CN112680634A - 结晶器足辊修复用镍基合金粉末材料及修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了结晶器足辊修复用镍基合金粉末材料，其化学成分及质量百分比如下：22～28％Cr、8～12％Mo、3～4％Nb、1.0～2.5％Si、0.8～1.6％B、0.8～2％V、0.05～0.08％C、余量为Ni。本发明还公开结晶器足辊修复方法，包括以下步骤：①粗车；②前探伤；③激光熔覆：熔覆层包括两层，其中打底层为铁基合金粉末，打底层之上熔覆功能层，功能层的材料为镍基合金粉末；④精车；⑤磨削；⑥后探伤。使用本发明的材料及方法修复后的结晶器足辊，其高温抗氧化、耐冷热疲劳、耐磨损等性能显著改善，相应的使用寿命也大幅度提高。

Description

结晶器足辊修复用镍基合金粉末材料及修复方法

技术领域

本发明涉及材料表面改性领域，特别涉及一种结晶器足辊修复用镍基合金粉末材料以及修复方法。

背景技术

在冶金行业，结晶器号称连铸产线的“心脏”，而足辊则是结晶器下端重要传输部件。铸坯在经过足辊时，其并未完全凝固，这就导致足辊要经受很高的温度。同时，为了降低温度，冷却水也不断喷射到足辊表面，使得足辊不断经历急热急冷循环。此外，足辊工况极为恶劣，受到酸性保护渣侵蚀、铸坯摩擦等。因此，足辊表面极易产生氧化磨损、腐蚀以及疲劳产生裂纹导致表层剥落，最终导致辊径减小报废。

激光熔覆是指利用高能激光束作为热源，将同步送进或者预置的粉末材料与基体表面一起熔化，并且快速凝固形成具有特定功能熔覆层的一种新的表面处理技术。相比热喷涂、电弧堆焊等表面改性技术，激光熔覆具有热输入小、稀释率低、产生的残余应力及变形较小、结合强度高、组织致密等优势，目前在钢铁冶金、航空航天、模具制造、煤矿机械等领域得到了较广泛的应用。

由于结晶器足辊工况恶劣，极易损坏，采取一些方式提高其使用寿命，对于钢铁企业降本增效就显得尤为重要。目前主要的手段是采用传统堆焊的方法在足辊表面制备铁基合金涂层，常用的合金焊丝为414N等不锈钢材料。堆焊的缺点是：堆焊热输入较大，极易产生较大的变形，而且稀释率较大，需要堆焊多层减小影响；同时堆焊易产生气孔、夹杂等缺陷；而且堆焊需要焊前预热，再加上较大的热输入，导致晶粒粗大，力学性能降低。

相比于铁基合金，现有的镍基合金抗氧化及耐腐蚀性能较好，因此常用作足辊修复用材料。由于足辊受到急热急冷交替作用，极易产生疲劳裂纹，导致龟裂、剥落，这就需要材料具有较好的塑性，同时由于受到铸坯的摩擦作用，足辊也需要一定的强度。而现有的镍基合金高温抗氧化性能及耐冷热疲劳性能和耐磨损性能不能兼得，所以作为足辊的修复材料还有一定的缺点。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种结晶器足辊修复用镍基合金粉末材料，并且提供了采用激光熔覆的方法进行足辊修复再制造的方法。使用本发明的材料及方法修复后的结晶器足辊，其高温抗氧化、耐冷热疲劳、耐磨损等性能显著改善，相应的使用寿命也大幅度提高。

本发明结晶器足辊修复用镍基合金粉末材料，其化学成分及质量百分比如下：22～28％Cr、8～12％Mo、3～4％Nb、1.0～2.5％Si、0.8～1.6％B、0.8～2％V、0.05～0.08％C、余量为Ni。

进一步地，该合金材料为预合金化粉末，粒径为53-150μm。

进一步地，其化学成分及质量百比优选如下：23～27％Cr、8.5～11％Mo、3.2～3.8％Nb、1.2～2.1％Si、1.1～1.5％B、1.4～1.9％V、0.05～0.06％C、余量为Ni。

