CN113604751B - 一种轧机用滑板及其表面熔覆堆焊工艺 - Google Patents

一种轧机用滑板及其表面熔覆堆焊工艺 Download PDF

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Abstract

本申请涉及轧机设备领域，具体公开了一种轧机用滑板及其表面熔覆堆焊工艺。轧机用滑板包括滑板主体，所述滑板主体表面设置有熔覆层，所述熔覆层包括如下质量百分比的组分：C 0.18‑0.23%，Cr 13‑15%，Mn 1.2‑1.5%，Si 0.5‑0.8%，Mo 0.25‑0.35%，Ni 0.25‑0.35%，Al 0.8‑1.5%，Co 0.1‑0.3%，Cu 0.8‑1.5%，V 0.8‑1.5%，P≤0.03%，S≤0.03%，Nb 0.01‑0.03%，Ti 0.005‑0.01%，余量为Fe。本申请在滑板主体表面经激光熔覆方法形成熔覆层，使得滑板表面耐磨性得到改善。

Description

一种轧机用滑板及其表面熔覆堆焊工艺
技术领域
本申请涉及轧机设备的领域，更具体的说，它涉及一种轧机用滑板及其表面熔覆堆焊工艺。
背景技术
轧机是实现金属轧制过程的设备，将金属材料轧制成具有一定断面形状的轧材。滑板是轧机的重要组成部件之一，安装在牌坊机架上以及轧辊轴承座上，使得轧辊轴承座在牌坊机架上滑动，用于保护牌坊机架和轴承座工作面。
滑板的表面质量和使用寿命还直接影响到轧钢过程的稳定性、轧机的作业效率、钢板质量和生产成本。在轧制过程中，滑板受高轧制力以及氧化铁皮的作用，表面磨损严重，使用寿命短。
发明内容
为了改善滑板的耐磨性，本申请提供一种轧机用滑板及其表面熔覆堆焊工艺。
第一方面，本申请提供一种轧机用滑板，采用如下技术方案：
一种轧机用滑板，包括滑板主体，所述滑板主体表面设置有熔覆层，所述熔覆层由如下质量百分比的组分组成：C 0.18-0.23%，Cr 13-15%，Mn 1.2-1.5%，Si 0.5-0.8%，Mo0.25-0.35%，Ni 0.25-0.35%，Al 0.8-1.5%，Co 0.1-0.3%，Cu 0.8-1.5%，V 0.8-1.5%，P≤0.03%，S≤0.03%，Nb 0.01-0.03%， Ti 0.005-0.01%，余量为Fe。
通过采用上述技术方案，滑板包括滑板主体和熔覆层，熔覆层位于滑板主体的工作面，使得滑板受到的磨损由熔覆层承受。熔覆层采用高耐磨合金材料，其中Cr元素能显著改善钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力，还能显著增加钢的淬透性，提高钢的硬度和强度，且当铬含量在26%以内时，合金的冲击韧性随铬含量的增加而上升；
Mn元素可增加钢的强度和硬度，且具有脱硫和脱氧的作用，防止热脆，进而改善钢的锻造性和可塑性；
Si元素起到脱氧剂的作用，其质量分数一般不低于0.4%；
Mo元素具有较强的碳化物形成能力，使低碳钢也具有较高的硬度和强度，且能使钢的晶粒细化；
Ni元素能使钢提高淬透性，使大型工件热处理容易进行，可防止低温脆性，提高耐蚀性；
Al元素是钢中常用的脱氧剂，钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝和铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀能力；
Co元素可显著提高特殊用途钢和合金的热强性和高温硬度，且提高马氏体时效的综合力学性能，使其具有超强韧性。
Cu元素能提高淬透性并降低延展性，并起到强化元素的作用，提高钢的强度和韧性，铜含量超过0.5%时塑性显著降低，铜含量小于 0.5%时对焊接性能无影响；
V元素是钢的优良脱氧剂，可细化组织晶粒，提高强度和韧性；
Nb元素作为微合金化元素加入钢中并不改变铁的结构，而能细化晶粒，提高强度和抗腐蚀性；
Ti元素是强脱氧剂，能使钢的内部组织致密，细化晶粒，降低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能，在一些奥氏体不锈钢中加入适量的钛，可避免晶间腐蚀。
