CN111558621A - 一种耐磨导向板及其激光再制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨导向板，用于解决现有技术中导向臂底部被磨损后而无法使用，只能进行更换，从而造成影响生产效率同时增加使用成本的问题，其结构除导向臂外，还包括导向板，导向板可拆卸地安装在导向臂的底部，代替导向臂原本与钢板摩擦的部分，由于是可拆卸连接，相比于更换整个导向臂，更换的速度更快，对生产效率的影响最小，更进一步的，对导向板通过激光再加工的工艺进行表面处理，增加表面的硬度，同时在加工过程中，导向板的两侧结构相同，可以通过直接翻转来继续使用，从而延长使用寿命，减少更换频率；另外激光再加工的方式相比于其他的热熔覆的技术来说，耗能更低，热量更加集中，能够提高加工效率。

Description

一种耐磨导向板及其激光再制造工艺

技术领域

本发明属于激光再加工技术领域，具体涉及一种耐磨导向板及其激光再制造工艺。

背景技术

如图1所示的是轧钢过程中钢板运输的辊道部分，主要包括：驱动装置1、运动辊2、导向臂3，所述驱动装置1位于辊道的两端，驱动运动辊2转动，而经过一次轧制的钢板会随转动辊的转动而向前运动，为避免钢板的运动偏离方向，就在运动辊2的两侧设置导向臂3，导向臂3的角度可调，能够限制钢板的运动方向，但是由于钢板在轧制过程中的温度很高，且运动时与导向臂3的摩擦力较大，因此会造成导向臂3与钢板经常接触的部分被磨出一道凹槽，由于这种磨损是不均匀的，所以磨损到一定程度的导向臂3就不能再使用了，而正常情况下，一个中大型轧钢厂每天的产量至少可以达到上百万吨的产能，如此大的工作量就导致了导向臂3需要频繁进行更换，而每次更换就需要停下产线进行，也就变相的降低了工作效率，同时增加了使用成本，为解决这个问题，现有技术主要是采用更耐磨的材料或是进行表面加工。

激光再制造技术是一种先进表面加工技术，集熔覆加工、激光熔覆材料技术和其他多种技术于一体，不仅可以使损伤的零部件恢复外形，还可以是其使用性能达到甚至超过新品的水平，而且激光再制造的成本只是新品成本的50%，节能60%，是重大工程装备修复的重大发展方向；激光再制造技术具体可以分为激光熔覆技术、激光淬火技术、激光表面合金化技术等不同分支，其中的激光熔覆是使用较为广泛的一种，激光熔覆是指在涂覆基体表面上，以不同的填料方式放置选择的涂层材料，经激光辐照使之与基体表面同时熔化，快速凝固后形成稀释度极低、与基体金属呈冶金结合的涂层，但是由于激光的光斑较小，形成的熔池体积也较小，因此在冷却更快，是典型的快热快冷过程，熔覆过程中会产生过大的热应力，也就增加了在后续使用中产生裂纹的缺陷的可能。

通过激光涂敷来加强的方法是较为常用的一种，如授权公告号为CN105779925B的发明专利就公开了《一种超音速火焰喷涂预置粉末进行激光涂覆的方法》，其中公开了通过超音速火焰喷涂与激光熔覆结合起来的方法，通过预处理来缓解激光熔覆过程中急冷急热的问题，因此能够提供细化激光熔覆层组织，提供激光熔覆层质量，但是这种方式并不适用于耐磨导向板，因为导向板的使用环境较为苛刻，环境温度较高，导向板温度越高，其硬度就会随之降低，因此用在导向板中并不能达到最好的使用效果，而轧钢的生产线往往是24小时运行的，只有在检修的时候才会停止，因此，使用时间越长温度越高，越容易磨损，因此现有技术并不适合使用在导向的激光再制造过程中。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐磨导向板及其激光再加工工艺，导向板本身具有更好的耐磨性，使用寿命更长，而导向板的激光再加工工艺则可以在加工过程中减少因为急冷急热而导致的热应力或其它晶体缺陷。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种耐磨导向板，包括导向臂、导向板，所述导向板是长度与导向臂相同的长方形板条，与导向臂可拆卸连接，导向板的底部设置有多个让位拱，让位拱是圆弧形的拱面，所述导向板的两个侧面上设置有互为镜像的熔覆槽；所述导向板内侧设置有冷却道，所述冷却道的截面形状为工字型，熔覆槽上还均匀设置有螺纹孔，螺纹孔水平设置，并穿过冷却道一侧的表面，螺纹孔中用于固定导热杆，所述导热杆外设置有与之配合的外螺纹，导热杆是热的良导体，完全旋入螺纹孔后，导热杆的端部位于冷却道中。

