CN111719148A - 钢厂夹送辊表面激光熔覆Fe-Cr合金耐磨涂层制备工艺 - Google Patents

钢厂夹送辊表面激光熔覆Fe-Cr合金耐磨涂层制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光熔覆增材制造技术领域，公开一种钢厂夹送辊表面激光熔覆Fe‑Cr合金耐磨涂层制备工艺，按摩尔质量百分比进行粉体材料配制球形粉末，采用电磁混粉装置进行粉末混合，粒径45‑105μm。激光熔覆的熔覆层数为2层，第一层熔覆层熔覆轨迹采用两条螺旋线交错形式，第一条螺旋线从夹送辊一端开始，第一条螺旋线轨迹运行完成后，第二条螺旋线从另一端开始；第二层熔覆层采用分区熔覆方式，分4个区域进行对称式熔覆，在每个区域熔覆过程中采用振动时效设备进行消应力处理。本发明通过粉体材料的调配和熔覆方式的组合，结合同步振动时效处理，可提高夹送辊表面涂层的耐磨性能和平均洛氏硬度，提高涂层质量，延长部件在产线上的更换周期。

Description

钢厂夹送辊表面激光熔覆Fe-Cr合金耐磨涂层制备工艺
技术领域
本发明涉及激光熔覆增材制造技术领域，具体而言涉及一种钢厂夹送辊表面激光熔覆 Fe-Cr合金耐磨涂层制备工艺。
背景技术
钢厂夹送辊装置用以帮助精轧机轧出的线材头部进入吐丝机成圈，并且防止高速运行的线材尾部出轧机时因脱离约束而加速造成堆钢阻塞事故。夹送辊由上、下辊、上辊开闭装置、辊缝调节装置及夹送辊夹送辊结构传动装置等组成。
为了改善咬入条件和使带钢头部往下弯，夹送辊是一对上大下小的辊子，上下辊之间有 10°～20°的偏角，带钢头部进人夹送辊后，头部被迫下弯，进人卷取机入口导板。夹送辊上下辊都带有凸度，利于带材卷取时对中及延长辊子寿命。夹送辊对带材施加后张力是由夹送辊的压紧力和传动马达决定的。随着轧制高速化，带钢厚度增大和材质高强度化。下夹送辊承受很大的压力，多采用实心锻钢辊；为提高耐磨性，辊面均堆焊硬质合金。
夹送辊表面强化除了传统的电弧堆焊方式以外，在激光再制造应用领域，国内对夹送辊表面强化一般采用高硬度的铁基材料，由于熔覆厚度较大、裂纹倾向严重，熔覆过程一般需要预热处理和熔覆后保温处理，熔覆过程温度控制不合适容易导致裂纹的产生。加热方式的引入增加了操作过程的难度，同时延长了单件产品的生产时间。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的冶金行业板材夹送辊存在严重磨损的问题，提供一种钢厂夹送辊表面激光熔覆用耐磨Fe-Cr合金粉体材料及涂层制备工艺，可显著提高夹送辊表面耐磨性能，延长部件使用寿命，同时提高表面抗腐蚀性能。
根据本发明的第一方面提出一种钢厂夹送辊表面激光熔覆用耐磨Fe-Cr合金粉体材料，按照摩尔质量百分比包括以下成分配比：C-0.8％，Cr-12.6％，Nb-0.07％，Si-0.28％，Mn-0.26％，以及V-W-Mo-Ni与Fe，其中V-W-Mo-Ni的总量低于6％，Fe构成余量；
所述合金粉体材料为球形，粒径45-105μm，氧含量150ppm以下。
优选地，所述V-0.6％，W-1.9％，Mo-2.6％，Ni-0.24％。
根据本发明的第二方面还提出一种激光熔覆制备钢厂夹送辊表面耐磨涂层的工艺，包括以下步骤：
步骤1、按摩尔质量百分比进行粉体材料配制；
步骤2、耐磨涂层制备，包括：
第一层熔覆层制备：夹送辊工件旋转、熔覆加工头直线进给，熔覆轨迹采用两条螺旋线交错形式，第一条螺旋线从夹送辊一端开始，道与道间距为单道熔覆宽度的1/2，第一条螺旋线轨迹运行完成后，第二条螺旋线从另一端开始，螺旋线间距为单道熔覆宽度的1/2，熔覆完成后采用振动时效设备进行消应力处理；
第二层熔覆层制备：激光束熔覆与振动时效设备组合使用，熔覆过程中工件不旋转，熔覆加工头通过机器人走1/4圆弧轨迹，并且在整个夹送辊辊面采用分区熔覆方式，表面均匀地等分为4个区域，并进行对称式熔覆，在每个区域熔覆过程中同步接入振动时效设备进行消应力处理。
优选地，所述步骤1中，按摩尔质量百分比进行粉体材料配制后，采用电磁混粉装置进行粉末混合1h，并在使用之前100℃真空干燥1.5h。
