承位，去除表面的氧化物、油污等杂质；配制锡铅青铜合金粉末，各组分按照质量百分比分别为：Sn 4.0％，Pb 18％，Zn 1.6％，P1.0％，Ni 2.3％，余量为Cu，锡铅青铜合金粉末的粒度为135～325目；采用连续光纤激光器扫描，通过重力送粉将锡铅青铜合金粉末输送到位，在40Cr芯轴两端轴承位处熔覆锡铅青铜合金，制备锡铅青铜合金轴套；激光熔覆的工艺参数为：光斑为直径3mm圆形，扫描功率为3000W，扫描速度为1200mm/min，搭接率为30％；单层激光熔覆层厚度为2mm，采用多层熔覆，得到的熔覆层厚度20mm；对熔覆层进行表面着色探伤，检测是否有裂纹等缺陷；对轴承位处锡铅青铜合金熔覆层进行机加工，在芯轴两端得到表面光洁度、尺寸和公差均满足要求的锡铅青铜合金轴套；将带有锡铅青铜合金轴套的芯轴与40Cr辊体完成装配，制得连铸足辊。
本实施制得的锡铅青铜合金轴套，实际使用中，没有发生由于锡铅青铜合金轴套的强度失效而导致的现象，正常使用超过1.5年，达到了传统滚动轴承寿命的4.5倍。
实施例2
选择40Cr棒材为辊体和芯轴的母材；按尺寸加工好辊体和芯轴；采用无水酒精清洗芯轴轴承位，去除表面的氧化物、油污等杂质；配制锡铅青铜合金粉末，各组分按照质量百分比分别为：Sn 6.0％，Pb 23％，Zn 2.0％，P1.5％，Ni 2.5％，余量为Cu，锡铅青铜合金粉末的粒度为135～325目；采用连续光纤激光器扫描，通过重力送粉将锡铅青铜合金粉末输送到位，在40Cr芯轴两端轴承位处熔覆锡铅青铜合金，制备锡铅青铜合金轴套；激光熔覆的工艺参数为：光斑为直径3mm圆形，扫描功率为3300W，扫描速度为1500mm/min，搭接率为50％；单层激光熔覆层厚度为2mm，采用多层熔覆，得到的熔覆层厚度20mm；对熔覆层进行表面着色探伤，检测是否有裂纹等缺陷；对轴承位处锡铅青铜合金熔覆层进行机加工，在芯轴两端得到表面光洁度、尺寸和公差均满足要求的锡铅青铜合金轴套；将带有锡铅青铜合金轴套的芯轴与40Cr辊体完成装配，制得连铸足辊。
本实施制得的锡铅青铜合金轴套，实际使用中，没有发生由于锡铅青铜合金轴套的强度失效而导致的现象，正常使用超过1.2年，达到了传统滚动轴承寿命的3.6倍。
实施例3
选择40Cr棒材为辊体和芯轴的母材；按尺寸加工好辊体和芯轴；采用无水酒精清洗芯轴轴承位，去除表面的氧化物、油污等杂质；配制锡铅青铜合金粉末，各组分按照质量百分比分别为：Sn 4.0％，Pb 23％，Zn 2.0％，P1.5％，Ni 2.5％，余量为Cu，锡铅青铜合金粉末的粒度为135～325目；采用连续光纤激光器扫描，通过重力送粉将锡铅青铜合金粉末输送到位，在40Cr芯轴两端轴承位处熔覆锡铅青铜合金，制备锡铅青铜合金轴套；激光熔覆的工艺参数为：光斑为直径3mm圆形，扫描功率为3000W，扫描速度为1200mm/min，搭接率为35％；单层激光熔覆层厚度为2mm，采用多层熔覆，得到的熔覆层厚度20mm；对熔覆层进行表面着色探伤，检测是否有裂纹等缺陷；对轴承位处锡铅青铜合金熔覆层进行机加工，在芯轴两端得到表面光洁度、尺寸和公差均满足要求的锡铅青铜合金轴套；将带有锡铅青铜合金轴套的芯轴与40Cr辊体完成装配，制得连铸足辊。
本实施制得的锡铅青铜合金轴套，实际使用中，没有发生由于锡铅青铜合金轴套的强度失效而导致的现象，正常使用超过1.6年，达到了传统滚动轴承寿命的4.8倍。
实施例4
选择40Cr棒材为辊体和芯轴的母材；按尺寸加工好辊体和芯轴；采用无水酒精清洗芯轴轴承位，去除表面的氧化物、油污等杂质；配制锡铅青铜合金粉末，各组分按照质量百分比分别为：Sn 4.0％，Pb 18％，Zn 1.6％，P1.5％，Ni 2.3％，余量为Cu，锡铅青铜合金粉末的粒度为135～325目；采用连续光纤激光器扫描，通过重力送粉将锡铅青铜合金粉末输送到位，在40Cr芯轴两端轴承位处熔覆锡铅青铜合金，制备锡铅青铜合金轴套；激光熔覆的工艺参数为：光斑为直径3mm圆形，扫描功率为3200W，扫描速度为1300mm/min，搭接率为30％；单层激光熔覆层厚度为2mm，采用多层熔覆，得到的熔覆层厚度20mm；对熔覆层进行表面着色探伤，检测是否有裂纹等缺陷；对轴承位处锡铅青铜合金熔覆层进行机加工，单边加工量为2mm，在芯轴两端得到表面光洁度、尺寸和公差均满足要求的锡铅青铜合金轴套；将带有锡铅青铜合金轴套的芯轴与40Cr辊体完成装配，制得连铸足辊。