本申请的熔覆层具有优异的耐磨性、抗冲击性和抗腐蚀性能。
可选的，所述滑板主体由低碳合金钢制成。
通过采用上述技术方案，滑板主体和熔覆层所需性能方向不同，熔覆层具有优异的耐磨性，滑板主体采用低碳合金钢制成，具有优异的韧性。熔覆层和滑板主体两者的性能优势得到充分发挥，使得滑板的使用寿命大大延长。
可选的，所述滑板主体由如下质量百分比的组分组成：C 0.15-0.18%，Si 0.3-0.35%，Mn 0.8-1.2%，Ni 1.5-2.5%，Cr 5.2-5.8%，Mo 0.5-1.0%，P≤0.035%，S≤0.035%，Nb≤0.015%，V 0.04-0.06%，Ti 0.01-0.02%，余量为Fe。
通过采用上述技术方案，相比于熔覆层的配方，铬含量显著减少，锰含量和钒含量减少，镍含量和钼含量提高，并减少合金元素的添加。滑板主体具有优异的抗冲击性、抗腐蚀性和一定强度，满足滑板的使用需求。钛元素的添加可以细化晶粒组织，改善金属性能，此外有利于提高与熔覆层的结合性能。
第二方面，本申请提供一种轧机用滑板的表面熔覆堆焊工艺，采用如下技术方案：
一种轧机用滑板的表面熔覆堆焊工艺，包括如下步骤：按熔覆层的配比混合各组分，配制得到合金粉末；再通过激光熔覆方法，使合金粉末在滑板主体表面熔覆形成熔覆层。
通过采用上述技术方案，熔覆层经激光熔覆法制成，一方面熔覆层与滑板主体之间可实现冶金结合，且熔覆材料稀释率较低，另一方面熔覆层晶粒细小、结构致密，能够获得较高的硬度和耐磨、抗腐蚀等性能。
可选的，所述滑板主体熔覆前经过表面处理，其处理过程如下：
第一步，按重量份计，将30-40份成膜物质、15-20份锌粉、2-3份植酸、0.8-1.5份OP-10混合，得到处理剂；
第二步，将处理剂喷涂在滑板主体表面后干燥即可。
通过采用上述技术方案，滑板主体经过表面处理，形成涂层，涂层内含有大量锌粉，进而有利于提高滑板主体和熔覆层之间的结合性能。其中植酸具有螯合作用，可进一步提高结合性能。
可选的，所述处理剂还包括6-8份石墨烯粉。
通过采用上述技术方案，石墨烯粉随成膜物质均匀分布在滑板主体的表面，在激光熔覆的高温作用下可与钛元素发生键合，进而显著提高滑板主体和熔覆层之间的结合性能。
可选的，所述石墨烯粉的粒径为40-80nm。
通过采用上述技术方案，石墨烯粉的粒径过小容易出现团聚现象，石墨烯粉的粒径过大则效果不显著。
可选的，所述成膜物质为水性氯化聚丙烯乳液。
通过采用上述技术方案，水性氯化聚丙烯乳液一方面具有良好的水溶性和高分散性，涂层成膜质量高，且环保无污染；另一方面激光熔覆时受高温作用后发气量低，不会导致熔覆层和滑板主体的结合面中产生大量气孔，进而有利于提高滑板的质量。
可选的，熔覆步骤中，功率为3-5kW，光斑直径为2-4mm，扫描速率为400-600mm/min，送粉量为350-500mg/s。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请采用激光熔覆方法在滑板主体表面形成熔覆层，滑板主体采用高韧性、抗冲击材料制得，熔覆层采用高耐磨材料制得，充分发挥两者的性能优势，提高滑板的使用寿命；
2、本申请在熔覆前对滑板主体进行表面处理，在滑板主体表面附着大量锌粉和石墨烯粉，有助于提高滑板主体和熔覆层的结合性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明，予以特别说明的是：以下实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行，以下实施例中所用原料除特殊说明外均可来源于普通市售。
本申请的制备例采用如下原料：
水溶性环氧树脂乳液的牌号为WEC101，购买自武汉超支化树脂科技有限公司；水性氯化聚丙烯乳液的牌号为CPP25，购买自武汉超支化树脂科技有限公司；锌粉粒径为5μm。
制备例1：
处理剂的制备过程如下：将30kg水溶性环氧树脂乳液、15kg锌粉、2kg植酸和0.8kgOP-10混合，并搅拌均匀。
制备例2:
处理剂的制备过程如下：将40kg水溶性环氧树脂乳液、20kg锌粉、3kg植酸和1.5kgOP-10混合，并搅拌均匀。
制备例3：