优选地，所述步骤2的耐磨涂层制备过程中，激光束采用圆形光斑，送粉方式为同轴送粉，熔覆层数为2层，熔覆总厚度2.6mm，第一层熔覆厚度1.0mm，第二层熔覆厚度1.6mm。
优选地，在步骤2的激光熔覆过程中，采用的工艺参数如下：
底层：激光功率2.1kW，光斑尺寸5mm，扫描速度1200mm/min，保护气选择氩气，流量为40ml/min，加工头底部距离工件表面40mm；
表层：激光功率2.3kW，光斑尺寸5mm，扫描速度720mm/min，保护气选择氩气，流量为40ml/min，加工头底部距离工件表面40mm。
根据本发明的第三方面还提出一种所制备的激光熔覆制备钢厂夹送辊表面耐磨涂层。
由以上本发明的技术方案，本发明的显著优点在于：
1)相比于夹送辊传统表面强化工艺，本发明所涉及的方法不需要前期预热处理和熔覆后保温，节省了加工时间，粉体材料成分及比例调控方便。
2)振动时效过程使晶核提前形成，成长中的枝晶破碎，致使形核率和晶核数目增加，从而达到晶粒细化，组织分布均匀的目的，消除由于粗大晶体聚集焊缝而引起的应力集中，降低了残余应力。
3)由于振动，在结晶过程中使气泡、杂质等容易上浮，氢气易排除，焊缝材料与母材过渡连接均匀、平缓，降低应力集中，提高涂层质量；
4)采用分区熔覆进一步降低了涂层的应力集中问题，提高涂层的质量。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1为本发明第一层熔覆层轨迹方式示意图。
图2为本发明表层熔覆层分区域熔覆轨迹(1→3→2→4)。
图3为本发明振动时效装置安装位置。
图4为熔覆层硬度测试曲线，其中1-实施例1涂层硬度；2-实施例2涂层硬度。
图5为熔覆层着色探伤表面形貌。图5(a)实施例1探伤表面，图5(b)实施例2探伤表面。
图示中，各附图标记含义如下：
1—夹送辊
2—橡胶垫块
3—激振器
4—振动时效控制器
5—传感器
6—机床转台
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图示，本发明针对钢铁冶金行业夹送辊表面存在严重磨损问题，提出一种中厚涂层结合性能良好、操作简单，可适合于工业化生产的耐磨激光熔覆用粉体材料，并基于此，采用激光束与振动时效复合加工工艺，在夹送辊表面形成良好的高耐磨熔覆涂层。
结合图示，根据本发明的第一方面提出一种钢厂夹送辊表面激光熔覆用耐磨Fe-Cr合金粉体材料，按照摩尔质量百分比包括以下成分配比：C-0.8％，Cr-12.6％，Nb-0.07％，Si-0.28％， Mn-0.26％，以及V-W-Mo-Ni与Fe，其中V-W-Mo-Ni的总量低于6％，Fe构成余量；
所述合金粉体材料为球形，粒径45-105μm，氧含量150ppm以下。
优选地，所述V-0.6％，W-1.9％，Mo-2.6％，Ni-0.24％。
如此，通过V-W-Mo-Ni的复合材料，进一步增强合金粉末的耐高温、耐磨性能。
根据本发明的第二方面还提出一种激光熔覆制备钢厂夹送辊表面耐磨涂层的工艺，包括以下步骤：
步骤1、按摩尔质量百分比进行粉体材料配制；
步骤2、耐磨涂层制备，包括：
第一层(底层)熔覆层制备：夹送辊工件旋转、熔覆加工头直线进给，熔覆轨迹采用两条螺旋线交错形式，第一条螺旋线从夹送辊一端开始，道与道间距为单道熔覆宽度的1/2，第一条螺旋线轨迹运行完成后，第二条螺旋线从另一端开始，螺旋线间距为单道熔覆宽度的1/2，熔覆完成后采用振动时效设备进行消应力处理；
第二层(表层)熔覆层制备：激光束熔覆与振动时效设备组合使用，熔覆过程中工件不旋转，熔覆加工头通过机器人走1/4圆弧轨迹，并且在整个夹送辊辊面采用分区熔覆方式，表面均匀地等分为4个区域，并进行对称式熔覆，在每个区域熔覆过程中同步接入振动时效设备进行消应力处理。
优选地，所述步骤1中，按摩尔质量百分比进行粉体材料配制后，采用电磁混粉装置进行粉末混合1h，并在使用之前100℃真空干燥1.5h。
优选地，所述步骤2的耐磨涂层制备过程中，激光束采用圆形光斑，送粉方式为同轴送粉，熔覆层数为2层，熔覆总厚度2.6mm，第一层熔覆厚度1.0mm，第二层熔覆厚度1.6mm。