进一步地，化学成分及质量百比优选如下：24～26％Cr、9～10％Mo、3.5～3.6％Nb、1.6～2.0％Si、1.2～1.4％B、1.5～1.6％V、0.05～0.06％C、余量为Ni。

本发明结晶器足辊修复方法，包括以下步骤：①粗车：对待修复足辊进行车削，辊子外圆车削至小于辊子最终尺寸4～5mm；②前探伤：对车削后的足辊进行着色探伤和超声波探伤，确保辊子无裂纹、气孔、夹杂等缺陷；③激光熔覆：熔覆层包括两层，其中打底层为铁基合金粉末，打底层之上熔覆功能层，功能层的材料为镍基合金粉末；④精车：对熔覆层进行车削，保留单边0.2mm的磨削余量；⑤磨削：精磨足辊辊面至最终所需尺寸及公差；⑥后探伤：对精磨后的足辊进行着色探伤和超声波探伤，确保辊子无裂纹、气孔等缺陷。

进一步地，步骤③中的打底层材料的化学成分及质量百分比为：10～15％Ni、16～22％Cr、2～3.5％Mo、0.5～1％Si、0.5～1％B、0.04～0.08％C、余量为Fe。

进一步地，步骤③中的打底层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×(15～20)mm，激光功率3.6～5kW，扫描速度7～12mm/s，送粉速率55～75g/min，搭接率35％～50％。

进一步地，步骤③中的功能层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×(15～20)mm，激光功率3.5～5kW，扫描速度8～12mm/s，送粉速率60～80g/min，搭接率35％～50％。

进一步地，步骤③中的打底层的厚度为1～1.5mm，功能层的厚度为1.5～1.8mm。

本发明结晶器足辊修复用镍基合金粉末材料的原理及效果如下：一、镍基合金含有22～28％Cr，高含量的Cr元素能在熔覆层表面形成Cr₂O₃保护层，可以保证熔覆层具有极好的抗氧化性能，从而减轻熔覆层因高温氧化引起的剥落；过高的Cr含量会降低γ基体固溶温度从而导致合金高温强度降低，因此加入其他合金元素来提高合金的高温强度：1、加入8～12％Mo元素，由于Mo原子半径较大，形成固溶体时产生晶格畸变较大，显著强化γ基体，进而显著提高合金的高温强度，因此熔覆层在高温环境中仍具有较高的硬度；2、加入3～4％Nb元素，起到固溶强化的作用，进而提高合金的高温强度；3、加入1.0～2.5％Si、0.8～1.6％B，主要起到降低合金熔点，形成低熔点共晶体，起到强化、硬化的作用，使得合金的硬度有一定程度的提高，另外，Si和B元素也起到脱氧、造渣的作用；二、足辊在实际工况下不需要极高的强度及硬度，而且为了保证熔覆层的热疲劳性能，合金需要具有一定的塑性。因此，加入0.8～2％V元素，起到细化晶粒的作用，使得合金韧性增大；三、碳含量极低，防止熔覆层发生晶间腐蚀。

总之，相比于其他商用牌号镍基合金，本发明的新型镍基合金在具有高Cr含量的同时，兼具适中的高温强度及硬度，并且还具有较好的抗热震性能；这主要是综合考虑多种元素单独及耦合作用的结果。

因此，采用本发明镍基合金材料进行激光熔覆修复，一方面材料性能有所提升，熔覆层的抗氧化、抗热震、耐腐蚀、耐高温、耐磨损性能均有所提升；另一方面相比于堆焊而言，熔覆层变形较小、稀释率较低，厚度适中。经钢厂上线使用，过钢量在80万吨左右，其使用寿命提高8倍左右；相比于其他牌号镍基合金熔覆的足辊，寿命提高2倍左右。因此，结晶器足辊使用寿命长且无需经常更换，降低了其使用成本。

具体实施方式

本发明结晶器足辊修复用镍基合金粉末材料，其化学成分及质量百分比如下：22～28％Cr、8～12％Mo、3～4％Nb、1.0～2.5％Si、0.8～1.6％B、0.8～2％V、0.05～0.08％C、余量为Ni。

