CN110306143A - 一种耐高温耐腐蚀沉没辊及其制造方法 - Google Patents

一种耐高温耐腐蚀沉没辊及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温耐腐蚀沉没辊及其制造方法，属于热浸镀设备领域。本发明的耐高温耐腐蚀沉没辊，包括辊体和辊轴，所述辊体与辊轴表面均喷涂有涂层，所述涂层材料由如下重量配比的原料制成：WC：70～90份；Co：8～15份；Cr3C2：3～15份；辊体表面周向开设有沟槽，所述沟槽底面为圆弧过渡曲面；辊体由316L不锈钢制成；辊轴由钨铬钴合金制成；本发明的沉没辊通过沟槽加工、前置处理、涂层材料制备和超音速火焰喷涂制成。本发明通过在沉没辊辊体及辊轴表面均喷涂特定成分的涂层材料，大大减缓了沉没辊被腐蚀速度，有效延长了沉没辊的使用寿命。

Description

一种耐高温耐腐蚀沉没辊及其制造方法
技术领域
本发明属于热浸镀设备领域，更具体地说，涉及一种耐高温耐腐蚀沉没辊及其制造方法。
背景技术
热浸镀铝钢板的耐蚀性、抗高温氧化性、热反射性及生态特性优异，比热镀锌板寿命提高5倍以上，在国内外广泛应用于汽车、家电等领域。
热浸镀铝生产线锅内温度较高，将近700℃，铝液对铝锅内的沉没辊、纠正辊及其轴承产生强烈的腐蚀。同时，铝锅内较容易产生铝渣，铝渣在普通的沉没辊表面聚集会造成带钢划伤及辊印等缺陷。铸铁材质的沉没辊在入锅8h后辊面开始出现点状腐蚀，2天后辊面出现坑洼状，需重新加工才能使用；合金材质的沉没辊在入锅24小时后出现点状腐蚀，2天后辊面腐蚀较重，造成板面质量较差，对产线的连续性及稳定性造成不利影响。而且，热浸镀铝钢板表面质量主要取决于沉没辊的表面质量，沉没辊的表面质量主要取决于其耐高温性、耐蚀性和耐磨性。
经检索，中国专利公开号：CN104120376A，公开日：2014年10月29日，公开了一种耐腐蚀辊及其制造方法，该申请案通过在基体上喷涂一种含碳化物(TiC、WC、TaC、NbC)和金属单质(Co、Ni、Cr)的耐腐蚀涂层，所制造的沉没辊辊面的耐腐蚀层具有良好的抗热震性能，不易开裂或脱离，使用寿命长，生产的镀锌、铝钢板等品质较高。
中国专利公开号：CN104099553A，公开日：2014年10月15日，公开了一种具有强抗腐蚀性的沉没辊，该申请案通过在辊体表面喷涂一层三元硼化物陶瓷复合粉末，使得沉没辊具有较强的抗腐蚀能力；辊轴表面喷涂一层碳化钨合金，可显著提高辊轴的耐磨性；辊体辊壁设有密闭的空腔，空腔内填充铅液，加重沉没辊的重量，通过重力的改变抵消了部分张力，从而缩小了支架反力，扩大工作区域，显著减少对沉没辊滑动表面的损伤，显著提高沉没辊的耐磨性。
中国专利公开号：CN104152838A，公开日：2014年11月19日，公开了一种陶瓷沉没辊及其制备方法，该申请案通过将防护涂层材料(由TiO2、Al2O3以及SiO2组成)进行烧焙冷却、塑化、压铸、保压、脱脂、冷却、上釉、烧结后冷却后作为沉积电极，用电火花沉积法将所述防护涂层与表面打磨除油清洗的不锈钢基体相结合，提高了沉没辊的抗腐蚀性及耐磨性，增加了使用寿命，减少了生产成本。
中国专利公开号：CN107604287A，公开日：2018年1月19日，公开了一种耐腐蚀沉没辊，该申请案通过在基体表面采用超音速喷涂工艺喷涂的三元硼化物陶瓷复合粉末(Mo粉、B粉、Cr粉)，所获得的沉没辊具有较好的耐腐蚀性，使用寿命较长。