进一步地，所述导热杆是没有螺头的螺杆，其中一个端面上设置有十字或是一字的凹槽。

一种激光再制造工艺，包括以下步骤：

S1：预处理：对导向板进行表面处理，除去表面铁锈等杂质；

S2：开坡口：在导向板的两个侧面分别开出熔覆槽；

S3：钻孔：在两侧熔覆槽中水平钻出若干通孔，该通孔向内延伸，穿透导向板中预留的冷却道的一个侧面，将冷却道与外界连通；在钻孔之前，在导向板的侧面上固定有模板，所述模板是布满通孔的厚板，厚度约为1~2厘米；通过导向板能够确定钻孔的位置；

S4：攻螺纹，在钻好的通孔中攻出内螺纹，并卸下模板；

S5：旋入导热杆，将导热杆旋入攻出的螺纹孔中，导热杆的一端应当位于冷却道中，使导热杆端面与熔覆槽表面留有一定的距离；

S6：火焰预热，先将用于熔覆的金属粉末铺在熔覆槽中，同时导热杆到熔覆槽表面的部分被金属粉末填满，然后用火焰加热金属粉末，使金属粉末部分熔化，从而固定在铺设的位置，然后翻转导向板至水平，水平朝下的面通过火焰进行预热，水平向上的面进行下一步加工；

S7:激光熔覆，通过激光束将金属粉末完全熔化，熔化后的金属液铺在熔覆槽中，冷却后即可形成耐磨金属层；

S8：填孔，在已经冷却的耐磨金属层表面重新安装模板，将耐磨的金属粉末倒入模板上的通孔中，然后使用单束激光束再次将模板中金属粉末的融化并在自然冷却后卸下模板，从而在耐磨金属表面制造多个向外突出的耐磨凸点；

S9：缓冷，一个侧面加工完成后的工件进行翻转，重复上述步骤完成另一个侧面的加工，由于在上述加工过程中，都会在另一面通过火焰进行加热，此时已加工好的平面在另一面加工的过程中被火焰加热，相当于在进行回火，消除其中部分的内应力，另一面加工完成以后，表面因金属凝固而温度升高，再放入缓冷装置；

进一步地，所述激光熔覆过程中，导向板的冷却道中插入有与冷却道形状相同的耐高温陶瓷板，该陶瓷板插入冷却道以后对导向板进行支撑，并辅助热量的传导。

本发明至少具有以下有益效果：

（1）通过在将经常受到摩擦的部分作为可拆卸的导向板，连接在导向臂上，不仅可以减少表面加工的面积，更换起来更加方便，能够显著降低成本。

（2）导向板在加工过程中事先在容易受道摩擦的部分设置熔覆槽，通过熔覆槽增加熔覆槽的厚度，进一步提高使用寿命，而且导向板两侧的结构相同，可以直接翻转后继续使用，降低了使用成本。

（3）导向板上镶嵌有略高于表面的磨点，磨点与钢板接触，且熔覆槽内侧设置有导热杆，导热杆一端位于冷却道内，能够将热量通过冷却迅速散失，从而降低整个导向板的温度，有效避免了使用过程中因温度较高而导致耐磨材料硬度下降的问题。

