CN111974984A - 一种高速激光熔覆用铁基合金粉末及其熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的高速激光熔覆用铁基合金粉末及其熔覆方法，涉及材料科学与表面工程技术领域；铁基合金粉末的成分为：Fe：80～85wt％，Cr：8～12wt％，Ni：1～3wt％，Mn：2～3wt％，V：1～2wt％，余量为不可避免的微量杂质；并提供了铁基合金粉末在层流辊上的熔覆方法，主要在与对预处理后的层流辊基体进行预热，并在熔覆过程中对层流辊基体进行保温；采用本发明提供的铁基合金粉末在层流辊上的熔覆方式获得的激光熔覆层涂层结合力强、致密性好，层流辊受热变形量小，而且具有良好的可切削加工性能，大幅度的提升了层流辊的耐磨耐腐蚀性能和熔覆效率，适用于层流辊的新制和修复，有显著的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及材料科学与表面工程技术领域，具体涉及一种高速激光熔覆用 铁基合金粉末及其熔覆方法。
背景技术
激光熔覆也叫做激光再制造技术、激光修复技术。激光熔覆技术是一种利 用高能激光和金属粉末材料对各类零件进行合金强化处理的新兴技术，处理后 能显著提高其表面硬度和耐磨性，延长零件使用寿命，提高作业率，达到增产 降耗的目的。激光熔覆工作原理是以不同的填料方式在被涂覆的基体表面上放 置选择的涂层材料，经过激光照射使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝 固后形成稀释率极低并与基体材料形成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基 体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热和抗氧化等的工艺方法。
激光熔覆技术解决了传统电焊、氩弧焊等热加工过程中不可避免的热变形、 热疲劳损伤等一系列技术难题，同时也解决了传统电镀、喷涂等冷加工过程中 覆层与基体结合强度差的矛盾，这就为表面修复及强化技术的发展提供了一个 很好的途径。
热轧层流辊是热轧板带生产线上的关键设备，其使用量较大，使用环境恶 劣(热轧板带通过该设备时入口侧板带温度在1000℃以上，通过该设备过程中 进行喷淋冷却，到出口侧板带温度降低到600～800℃)，需要辊面具备耐热性、 耐磨性、耐腐蚀性。而现有技术均采用热喷涂的方式制备辊子表面涂层以满足 其工况需求，但是热喷涂制备工艺复杂、粉末消耗高、设备能耗高，导致该辊 子制作成本居高不下，且生产周期较长。
发明内容
本发明目的在于提供一种高速激光熔覆用铁基合金粉末及其熔覆方法，该 铁基合金粉末在热轧层流辊基体表面熔覆时能获得冶金结合带，熔覆层与基体 界面冶金结合良好，提高了热轧层流辊的耐磨性和耐蚀性；本方法可精确控制 熔覆层的厚度，加工耗时较短，效率高，降低了加工成本。
为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种高速激光熔覆用铁基合 金粉末，其成分及含量为：Fe：80～85wt％，Cr：8～12wt％，Ni：1～3wt％，Mn： 2～3wt％，V：1～2wt％，余量为不可避免的微量杂质。
进一步的，所述高速激光熔覆用铁基合金粉末的粒径为20～53μm。
进一步的，所述高速激光熔覆用铁基合金粉末在热轧层流辊上熔覆。
进一步的，所述高速激光熔覆用铁基合金粉末在热轧层流辊上的熔覆方法， 包括如下步骤：
1)对热轧层流辊基体表面进行预处理；
2)将预处理后的热轧层流辊安装到专用工装上，预处理后的表面朝向高速 激光熔覆设备，所述高速激光熔覆设备内装有待熔覆的铁基合金粉末；
3)对预处理后的热轧层流辊进行预热处理，预热温度为T1， 100℃≤T1≤150℃；
4)高速激光熔覆设备在热轧层流辊基体预处理后的表面上进行高速激光熔 覆，高速激光熔覆过程中热轧层流辊基体保温，保温温度为T2，100℃≤T2≤150℃；
5)熔覆完成后，对热轧层流辊基体保温缓冷至室温，完成激光熔覆层。
进一步的，所述步骤4)中高速激光熔覆设备在热轧层流辊基体表面和热轧 层流辊基体表层同时激光熔融，形成激光熔覆层。
进一步的，所述步骤4)中高速激光熔覆设备在熔覆过程中通过激光送粉器 对热轧层流辊基体表面熔覆部位进行连续送粉，送粉速率为300ml/h～2000ml/h。
进一步的，所述步骤4)中高速激光熔覆的加工工艺参数为：激光光斑直径 为1mm～2mm、激光功率为4000W～6000W、激光扫描速度为0.2m2/h～0.5m2/h、 搭接率为30％～50％。