处理剂的制备过程如下：将35kg水溶性环氧树脂乳液、18kg锌粉、2.5kg植酸和1kgOP-10混合，并搅拌均匀。
制备例4：
与制备例3的区别仅在于，处理剂还混合有6kg粒径为5μm的石墨烯粉。
制备例5：
与制备例3的区别仅在于，处理剂还混合有8kg粒径为20nm的石墨烯粉。
制备例6：
与制备例3的区别仅在于，处理剂还混合有7kg粒径为1μm的石墨烯粉。
制备例7：
与制备例3的区别仅在于，处理剂还混合有7kg粒径为40nm的石墨烯粉。
制备例8：
与制备例3的区别仅在于，处理剂还混合有7kg粒径为80nm的石墨烯粉。
制备例9：
与制备例3的区别仅在于，处理剂还混合有7kg粒径为60nm的石墨烯粉。
制备例10：
与制备例9的区别仅在于，水性环氧树脂乳液等质量替换为水性氯化聚丙烯乳液。
实施例1：
一种轧机用滑板，包括滑板主体以及熔覆于滑板主体工作面的熔覆层。
熔覆层由如下质量百分比的组分组成：C 0.18%，Cr 15%，Mn 1.2%，Si 0.8%，Mo0.25%，Ni 0.35%，Al 0.8%，Co 0.3%，Cu 0.8%，V 1.5%，P 0.02%，S 0.02%，Nb 0.01%， Ti0.01%，余量为Fe。
滑板主体由如下质量百分比的组分组成：C 0.15%，Si 0.35%，Mn 0.8%，Ni 2.5%，Cr 5.2%，Mo 1.0%，P 0.035%，S 0.03%，Nb 0.01%，V 0.06%，余量为Fe。
一种轧机用滑板的表面熔覆堆焊工艺，包括如下步骤：
S1前处理：对滑板主体表面进行除油、除锈；
S2熔覆：按上述熔覆层的配比混合各组分，得到合金粉末，再通过同步式激光熔覆方法，将合金粉末熔覆于滑板主体表面，形成熔覆层，功率为3kW，光斑直径为4mm，扫描速率为400mm/min，送粉量为350mg/s，保护气体为氩气，气体流量为20L/min，搭接率为50%；S2熔覆进行多次至熔覆层厚度达6mm；
S3后处理：对熔覆层表面进行抛光。
实施例2：
一种轧机用滑板，包括滑板主体以及熔覆于滑板主体工作面的熔覆层。
熔覆层由如下质量百分比的组分组成：C 0.23%，Cr 13%，Mn 1.5%，Si 0.5%，Mo0.35%，Ni 0.25%，Al 1.5%，Co 0.1%，Cu 1.5%，V 0.8%，P 0.03%，S 0.03%，Nb 0.03%， Ti0.005%，余量为Fe。
滑板主体由如下质量百分比的组分组成：C 0.18%，Si 0.3%，Mn 1.2%，Ni 1.5%，Cr5.8%，Mo 0.5%，P 0.02%，S 0.035%，Nb 0.015%，V 0.04%，余量为Fe。
一种轧机用滑板的表面熔覆堆焊工艺，包括如下步骤：
S1前处理：对滑板主体表面进行除油、除锈；
S2熔覆：按上述熔覆层的配比混合各组分，得到合金粉末，再通过同步式激光熔覆方法，将合金粉末熔覆于滑板主体表面，形成熔覆层，功率为5kW，光斑直径为2mm，扫描速率为600mm/min，送粉量为500mg/s，保护气体为氩气，气体流量为20L/min，搭接率为50%；S2熔覆进行多次至熔覆层厚度达6mm；
S3后处理：对熔覆层表面进行抛光。
实施例3：
一种轧机用滑板，包括滑板主体以及熔覆于滑板主体工作面的熔覆层。
熔覆层由如下质量百分比的组分组成：C 0.2%，Cr 14%，Mn 1.3%，Si 0.6%，Mo0.3%，Ni 0.3%，Al 1.1%，Co 0.2%，Cu 1.2%，V 1.2%，P 0.025%，S 0.025%，Nb 0.02%， Ti0.008%，余量为Fe。
滑板主体由如下质量百分比的组分组成：C 0.16%，Si 0.32%，Mn 1%，Ni 2%，Cr5.5%，Mo 0.8%，P 0.03%，S 0.02%，Nb 0.01%，V 0.05%，余量为Fe。
一种轧机用滑板的表面熔覆堆焊工艺，包括如下步骤：
S1前处理：对滑板主体表面进行除油、除锈；
S2熔覆：按上述熔覆层的配比混合各组分，得到合金粉末，再通过同步式激光熔覆方法，将合金粉末熔覆于滑板主体表面，形成熔覆层，功率为4kW，光斑直径为3mm，扫描速率为500mm/min，送粉量为420mg/s，保护气体为氩气，气体流量为20L/min，搭接率为50%；S2熔覆进行多次至熔覆层厚度达6mm；
