CN112301345A - 铸钢轧辊用激光熔覆合金粉料及其激光熔覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铸钢轧辊用激光熔覆合金粉料及其激光熔覆方法，其组分的质量百分含量为：C 0.4%～0.6%、Si 1%～2.5%、B 2%～4%、Ni 6%～10%、V 1%～3%、Cr 10%～16%、Mn 0.3%～0.6%、Mo 0.1%～0.3%、W 0.5%～1%、AlO 2%～5%、YO 1%～2%、ZrO 2%～5%，余量为Fe和不可避免的杂质。本合金粉料具有高耐磨性、红硬性强、润滑性强、高温环境下膨胀系数稳定、焊接性好等特点。本方法所用合金粉料能与铸钢轧辊形成良好的冶金结合，且结合层无裂纹、无杂质、无孔洞；本方法在铸钢轧辊表面形成合金层，该合金层具有高耐磨、润滑性强、硬度均匀的特点，解决铸钢轧辊孔型粘钢问题，能有效地提高铸钢轧辊的使用次数，提高铸钢轧辊过钢量及轧机作业率问题。

Description

铸钢轧辊用激光熔覆合金粉料及其激光熔覆方法

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆合金，尤其是一种铸钢轧辊用激光熔覆合金粉料及其激光熔覆方法。

背景技术

激光熔覆工艺，是利用激光的高能辐照，通过精确的运动控制和粉料输送技术，把合金粉料“熔焊”在轧辊孔型表面，形成一层高耐磨层。激光熔覆时，母材轧辊不需要预热，熔覆后也不需要热处理，熔覆后的表面平整度基本不用修整，可直接投入使用。国家提倡2025年只能先进制造，而激光熔覆技术属于适合国家战略发展目标、充分响应国家发展策略的先进制造技术，是今后绿色环保、先进智能新型技术，今后在制造行业中将贡献重大价值，带来巨大的经济效益。

大型型钢生产线中BD1轧机轧辊，在生产过程中由于需要承受较大的轧制压力，只能采用强度较高的铸钢轧辊；但铸钢轧辊由于组织、性能的制约，比冷硬铸铁等耐磨材料的硬度低很多、耐磨性差，且容易发生粘钢，严重制约了轧制效率和轧辊的使用寿命。由于BD1轧辊较大、材质复杂，且在高温、高速轧制工况条件下使用；为更好的延长铸钢轧辊的使用寿命以降低成本，轧辊使用前多采用激光合金化，修复时常用堆焊修复。堆焊修复技术的缺点是加工技术繁琐、工期较长，加工效率低下，同时，表面强度提升不大，容易在表面产生裂纹、杂质、焊疤、表面强度不均、虚焊等，所以要求采用保温焊接、焊后回火等，导致工艺成本高。使用过程中容易产生节瘤，需要打磨，降低作业率，尤其堆焊粉料已完全不能满足生产需求，这些限制了堆焊技术的发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能与铸钢轧辊形成良好冶金结合的铸钢轧辊用激光熔覆合金粉料；本申请还提供了一种铸钢轧辊的激光熔覆方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取组分的质量百分含量为：C 0.4%～0.6%、Si1%～2.5%、B 2%～4%、Ni 6%～10%、V 1%～3%、Cr 10%～16%、Mn 0.3%～0.6%、Mo 0.1%～0.3%、W 0.5%～1%、AlO 2%～5%、YO 1%～2%、ZrO 2%～5%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明所述粉料中AlO、YO和ZrO的粒度为100～300目。

本发明所述铸钢轧辊的材质为60CrNiMo钢。

本发明方法采用上述的合金粉料，其工艺为：采用半导体激光器对铸钢轧辊表面进行熔覆；所述半导体激光器的激光功率为2000～2500W，光斑直径为8～10mm，扫描速度为4～8mm/s。