进一步的，所述步骤2)中的专用工装为旋转机床，所述旋转机床的头部设 置有感应加热器。
进一步的，所述步骤3)中的预热处理为利用专用加热工装从热轧层流辊的 开始端进行处理。
进一步的，所述步骤5)中热轧层流辊表面的激光熔覆层厚度为1mm～2mm。
由以上技术方案可知，本发明的技术方案激光熔覆用镍基合金粉末及其熔 覆方法，获得了如下有益效果：
本发明公开的一种高速激光熔覆用铁基合金粉末及其熔覆方法，其中，铁 基合金粉末的成分为：Fe：80～85wt％，Cr：8～12wt％，Ni：1～3wt％，Mn：2～ 3wt％，V：1～2wt％，余量为不可避免的微量杂质；提供了铁基合金粉末在热轧 层流辊上的熔覆方法，具体为，首先对热轧层流辊基体表面进行预处理；其次 将预处理后的热轧层流辊安装到专用工装上，预处理后的表面朝向高速激光熔 覆设备，所述高速激光熔覆设备内装有待熔覆的铁基合金粉末；第三对预处理 后的热轧层流辊进行预热处理至温度在100℃～150℃；然后采用高速激光熔覆设 备在热轧层流辊基体预处理后的表面上进行激光熔覆，激光熔覆过程中热轧层 流辊基体保温在100℃～150℃之间；最后，熔覆完成后，热轧层流辊基体保温缓 冷至室温。本发明中通过对热轧层流辊基体熔覆前预热、熔覆中保温的方式， 在热轧层流辊表面获得涂层结合力强的激光熔覆层，同时激光熔覆层具有良好 的可切削加工性能，并且无裂纹、杂质等缺陷，极大提高了热轧层流辊的耐磨 性和耐蚀性；
其次，本发明公开的熔覆方法可精确控制激光熔覆层的厚度，能适用于新 制和修复热轧层流辊，加工耗时较短，效率高，降低了加工成本且能耗低、无 污染，具有显著的经济效益和社会效益。
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。
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。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例的 技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施 例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员 在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范 围。除非另作定义,此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内 具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及 类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部 分。同样,除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或 者“该”等类似词语也不表示数量限制,而是表示存在至少一个。“包括”或者 “包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件 涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素 和/或组件,并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/ 或其集合的存在或添加。“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述 对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。
基于现有技术中采用热喷涂的方式制备辊子表面涂层，虽然能使得辊面具 有一定的耐热性、耐磨性和耐腐蚀性，但是喷涂涂层结合力差，同时制备工艺 复杂、粉末消耗高、设备能耗高，导致存在辊子制作成本居高不下，生产周期 较长的问题。本发明旨在提出一种高速激光熔覆用铁基合金粉末及其熔覆方法， 在提高热轧层流辊辊面的耐热性、耐磨性、耐腐蚀性的前提下，降低加工成本， 提高加工效率。
下面对本发明的一种高速激光熔覆用铁基合金粉末及其熔覆方法作进一步 具体介绍。
一种高速激光熔覆用铁基合金粉末，其成分及含量为：Fe：80～85wt％， Cr：8～12wt％，Ni：1～3wt％，Mn：2～3wt％，V：1～2wt％，余量为不可避免 的微量杂质。