本发明结晶器足辊修复方法，包括以下步骤：①粗车：对待修复足辊进行车削，辊子外圆车削至小于辊子最终尺寸4～5mm；②前探伤：对车削后的足辊进行着色探伤和超声波探伤，确保辊子无裂纹、气孔、夹杂等缺陷；③激光熔覆：熔覆层包括两层，其中打底层为铁基合金粉末，打底层之上熔覆功能层，功能层的材料为镍基合金粉末；④精车：对熔覆层进行车削，保留单边0.2mm的磨削余量；⑤磨削：精磨足辊辊面至最终所需尺寸及公差；⑥后探伤：对精磨后的足辊进行着色探伤和超声波探伤，确保辊子无裂纹、气孔等缺陷。

为了更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

当结晶器足辊的基体材料为2Cr13、尺寸为

时，其修复方法为：

①粗车：测量足辊尺寸余量，对待修复足辊进行车削，车削至

②前探伤：对车削后的足辊进行着色探伤和超声波探伤，确保车削后的辊子无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

③激光熔覆：采用激光熔覆的方法对足辊进行修复，熔覆层包括两层，其中打底层为铁基合金粉末，打底层之上熔覆功能层，功能层的材料为镍基合金粉末；打底层熔覆单边1mm，功能层熔覆单边1.5mm。

④精车：将熔覆层车削至

⑤磨削：精磨足辊辊面至

⑥后探伤：对精磨后的辊子进行着色探伤和超声波探伤，确保无裂纹、气孔等缺陷。

其中，步骤③中的打底层材料的化学成分及重量百分比为：10％Ni、16％Cr、2％Mo、1％Si、1％B、0.05％C、余量为Fe。步骤③中的打底层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×20mm，激光功率4.5kW，扫描速度8mm/s，送粉速率60g/min，搭接率40％。

其中，步骤③中的功能层材料的化学成分为：22％Cr、8％Mo、3％Nb、2.5％Si、1.6％B、2％V、0.05％C、余量为Ni。步骤③中的功能层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×15mm，激光功率4.5kW，扫描速度8mm/s，送粉速率75g/min，搭接率45％。

本实施例中打底层及功能层合金成分设计依据是：基材2Cr13含有12～14％的Cr元素，考虑到熔覆时稀释作用，因此熔覆层Cr元素含量无需太高，选取范围内最低比例；由于2Cr13不含Mo元素，为使熔覆层与基体性能匹配，故而选择较低的Mo含量；由于Mo含量较低，为了保证熔覆层具有一定的硬度及耐磨性，因此加入Si、B含量均为范围内最大比例。

实施例2

当结晶器足辊的基体材料为42CrMo、尺寸为

时，其修复方法为：

①粗车：先测量足辊尺寸余量，对待修复足辊进行车削，车削至

②前探伤：对车削后的足辊进行着色探伤和超声波探伤，确保车削后的辊子无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

③激光熔覆：采用激光熔覆的方法，对足辊进行修复，熔覆层包括两层，其中打底层为铁基合金粉末，打底层之上熔覆功能层，功能层的材料为镍基合金粉末；打底层熔覆单边1.1mm，功能层熔覆单边1.6mm。

④精车：将熔覆层车削至

⑤磨削：精磨足辊辊面至

⑥后探伤：对精磨后的辊子进行着色探伤和超声波探伤，确保无裂纹、气孔等缺陷。

其中，步骤③中的打底层材料的化学成分及重量百分比为：11％Ni、18％Cr、3％Mo、0.8％Si、0.8％B、0.04％C、余量为Fe。步骤③中的打底层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×15mm，激光功率4kW，扫描速度7mm/s，送粉速率65g/min，搭接率40％。

其中，步骤③中的功能层材料的化学成分为：24％Cr、10％Mo、3.2％Nb、1.8％Si、1.2％B、0.8％V、0.05％C、余量为Ni。步骤③中的功能层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×18mm，激光功率5kW，扫描速度12mm/s，送粉速率80g/min，搭接率50％。