本发明方法所述铸钢轧辊放置在变位旋转机上进行熔覆；所述变位旋转机的旋转频率为10～20Hz。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：采用本发明在轧辊表面熔覆形成合金层后，有效解决了铸钢轧辊容易粘钢的难题；孔型过钢量提升了6倍，关键是孔型表面的光洁保证了重轨表面质量，提升了产品的质量形象；节省了大量轧辊孔型打磨时间，减少了换孔、换辊的次数，提升了轧机有效作业率，在节能降耗，产量提升方面效益巨大；采用本发明前，轧制10余支钢就得停轧打磨孔型粘钢，根本无法保证成品表面轧疤深度0.3毫米的要求，采用本发明后可以持续过钢1000余支钢才有选择的进行孔型局部打磨，能够稳定保证产品高表面质量的要求。通过激光熔覆技术将本发明熔覆到BD1轧辊孔型内，轧辊重轨过钢量稳定生产19000吨/次（原先过钢量不足3000吨/次），且较之前整体节省生产时间35多小时，一对BD1铸钢轧辊全程过钢量达到20万吨左右。采用本发明在轧辊使用前用激光熔覆一层合金层，从而有效地提升了轧辊的过钢量；在轧辊修复时采用本发明进行激光熔覆，能有效地提升修复速度、提升修复质量。本发明具有高耐磨性、红硬性强、润滑性强、高温环境下膨胀系数稳定、焊接性好等特点。

本发明方法所用合金粉料能与铸钢轧辊形成良好的冶金结合，且结合层无裂纹、无杂质、无孔洞；本发明方法在铸钢轧辊表面形成合金层，该合金层具有高耐磨、润滑性强、硬度均匀的特点，解决铸钢轧辊孔型粘钢问题，能有效地提高铸钢轧辊的使用次数，提高铸钢轧辊过钢量及轧机作业率问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1-图3是常规轧辊轧制过程中出现粘钢、节瘤磨损后的照片；

图4-图5是采用本发明激光熔覆后轧辊轧制后的照片；

图6是本发明所得熔覆层的内部组织图（500×倍）；

图7是本发明所得熔覆层的表层微观结构图（500×倍）。

具体实施方式

本铸钢轧辊用激光熔覆合金粉料的成分设计及原料组成如下所述。

（1）大型型钢生产线中BD1铸钢轧辊的材质为60CrNiMo，化学成分见表1、各项物理特性见表2。所述BD1铸钢轧辊工作层的金相组织：珠光体为主，经过特殊热处理，可以形成索氏体。

表1：60CrNiMo铸钢轧辊的化学成分（wt%）

表1中，化学成分的余量为Fe和不可避免的杂质。

表2：60CrNiMo铸钢轧辊的物理性能

所述60CrNiMo钢是在亚共析钢的基础上，加入一定量的Cr、Ni、Mo合金元素，通过特殊的铸造工艺和热处理工艺，获得与普通共析钢相比更高的抗拉强度和韧性、优良的抗冲击能力和抗热裂性能，大的摩擦系数更有利于咬入。

60CrNiMo钢轧辊在轧制过程中的失效主要表现为：孔型表面材料流失，粘钢面疲劳裂纹形成较早，一次上机过钢量始终难以超过3000吨；而且为去除孔型立面的疲劳裂纹，直径方向每次车修量往往超过20mm以上，大大降低了轧辊的服役次数，一对BD1铸钢轧辊全程过钢量达不到2万吨。

（2）针对60CrNiMo钢轧辊轧制过程中的失效表现，结合60CrNiMo钢的化学成分分析，设计本合金粉料组分的质量百分含量为：C 0.4%～0.6%、Si 1%～2.5%、B 2%～4%、Ni 6%～10%、V 1%～3%、Cr 10%～16%、Mn 0.3%～0.6%、Mo 0.1%～0.3%、W 0.5%～1%、AlO 2%～5%、YO 1%～2%、ZrO 2%～5%，余量为Fe和不可避免的杂质。

（3）所述合金粉料各组分的功用如下所述：所述合金粉料中加入有一定量的B、Si形成自熔性粉料；其熔点较低，在950～1150℃之间，本身具有脱氧、造渣、除气和良好浸润性能，具有自我脱氧和造渣的功能。

所述Ni粉起到了粘结剂、增加润滑性的作用；合金中含有Cr、W等硬质合金元素，在熔覆过程中形成Cr₃C₂、WC、BC等化合物可以提高BD轧辊的表面硬度、耐高温性、耐磨性、红硬性、抗腐蚀性。V以VC化合物的形式存在，主要是细化晶粒的作用；晶粒越细小，晶粒数就应越多；可以增加大量直接作为结晶核心的固相；可以提高冷却速度、增大过冷度。