附图说明

构成本申请一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

附图中：

图1示意性示出了现有技术中钢板运输部分的俯视图；

图2示意性示出了本发明中实施例1的使用状态图；

图3示意性示出了本发明中实施例1的剖面结构示意图；

图4示意性示出了本发明中实施例2的剖面结构示意图；

图5示意性示出了图4中A部分的局部放大图；

图6示意性示出了本发明的激光再加工的工艺流程图；

图7示意性示出了实验例3中得到的b组的微观组织图像；

图8示意性示出了实验例3中得到的c组的微观组织图像；

其中，上述附图包括以下附图标记：

1-驱动装置，2-运动辊，3-导向臂，4-导向板，41-熔覆槽，42-连接孔，43-让位拱，44-导热杆，45-冷却道，46-磨点。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明；除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系；应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。

实施例1

如图2~3所示的是一种耐磨导向板，用于解决现有技术中导向臂底部被磨损后而无法使用，只能进行更换，从而造成影响生产效率同时增加使用成本的问题，其结构除导向臂外，还包括导向板4，导向板4可拆卸地安装在导向臂的底部，代替导向臂原本与钢板摩擦的部分，由于是可拆卸连接，相比于更换整个导向臂，更换的速度更快，对生产效率的影响最小，更进一步的，对导向板4通过激光再加工的工艺进行表面处理，增加表面的硬度，同时在加工过程中，导向板4的两侧结构相同，可以通过直接翻转来继续使用，从而延长使用寿命，减少更换频率；另外激光再加工的方式相比于其他的热熔覆的技术来说，耗能更低，热量更加集中，能够提高加工效率。

导向板4是长度与导向臂相同的长方形板条，导向板4的底部设置有多个让位拱43，让位拱43是圆弧形的拱面，运输过程中的运动辊位于导向板4底部的让位拱43下方，避免运动辊的转动受到导向板4的阻碍，如图2所示，导向板4上还设置有用于与导向臂连接的连接孔42，二者是可拆卸连接的，方便快速拆装导向板4。

进一步地，如图3所示，在导向板4的两个侧面上设置有互为镜像的熔覆槽41，在一侧被严重磨损以后可以拆下换一个面继续使用，而不是直接报废，能够有效节约成本，熔覆槽41靠近导向板4的底面，也就是经常与钢板进行摩擦的部位，熔覆槽41是水平设置的浅槽，在进行激光再加工时，为保证熔覆后的表面是水平的，熔覆槽41的位置会熔覆更厚的耐磨金属，因此能够提高使用寿命，由于运输钢板的厚度以及运输速度不同，钢板与导向板4的摩擦位置会有所不同，因此，在本发明中不做限定，使用者可以根据具体工况进行调整。

实施例2

本实施例与前一实施例的区别在于：在导向板4的轴线方向设置有冷却道45，如图4所示，冷却道45的截面形状为工字型，上下两部分的体积较大，能够储存更多的水，冷水从底部通入冷却道45中，并从冷却道45的顶面流出，形成一个通路，通过水的流动将使用过程中的热量带走，使导向板4始终处于较低的温度下，避免导向板4因为与未冷却的钢板接触而升温，高温导致导向板4硬度下降从而更容易被磨损。

进一步地，在熔覆槽41上还均匀设置有螺纹孔，螺纹孔水平设置，并穿过冷却道45一侧的表面，螺纹孔中用于固定导热杆44，导热杆44是热的良导体，在本实施例中，采用的是铝棒，导热杆44外设置有外螺纹，导热杆44的一个端面上设置有十字或是一字的凹槽，方便与螺纹孔配合，在装配时，将导热杆44完全旋入螺纹孔中，使导热杆44靠近熔覆槽41表面的一端与熔覆槽41表面留有一段距离，而导热杆44的另一端位于冷却道45中，导热杆44的另一端在进行激光熔覆时被封闭，导热杆44的加入，能够加速熔覆槽41在使用过程中接受的热量向冷却道45中的传导；另外，如图5所示，在通过激光再加工将熔覆槽41填平的表面上，还均匀固定了若干磨点46，所述磨点46是向外凸起的短圆柱，磨点46高于导向板4的侧面，所以在使用过程中率先与钢板接触，相比于增加整个面的熔覆厚度来说更加节约材料。

