CN112570708B

CN112570708B - 基于激光同轴送粉工艺修复支承辊的金属粉末及其制备方法

Info

Publication number: CN112570708B
Application number: CN202011444999.0A
Authority: CN
Inventors: 程四华; 吕迺冰; 穆相林; 孙齐松; 晁月林; 徐士新; 周洁; 王晓晨; 佟倩
Original assignee: Shougang Group Co Ltd
Current assignee: Shougang Group Co Ltd
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2022-11-18
Anticipated expiration: 2040-12-08
Also published as: CN112570708A

Abstract

本发明涉及一种基于激光同轴送粉工艺修复支承辊的金属粉末及其制备方法，所述粉末由如下质量分数的化学成分组成：C：0.4‑0.5％，Si：0.2‑0.5％，Mn：0.2‑0.5％，P≤0.02％，S≤0.015％，Cr：4.5‑5.5％，Ni：0.15‑0.82％，Mo：0.2‑0.4％，V：0.1‑0.2％，O≤0.03％，N≤0.03％，余下为Fe及不可避免杂质。将金属粉末成功应用到冷轧辊激光同轴送粉修复，洛氏硬度为52‑58HRC,修复后支承辊的上线服役周期为45‑51天，上线服役周期长，延长了支承辊的使用寿命。

Description

基于激光同轴送粉工艺修复支承辊的金属粉末及其制备方法

技术领域

本发明属于3D打印技术粉末制备技术领域，尤其涉及一种基于激光同轴送粉工艺修复支承辊的金属粉末及其制备方法。

背景技术

冷轧支承辊是冷轧连退生产线上的设备，现普遍用Cr5合金锻钢辊，辊面设置淬透层，一般采用激光淬火工艺，层厚达100mm；其主要作用是防止工作辊在轧制时出现偏转变形而影响轧板的平整度及质量，其服役条件复杂且恶劣，需要承受不规则磨损、弯辊力、轧制冲击等导致的附加应力，其辊面工作压力在1000t左右，局部甚至达2000t以上。国内常规冷轧产线上，冷轧支承辊的使用周期为一般15-20天，从新辊使用至报废时间约2年半左右。冷轧辊的主要失效形式有两种：一是疲劳磨损，工件尺寸达到轧机极限尺寸；二是由于应力过大，轧制过程中产生裂纹或辊面剥落与凹陷，辊面缺陷将直接导致产品表面缺陷，需要及时更换或修复失效的支承辊。

支承辊产生表面缺陷后，表面凹陷深度一般为5-15mm，国内生产企业大多采用更换全新的支承辊来保证产品表面质量，但是成本过高，因而对冷轧辊表面修复需求不断提高。现在常规的修复方法为CMT电弧增材制造方法，这种修复方法由于热影响区过大，易产生裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷，堆焊层易剥落，修复后，辊面修复质量以及修复材料与基体结合程度均无法得到保证，该工艺条件下支承辊不具备重新服役的条件。

因此，现在亟需一种新的修复产品，使支承辊具有良好的抗剥落能力。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种基于激光同轴送粉工艺修复支承辊的金属粉末及其制备方法，其可以是修复后的支承辊具有良好的抗剥落性能，延长服役周期。

一方面，本发明提供了一种基于激光同轴送粉工艺修复支承辊的金属粉末，所述粉末由如下质量分数的化学成分组成：C：0.4-0.5％，Si：0.2-0.5％，Mn：0.2-0.5％，P≤0.02％，S≤0.015％，Cr：4.5-5.5％，Ni：0.15-0.82％，Mo：0.2-0.4％，V：0.1-0.2％，O≤0.03％，N≤0.03％，余下为Fe及不可避免杂质。

进一步地，所述粉末的微观形貌为球形，所述粉末的粒径服从正态分布。

进一步地，所述金属粉末的粒径为50-150μm。

进一步地，所述支承辊由如下质量分数的化学成分组成：

C：0.4-0.5％，Si：0.2-0.3％，Mn：0.2-0.4％，P≤0.02％，S≤0.015％，Cr：4.5-5.5％，Ni：0.15-0.82％，Mo：0.2-0.4％，V：0.1-0.2％，余下为Fe及不可避免杂质