优选地，在步骤2的激光熔覆过程中，采用的工艺参数如下：
底层：激光功率2.1kW，光斑尺寸5mm，扫描速度1200mm/min，保护气选择氩气，流量为40ml/min，加工头底部距离工件表面40mm；
表层：激光功率2.3kW，光斑尺寸5mm，扫描速度720mm/min，保护气选择氩气，流量为40ml/min，加工头底部距离工件表面40mm。
下面结合附图所示，下面更加具体地描述各个实施例的示例。
【实施例1】
本例中激光熔覆粉末材料按前述的比例混合粉末，采用电磁混料机混合时间为1h。选用未做表面强化的夹送辊新品作为激光熔覆的试验工件，材质为45钢。
激光熔覆实验采用ZKYC-LCD-4000型激光再制造装备：KUKA60-3型机器人、YC52同轴送粉加工头、Laserline半导体4000W激光器、MCWL-120DT2水冷机和RC-PGF-D-2双桶送粉器。激光熔覆主要工艺参数为：
第一层(底层)：激光功率2.1kW，光斑尺寸5mm，扫描速度1200mm/min，保护气选择氩气，流量为40ml/min，加工头底部距离工件表面40mm；熔覆轨迹为：工件连续旋转，熔覆头做直线进给，熔覆层搭接率50％；
第二层(表层)：激光功率2.3kW，光斑尺寸5mm，扫描速度720mm/min，保护气选择氩气，流量为40ml/min，加工头底部距离工件表面40mm。熔覆轨迹为：工件连续旋转，熔覆头做直线进给，熔覆层搭接率50％
激光熔覆制备的试样为单层多道搭接熔覆涂层，熔覆总厚度2.7mm左右。线切割取样，所得样品为1号，表面着色探伤如图5中左侧的(a)所示。
【实施例2】
激光熔覆粉末材料按前述的比例混合粉末，采用电磁混料机混合时间为1h。同样选用夹送辊作为激光熔覆的基体材料。
激光熔覆实验采用ZKYC-LCD-4000型激光再制造装备：KUKA60-3型机器人、YC52同轴送粉加工头、Laserline半导体4000W激光器、MCWL-120DT2水冷机和RC-PGF-D-2双桶送粉器。激光熔覆主要工艺参数为：
第一层(底层)：激光功率2.1kW，光斑尺寸5mm，扫描速度1200mm/min，保护气选择氩气，流量为40ml/min，加工头底部距离工件表面40mm；工件旋转、熔覆加工头直线进给，熔覆轨迹采用两条螺旋线交错形式，第一条螺旋线从夹送辊一端开始，道与道间距为单道熔覆宽度的1/2，第一条螺旋线轨迹运行完成后，第二条螺旋线从另一端开始，螺旋线间距为单道熔覆宽度的1/2，熔覆完成后采用低噪音振动时效设备HK2012进行消应力处理30min。
第二层(表层)：激光功率2.3kW，光斑尺寸5mm，扫描速度720mm/min，保护气选择氩气，流量为40ml/min，加工头底部距离工件表面40mm。激光束与振动时效设备组合使用，熔覆过程工件不旋转，熔覆加工头通过机器人走1/4圆弧轨迹。整个辊面采用分区熔覆方式，表面分为4个区域依次进行对称式熔覆1→3→2→4，在每个区域熔覆过程中同步接入低噪音振动时效设备HK2012进行消应力处理。
激光熔覆制备的试样为单层多道搭接熔覆涂层，熔覆厚度2.65mm左右。线切割取样，所得样品为2号，表面着色探伤如图5中右侧的(b)所示。可见熔覆层成型良好、探伤未出现裂纹缺陷。
结合图2所示的硬度测试，图2实施例的方式得到的熔覆层整体平均洛氏硬度比传统熔覆轨迹方式高。
由此，本发明的实施例中，采用高硬度高速钢粉末材料与高硬度Fe-Cr合金粉体材料进行比例混合，二者具有良好的物理和化学相容性，在熔覆过程中在微观组织的优化、裂纹控制以及结合力形成协同，其中的铁基基体(占据80％以上)与耐磨基体V-W-Mo-Ni在激光熔覆形成熔池的过程中，一方面通过Mo、Ni在熔池内进行粘结，提高耐磨和硬度，同时通过适量的Zr基体(例如氧化锆ZrO2)细化了熔覆层，减少涂层的细微裂纹产生，提高Fe-Cr耐磨涂层中铁基结相对耐磨基颗粒的结合力，进一步提高涂层的质量和耐磨性。
在涂层的激光熔覆制备过程中，第一层熔覆层熔覆轨迹采用两条螺旋线交错形式，熔覆完成后采用低噪音振动时效设备HK2012进行消应力处理；第二层熔覆层采用分区熔覆方式，整个熔覆表面分为4个区域，4个区域进行对称式熔覆，在每个区域熔覆过程中采用振动时效设备实时进行消应力处理。如此，通过采用分区及熔覆过程振动时效处理，较大幅度降低了高硬度中厚涂层裂纹的产生。