作为一种优选的实施例，所述基材为16Mn材质，用于激光熔覆的耐磨金属粉未为碳化钨合金粉未，主要成份为，W8%，Mo10%，Ni15%，Cr6%，Fe余量。

一种耐磨导向板及其激光再加工工艺过程，结合附图6进行说明，包括如下步骤：

S1：预处理：对导向板进行表面处理，除去表面铁锈等杂质，保证导向板外表面的光洁；

S2：开坡口：也就是在导向板的侧面分别开出熔覆槽；

S3：钻孔：在两侧熔覆槽中水平钻出若干通孔，该通孔向内延伸，穿透导向板中冷却道的一个侧面，将冷却道与外界连通；在钻孔之前，在导向板的侧面上固定有模板，所述模板是布满通孔的厚板，厚度约为1~2厘米；通过导向板能够更好的确定钻孔的位置；

S4：攻螺纹，在钻好的通孔中攻出内螺纹，并卸下模板；

S5：旋入导热杆，将导热杆旋入攻出的螺纹孔中，导热杆可以看做没有螺头部分的螺栓，可以完全旋入螺纹孔中，导热杆的一端应当位于冷却道中，且如图5所示，导热杆与熔覆槽表面留有一定的距离；

S6：火焰预热，先将用于熔覆的金属粉末铺在熔覆槽中，同时导热杆到熔覆槽表面的部分被金属粉末填满，然后用火焰加热金属粉末，然后将火焰置于背面对对导向板进行预热；

S7:激光熔覆，通过激光束将金属粉末熔化，熔化后的金属液铺在熔覆槽中，冷却后即可形成耐磨金属层；

需要说明的是：本工艺中采用的是多道激光束叠加的方式进行加工，激光束的功率相同，不同之处仅在与光斑大小不同，这些光斑的几何中心相同，激光束叠加的位置温度最高，并向外依次减小，由于使用多道激光束，所以熔池面积更大、热量输出更高，因此能够提高加工速度，并延长冷却时间。

在熔覆过程中，导向板的冷却道中插入有与冷却道形状相同的耐高温陶瓷板，该陶瓷板插入冷却道以后对导向板进行支撑，避免因激光再加工过程中热量过高而导致的变形，同时还能起到热量传递的作用，由于激光束的位置在移动，所以高温点的位置也在移动，而热量在陶瓷中的传导速度远高于空气中的传导速度，所以能够加快热量的传导，起到导热的作用，减轻热量分布不均的问题。

S8：填孔，在已经冷却的耐磨金属层表面重新安装模板，将耐磨的金属粉末倒入模板上的通孔中，然后使用单束激光束将金属粉末融化并自然冷却；

值得注意的是：通过激光熔化金属来填充模板上的通孔，操作更加简单，而且形成的磨点与底面是冶金连接，连接更加牢固。

S9：缓冷，将以一个侧面加工完成后的工件，翻转工件，重复上述步骤完成另一个侧面的加工，由于在上述加工过程中，都会在另一面通过火焰进行加热，此时已加工好的平面在另一面加工的过程中被火焰加热，相当于在进行回火，消除其中部分的内应力，另一面加工完成以后，表面因金属凝固而温度升高，再放入缓冷装置中即可，缓慢冷却，从而改善现有技术中，急冷急热的问题；