另一方面，本发明提供了上述的一种基于激光同轴送粉工艺修复支承辊的金属粉末的制备方法，其特征在于，所述方法包括，

将预合金棒加热至1600-1700℃熔化后，在5-7Mpa的气雾压强下雾化，获取熔滴；所述预合金棒由如下质量分数的化学成分组成：C：0.4-0.5％，Si：0.3-0.5％，Mn：0.4-0.5％，P≤0.02％，S≤0.015％，Cr：4.5-5.5％，Ni：0.15-0.82％，Mo：0.2-0.4％，V：0.1-0.2％，O≤0.03％，N≤0.03％，余下为Fe及不可避免杂质；

所述熔滴冷却后，获得金属粉末。

进一步地，所述雾化过程中，采用喷嘴提供高速惰性气体喷吹雾化，所述喷嘴的角度为20°-30°，所述喷嘴的直径为5-10mm,所述惰性气体和金属液液的流量比值为0.4-0.7。

进一步地，所述惰性气体为如下任意一种：氩气、氦气。

进一步地，所述预合金棒的直径为50-60mm。

进一步地，所述加热功率为25-35kW，所述加热时间为30-60min。

进一步地，所述加热方法为将所述预合金棒感应加热进行电极熔化。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明提供了一种基于激光同轴送粉工艺修复支承辊的金属粉末及其制备方法，设计了与支承辊化学成分相匹配的金属粉末，其中Cr、Ni、Mo元素与冷轧辊中的Cr、Ni、Mo元素含量匹配，可实现修复后与基体的连贯性；Mn、Si等元素含量较支承辊组分含量高，可以补偿激光同轴送分过程中的元素烧损，使修复部分的成分与支承辊成分相匹配，降低粉末中的O和N含量，可以提高修复粉末的洁净度，避免修复过程发生氧化，出现夹杂和异常硬质相的产生，提高修复层的抗疲劳性能。粉末与支承辊成分相匹配，使得二者性能相同，因此二者结合会更紧密，难以剥落，从而提高了抗剥落性能。将金属粉末成功应用到冷轧辊激光同轴送粉修复，洛氏硬度为52-58HRC,修复后支承辊的上线服役周期为45-51天，上线服役周期长，延长了支承辊的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例1修复前失效冷轧支承辊的宏观形貌图。

图2为本发明实施例1修复冷轧支承辊用金属粉末微观形貌图。

图3为本发明实施例1修复后的冷轧支承辊宏观形貌图。

图4为本发明实施例1修复后的冷轧支承辊微观形貌图。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

一方面，本发明实施例提供了一种基于激光同轴送粉工艺修复支承辊的金属粉末，所述粉末由如下质量分数的化学成分组成：C：0.4-0.5％，Si：0.3-0.5％，Mn：0.4-0.5％，P≤0.02％，S≤0.015％，Cr：4.5-5.5％，Ni：0.15-0.82％，Mo：0.2-0.4％，V：0.1-0.2％，O≤0.03％，N≤0.03％，余下为Fe及不可避免杂质。

本发明设计了与支承辊化学成分相匹配的金属粉末，其中Cr、Ni、Mo元素与冷轧辊中的Cr、Ni、Mo元素含量匹配，可实现修复后与基体的连贯性；Mn、Si等元素含量较支承辊组分含量高，可以补偿激光同轴送粉过程中的元素烧损，使修复部分的成分与支承辊成分相匹配，降低粉末中的O和N含量，可以提高修复粉末的洁净度，避免修复过程发生氧化，出现夹杂和异常硬质相的产生，提高修复层的抗疲劳性能。粉末与支承辊成分相匹配，使得二者性能相同，因此二者结合会更紧密，难以剥落，从而提高了抗剥落性能。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述粉末的微观形貌为球形，所述粉末的粒径服从正态分布。正态分布为N(0，1)的标准正态分布。

粉末服从正态分布，可以使其放在一起使，空隙小，结合紧密，避免加热过程二次氧化产生夹杂，还可以控制O的含量，将其修复支承辊后，可以具有良好的抗疲劳性能和抗磨损性能。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述金属粉末的粒径为50-150μm。