S3后处理：对熔覆层表面进行抛光。
实施例4：
与实施例3的区别仅在于，滑板主体还包括0.01%Ti，等质量替换0.01%Fe。
实施例5：
与实施例3的区别仅在于，滑板主体还包括0.02%Ti，等质量替换0.02%Fe。
实施例6：
与实施例3的区别仅在于，滑板主体还包括0.015%Ti，等质量替换0.015%Fe。
实施例7：
与实施例6的区别在于，滑板主体经S2熔覆前经过表面处理，其处理过程如下：利用喷涂机将制备例1的处理剂喷涂在滑板主体工作面，压缩比65:1，进气压力0.3MPa，随后风干形成涂层，喷涂两道至涂层厚度达70μm。
实施例8：
与实施例6的区别在于，滑板主体经S2熔覆前经过表面处理，其处理过程如下：利用喷涂机将制备例2的处理剂喷涂在滑板主体工作面，压缩比65:1，进气压力0.3MPa，随后风干形成涂层，喷涂两道至涂层厚度达70μm。
实施例9：
与实施例6的区别在于，滑板主体经S2熔覆前经过表面处理，其处理过程如下：利用喷涂机将制备例3的处理剂喷涂在滑板主体工作面，压缩比65:1，进气压力0.3MPa，随后风干形成涂层，喷涂两道至涂层厚度达70μm。
实施例10：
与实施例6的区别在于，滑板主体经S2熔覆前经过表面处理，其处理过程如下：利用喷涂机将制备例4的处理剂喷涂在滑板主体工作面，压缩比65:1，进气压力0.3MPa，随后风干形成涂层，喷涂两道至涂层厚度达70μm。
实施例11：
与实施例6的区别在于，滑板主体经S2熔覆前经过表面处理，其处理过程如下：利用喷涂机将制备例5的处理剂喷涂在滑板主体工作面，压缩比65:1，进气压力0.3MPa，随后风干形成涂层，喷涂两道至涂层厚度达70μm。
实施例12：
与实施例6的区别在于，滑板主体经S2熔覆前经过表面处理，其处理过程如下：利用喷涂机将制备例6的处理剂喷涂在滑板主体工作面，压缩比65:1，进气压力0.3MPa，随后风干形成涂层，喷涂两道至涂层厚度达70μm。
实施例13：
与实施例6的区别在于，滑板主体经S2熔覆前经过表面处理，其处理过程如下：利用喷涂机将制备例7的处理剂喷涂在滑板主体工作面，压缩比65:1，进气压力0.3MPa，随后风干形成涂层，喷涂两道至涂层厚度达70μm。
实施例14：
与实施例6的区别在于，滑板主体经S2熔覆前经过表面处理，其处理过程如下：利用喷涂机将制备例8的处理剂喷涂在滑板主体工作面，压缩比65:1，进气压力0.3MPa，随后风干形成涂层，喷涂两道至涂层厚度达70μm。
实施例15：
与实施例6的区别在于，滑板主体经S2熔覆前经过表面处理，其处理过程如下：利用喷涂机将制备例9的处理剂喷涂在滑板主体工作面，压缩比65:1，进气压力0.3MPa，随后风干形成涂层，喷涂两道至涂层厚度达70μm。
实施例16：
与实施例6的区别在于，滑板主体经S2熔覆前经过表面处理，其处理过程如下：利用喷涂机将制备例10的处理剂喷涂在滑板主体工作面，压缩比65:1，进气压力0.3MPa，随后风干形成涂层，喷涂两道至涂层厚度达70μm。
实施例17：
与实施例3的区别在于，滑板主体经S2熔覆前经过表面处理，其处理过程如下：利用喷涂机将制备例9的处理剂喷涂在滑板主体工作面，压缩比65:1，进气压力0.3MPa，随后风干形成涂层，喷涂两道至涂层厚度达70μm。
对比例1：
与实施例3的区别仅在于，熔覆层不包含Ti。
对比例2：
与实施例16的区别仅在于，熔覆层不包括Ti。
耐磨性测试：
参照GB/T 12444-2006《金属材料 磨损试验方法 试环-试块滑动磨损试验》中记载的方法对实施例1-17和对比例1、2的熔覆层进行耐磨性测试，试验载荷400N，转速300rpm，测试1h，得到磨损量，测试结果参见表1和表2。
韧性测试：
参照GB/T 229-2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》中记载的方法对实施例1-17和对比例1、2的滑板进行抗冲击测试，得到冲击功，测试结果参见表1和表2。
结合性能测试：
参照《激光熔覆层结合强度测试方法研究及装置设计》(作者：刘衍聪，刘本良，战祥华，刘拓，伊鹏)中记载的测试方法，并采用实施例1-17和对比例1、2的熔覆堆焊工艺制得试样，并测试熔覆层和滑板主体的结合强度，测试结果参见表1和表2。