所述AlO、YO、ZrO均为陶瓷材料，三者相复合，具有良好的抗高温氧化和隔热、耐磨、耐腐蚀性能。氧化锆粉末具有更低的热导率和更好的抗震性能，最主要在高温环境下热稳定性、化学稳定性强。添加氧化钇改变二氧化锆的相变态温度范围，作为ZrO的稳定剂出现。而AlO-YO-ZrO陶瓷复合材料膨胀系数更接近钢的，熔覆过程中避免产生裂纹、气孔现象。

（4）合金粉料的生产工艺：按上述组分配比称取相应重量的粉料，其中AlO、YO和ZrO的粒度为100～300目，且三者粒度最好相同；其他组分最好也采用100～300目。将称取的粉料加入球磨机中混合2～5h，即可得到所述的合金粉料。

（5）激光熔覆工艺：激光熔覆技术原理时利用高能激光束在金属表面辐照，通过迅速融化、扩展和迅速凝固，冷却速度通常达到102°～106°C/s，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，从而构成一种新的复合材料，以添加机体所缺少的高性能。这种复合材料能充分发挥两者的优势，补缺相互之间的不足。根据工件的工况要求，熔覆各种设计成分的金属或者非金属，制备耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面熔覆层。

本方法工艺为：对铸钢轧辊的待熔覆区进行预处理，除去表面铁锈及油污；然后用无水乙醇清洗、晾干；将铸钢轧辊放置在变位旋转机上，设定变位旋转机的旋转频率为10～20Hz，根据工件的旋转情况，及时调整变位机的功率。

所述合金粉料在熔覆前干燥至少两个小时。设定半导体激光器的激光功率2000～2500W、光斑直径8～10mm、扫描速度4～8mm/s。将激光器的激光头对准待熔覆工件表面，同时开启同轴送粉器，将合金粉料精确送进熔池中，形成熔覆涂层；激光头在预设范围的工件表面扫描，完成该预设范围工件表面的连续熔覆。熔覆厚度为2.5～3.5mm。熔覆结束后，检查是否有裂纹缺陷；检查熔覆表面无裂纹后，即可进行机械处理。

（6）激光熔覆完成后，形成一层复合合金层，AlO-YO-ZrO与轧辊的碳元素冶金结合，形成高温、高耐磨层。所述熔覆后轧辊在上机使用过程中，由于轧辊表面形成AlO-YO-ZrO隔热薄膜及陶瓷相，在高温轧制过程中膨胀系数稳定，且因为具有高硬质层，能有效阻断磨损状况；轧制量由原来的不足3000吨提高到19000吨左右，作业率提高6倍多。图1-图3是常规轧辊轧制过程中出现粘钢、节瘤磨损后的照片；图4-图5是采用本发明激光熔覆后轧辊轧制后的照片；由图1-5的对比可见，本方法有效地消除了粘钢、孔型梨沟磨损、节瘤、裂纹等现象。图6是本发明所得熔覆层500×倍的内部组织照片；图7是本发明所得熔覆层表面500×倍的照片；由图6和图7可见，本方法所得熔覆层的内部组织致密、表面平整度高。

实施例1：本铸钢轧辊用激光熔覆合金粉料及其激光熔覆方法具体如下所述。

（1）采用德国LDF-4000-100半导体激光器对直径1300mm的60CrNiMo铸钢轧辊表面进行熔覆，所述铸钢轧辊的硬度值为43HRC。轧辊轧制后表面缺陷如图2所示。

（2）按下述重量配比称取粉料：C 0.5%、Si 2.0%、B 3.0%、Ni 8.0%、V 2.0%、Cr13.0%、Mn 0.4%、Mo 0.2%、W 0.8%、AlO 4.0%、YO 1.5%、ZrO 3.5%，余量为Fe和不可避免的杂质。其中，所有组分的粒度均为200目；将粉料加入球磨机中混合2h，即可得到所述的合金粉料。所述合金粉料使用前干燥两个小时。

（3）对轧辊的待熔覆区进行预处理，除去表面铁锈及油污；用无水乙醇清洗、晾干后，将轧辊放置在变位旋转机上；设定变位旋转机的旋转频率为15Hz。

设定半导体激光器的激光功率2200W、光斑直径8mm、扫描速度6mm/s。将激光器的激光头对准待熔覆工件表面，同时开启同轴送粉器，将合金粉料精确送进熔池中，形成熔覆涂层；激光头在预设范围的工件表面扫描，完成该预设范围工件表面的连续熔覆。熔覆结束后，检查是否有裂纹缺陷；检查熔覆表面无裂纹后，进行机械处理。