控制粉末的粒径，可以在激光同轴送粉工艺下，尤其激光比能(修覆层单位面积吸收的能量)吻合，保证在该激光比能的强度下，粉末熔化时间在0.01s内，金属熔池大小在Φ4mm以内，金属熔池在基体内的渗透深度0.1-0.2mm，使修复层与支承辊基体良好结合。金属粉末粒径太大影响送粉头粉末输出量，粉末粒径太小在重力作用下会导致粉末流不连续，严重影响熔覆层厚度均匀性，进而影响修复质量。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述支承辊由如下质量分数的化学成分组成：

第二方面，本发明实施例提供了上述述的一种用于修复支承辊的3D打印金属粉末的制备方法，所述方法包括，

S1，将预合金棒加热至1600-1700℃熔化后，在5-7Mpa的气雾压强下雾化，获取熔滴；所述预合金棒由如下质量分数的化学成分组成：C：0.4-0.5％，Si：0.3-0.5％，Mn：0.4-0.5％，P≤0.02％，S≤0.015％，Cr：4.5-5.5％，Ni：0.15-0.82％，Mo：0.2-0.4％，V：0.1-0.2％，O≤0.03％，N≤0.03％，余下为Fe及不可避免杂质；

S2，所述熔滴冷却后，获得金属粉末。

控制加热温度，使预合金棒熔化，在特定的压强和重力的作用下，使熔化的金属液下落，然后对其进行雾化，可以是金属液形成熔滴，熔滴冷却后，就可以得到金属粉末。加热温度过高，会增加能耗，加热温度过低，预合金棒无法熔化。压强过大使得金属粉末粒径峰值区间左移，粒径减小，压强过小使得粒径峰值区间右移，粒径增大。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述雾化过程中，采用喷嘴提供高速惰性气体喷吹雾化，所述喷嘴的角度为20°-30°，所述喷嘴的直径为5-10mm所述惰性气体和金属液液的流量比值为0.4-0.7。

在雾化设备中，输入的雾化气加速并与输入的金属液流相互作用形成流场。喷嘴控制着雾化介质的流动和流型，对雾化效率的高低和雾化过程的稳定性起着至关重要的作用，是气雾化的关键技术。雾化气体通过喷嘴提高速度和增强能量，喷嘴的角度过大、尺寸过小破碎液态金属效果不理想，粉末粒径分布不均匀，喷嘴的角度过小、尺寸过大又影响粉末球形度，降低得粉率。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述惰性气体为包括但不限于如下任意一种：氩气、氦气。采用惰性气体雾化，可以避免产生杂质，影响金属粉末的洁净度。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述预合金棒的直径为50-60mm。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述加热功率为25-35kW，所述加热时间为30mim-60min。加热时间过长，增加能耗，加热时间过短，预合金棒难以熔化。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述加热方法为将所述预合金棒感应加热进行电极熔化。感应加热具有诸多优点：恒功率输出，熔炼速度更快，操作简单，可随时开启或停止，而且无须预热，同时环保节能，安全可靠。

本发明采用气雾化法和电极感应熔炼技术相结合，摒弃与金属溶体相接触的坩埚等部件，将缓慢选装的预合金棒金属电极降至一个环形感应线圈中进行电极熔化，电极熔滴落入气体雾化喷嘴系统，利用惰性气进行雾化，可有效降低熔炼过程中杂质引入，实现活性金属的安全、洁净熔炼，使得该Cr5合金锻钢中Mn、Si元素的烧损量得到较好的控制，Mn、Si等元素含量保持较高的含量。

下面将结合实施例、对比例及实验数据对本发明的一种基于激光同轴送粉工艺修复支承辊的金属粉末及其制备方法进行详细说明。

实施例1

实施例1提供了一种用于修复支承辊的3D打印金属粉末及其制备方法，金属粉末的化学成分：C：0.42％，Si：0.30％，Mn：0.43％，P≤0.015％，S：0.012％，Cr：4.8％，Ni：0.35％，Mo：0.26％，V：0.11％，O：0.02％，N：0.02％，余量为Fe及不可避免杂质，粉末粒径为55-145μm正态分布。

制备方法如下：

将缓慢选装的预合金棒金属电极降至一个环形感应线圈中进行电极熔化，电极熔滴落入气体雾化喷嘴系统，利用惰性气进行雾化，获得熔滴，将熔滴冷却后制得金属粉末。具体工艺如表1所示。