以上专利文献公开的技术方案从涂层成分、辊体结构等方面控制热浸镀锌生产线沉没辊的耐腐蚀性，热浸镀铝生产线锅内温度更高，沉没辊工况环境更恶劣，尚未有系统的方法制造得到用于热浸镀铝生产线的耐高温、耐磨损、耐腐蚀的沉没辊。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有技术中热浸镀铝生产线的沉没辊易被腐蚀损坏的问题，本发明提供一种耐高温耐腐蚀沉没辊及其制造方法，通过在沉没辊辊体及辊轴表面均喷涂特定成分的涂层材料，大大减缓了沉没辊被腐蚀速度，有效延长了沉没辊的使用寿命。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种耐高温耐腐蚀沉没辊，包括辊体和辊轴，所述辊体与辊轴表面均喷涂有涂层，所述涂层材料由如下重量配比的原料制成：
WC：70～90份；
Co：8～15份；
Cr3C2：3～15份。
WC是一种具有高硬度和高脆性的金属陶瓷颗粒，具有优良的耐磨性，本方案将WC的重量配比控制在70～90份之间；
Co为韧性粘结相，可提高涂层的强韧性，但是Co的含量过高时，一方面大大增加了生产成本，另一方面对强韧性的提升不再明显，甚至其硬度和抗弯强度有所下降，Co含量过低时作用不明显，因此本方案将Co的重量配比控制在8～15份之间；
WC-Co涂层虽能保证涂层形成后的耐磨性，但是在腐蚀环境中易腐蚀，在WC-Co涂层中加入Cr3C2，为涂层提供耐腐蚀性能较强的Cr元素，可使涂层具有很强的耐腐蚀性，通过添加Cr3C2，可使涂层组织的晶粒得到细化，从而使涂层的硬度提高，同时，适量的Cr3C2的添加，可以大大改善涂层的耐腐蚀性能，适量Cr3C2添加后，Cr大部分会固溶在粘结相Co中，当涂层受到腐蚀时，会在涂层表面形成Cr-Co钝化层，显著降低了粘结相的腐蚀速率，从而对涂层的耐腐蚀性能起到显著提高的作用，Cr3C2添加过少时，当涂层受到腐蚀时，大量的粘结相被腐蚀，暴露出辊体基体，从而使得辊体表面出现不同程度的腐蚀，Cr3C2添加过多时，会导致涂层的孔隙率难以消除，从而在腐蚀环境中使用时出现不同程度的点状腐蚀，因此本方案将Cr3C2的重量配比控制在3～15份之间。
进一步地，所述辊体表面周向开设有沟槽，所述沟槽底面为圆弧过渡曲面。本方案中的沟槽可以在沉没辊使用时有助于镀液的流动，沟槽中可容纳铝渣，减少铝渣粘附在沉没辊辊面的概率，从而减少辊体与带钢间的磨损，进一步提高带钢质量的同时也降低了对辊体表面涂层的磨损，从而使得耐腐蚀的涂层有效寿命更长，进一步提高了辊体的寿命。
进一步地，所述辊体由316L不锈钢制成。本方案中辊体采用ASTM标准下的316L不锈钢，该不锈钢中Mo含量按质量百分比记为2～3％，在高温腐蚀性环境下，不锈钢基体中的特定百分比含量的Mo会与涂层中的Cr、Co元素形成强化的Cr-Co-Mo钝化层，选用Mo的百分比含量过高的不锈钢基体时，不锈钢基体的抗氧化性能会恶化，当涂层被磨损腐蚀后，基体会加速被腐蚀，基体中Mo的百分比含量过低时，无法与涂层形成组合效果无法有效形成钝化层，因此，本方案选取Mo含量按质量百分比记为2～3％的316L不锈钢，在高温腐蚀性环境下形成的强化钝化层能有效抵抗腐蚀，从而大大提高沉没辊辊体的使用寿命。
进一步地，所述辊轴由钨铬钴合金制成。本方案中采用钨铬钴合金制成辊轴，钴的硫化物熔点较高，并且硫在钴中的扩散率较低，所以在合金表面能形成抵抗腐蚀环境的Cr2O3保护层。因此钨铬钴合金具有良好的耐磨损、耐腐蚀及高温抗氧化性，其制成的辊轴可以在热浸镀铝生产环境中具有更长的使用寿命。
进一步地，所述钨铬钴合金按重量百分比记由如下元素组成：Cr25％～33％、W3％～21％、Ni2％～4％、Mo1.0％～3.0％、C0.7％～3.0％、Si0.5％～2.0％，余量为Co和不可避免的杂质。
