CN110666123B - 一种用于增强连铸机拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法及所得拉矫辊 - Google Patents

一种用于增强连铸机拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法及所得拉矫辊 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于增强连铸机拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法及所得拉矫辊，属于冶金技术工业领域。该方法包括：将质量分数为5.3‑13.5％的氧化钇部分稳定的氧化锆粉末与WC20Cr7Ni合金粉末按照质量比1‑19：1球磨混合12‑36h，得到混合合金粉末；在氩气保护氛围下，采用等离子喷涂方式将混合合金粉末喷涂至带有粘结层的拉矫辊上，形成厚度为100‑300μm的混合涂层。通过该方法，能够在保持混合涂层优异的结合强度的同时，有效降低辊面温度，降低轴承及拉矫辊的热损耗，增强拉矫辊耐磨性，提高生产效率。

Description

一种用于增强连铸机拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法及所得 拉矫辊
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术工业领域，具体而言，涉及一种用于增强连铸机拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法及所得拉矫辊。
背景技术
连铸机拉矫辊是连铸机中的重要部件，其工作条件十分恶劣，由于生产中拉矫辊需要拖动厚板坯运动，同时处在高温、多水、多蒸汽等复杂环境中，因此辊子的寿命低，消耗量大。目前连铸机拉矫辊普遍采用芯部水冷外部堆焊的方式，加工难度大维修成本高。在高温、水冷交变工况下，辊子的热疲劳寿命较低，尤其是二冷区的拉矫辊每1～2月就需要检修更换，换下来的辊子进行表面处理后堆焊0Cr13Ni4Mo，整个过程即耗时，又增加了生产成本。阻热是进一步提高拉矫辊寿命的重要途经。
目前国内外关于提升拉矫辊寿命报道，例如专利CN20182126576 3.9，其主要通过结构设计来提升拉矫辊寿命，但加工难度大成本高；而专利CN201410111086.5，其采用氧化锆涂层，虽然其阻热性能有了一定的提升，但其耐磨性能依然不佳，难以提高拉矫辊的使用寿命。
鉴于此，本申请提供一种用于增强拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法及所得拉矫辊，以克服上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于增强连铸机拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法及所得拉矫辊，通过该方法，能够在保持涂层优异的结合强度的同时，有效降低辊面温度，降低轴承及拉矫辊的热损耗，提高生产效率。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种用于增强拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法，其包括：
将质量分数为5.3-13.5％的氧化钇部分稳定的氧化锆粉末与WC20Cr7Ni合金粉末按照质量比1-19：1球磨混合12-36h，得到混合合金粉末；
在氩气保护氛围下，采用等离子喷涂方式将所述混合合金粉末喷涂至带有粘结层的拉矫辊上，形成厚度为100-300μm的混合涂层。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述粘结层是通过等离子喷涂方式将MCrAlY合金粉末喷涂至拉矫辊表面，拉矫辊表面需要平整、硬度低于60HRC。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述粘结层的厚度为100-200μm。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，采用等离子喷涂方式制备所述粘结层的工艺参数包括：电流为500-650A，电压为75-85V，喷涂距离为50-100mm，送粉率为20-50g/min。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述的氧化钇部分稳定的氧化锆粉末含有质量分数为5.3-13.5％的Y2O3与质量分数为86.5-94.7％的ZrO2，所述氧化钇部分稳定的氧化锆粉末的粒径为15-45μm。