（4）用铬氏便捷式硬度仪测量熔覆处理后的轧辊熔覆层中五处不同位置的表面硬度，分别为55HRC、55HRC、57HRC、56HRC、55HRC，平均值为55.6HRC。与轧辊基材43HRC的硬度值相比，熔覆层硬度有显著的提高。将处理后的轧辊上机使用，使用过程中未出现轧辊孔型粘钢，孔型梨沟磨损、节瘤，以及裂纹等现象，轧制量为19241吨。

实施例2：本铸钢轧辊用激光熔覆合金粉料及其激光熔覆方法具体如下所述。

（1）采用德国LDF-4000-100半导体激光器对直径1300mm的60CrNiMo铸钢轧辊表面进行熔覆，所述铸钢轧辊的硬度值为44HRC。轧辊轧制后表面缺陷如图2所示。

（2）按下述重量配比称取粉料：C 0.4%、Si 1.5%、B 2.0%、Ni 9.0%、V 1.0%、Cr14.0%、Mn 0.5%、Mo 0.3%、W 0.7%、AlO 2.0%、YO 1.7%、ZrO 3.0%，余量为Fe和不可避免的杂质。其中，所有组分的粒度均为250目；将粉料加入球磨机中混合4h，即可得到所述的合金粉料。所述合金粉料使用前干燥3小时。

（3）对轧辊的待熔覆区进行预处理，除去表面铁锈及油污；用无水乙醇清洗、晾干后，将轧辊放置在变位旋转机上；设定变位旋转机的旋转频率为10Hz。设定半导体激光器的激光功率2300W、光斑直径8mm、扫描速度8mm/s，进行连续熔覆。熔覆结束后，检查是否有裂纹缺陷；检查熔覆表面无裂纹后，进行机械处理。

（4）用铬氏便捷式硬度仪测量熔覆处理后的轧辊熔覆层中五处不同位置的表面硬度，分别为54HRC、55HRC、56HRC、55HRC、56HRC，平均值为55.2HRC。与轧辊基材44HRC的硬度值相比，熔覆层硬度有显著的提高。将处理后的轧辊上机使用，使用过程中未出现轧辊孔型粘钢，孔型梨沟磨损、节瘤，以及裂纹等现象，轧制量为19038吨。

实施例3：本铸钢轧辊用激光熔覆合金粉料及其激光熔覆方法具体如下所述。

（1）采用德国LDF-4000-100半导体激光器对直径1300mm的60CrNiMo铸钢轧辊表面进行熔覆，所述铸钢轧辊的硬度值为41HRC。轧辊轧制后表面缺陷如图2所示。

（2）按下述重量配比称取粉料：C 0.5%、Si 2.5%、B 2.5%、Ni 6.0%、V 2.5%、Cr16.0%、Mn 0.3%、Mo 0.2%、W 0.6%、AlO 5.0%、YO 1.2%、ZrO 5.0%，余量为Fe和不可避免的杂质。其中，所有组分的粒度均为100目；将粉料加入球磨机中混合3h，即可得到所述的合金粉料。所述合金粉料使用前干燥2小时。

（3）对轧辊的待熔覆区进行预处理，除去表面铁锈及油污；用无水乙醇清洗、晾干后，将轧辊放置在变位旋转机上；设定变位旋转机的旋转频率为15Hz。设定半导体激光器的激光功率2000W、光斑直径8mm、扫描速度7mm/s，进行连续熔覆。熔覆结束后，检查是否有裂纹缺陷；检查熔覆表面无裂纹后，进行机械处理。

（4）用铬氏便捷式硬度仪测量熔覆处理后的轧辊熔覆层中五处不同位置的表面硬度，分别为54HRC、55HRC、57HRC、54HRC、53HRC，平均值为54.6HRC。与轧辊基材41HRC的硬度值相比，熔覆层硬度有显著的提高。将处理后的轧辊上机使用，使用过程中未出现轧辊孔型粘钢，孔型梨沟磨损、节瘤，以及裂纹等现象，轧制量为19082吨。

实施例4：本铸钢轧辊用激光熔覆合金粉料及其激光熔覆方法具体如下所述。

（1）采用德国LDF-4000-100半导体激光器对直径1300mm的60CrNiMo铸钢轧辊表面进行熔覆，所述铸钢轧辊的硬度值为45HRC。轧辊轧制后表面缺陷如图2所示。