本实施例中打底层及功能层合金成分设计依据是：基材42CrMo本身含有0.9～1.2％Cr元素，因此打底层及功能层合金选取的Cr含量相比于实施例1有所增加；由于42CrMo含有一定量的Mo元素，因此打底层和功能层合金成分的Mo含量也适中；由于Mo含量适中，为了保证熔覆层高温强度和硬度，其他元素含量诸如Si、B含量也处于合理范围内中间位置。

实施例3

当结晶器足辊的基体材料为Q390C、尺寸为

时，其修复方法为：

①粗车：先测量足辊尺寸余量，对待修复足辊进行车削，车削至

②前探伤：对车削后的足辊进行着色探伤和超声波探伤，确保车削后的辊子无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

③激光熔覆：采用激光熔覆的方法，对足辊进行修复，熔覆层包括两层，其中打底层为铁基合金粉末，打底层之上熔覆功能层，功能层的材料为新设计镍基合金粉末。打底层熔覆单边1.1mm，功能层熔覆单边1.5mm。

④精车：将熔覆层车削至

⑤磨削：精磨足辊辊面至

⑥后探伤：对精磨后的辊子进行着色探伤和超声波探伤，确保无裂纹、气孔等缺陷。

其中，步骤③中的打底层材料和化学成分及重量百分比为：13％Ni、20％Cr、2.5％Mo、0.9％Si、0.9％B、0.05％C、余量为Fe。步骤③中的打底层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×18mm，激光功率4.4kW，扫描速度9mm/s，送粉速率66g/min，搭接率40％。

其中，步骤③中的功能层材料的化学成分为：26％Cr、9％Mo、3.5％Nb、2.0％Si、1.5％B、1.6％V、0.05％C、余量为Ni。步骤③中的功能层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×15mm，激光功率4.4kW，扫描速度8mm/s，送粉速率72g/min，搭接率50％。

本实施例中打底层及功能层合金成分设计依据是：基材Q390C本身Cr含量不超过0.3％，所以打底层和功能层选取的合金成分分别含Cr元素20％、26％，以获得较好的高温抗氧化性能；由于熔覆层Cr含量较高，相应的高温强度和硬度以及耐磨性会有所降低。为此，其它起到强化作用的元素含量相应提高。

实施例4

当结晶器足辊的基体材料为Q345D、尺寸为

时，其修复方法为：

①粗车：先测量足辊尺寸余量，对待修复足辊进行车削，车削至

②前探伤：对车削后的足辊进行着色探伤和超声波探伤，确保车削后的辊子无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

③激光熔覆：采用激光熔覆的方法，对足辊进行修复，熔覆层包括两层，其中打底层为铁基合金粉末，打底层之上熔覆功能层，功能层的材料为新设计镍基合金粉末。打底层熔覆单边1.5mm，功能层熔覆单边1.7mm。

④精车：将熔覆层车削至

⑤磨削：精磨足辊辊面至

⑥后探伤：对精磨后的辊子进行着色探伤和超声波探伤，确保无裂纹、气孔等缺陷。

其中，步骤③中的打底层材料的化学成分及重量百分比为：14％Ni、21％Cr、2.2％Mo、0.7％Si、0.7％B、0.05％C、余量为Fe。步骤③中的打底层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×20mm，激光功率4.6kW，扫描速度9mm/s，送粉速率70g/min，搭接率50％。

其中，步骤③中的功能层材料的化学成分为：27％Cr、8.5％Mo、4％Nb、2.1％Si、1.4％B、1.5％V、0.05％C、余量为Ni。步骤③中的功能层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×16mm，激光功率5kW，扫描速度11mm/s，送粉速率75g/min，搭接率45％。

本实施例中打底层及功能层合金成分设计依据是：从基材Q345D的成分及含量出发，保证熔覆层具有高温抗氧化性能、高温硬度、抗热震性能等综合要求的结果。

实施例5

当结晶器足辊的基体材料为21CrMoV5-11、尺寸为

时，其修复方法为：

①粗车：先测量足辊尺寸余量，对待修复足辊进行车削，车削至

②前探伤：对车削后的足辊进行着色探伤和超声波探伤，确保车削后的辊子无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