本方案中Cr、W、Ni、C和Co均为钨铬钴合金中常用的元素及组分，申请人发现Mo和Si的元素含量对钴基合金的耐磨损、耐高温、耐腐蚀性能提升有很大影响，因此本方案对Mo和Si的元素组分进行了改进调整，申请人发现随着Mo和Si的含量提高，钴基合金的耐腐蚀性能提高，但是合金的脆性变大，本方案中的合金作为辊轴，需在耐高温耐腐蚀的基础上有一定的强度硬度韧性，研究发现，随着Si含量的升高，合金的微观结构由亚共晶转变为过共晶，合金材料表面硬度升高，抗弯强度下降，脆性增加，当Si含量控制在0.5～2.0％时可获得均衡的高温耐腐蚀和力学性能，同时，将Mo含量控制在1.0％～3.0％，该含量的Mo与对应含量的Si配合，可以在合金中形成Co3Mo2Si化合物，本方案的辊轴在热浸镀铝环境中使用时，轴套表面涂层先进性抵抗高温侵蚀的作用，涂层被侵蚀磨损后，合金表面的Cr2O3保护层及Co3Mo2Si成分继续抵制镀液的腐蚀，且Co3Mo2Si与涂层有良好的结合性，不但增加了涂层的附着能力，当部分涂层被腐蚀后，还可防止镀液在辊轴上形成腐蚀通道造成更快速的腐蚀损坏，成倍的提升了本申请辊轴的耐高温耐腐蚀能力。
一种耐高温耐腐蚀沉没辊的制造方法，步骤如下：
一、沟槽加工：在316L不锈钢辊体的表面加工均匀分布的沟槽；
二、前置处理：将辊体与辊轴表面进行清洗和喷砂处理；
三、涂层材料制备：将一定量的WC粉末、Co粉末和Cr3C2粉末经团聚造粒，喷雾干燥，烧结，分散，气流分级后制备出涂层粉末；
四、喷涂：通过超音速火焰喷涂，将步骤三制备的涂层材料喷涂至辊体与辊轴表面。
本方案先通过沟槽加工在辊体表面加工出需要的沟槽结构，然后对辊体辊轴进行前置处理，清除辊体与辊轴表面的杂质物，如灰尘、氧化层、锈蚀层等，通过喷砂操作提高辊体与辊轴表面粗糙度，以提高涂层在辊体辊轴表面的结合强度；通过团聚造粒法制备出所需的涂层粉末，选用超音速火焰喷涂，可以在基体表面获得致密的涂层，且涂层表面光滑、孔隙率低，获得的涂层的辊体结构能保证带钢表面的加工质量及耐腐蚀性。
进一步地，步骤一中将沟槽加工为侧壁宽2mm，深度1mm，底部为120°圆弧面。通过在辊体表面周向加工本方案参数的沟槽，且沟槽并排均匀分布在辊体表面，使得在沉没辊使用过程中，带钢与沉没辊之间镀液可顺利流动，沟槽中能容纳铝渣并且可以平稳的进行排渣，铝渣在沟槽中随着镀液转移，防止铝渣粘附在辊面，进一步提高了带钢表面质量，减少了铝渣对带钢及辊体表面的磨损，进一步提高了沉没辊的使用寿命。
进一步地，步骤三制备的涂层粉末粒度为20～45μm。控制涂层粉末粒度在20～45μm范围内，粒度均匀，能保证超音速火焰喷涂时涂层材料有较好的流动性，且本方案的涂层粉末微观结构呈多孔结构，喷涂的热量可以更好的进入粉末内部，保证了粉末能快速均匀的熔化，进一步减少了涂层材料元素的烧损氧化，保证了辊体辊轴表面形成涂层的强度和性能。
进一步地，步骤四中，HVOF喷枪长度为150mm，喷枪移动速度为500～800mm/s，送粉率为80～100g/min，喷涂距离为260～320mm。本方案选用150mm长度的HVOF喷枪，喷枪移动速度过快会导致制得的涂层厚度过小，移动速度过慢会导致涂层厚度过大，本方案控制喷枪移动速度为500～800mm/s；实验时发现，送粉率过小时，会显著降低沉积效率，送粉率过大时会导致涂层粉末熔化不充分，送粉率过小或过大均会导致孔隙率增大，且涂层质量降低，本方案控制送粉率为80～100g/min，喷涂距离过小时，涂层粉末在火焰中的时间较短，熔化时间不足，最终涂层的孔隙率较大，喷涂距离较大时，火焰的速度和温度会降低，进而使粒子碰撞瞬间的速度降低，熔滴的动能不足，导致涂层与基体的结合能力变差，涂层孔隙率增大，因此本方案控制喷涂距离为260～320mm，本方案通过合适的送粉率与喷涂距离相配合，制得的涂层孔隙率低，组织致密且结合强度高，能有效发挥涂层材料耐高温耐腐蚀的性能，大大延长沉没辊的寿命。