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述WC20Cr7Ni合金粉末含有质量分数为20％的铬、质量分数为7％的镍与质量分数为73％的碳化钨的高硬度钨基包覆粉，所述WC20Cr7Ni合金粉末的粒径为20-45μm。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，采用等离子喷涂方式制备所述混合涂层的工艺参数包括：电流为500-600A，电压为80-85V，喷涂距离为60-80mm，送粉率为20-40g/min，Ar气气体流量为40-90L/min。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述混合涂层的喷涂位置为所述拉矫辊的辊面以及所述拉矫辊与轴承的结合处。
一种阻热及耐磨性能强的连铸机拉矫辊，其包括拉矫辊基体、粘结层和混合涂层，所述粘结层位于所述拉矫辊基体与所述混合涂层之间，所述混合涂层的厚度为100-300μm，所述混合涂层通过上述的用于增强拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法制得。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的这种用于增强连铸机拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法，通过在拉矫辊辊面及拉矫辊两端轴承结合处喷涂氧化锆/碳化钨混合涂层来提高拉矫辊及两端轴承的寿命。其中，氧化锆的导热系数是普通钢材十分之一，在高温状态下稳定性高，强度较高；碳化钨耐高温、耐磨性好，将二者按一定比例通过等离子喷涂的方法附着到拉矫辊表面，形成混合涂层。这种氧化锆/碳化钨混合涂层的应用可以很好的结合两种材料的涂层性能，使得拉矫辊表面温降可达到60～200℃，同时保持优良的结合强度。且氧化锆/碳化钨混合涂层的显微硬度，相较于目前普遍应用的堆焊工艺(400HV)硬度得到提升明显，另外该涂层抗热冲击性能优异。因此，通过该方法所制得的拉矫辊，能够在保持拉矫辊优异的结合强度的同时，有效降低辊面温度，降低轴承及拉矫辊的热损耗，提高生产效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明喷涂混合涂层的结构图；
图2是本发明混合涂层热冲击前后金相对比(热冲击100次)；
图3是本发明隔热实验原理图；
图4是本发明涂层与单一涂层循环温升曲线实测结果；
图5是本发明混合涂层硬度及单一涂层硬度；
图6a是本发明的轧制过程示意图；
图6b是本发明的轧制过程中铝条的示意图；
图6c是本发明轧制50次后的氧化锆涂层示意图；
图6d是本发明轧制100次后的混合涂层示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述：
实施例1
本实施例提供一种制备具有优异阻热及耐磨性能的拉矫辊的方法，其结构如图1所示，1为粘结层、2为拉矫辊基体、3为拉矫辊内部水冷结构、4为混合涂层。
这种具有优异阻热及耐磨性能的拉矫辊的制备方法包括：
a.拉矫辊表面处理：将加工好的拉矫辊进行调质处理，要求拉矫辊表面平整，调质后硬度低于60HRC。
b.喷涂粘结层：喷涂粘结层的目的是缓和基体与混合涂层的热膨胀差异及防止基体氧化，具体方法为：
用金属清洗剂对拉矫辊进行表面清洗，之后对拉矫辊进行400℃预热；采用常规的等离子喷涂工艺，喷涂MCrAlY合金粉末作为粘结层，粘结层厚度为140-160μm。拉矫辊结构为常规拉矫辊，喷涂结构如图1，喷涂位置为辊面5、轴承与辊颈结合处6；喷涂参数如表1所示。
表1粘结层喷涂参数
Figure GDA0002914370990000041
c.制备混合涂层：
将20铬7镍碳化钨(WC20Cr7Ni)粉末和8％氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)粉末按照质量比1：1球磨混合18h，来通过机械合金化作用制备得到混合合金粉末。其中，WC20Cr7Ni为含质量分数为20％的铬，含质量分数为7％的镍，含质量分数为73％的碳化钨，粉末粒径介于20～45μm之间；YSZ粉末为含质量分数为8％的氧化钇及92％的氧化锆的混合物，粒径介于15～45μm之间。
将所制得的混合合金粉末通过等离子喷涂设备喷涂在喷有粘结层的拉矫辊上，混合涂层厚度为240-260μm，喷涂位置为辊面5、轴承与辊颈结合处6，喷涂参数如表2所示。