实验例1：显微硬度实验

实验样本：

a：基材为16Mn的导向板；

b：基材为16Mn，工件结构如实施例1所述，在工件原有的基础上，采用现有技术的的工艺，向其中的熔覆槽部分通过激光熔覆进行加工，制备出一层耐磨金属层；

c：基材为16Mn，工件结构如实施例2所述，并采用上述的步骤进行加工得到；

熔覆用的金属是碳化钨合金粉未，主要成份为，W8%,Mo10%,Ni15%,Cr6%,Fe余量；

激光熔覆的工艺参数：采用半导体激光器；激光功率3000W、扫描速度1000mm/min、光斑为方形：3*8mm。

实验设备：HV-1000型显微硬度计。

实验方法：

选择试验力并转动转盘，使40K物镜处于前方位置，将标准试件放在十字试台上，缓慢转动旋轮调节物镜至试件距离（约1mm）找到视场；然后将压头转至前方位置并定位转盘，按“启动”键，开始试验，直到屏幕出现 Unload；再转动40K物镜至前方，调节升降旋轮和鼓轮，测量压痕对角线长度，并将测得的目镜鼓轮格数输入d1、d2，则可出现显微硬度值，最后转动变换手轮，试台下降，更换测试点，重复上述操作三次，取三个点的平均值。

实验结果：

表1 显微硬度试验结果（HV）

结果分析：

硬度是决定耐磨性的重要指标之一，硬度越高耐磨性越好，根据实验结果可以看出，由于a组表面没有进行加工，所展现的就是基材本身的硬度指标，而另外两组由于涂覆了相同的耐磨金属，所以他们的硬度值基本相同，且远高于a组，也就说明了，经过激光再加工涂覆耐磨金属的工件显然具有更高的硬度，耐磨性明显有很大的提高，这对于延长使用寿命具有积极作用。

实验例2：使用磨损实验

实验设备：冷床（江苏黄河重工生产）

实验方法：将a组、b组、c组的实验样品各制造3个，将其安装在产线上的导向臂下方，为消除使用过程中影响，所有的试验样品均安装在同一条产线的同一个位置，并保证过钢量相同，使用固定时间后更换，拆下并冷却至室温以后对磨损量进行测量。

实验结果

表2 使用磨损实验结果

实验组别	过钢量（万吨）	磨损量（毫米）
			a1	2.65	17.76
a2	2.54	18.84
			a3	2.09	17.54
平均值	2.43	18.05
			b1	2.17	4.56
b2	2.38	5.04
			b3	2.43	4.88
平均值	2.33	4.83
			c1	2.34	2.18
c2	2.33	2.36
			c3	2.56	2.44
平均值	2.41	2.33

结果分析

使用磨损实验是直接放在真实使用环境中进行的，相对于实验室的理想测试环境更加具有真实性，实验数据更具有参考价值，而导向板的工作环境的温度较高，而且与导向板摩擦的钢板不仅质量大，而且还有较高的温度，所以仅仅经过几块钢板的摩擦，导向板的温度就会迅速增加，而金属的温度越高其硬度就会相应地降低，在进行过摩擦以后就更容易出现划痕，划痕长期堆积，在宏观上就会表现为导向板与钢板摩擦的位置被削薄，具体来说，由于在实际产线中，生产速度肯定不是完全相同的，会收到各种因素的干扰，所以三组在相同的时间段之内过钢量不是完全一致的，有一定的差值，但是这点差值可以忽略不计，a组相对于另外两组的磨损量明显更大，主要是因为基材本身的硬度不够，在受热后硬度进一步降低，因此出现了较为严重的磨损，因此会对使用寿命造成影响。

对比b组以及c组，二者的磨损量相差不大，二者的相同点就在于通过激光熔覆对表面进行了处理，耐磨涂层的硬度较高，其磨损量就会明显低于基材的磨损量，而二者之间进行对比，采用上述方法制备的c组的磨损量相对而言更小，这种差距可能会在更长时间的使用中暴露出来，因为这两组的区别在于：C组中还设置有冷却装置，冷却装置能够将导向板进行冷却，保持较低的使用温度，而b组的热量不能及时散失，会不断升高，这种高温会导致金属硬度降低，因此，在长时间的使用中，设置有散热装置的c组的硬度变化不大，磨损量会更小，而b组随着温度的累积，磨损量可能会更大。