进一步地，喷涂后的涂层厚度为0.4～0.5mm。涂层厚度过小时，涂层消耗过快易暴露出涂层下的辊体与辊轴，从而影响沉没辊的使用寿命，涂层厚度过大时，当涂层被腐蚀磨损后，露出涂层与基体材料结合形成的复合钝化层，此时虽然复合钝化层有优秀的高温耐腐蚀性能，但是由于涂层被磨损部分厚度过大，沉没辊表面平整度影响过大，影响了加工的带钢表面质量，从而无法充分发挥沉没辊的性能，因此本方案控制涂层厚度为0.4～0.5mm。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种耐高温耐腐蚀沉没辊，通过在沉没辊辊体及辊轴表面均喷涂特定成分的涂层材料，大大减缓了沉没辊被腐蚀速度，有效延长了沉没辊的使用寿命；
(2)本发明的一种耐高温耐腐蚀沉没辊，在辊体表面开设沟槽，沟槽中可容纳铝渣，减少铝渣粘附在沉没辊辊面的概率，从而减少辊体与带钢间的磨损，进一步提高带钢质量的同时也降低了对辊体表面涂层的磨损，从而使得耐腐蚀的涂层有效寿命更长，进一步提高了辊体的寿命；
(3)本发明的一种耐高温耐腐蚀沉没辊，采用由316L不锈钢制成的辊体，在高温腐蚀性环境下，不锈钢基体中的特定百分比含量的Mo会与涂层中的Cr、Co元素形成强化的Cr-Co-Mo钝化层，能有效抵抗腐蚀，从而大大提高沉没辊辊体的使用寿命；
(4)本发明的一种耐高温耐腐蚀沉没辊，选用钨铬钴合金制成的辊轴，在合金表面能形成抵抗腐蚀环境的Cr2O3保护层，具有良好的耐磨损、耐腐蚀及高温抗氧化性，在热浸镀铝生产环境中具有更长的使用寿命；
(5)本发明的一种耐高温耐腐蚀沉没辊，采用特定成分制成的钨铬钴合金的辊轴，在热浸镀铝环境中使用时，轴套表面涂层先进行抵抗高温侵蚀的作用，涂层被侵蚀磨损后，合金表面的Cr2O3保护层及Co3Mo2Si成分继续抵制镀液的腐蚀，且Co3Mo2Si与涂层有良好的结合性，不但增加了涂层的附着能力，当部分涂层被腐蚀后，还可防止镀液在辊轴上形成腐蚀通道造成更快速的腐蚀损坏，成倍的提升了本申请辊轴的耐高温耐腐蚀能力；
(6)本发明的一种耐高温耐腐蚀沉没辊的制造方法，先通过沟槽加工在辊体表面加工出需要的沟槽结构，然后对辊体辊轴进行前置处理，清除辊体与辊轴表面的杂质物，如灰尘、氧化层、锈蚀层等，通过喷砂操作提高辊体与辊轴表面粗糙度，以提高涂层在辊体辊轴表面的结合强度；通过团聚造粒法制备出所需的涂层粉末，选用超音速火焰喷涂，可以在基体表面获得致密的涂层，且涂层表面光滑、孔隙率低，获得的涂层的辊体结构能保证带钢表面的加工质量及耐腐蚀性；
(7)本发明的一种耐高温耐腐蚀沉没辊的制造方法，通过在辊体表面加工特定参数尺寸的沟槽，使得在沉没辊使用过程中，带钢与沉没辊之间镀液可顺利流动，沟槽中能容纳铝渣并且可以平稳的进行排渣，铝渣在沟槽中随着镀液转移，防止铝渣粘附在辊面，进一步提高了带钢表面质量，减少了铝渣对带钢及辊体表面的磨损，进一步提高了沉没辊的使用寿命；
(8)本发明的一种耐高温耐腐蚀沉没辊的制造方法，控制涂层粉末粒度在20～45μm范围内，粒度均匀，能保证超音速火焰喷涂时涂层材料有较好的流动性，且本方案的涂层粉末微观结构呈多孔结构，喷涂的热量可以更好的进入粉末内部，保证了粉末能快速均匀的熔化，进一步减少了涂层材料元素的烧损氧化，保证了辊体辊轴表面形成涂层的强度和性能；
(9)本发明的一种耐高温耐腐蚀沉没辊的制造方法，通过合适的送粉率与喷涂距离相配合，制得的涂层孔隙率低，组织致密且结合强度高，能有效发挥涂层材料耐高温耐腐蚀的性能，大大延长沉没辊的寿命；
(10)本发明的一种耐高温耐腐蚀沉没辊的制造方法，在辊体辊轴表面形成厚度适中的涂层，充分发挥涂层的性能，减少涂层被损耗后对带钢表面质量的影响。
附图说明
图1为本发明沉没辊结构示意图；
图2为本发明沉没辊表面形貌；
图3为本发明按实施1参数制成的沉没辊使用120h后的辊面形貌；
图4为普通沉没辊使用48h后的辊面形貌；
图5为比较例1的沉没辊使用48h后的辊面形貌；
图6为实施例2的沉没辊使用120h后的带钢表面；
图7为普通沉没辊使用48h后的带钢表面。