喷涂完成后对拉矫辊进行打磨处理，获得最终尺寸及表面粗糙度。
表2混合涂层喷涂参数
Figure GDA0002914370990000051
实施例2
本实施例提供一种具有优异阻热及耐磨性能的拉矫辊，其结构与制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于：
这种具有优异阻热及耐磨性能的拉矫辊的制备方法包括：
b.喷涂粘结层：粘结层厚度约为100～140μm，喷涂参数如表1所示。
c.制备混合涂层：
将20铬7镍碳化钨(WC20Cr7Ni)粉末和5.3％氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)粉末按照质量比19：1球磨混合12h，来通过机械合金化作用制备得到混合合金粉末。其中，YSZ粉末为含质量分数为5.3％的氧化钇及94.7％的氧化锆的混合物，粒径介于15～45μm之间。
将所制得的混合合金粉末通过等离子喷涂设备喷涂在喷有粘结层的拉矫辊上，混合涂层厚度为200～240μm，喷涂参数如表2所示。
实施例3
本实施例提供一种具有优异阻热及耐磨性能的拉矫辊，其结构与制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于：
这种具有优异阻热及耐磨性能的拉矫辊的制备方法包括：
b.喷涂粘结层：粘结层厚度为170～200μm，喷涂参数如表1所示。
c.制备混合涂层：
将20铬7镍碳化钨(WC20Cr7Ni)粉末和13.5％氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)粉末按照质量比10：1球磨混合24h，来通过机械合金化作用制备得到混合合金粉末。其中，YSZ粉末为含质量分数为13.5％的氧化钇及86.5％的氧化锆的混合物，粒径介于15～45μm之间。
将所制得的混合合金粉末通过等离子喷涂设备喷涂在喷有粘结层的拉矫辊上，混合涂层厚度为260～300μm，喷涂参数如表2所示。
对比例1：
本对比例提供一种不同涂层结构的拉矫辊，其结构与制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于：
c.制备碳化钨涂层：
将20铬7镍碳化钨(WC20Cr7Ni)粉末通过等离子喷涂设备喷涂在喷有粘结层的拉矫辊上，混合涂层厚度为240-260μm，喷涂参数如表2中实施例1所示。其中，WC20Cr7Ni为含质量分数为20％的铬，含质量分数为7％的镍，含质量分数为73％的碳化钨，粉末粒径介于20～45μm之间。
对比例2：
本对比例提供一种不同涂层结构的拉矫辊，其结构与制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于：
c.制备氧化锆涂层：
将质量分数为8％氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)粉末通过等离子喷涂设备喷涂在喷有粘结层的拉矫辊上，混合涂层厚度为240-260μm，喷涂参数如表2中实施例1所示。其中，YSZ粉末为含质量分数为8％的氧化钇及92％的氧化锆的混合物，粒径介于15～45μm之间。
性能测试：
对本发明实施例1和对比例1-2提供的拉矫辊进行性能测试，结果如下：
(1)水淬热冲击测试
对各拉矫辊进行水淬热冲击测试，测试方法为：水淬热冲击(100次)后进行金相观察，将线切割好的工件通过感应加热，加热至900℃，然后迅速将工件放入室温清水中完全浸没，如此反复实验直至涂层脱落超过10％或达到标准次数，停止实验。
结果如图2所示，本发明实施例1提供的这种混合涂层在热冲击后涂层内部或涂层与基体结合处变化较小，由此说明，实施例1制备出来的涂层结构稳定，粘结层的存在很好的阻止了基体的氧化，同时缓和了拉矫辊与混合涂层的膨胀系数的差异，因此热冲击性能良好。
(2)阻热性能
如图3所示对各涂层进行阻热性能测试，测试方法为：制备40mm*40mm*10mm的试件，将试件放入加热至350℃的铁块上，在试件背部焊接热电偶测量喷涂涂层的试件背部温升曲线，试件的周围用保温棉阻热，试件喷涂涂层侧与加热铁块直接接触，背部焊接热电偶，通过采集卡同时采集无涂层、碳化钨涂层、混合涂层及氧化锆涂层的背部温升曲线，并得到背部稳定温度曲线图4。
结果如图4所示，图4为喷涂混合涂层实验拉矫辊与无涂层实验拉矫辊的温升实测曲线，在加热到350℃时，无涂层的试件表面温度在300℃，喷涂单一碳化钨涂层试件背部温度约为270℃，喷涂混合涂层背部温度约为200℃，喷涂单一氧化锆涂层试件背部温度约为170℃。由此说明，混合涂层可以有效降低拉矫辊的基体温度，具有优良的阻热性能。