本实施制得的锡铅青铜合金轴套，实际使用中，没有发生由于锡铅青铜合金轴套的强度失效而导致的现象，正常使用超过1.4年，达到了传统滚动轴承寿命的4.2倍。
实施例5
选择40Cr棒材为辊体和芯轴的母材；按尺寸加工好辊体和芯轴；采用无水酒精清洗芯轴轴承位，去除表面的氧化物、油污等杂质；配制锡铅青铜合金粉末，各组分按照质量百分比分别为：Sn 5.0％，Pb 20％，Zn 1.8％，P1.3％，Ni 2.4％，余量为Cu，锡铅青铜合金粉末的粒度为135～325目；采用连续光纤激光器扫描，通过重力送粉将锡铅青铜合金粉末输送到位，在40Cr芯轴两端轴承位处熔覆锡铅青铜合金，制备锡铅青铜合金轴套；激光熔覆的工艺参数为：光斑为直径3mm圆形，扫描功率为3300W，扫描速度为1500mm/min，搭接率为50％；单层激光熔覆层厚度为2mm，采用多层熔覆，得到的熔覆层厚度20mm；对熔覆层进行表面着色探伤，检测是否有裂纹等缺陷；对轴承位处锡铅青铜合金熔覆层进行机加工，在芯轴两端得到表面光洁度、尺寸和公差均满足要求的锡铅青铜合金轴套；将带有锡铅青铜合金轴套的芯轴与40Cr辊体完成装配，制得连铸足辊。
本实施制得的锡铅青铜合金轴套，实际使用中，没有发生由于锡铅青铜合金轴套的强度失效而导致的现象，正常使用超过1.5年，达到了传统滚动轴承寿命的4.5倍。
实施例6
选择40Cr棒材为辊体和芯轴的母材；按尺寸加工好辊体和芯轴；采用无水酒精清洗芯轴轴承位，去除表面的氧化物、油污等杂质；配制锡铅青铜合金粉末，各组分按照质量百分比分别为：Sn 5.0％，Pb 19％，Zn 1.8％，P1.2％，Ni 2.4％，余量为Cu，锡铅青铜合金粉末的粒度为135～325目；采用连续光纤激光器扫描，通过重力送粉将锡铅青铜合金粉末输送到位，在40Cr芯轴两端轴承位处熔覆锡铅青铜合金，制备锡铅青铜合金轴套；激光熔覆的工艺参数为：光斑为直径3mm圆形，扫描功率为3200W，扫描速度为1350mm/min，搭接率为40％；单层激光熔覆层厚度为2mm，采用多层熔覆，得到的熔覆层厚度20mm；对熔覆层进行表面着色探伤，检测是否有裂纹等缺陷；对轴承位处锡铅青铜合金熔覆层进行机加工，在芯轴两端得到表面光洁度、尺寸和公差均满足要求的锡铅青铜合金轴套；将带有锡铅青铜合金轴套的芯轴与40Cr辊体完成装配，制得连铸足辊。
本实施制得的锡铅青铜合金轴套，实际使用中，没有发生由于锡铅青铜合金轴套的强度失效而导致的现象，正常使用超过1.3年，达到了传统滚动轴承寿命的3.9倍。
实施例7
选择40Cr棒材为辊体和芯轴的母材；按尺寸加工好辊体和芯轴；采用无水酒精清洗芯轴轴承位，去除表面的氧化物、油污等杂质；配制锡铅青铜合金粉末，各组分按照质量百分比分别为：Sn 5.0％，Pb 20％，Zn 1.8％，P1.3％，Ni 2.5％，余量为Cu，锡铅青铜合金粉末的粒度为135～325目；采用连续光纤激光器扫描，通过重力送粉将锡铅青铜合金粉末输送到位，在40Cr芯轴两端轴承位处熔覆锡铅青铜合金，制备锡铅青铜合金轴套；激光熔覆的工艺参数为：光斑为直径3mm圆形，扫描功率为3300W，扫描速度为1500mm/min，搭接率为50％；单层激光熔覆层厚度为2mm，采用多层熔覆，得到的熔覆层厚度20mm；对熔覆层进行表面着色探伤，检测是否有裂纹等缺陷；对轴承位处锡铅青铜合金熔覆层进行机加工，在芯轴两端得到表面光洁度、尺寸和公差均满足要求的锡铅青铜合金轴套；将带有锡铅青铜合金轴套的芯轴与40Cr辊体完成装配，制得连铸足辊。