③激光熔覆：采用激光熔覆的方法对足辊进行修复，熔覆层包括两层，其中打底层为铁基合金粉末，打底层之上熔覆功能层，功能层的材料为新设计镍基合金粉末。打底层熔覆单边1.5mm，功能层熔覆单边1.8mm。

④精车：将熔覆层车削至

⑤磨削：精磨足辊辊面至

⑥后探伤：对精磨后的辊子进行着色探伤和超声波探伤，确保无裂纹、气孔等缺陷。

步骤③中的打底层材料的化学成分及重量百分比为：12％Ni、17％Cr、3.5％Mo、0.5％Si、0.5％B、0.06％C、余量为Fe，上述化学成分组成按重量百分比计算。步骤③中的打底层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×15mm，激光功率4.5kW，扫描速度10mm/s，送粉速率75g/min，搭接率50％。

步骤③中的功能层材料的化学成分为：23％Cr、12％Mo、3.8％Nb、1.2％Si、0.8％B、1.9％V、0.06％C、余量为Ni。步骤③中的功能层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×16mm，激光功率5kW，扫描速度8mm/s，送粉速率80g/min，搭接率42％。

本实施例中打底层及功能层合金成分设计依据是：基材21CrMoV5-11含有1.3～1.5％Cr元素，相比于其他试验基体含量较高，因此打底层和功能层的Cr含量相对而言就低一些，分别为17％和23％；由于21CrMoV5-11含有0.9～1.1％Mo元素，含量较高，出于热物性匹配的考虑，打底层和功能层的Mo含量选取范围内最高比例，分别为3.5％和12％；相应地，其他作为强化的元素含量就低一些，从而保证熔覆层具有适中的强度以及较佳的强塑性匹配。

实施例6

当结晶器足辊的基体材料为20MnV、尺寸为

时，其修复方法为：

①粗车：先测量足辊尺寸余量，对待修复足辊进行车削，车削至

②前探伤：对车削后的足辊进行着色探伤和超声波探伤，确保车削后的辊子无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

③激光熔覆：采用激光熔覆的方法，对足辊进行修复，熔覆层包括两层，其中打底层为铁基合金粉末，打底层之上熔覆功能层，功能层的材料为新设计镍基合金粉末。打底层熔覆单边1.4mm，功能层熔覆单边1.7mm。

④精车：将熔覆层车削至

⑤磨削：精磨足辊辊面至

⑥后探伤：对精磨后的辊子进行着色探伤和超声波探伤，确保无裂纹、气孔等缺陷。

其中，步骤③中的打底层材料的化学成分及重量百分比为：15％Ni、22％Cr、3.2％Mo、0.6％Si、0.6％B、0.05％C、余量为Fe。步骤③中的打底层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×18mm，激光功率4.7kW，扫描速度11mm/s，送粉速率72g/min，搭接率50％。

其中，步骤③中的功能层材料的化学成分为：28％Cr、11％Mo、3.6％Nb、1.6％Si、1.1％B、1.4％V、0.06％C、余量为Ni。步骤③中的功能层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×16mm，激光功率4.8kW，扫描速度9mm/s，送粉速率76g/min，搭接率48％。

本实施例中打底层及功能层合金成分设计依据是：基材20MnV钢含有1.3～1.6％的Mn元素，Mn含量较高时会导致合金的耐腐蚀性能降低，加之20MnV的Cr含量不超过0.3％，综合考虑耐腐蚀性及抗氧化性能要求，打底层及功能层的Cr元素含量取范围内最高值，分别为22％和28％；Cr含量过高会导致合金强度有所降低，因此其他诸如Mo、Nb等元素含量均取较高值，以保证最终熔覆层具有足够的高温强度及硬度。