将本发明公开的激光熔覆用镍基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆应用，熔 覆方法包括如下步骤：
1)对热轧层流辊基体表面进行预处理，预处理包括精加工、抛光处理等；
2)将预处理后的热轧层流辊安装到专用工装上，预处理后的表面朝向高速 激光熔覆设备，所述高速激光熔覆设备内装有待熔覆的铁基合金粉末；
3)对预处理后的热轧层流辊进行预热处理，预热温度为T1， 100℃≤T1≤150℃；
4)高速激光熔覆设备在热轧层流辊基体预处理后的表面上进行高速激光熔 覆，高速激光熔覆过程中热轧层流辊基体保温，保温温度为T2，100℃≤T2≤150℃；
5)熔覆完成后，对热轧层流辊基体保温缓冷至室温，完成激光熔覆层。
采用上述公开的激光熔覆用镍基合金粉末在结晶器铜板基体表面熔覆获得 的激光熔覆层厚度为1mm～2mm。
另外，上述方法步骤中步骤4)高速激光熔覆设备在热轧层流辊基体表面和 热轧层流辊基体表层同时激光熔融，形成激光熔覆层；高速激光熔覆设备在熔 覆过程中通过激光送粉器对热轧层流辊基体表面熔覆部位进行连续送粉，送粉 速率为300ml/h～2000ml/h；高速激光熔覆的加工工艺参数为：激光光斑直径为 1mm～2mm、激光功率为4000W～6000W、激光扫描速度为0.2m2/h～0.5m2/h、 搭接率为30％～50％。
本发明通过旋转机床固定热轧层流辊，同时在旋转机床的头部设置有感应 加热器。具体的，利用专用加热工装从热轧层流辊的开始端进行加热处理。
实施例1
选取修复的层流辊，对其基体表面进行预处理，去除氧化物和污渍等，然 后，将热轧层流辊基体固定在旋转机床上进行预热，预处理后的表面朝向高速 激光熔覆设备的激光头；取适量的铁基合金粉末进行烘干，铁基合金粉末的成 分为Fe：84wt％，Cr：8wt％，Ni：3wt％，Mn：3wt％，V：1wt％，余量为不可 避免的微量杂质。铁基合金粉末粒径在20～53μm之间分布，烘干后装入高速激 光熔覆设备送粉器内待用；开启高速激光熔覆设备，激光功率设定为4000W， 激光光斑调整至合适位置，使用机器人带动高速激光熔覆设备激光头，设定扫 描速度0.3m2/h，激光搭接率30％，送粉器送粉速度300ml/h，熔覆完成后，热 轧层流辊基体在旋转机床内缓冷至室温。制备的熔覆层厚度为0.8～1mm，取样 进行硬度和耐磨性试验。
实施例2
选取修复的层流辊，对其基体表面进行预处理，去除氧化物和污渍等，然 后，将热轧层流辊基体固定在旋转机床上进行预热，预处理后的表面朝向高速 激光熔覆设备的激光头；取适量的铁基合金粉末进行烘干，铁基合金粉末的成 分为Fe：80wt％，Cr：12wt％，Ni：3wt％，Mn：3wt％，V：1wt％，余量为不 可避免的微量杂质。铁基合金粉末粒径在20～53μm之间分布，烘干后装入高速 激光熔覆设备送粉器内待用；开启高速激光熔覆设备，激光功率设定为5000W， 激光光斑调整至合适位置，使用机器人带动高速激光熔覆设备激光头，设定扫 描速度0.4m2/h，激光搭接率30％，送粉器送粉速度500ml/h，熔覆完成后，热 轧层流辊基体在旋转机床内缓冷至室温。制备的熔覆层厚度为1～1.2mm，取样 进行硬度和耐磨性试验。
实施例3
选取新制的层流辊，对其基体表面进行预处理，去除氧化物和污渍等，然 后，将热轧层流辊基体固定在旋转机床上进行预热，预处理后的表面朝向高速 激光熔覆设备的激光头；取适量的铁基合金粉末进行烘干，铁基合金粉末的成 分为Fe：83wt％，Cr：11wt％，Ni：1wt％，Mn：2wt％，V：2wt％，余量为不 可避免的微量杂质。铁基合金粉末粒径在20～53μm之间分布，烘干后装入高速 激光熔覆设备送粉器内待用；开启高速激光熔覆设备，激光功率设定为6000W， 激光光斑调整至合适位置，使用机器人带动高速激光熔覆设备激光头，设定扫 描速度0.5m2/h，激光搭接率40％，送粉器送粉速度500ml/h，熔覆完成后，热 轧层流辊基体在旋转机床内缓冷至室温。制备的熔覆层厚度为1～1.2mm，取样 进行硬度和耐磨性试验。
实施例4
与实施例1相比采用一样的激光熔覆操作步骤，仅更换本发明公开的铁基 合金粉末为现有技术中常见的铁基合金粉末Fe：73wt％，Cr：17.6wt％，Ni：2％， Mo：1wt％，B：1wt％，余量为不可避免的微量杂质。取样进行硬度和耐磨性试 验。