图中：1、辊体；2、辊轴；3、沟槽。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。
表1为实施例与比较例的材料及工艺参数数据；
表2为实施例与比较例的沉没辊性能的对比。
表1
表1(续)
表2(√代表合格，×代表不合格)
类别 涂层韧性 涂层耐高温磨损性 涂层耐高温腐蚀性 沉没辊使用寿命
实施例1 √ √ √ 120h
实施例2 √ √ √ 150h
实施例3 √ √ √ 132h
比较例1 √ √ × 96h
比较例2 √ × √ 80h
比较例3 × × × 72h
图1为本申请的沉没辊结构示意图，图2为本申请的沉没辊表面形貌，图3为本申请实施1参数制成的沉没辊使用120h后的辊面形貌，图4为普通沉没辊使用48h后的辊面形貌，图5为比较例1的沉没辊使用48h后的辊面形貌，图6为实施例2的沉没辊使用120h后的带钢表面，图7为普通沉没辊使用48h后的带钢表面。
结合表中的性能及图中形貌对比易知，普通沉没辊使用48小时后辊面即被严重腐蚀，同时带钢表面有明显划痕，沉没辊无法继续使用，本申请的沉没辊使用120h后辊面涂层才开始出现腐蚀，综上得出本申请中实施例2参数下的沉没辊性能最佳，实施例2制得的沉没辊在连续使用120h时，生产的镀铝板表面质量仍然较好，使用150h后辊面才出现影响生产效果的锈蚀。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种耐高温耐腐蚀沉没辊，包括辊体(1)和辊轴(2)，其特征在于，所述辊体(1)与辊轴(2)表面均喷涂有涂层，所述涂层材料由如下重量配比的原料制成：
WC：70～90份；
Co：8～15份；
Cr3C2：3～15份。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温耐腐蚀沉没辊，其特征在于：所述辊体(1)表面周向开设有沟槽(3)，所述沟槽(3)底面为圆弧过渡曲面。
3.根据权利要求1或2任意一条所述的一种耐高温耐腐蚀沉没辊，其特征在于：所述辊体(1)由316L不锈钢制成。
4.根据权利要求3所述的一种耐高温耐腐蚀沉没辊，其特征在于：所述辊轴(2)由钨铬钴合金制成。
5.根据权利要求4所述的一种耐高温耐腐蚀沉没辊，其特征在于：所述钨铬钴合金按重量百分比记由如下元素组成：Cr25％～33％、W3％～21％、Ni2％～4％、Mo1.0％～3.0％、C0.7％～3.0％、Si0.5％～2.0％，余量为Co和不可避免的杂质。
6.一种耐高温耐腐蚀沉没辊的制造方法，其特征在于，步骤如下：
一、沟槽加工：在316L不锈钢辊体(1)的表面加工均匀分布的沟槽(3)；
二、前置处理：将辊体(1)与辊轴(2)表面进行清洗和喷砂处理；
三、涂层材料制备：将一定量的WC粉末、Co粉末和Cr3C2粉末经团聚造粒，喷雾干燥，烧结，分散，气流分级后制备出涂层粉末；
四、喷涂：通过超音速火焰喷涂，将步骤三制备的涂层材料喷涂至辊体(1)与辊轴(2)表面。
7.根据权利要求6所述的一种耐高温耐腐蚀沉没辊的制造方法，其特征在于：步骤一中将沟槽(3)加工为侧壁宽2mm，深度1mm，底部为120°圆弧面。
8.根据权利要求6所述的一种耐高温耐腐蚀沉没辊的制造方法，其特征在于：步骤三制备的涂层粉末粒度为20～45μm。
9.根据权利要求6所述的一种耐高温耐腐蚀沉没辊的制造方法，其特征在于：步骤四中，喷枪移动速度为500～800mm/s，送粉率为80～100g/min，喷涂距离为260～320mm。
10.根据权利要求9所述的一种耐高温耐腐蚀沉没辊的制造方法，其特征在于：喷涂后的涂层厚度为0.4～0.5mm。
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