为了验证采用本发明的材料及方法，对制备的熔覆层进行了相应的性能测试，并与堆焊涂层及其他镍基合金涂层进行了对比。实验主要包括800℃氧化实验测试高温抗氧化性能、热震试验测试耐热疲劳性能、500℃磨损实验测试耐磨性能等。其中，氧化实验是将试样加热至800℃，氧化24h，自然冷却至室温，然后进行称重，测量其氧化后增加的重量。热震试验是将试样加热至800℃，保温10min，迅速置入流动的常温(25℃)冷却水中冷却至室温，这视为一个循环，进行200次循环之后，测量表面最长的裂纹长度。磨损实验是在高温端面摩擦磨损试验机上进行，试验温度为500℃，采用的摩擦副为GCr15；试验完成测量磨损损失的重量。

试验结果如下表表1所示：

表1涂层性能对比

从表1可以看出，不论是采用其他镍基合金还是本发明设计的新型镍基合金，激光熔覆制备的涂层性能均显著优于堆焊涂层。而相比于其他镍基合金，本发明的镍基合金材料，其高温抗氧化性能及耐热疲劳性能有着一定程度的改善，而耐磨损性能则显著提高。也就是说，本发明镍基合金高温抗氧化性能及热疲劳性能和耐磨性都比较好。因此，采用本发明设计的材料及方法修复后的足辊，经上线使用，其寿命相比于传统堆焊足辊，提高了8倍左右；相比于其他牌号镍基合金熔覆的足辊，寿命提高2倍左右。

Claims (9)

1.结晶器足辊修复用镍基合金粉末材料，其特征在于：其化学成分及质量百分比如下：22～28％Cr、8～12％Mo、3～4％Nb、1.0～2.5％Si、0.8～1.6％B、0.8～2％V、0.05～0.08％C、余量为Ni。

2.根据权利要求1所述的结晶器足辊修复用镍基合金粉末材料，其特征在于：该合金材料为预合金化粉末，粒径为53-150μm。

3.结晶器足辊修复用镍基合金粉末材料，其特征在于：其化学成分及质量百比优选如下：23～27％Cr、8.5～11％Mo、3.2～3.8％Nb、1.2～2.1％Si、1.1～1.5％B、1.4～1.9％V、0.05～0.06％C、余量为Ni。

4.结晶器足辊修复用镍基合金粉末材料，其特征在于：其化学成分及质量百比优选如下：24～26％Cr、9～10％Mo、3.5～3.6％Nb、1.6～2.0％Si、1.2～1.4％B、1.5～1.6％V、0.05～0.06％C、余量为Ni。

5.结晶器足辊修复方法，包括以下步骤：

①粗车：对待修复足辊进行车削，辊子外圆车削至小于辊子最终尺寸4～5mm；

②前探伤：对车削后的足辊进行着色探伤和超声波探伤，确保辊子无裂纹、气孔、夹杂等缺陷；

③激光熔覆：熔覆层包括两层，其中打底层为铁基合金粉末，打底层之上熔覆功能层，功能层的材料为权利要求1-4所述的镍基合金粉末；

④精车：对熔覆层进行车削，保留单边0.2mm的磨削余量；

⑤磨削：精磨足辊辊面至最终所需尺寸及公差；

⑥后探伤：对精磨后的足辊进行着色探伤和超声波探伤，确保辊子无裂纹、气孔等缺陷。

6.根据权利要求5所述的激光熔覆修复方法，其特征在于：步骤③中的打底层材料的化学成分及质量百分比为：10～15％Ni、16～22％Cr、2～3.5％Mo、0.5～1％Si、0.5～1％B、0.04～0.08％C、余量为Fe。

7.根据权利要求5所述的激光熔覆修复方法，其特征在于：步骤③中的打底层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×(15～20)mm，激光功率3.6～5kW，扫描速度7～12mm/s，送粉速率55～75g/min，搭接率35％～50％。

8.根据权利要求5所述的激光熔覆修复方法，其特征在于：步骤③中的功能层熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸3×(15～20)mm，激光功率3.5～5kW，扫描速度8～12mm/s，送粉速率60～80g/min，搭接率35％～50％。

9.根据权利要求5所述的激光熔覆修复方法，其特征在于：步骤③中的打底层的厚度为1～1.5mm，功能层的厚度为1.5～1.8mm。