对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的产品进行维氏硬度检测试验， 其结果如表1所示。
结合表1所示，采用本发明公开的高速激光熔覆用铁基合金粉末对热轧层 流辊基体进行激光熔覆后，热轧层流辊的硬度相较于现有技术中实施例4采用 其他成分比例的铁基合金粉末具有的显著提升，并且在常温长时间和500℃加热 8h应用条件下仍能保持良好的硬度性能。
表1高速激光熔覆后热轧层流辊基体硬度检测结果
对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的产品进行耐磨性检测试验， 其结果如表2所示。
结合表2所示，采用本发明公开的高速激光熔覆用铁基合金粉末对热轧层 流辊基体进行激光熔覆后，热轧层流辊的耐磨性相较于现有技术中实施例4采 用其他成分比例的铁基合金粉末具有的显著提升，并且在常温和500℃长时间应 用条件下，虽然耐磨性降低，但相较于实施例4采用现有技术中的铁基合金粉 末熔覆仍能保持良好的耐磨性能。
表2高速激光熔覆后热轧层流辊基体耐磨性检测结果
综合上述对实施例1至实施例4的硬度和耐磨性的研究分析，采用本发明 公开的高速激光熔覆用铁基合金粉末及其在热轧层流辊表面的熔覆方法，能在 热轧层流辊表面得到熔覆层与基底界面冶金结合良好的冶金结合带，，激光熔覆 层具有良好的可切削加工性能，且无裂纹、杂质等缺陷，极大提高了热轧层流 辊的耐磨性和耐蚀性；并且本方法可精确控制激光熔覆层的厚度，能适用于新 制和修复热轧层流辊，加工耗时较短，效率高，降低了加工成本且能耗低、无 污染，具有显著的经济效益和社会效益。
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 (10)
1.一种高速激光熔覆用铁基合金粉末，其特征在于，所述高速激光熔覆用铁基合金粉末的成分及含量为：Fe：80～85wt％，Cr：8～12wt％，Ni：1～3wt％，Mn：2～3wt％，V：1～2wt％，余量为不可避免的微量杂质。
2.根据权利要求1所述的高速激光熔覆用铁基合金粉末，其特征在于，所述高速激光熔覆用铁基合金粉末的粒径为20～53μm。
3.根据权利要求1所述的高速激光熔覆用铁基合金粉末，其特征在于，所述高速激光熔覆用铁基合金粉末在热轧层流辊上熔覆。
4.根据权利要求3所述的高速激光熔覆用铁基合金粉末在热轧层流辊上的熔覆方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对热轧层流辊基体表面进行预处理；
2)将热轧层流辊安装到专用工装上，预处理后的表面朝向高速激光熔覆设备，所述高速激光熔覆设备内装有待熔覆的铁基合金粉末；
3)对预处理后的热轧层流辊进行预热处理，预热温度为T1，100℃≤T1≤150℃；
4)高速激光熔覆设备在热轧层流辊基体预处理后的表面上进行高速激光熔覆，高速激光熔覆过程中热轧层流辊基体保温，保温温度为T2，100℃≤T2≤150℃；
5)熔覆完成后，对热轧层流辊基体保温缓冷至室温，完成激光熔覆层。
5.根据权利要求4所述的高速激光熔覆用铁基合金粉末在热轧层流辊上的熔覆方法，其特征在于，所述步骤4)中高速激光熔覆设备在热轧层流辊基体表面和热轧层流辊基体表层同时激光熔融，形成激光熔覆层。
6.根据权利要求4所述的高速激光熔覆用铁基合金粉末在热轧层流辊上的熔覆方法，其特征在于，所述步骤4)中高速激光熔覆设备在熔覆过程中通过激光送粉器对热轧层流辊基体表面熔覆部位进行连续送粉，送粉速率为300ml/h～2000ml/h。
7.根据权利要求4所述的高速激光熔覆用铁基合金粉末在热轧层流辊上的熔覆方法，其特征在于，所述步骤4)中高速激光熔覆的加工工艺参数为：激光光斑直径为1mm～2mm、激光功率为4000W～6000W、激光扫描速度为0.2m2/h～0.5m2/h、搭接率为30％～50％。
8.根据权利要求4所述的高速激光熔覆用铁基合金粉末在热轧层流辊上的熔覆方法，其特征在于，所述步骤2)中的专用工装为旋转机床，所述旋转机床的头部设置有感应加热器。
9.根据权利要求4所述的高速激光熔覆用铁基合金粉末在热轧层流辊上的熔覆方法，其特征在于，所述步骤3)中的预热处理为利用专用加热工装从热轧层流辊的开始端进行处理。
10.根据权利要求4所述的高速激光熔覆用铁基合金粉末在热轧层流辊上的熔覆方法，其特征在于，所述步骤5)中热轧层流辊表面的激光熔覆层厚度为1mm～2mm。
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