(3)硬度测试
对各拉矫辊进行硬度测试，测试方法为：本实验通过维氏硬度计压痕法测试涂层的显微硬度，实验载荷为50g，加载时间为15秒,试件为单面喷涂试件，实验采用多点测量求平均值的方法进行硬度表征。试件喷涂侧打磨抛光，对抛光涂层表面进行多点硬度测试，以获得WC20Cr7Ni涂层的硬度，结果如表3和图5所示：
表3.三种不同涂层拉矫辊的硬度对比
Figure GDA0002914370990000071
图3为三种拉矫辊的涂层显微硬度图，其中YSZ指氧化锆涂层，WC20Cr7Ni指碳化钨涂层，YSZ+WC20Cr7Ni指混合涂层。
表3三种不同涂层拉矫辊的硬度对比，堆焊工艺硬度为400HV左右、氧化锆涂层硬度介于300～500HV，混合涂层硬度可以达到1200～1500HV，接近碳化钨涂层的1400～1600HV。由此说明，本发明提供的这种方法可以在具备阻热性能的同时，有效改善涂层的硬度，提升耐磨性能。
(4)耐磨性测试
测试方法：为更好模拟拉矫辊实际生产中的工作环境，对拉矫辊进行轧铝实验(拉矫辊在实际生产中主要起托举铸坯的作用，相较轧制力要小许多，与轧铝较为接近)，铝条厚度为2mm，每次轧制压下0.05mm，直至铝条厚度低于0.5mm，换另外铝条轧制。如图6c所示，氧化锆涂层在轧制了50次，表面细微脱落磨损严重，如图6d所示，混合涂层轧制100次表面基本无变化，磨损较小。
综上所述，本发明提供的这种用于增强连铸机拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法及所得拉矫辊，能够在保持拉矫辊优异的结合强度的同时，有效降低辊面温度，降低轴承及拉矫辊的热损耗，提高生产效率。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明技术方案，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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，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范围。

Claims (5)

1.一种用于增强连铸机拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法，其特征在于，其包括：
将质量分数为5.3-13.5％的氧化钇部分稳定的氧化锆粉末与WC20Cr7Ni合金粉末按照质量比1-19：1球磨混合12-36h，得到混合合金粉末；
所述氧化钇部分稳定的氧化锆粉末的粒径为15-45μm；所述WC20Cr7Ni合金粉末的粒径为20-45μm；
在氩气保护氛围下，采用等离子喷涂方式将所述混合合金粉末喷涂至带有厚度为100-200μm粘结层的拉矫辊上，所述混合合金粉末的喷涂位置为所述拉矫辊的辊面以及所述拉矫辊与轴承的结合处，形成厚度为100-300μm的混合涂层。
2.根据权利要求1所述的用于增强连铸机拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法，其特征在于，所述粘结层是通过等离子喷涂方式将MCrAlY合金粉末喷涂至拉矫辊表面，拉矫辊表面需要平整、硬度低于60HRC。
3.根据权利要求2所述的用于增强连铸机拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法，其特征在于，采用等离子喷涂方式制备所述粘结层的工艺参数包括：电流为500-650A，电压为75-85V，喷涂距离为50-100mm，送粉率为20-50g/min。
4.根据权利要求1所述的用于增强连铸机拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法，其特征在于，采用等离子喷涂方式制备所述混合涂层的工艺参数包括：电流为500-600A，电压为80-85V，喷涂距离为60-80mm，送粉率为20-40g/min，Ar气气体流量为40-90L/min。
5.一种阻热及耐磨性能强的连铸机拉矫辊，其特征在于，其包括拉矫辊基体、粘结层和混合涂层，所述粘结层位于所述拉矫辊基体与所述混合涂层之间，所述混合涂层的厚度为100-300μm，所述混合涂层通过权利要求1-4任一项所述的用于增强连铸机拉矫辊的阻热及耐磨性能的方法制得。
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