实施例2

实施例1提供了一种用于修复支承辊的3D打印金属粉末及其制备方法，金属粉末的化学成分：C：0.44％，Si：0.35％，Mn：0.45％，P≤0.016％，S≤0.013％，Cr：5.0％，Ni：0.53％，Mo：0.30％，V：0.15％，O≤0.01％，N≤0.01％，余量为Fe及不可避免杂质，粉末粒径为52～148μm正态分布。

实施例3

实施例1提供了一种用于修复支承辊的3D打印金属粉末及其制备方法，金属粉末的化学成分：C：0.48％，Si：0.40％，Mn：0.48％，P≤0.015％，S≤0.014％，Cr：5.2％，Ni：0.75％，Mo：0.36％，V：0.18％，O：0.014％，N：0.012％，余量为Fe及不可避免杂质，粉末粒径为54-146μm正态分布。

制备方法如下：

对比例1

对比例1提供了一种金属焊丝，其直径为1.2mm，采用CMT电弧增材制造的方法修复支承辊，金属焊丝的化学成分如下：C：0.38％，Si：0.91％，Mn：0.47％，P≤0.015％，S≤0.014％，Cr：4.8％，Mo：1.3％，V：0.25％，余量为Fe及不可避免杂质。

表1

表2

实施例1-3以及对比例1中，每个实施例均取两份采用激光同轴送粉工艺修复冷轧辊，修复后的冷轧辊，进行洛氏硬度检测，并将其应用，统计支承辊修复后的使用寿命，如表2所示。

实施例1-3修复后的支承辊洛氏硬度为52-58HRC,修复后上线服役周期为45-51天。对比例1修复后的支承辊落实硬度为40-43HRC，修复后支承辊上线服役周期为18-20天，明显低于本发明实施例。

本发明特别为激光同轴送粉修复支承辊设计了Cr5合金锻钢粉末，规定了粉末组分、粉末气体含量以及粉末粒径，将其用于同轴送粉工艺修复支承辊，使支承辊具有较高的抗剥落性能、良好的耐磨性能和抗疲劳性能。将金属粉末成功应用到冷轧辊激光同轴送粉修复，洛氏硬度为52-58HRC,修复后支承辊的上线服役周期为45-51天，上线服役周期长，延长了支承辊的使用寿命。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种金属粉末的应用，其特征在于，所述金属粉末用于激光同轴送粉工艺修复支承辊，所述粉末由如下质量分数的化学成分组成：C：0.4-0.5%，Si：0.2-0.5%，Mn：0.2-0.5%，P≤0.02%，S≤0.015%，Cr：4.5-5.5%，Ni：0.15-0.82%，Mo：0.2-0.4%，V：0.1-0.2%，O≤0.03%，N≤0.03%，余下为Fe及不可避免杂质；

所述金属粉末的制备方法包括：

将预合金棒加热至1600-1700℃熔化后，在5-7Mpa的气雾压强下雾化，获取熔滴，所述熔滴冷却后，获得金属粉末，所述雾化过程中，采用喷嘴提供高速惰性气体喷吹雾化，所述喷嘴的角度为20°-30°，所述喷嘴的直径为5-10mm,所述惰性气体和金属液液的流量比值为0.4-0.7，加热功率为25-35kW，加热时间为30-60min；

所述支承辊由如下质量分数的化学成分组成：

C：0.4-0.5%，Si：0.2-0.3%，Mn：0.2-0.4%，P≤0.02%，S≤0.015%，Cr：4.5-5.5%，Ni：0.15-0.82%，Mo：0.2-0.4%，V：0.1-0.2%，余下为Fe及不可避免杂质；

所述修复后的支承辊的洛氏硬度为52-58HRC,上线服役周期为45-51天。

2.根据权利要求1所述的金属粉末的应用，其特征在于，所述粉末的微观形貌为球形，所述粉末的粒径服从正态分布。

3.根据权利要求1所述的金属粉末的应用，其特征在于，所述金属粉末的粒径为50-150μm。

4.根据权利要求1所述的金属粉末的应用，其特征在于，所述惰性气体为如下任意一种：氩气、氦气。

5.根据权利要求1所述的金属粉末的应用，其特征在于，所述预合金棒的直径为50-60mm。

6.根据权利要求1所述的金属粉末的应用，其特征在于，将所述预合金棒感应加热进行电极熔化。