实验例3：微观形貌分析：

实验仪器：扫描电镜；

实验样本：仅针对b组以及c组加工出的表面耐磨金属表面；

实验结果：如图7、图8所示；

根据上述实验得出的两张附图，可以看出，相同放大倍数的情况下，采用c组加工的耐磨金属层相对于b组的耐磨金属层，其晶粒细小，且分布均匀，对比二者的加工工艺，区别在于：C组在冷却道中插入起到了导热作用的陶瓷条，提高了热量传输效率，而且在加工的过程中持续有火焰从背面进行加热，同时起到了预热和回火的作用，整个导向板的温度相对更高，减轻了温度不均匀的现象，就不会像b组中出现急冷急热的情况，所以晶粒细小且分布均匀。

综上所述，采用b组或是c组的工艺生产出来耐磨导向板均有良好地使用效果，能够有效地提高板材的耐磨性；相对而言，由于c组的加工采用了火焰辅助加热并配合导热，在微观层面上，具有更细小的晶粒以及更均匀的分布。

Claims (4)

1.一种耐磨导向板，包括导向臂，其特征在于：还包括导向板，所述导向板是长度与导向臂相同的长方形板条，与导向臂可拆卸连接，导向板的底部设置有多个让位拱，让位拱是圆弧形的拱面，所述导向板的两个侧面上设置有互为镜像的熔覆槽；所述导向板内侧设置有冷却道，所述冷却道的截面形状为工字型，熔覆槽上还均匀设置有螺纹孔，螺纹孔水平设置，并穿过冷却道一侧的表面，螺纹孔中用于固定导热杆，所述导热杆外设置有与之配合的外螺纹，导热杆是热的良导体，完全旋入螺纹孔后，导热杆的端部位于冷却道中。

2.根据权利要求1所述的一种耐磨导向板，其特征在于：所述导热杆是没有螺头的螺杆，其中一个端面上设置有十字或是一字的凹槽。

3.一种激光再制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：

S1：预处理：对导向板进行表面处理，除去表面铁锈等杂质；

S2：开坡口：在导向板的两个侧面分别开出熔覆槽；

S3：钻孔：在两侧熔覆槽中水平钻出若干通孔，该通孔向内延伸，穿透导向板中预留的冷却道的一个侧面，将冷却道与外界连通；在钻孔之前，在导向板的侧面上固定有模板，所述模板是布满通孔的厚板，厚度约为1~2厘米；通过导向板能够确定钻孔的位置；

S4：攻螺纹，在钻好的通孔中攻出内螺纹，并卸下模板；

S5：旋入导热杆，将导热杆旋入攻出的螺纹孔中，导热杆的一端应当位于冷却道中，使导热杆端面与熔覆槽表面留有一定的距离；

S6：火焰预热，先将用于熔覆的金属粉末铺在熔覆槽中，同时导热杆到熔覆槽表面的部分被金属粉末填满，然后用火焰加热金属粉末，使金属粉末部分熔化，从而固定在铺设的位置，然后翻转导向板至水平，水平朝下的面通过火焰进行预热，水平向上的面进行下一步加工；

S7:激光熔覆，通过激光束将金属粉末完全熔化，熔化后的金属液铺在熔覆槽中，冷却后即可形成耐磨金属层；

S8：填孔，在已经冷却的耐磨金属层表面重新安装模板，将耐磨的金属粉末倒入模板上的通孔中，然后使用单束激光束再次将模板中金属粉末的融化并在自然冷却后卸下模板，从而在耐磨金属表面制造多个向外突出的耐磨凸点；

S9：缓冷，一个侧面加工完成后的工件进行翻转，重复上述步骤完成另一个侧面的加工，由于在上述加工过程中，都会在另一面通过火焰进行加热，此时已加工好的平面在另一面加工的过程中被火焰加热，相当于在进行回火，消除其中部分的内应力，另一面加工完成以后，表面因金属凝固而温度升高，再放入缓冷装置。

4.根据权利要求3所述的一种激光再制造工艺，其特征在于：所述激光熔覆过程中，导向板的冷却道中插入有与冷却道形状相同的耐高温陶瓷板，该陶瓷板插入冷却道以后对导向板进行支撑，并辅助热量的传导。

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