其中，熔覆同步进行的振动时效处理过程，通过在工件的共振状态下，给工件的每一个微观晶格施加一定的动能量，如果施加的这个能量值与微观组织本身原有的能量值之和，足以克服微观组织周围的井势，则微观区域将产生塑性变形，使产生残余应力的歪曲晶格得以慢慢地恢复平衡状态，使应力集中处地位错得以滑移并重新钉扎，达到降低应力峰值和均化残余应力的目的。
同时，通过振动时效处理还进一步促进晶核提前形成，成长中的枝晶破碎，致使形核率和晶核数目增加，从而达到晶粒细化，组织分布均匀的目的，消除由于粗大晶体聚集焊缝而引起的应力集中，降低了残余应力。进一步地，由于振动时效处理，在结晶过程中使气泡、杂质等容易上浮，氢气易排除，焊缝材料与母材过渡连接均匀、平缓，降低应力集中，提高涂层质量，使得在图2和图5体现出的硬度和表面耐磨性能更佳。
本发明相比于传统夹送辊表面再制造方式，减少了前期预热准备、熔覆过程持续加热和熔覆后保温等环节，缩短了单件产品的熔覆时间；还可以减少了因材料加热带来的生产车间环境污染问题，保护了车间操作人员的身体健康。
本发明通过粉体材料的调配和熔覆方式的组合，制备的涂层可提高夹送辊表面耐磨性能，延长部件在产线上的更换周期。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.钢厂夹送辊表面激光熔覆Fe-Cr合金耐磨涂层制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、按下述摩尔质量百分比进行Fe-Cr合金粉体材料配制：C-0.8％，Cr-12.6％，Nb-0.07％，Si-0.28％，Mn-0.26％，以及V-W-Mo-Ni与Fe，其中V-W-Mo-Ni的总量低于6％，Fe构成余量；所述合金粉体材料为球形，粒径45-105μm，氧含量150ppm以下
步骤2、耐磨涂层制备，包括：
第一层熔覆层制备：夹送辊工件旋转、熔覆加工头直线进给，熔覆轨迹采用两条螺旋线交错形式，第一条螺旋线从夹送辊一端开始，道与道间距为单道熔覆宽度的1/2，第一条螺旋线轨迹运行完成后，第二条螺旋线从另一端开始，螺旋线间距为单道熔覆宽度的1/2，熔覆完成后采用振动时效设备进行消应力处理；
第二层熔覆层制备：激光束熔覆与振动时效设备组合使用，熔覆过程中工件不旋转，熔覆加工头通过机器人走1/4圆弧轨迹，并且在整个夹送辊辊面采用分区熔覆方式，表面均匀地等分为4个区域，并进行对称式熔覆，在每个区域熔覆过程中同步接入振动时效设备进行消应力处理。
2.根据权利要求1所述的钢厂夹送辊表面激光熔覆Fe-Cr合金耐磨涂层制备工艺，其特征在于，所述Fe-Cr合金粉体材料中，V-0.6％，W-1.9％，Mo-2.6％，Ni-0.24％。
3.根据权利要求1所述的激光熔覆制备钢厂夹送辊表面耐磨涂层的工艺，其特征在于，所述步骤1中，按摩尔质量百分比进行粉体材料配制后，采用电磁混粉装置进行粉末混合1h，并在使用之前100℃真空干燥1.5h。
4.根据权利要求1所述的激光熔覆制备钢厂夹送辊表面耐磨涂层的工艺，其特征在于，所述步骤2的耐磨涂层制备过程中，激光束采用圆形光斑，送粉方式为同轴送粉，熔覆层数为2层，熔覆总厚度2.6mm，第一层熔覆厚度1.0mm，第二层熔覆厚度1.6mm。
5.根据权利要求1所述的激光熔覆制备钢厂夹送辊表面耐磨涂层的工艺，其特征在于，在步骤2的激光熔覆过程中，采用的工艺参数如下：
底层：激光功率2.1kW，光斑尺寸5mm，扫描速度1200mm/min，保护气选择氩气，流量为40ml/min，加工头底部距离工件表面40mm；
表层：激光功率2.3kW，光斑尺寸5mm，扫描速度720mm/min，保护气选择氩气，流量为40ml/min，加工头底部距离工件表面40mm。
6.一种根据权利要求1-5中任意一项的工艺所制备的激光熔覆制备钢厂夹送辊表面耐磨涂层。
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