本实施制得的锡铅青铜合金轴套，实际使用中，没有发生由于锡铅青铜合金轴套的强度失效而导致的现象，正常使用超过1.5年，达到了传统滚动轴承寿命的4.5倍。
实施例8
选择40Cr棒材为辊体和芯轴的母材；按尺寸加工好辊体和芯轴；采用无水酒精清洗芯轴轴承位，去除表面的氧化物、油污等杂质；配制锡铅青铜合金粉末，各组分按照质量百分比分别为：Sn 4.0％，Pb 18％，Zn 1.9％，P1.2％，Ni 2.5％，余量为Cu，锡铅青铜合金粉末的粒度为135～325目；采用连续光纤激光器扫描，通过重力送粉将锡铅青铜合金粉末输送到位，在40Cr芯轴两端轴承位处熔覆锡铅青铜合金，制备锡铅青铜合金轴套；激光熔覆的工艺参数为：光斑为直径3mm圆形，扫描功率为3100W，扫描速度为1250mm/min，搭接率为50％；单层激光熔覆层厚度为2mm，采用多层熔覆，得到的熔覆层厚度20mm；对熔覆层进行表面着色探伤，检测是否有裂纹等缺陷；对轴承位处锡铅青铜合金熔覆层进行机加工，在芯轴两端得到表面光洁度、尺寸和公差均满足要求的锡铅青铜合金轴套；将带有锡铅青铜合金轴套的芯轴与40Cr辊体完成装配，制得连铸足辊。
本实施制得的锡铅青铜合金轴套，实际使用中，没有发生由于锡铅青铜合金轴套的强度失效而导致的现象，正常使用超过1.45年，达到了传统滚动轴承寿命的4.35倍。
传统滚动轴承在连铸足辊工况条件下，由于承载的钢坯温度高，寿命最好的情况在3～4个月，有的甚至20多天就报废，而由以上实施例可知，本发明制备的复合材料足辊使用寿命大大延长，且具有成本低、强度高等优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种连铸足辊的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在芯轴两端的轴承位激光熔覆锡铅青铜合金粉末，形成锡铅青铜合金轴套，得到带有锡铅青铜合金轴套的芯轴；所述锡铅青铜合金粉末包括以下质量百分含量的组分：Sn 4.0～6.0％，Pb 18～23％，Zn 1.6～2.0％，P 1.0～1.5％，Ni 2.3～2.5％和余量的Cu；
将所述带有锡铅青铜合金轴套的芯轴与辊体进行装配，得到连铸足辊。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述芯轴和辊体的材质为40Cr。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆的功率为3000～3300W，扫描速度为1200～1500mm/min。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆的搭接率为30～50％。
5.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆的激光光斑的直径为3mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述锡铅青铜合金轴套的厚度为18～22mm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆为多层激光熔覆，单层激光熔覆层的厚度为1.6～2.2mm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述锡铅青铜合金粉末的粒径为135～325目。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，激光熔覆锡铅青铜合金粉末前，还包括对所述芯轴两端的轴承位进行清洗。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述装配前，还包括对锡铅青铜合金轴套进行检测和机加工。
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