（2）按下述重量配比称取粉料：C 0.6%、Si 1.8%、B 4.0%、Ni 7.0%、V 3.0%、Cr12.0%、Mn 0.6%、Mo 0.1%、W 1.0%、AlO 3.0%、YO 2.0%、ZrO 4.0%，余量为Fe和不可避免的杂质。其中，所有组分的粒度均为150目；将粉料加入球磨机中混合5h，即可得到所述的合金粉料。所述合金粉料使用前干燥4小时。

（3）对轧辊的待熔覆区进行预处理，除去表面铁锈及油污；用无水乙醇清洗、晾干后，将轧辊放置在变位旋转机上；设定变位旋转机的旋转频率为20Hz。设定半导体激光器的激光功率2400W、光斑直径10mm、扫描速度4mm/s，进行连续熔覆。熔覆结束后，检查是否有裂纹缺陷；检查熔覆表面无裂纹后，进行机械处理。

（4）用铬氏便捷式硬度仪测量熔覆处理后的轧辊熔覆层中五处不同位置的表面硬度，分别为53HRC、56HRC、56HRC、55HRC、54HRC，平均值为54.8HRC。与轧辊基材45HRC的硬度值相比，熔覆层硬度有显著的提高。将处理后的轧辊上机使用，使用过程中未出现轧辊孔型粘钢，孔型梨沟磨损、节瘤，以及裂纹等现象，轧制量为19027吨。

实施例5：本铸钢轧辊用激光熔覆合金粉料及其激光熔覆方法具体如下所述。

（1）采用德国LDF-4000-100半导体激光器对直径1300mm的60CrNiMo铸钢轧辊表面进行熔覆，所述铸钢轧辊的硬度值为40HRC。轧辊轧制后表面缺陷如图2所示。

（2）按下述重量配比称取粉料：C 0.5%、Si 1.0%、B 3.5%、Ni 10.0%、V 1.5%、Cr10.0%、Mn 0.5%、Mo 0.2%、W 0.5%、AlO 3.5%、YO 1.0%、ZrO 2.0%，余量为Fe和不可避免的杂质。其中，所有组分的粒度均为300目；将粉料加入球磨机中混合2h，即可得到所述的合金粉料。所述合金粉料使用前干燥4小时。

（3）对轧辊的待熔覆区进行预处理，除去表面铁锈及油污；用无水乙醇清洗、晾干后，将轧辊放置在变位旋转机上；设定变位旋转机的旋转频率为12Hz。设定半导体激光器的激光功率2500W、光斑直径9mm、扫描速度6mm/s，进行连续熔覆。熔覆结束后，检查是否有裂纹缺陷；检查熔覆表面无裂纹后，进行机械处理。

（4）用铬氏便捷式硬度仪测量熔覆处理后的轧辊熔覆层中五处不同位置的表面硬度，分别为54HRC、56HRC、55HRC、54HRC、54HRC，平均值为54.6HRC。与轧辊基材40HRC的硬度值相比，熔覆层硬度有显著的提高。将处理后的轧辊上机使用，使用过程中未出现轧辊孔型粘钢，孔型梨沟磨损、节瘤，以及裂纹等现象，轧制量为19094吨。

Claims (5)

1.一种铸钢轧辊用激光熔覆合金粉料，其特征在于，其组分的质量百分含量为：C 0.4%～0.6%、Si 1%～2.5%、B 2%～4%、Ni 6%～10%、V 1%～3%、Cr 10%～16%、Mn 0.3%～0.6%、Mo0.1%～0.3%、W 0.5%～1%、AlO 2%～5%、YO 1%～2%、ZrO 2%～5%，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的铸钢轧辊用激光熔覆合金粉料，其特征在于：所述粉料中AlO、YO和ZrO的粒度为100～300目。

3.根据权利要求1或2所述的铸钢轧辊用激光熔覆合金粉料，其特征在于：所述铸钢轧辊的材质为60CrNiMo钢。

4.一种铸钢轧辊的激光熔覆方法，采用权利要求1、2或3所述的合金粉料，其特征在于：采用半导体激光器对铸钢轧辊表面进行熔覆；所述半导体激光器的激光功率为2000～2500W，光斑直径为8～10mm，扫描速度为4～8mm/s。

5.根据权利要求4所述的铸钢轧辊的激光熔覆方法，其特征在于：所述铸钢轧辊放置在变位旋转机上进行熔覆；所述变位旋转机的旋转频率为10～20Hz。

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