表1实施例1-9的测试结果记录表
磨损量/mg 冲击功/J 结合强度/MPa
实施例1 6.3 45 198.3
实施例2 6.2 44 201.5
实施例3 6.0 47 202.2
实施例4 6.1 51 201.8
实施例5 6.0 52 202.5
实施例6 6.1 52 202.3
实施例7 6.2 56 233.7
实施例8 6.1 55 233.1
实施例9 6.1 56 234.2
从表1可以看出：
1、结合实施例1-3的测试数据可以看出，本申请的滑板具有优异的耐磨性和抗冲击性，且滑板主体和熔覆层的结合性能良好，满足滑板的使用需求；
2、结合实施例3和实施例4-6的测试数据可以看出，滑板主体内Ti的添加有利于提高滑板主体的力学性能，表现在抗冲击性能提高；
3、结合实施例6和实施例7-9的测试数据可以看出，滑板主体经过表面处理，有利于提高滑板主体和熔覆层之间的结合性能，进而提高滑板的抗冲击性。
表2 实施例10-17和对比例1、2的测试结果记录表
磨损量/mg 冲击功/J 结合强度/MPa
实施例10 6.2 62 249.5
实施例11 6.1 59 243.2
实施例12 6.3 63 253.7
实施例13 6.1 66 262.1
实施例14 6.2 67 265.2
实施例15 6.0 67 264.8
实施例16 5.8 77 281.5
实施例17 6.0 56 246.1
对比例1 7.2 42 201.6
对比例2 7.1 60 251.3
从表1和表2可以看出：
1、结合实施例9和实施例10-15的测试数据可得，处理剂中石墨烯粉的添加有利于提高熔覆层和滑板主体的结合性能，且石墨烯粉的粒径过小，则容易导致团聚，影响石墨烯粉对于结合性能的提升，石墨烯粉的粒径保持在40-80nm的范围内为最优；
2、结合实施例9和实施例16的测试数据可得，水性环氧树脂乳液等质量替换为水性氯化聚丙烯乳液，减少激光熔覆过程中有机涂层对熔覆质量的影响，进而有利于提高熔覆层和滑板主体的结合性能；
3、结合实施例3和实施例17、实施例6和实施例15的测试数据可得，滑板主体内未添加Ti，经表面处理后与熔覆层的结合强度由202.2MPa提升至246.1MPa，滑板主体内添加Ti经表面处理后与熔覆层的结合强度由202.3MPa提升至264.8MPa，可见滑板主体内添加Ti，有利于提高表面处理的作用效果，激光熔覆过程中Ti与石墨烯粉易发生键合，进而提高结合强度；
4、结合实施例3和对比例1、实施例16和对比例2的测试数据可得，滑板主体不经表面处理时熔覆层内添加Ti元素对结合强度的影响小，而滑板主体经表面处理时熔覆层内添加Ti元素对结合强度的影响大，可见Ti元素与处理剂材料发生作用，进而显著提高滑板主体和熔覆层的结合强度。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种轧机用滑板，包括滑板主体，其特征在于：所述滑板主体表面设置有熔覆层，所述熔覆层由如下质量百分比的组分组成：C 0.18-0.23%，Cr 13-15%，Mn 1.2-1.5%，Si 0.5-0.8%，Mo 0.25-0.35%，Ni 0.25-0.35%，Al 0.8-1.5%，Co 0.1-0.3%，Cu 0.8-1.5%，V 0.8-1.5%，P≤0.03%，S≤0.03%，Nb 0.01-0.03%，Ti 0.005-0.01%，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种轧机用滑板，其特征在于：所述滑板主体由低碳合金钢制成。
3.根据权利要求2所述的一种轧机用滑板，其特征在于：所述滑板主体由如下质量百分比的组分组成：C 0.15-0.18%，Si 0.3-0.35%，Mn 0.8-1.2%，Ni 1.5-2.5%，Cr 5.2-5.8%，Mo0.5-1.0%，P≤0.035%，S≤0.035%，Ti 0.01-0.02%，Nb≤0.015%，V 0.04-0.06%，余量为Fe。
4.一种权利要求1-3任一项所述的轧机用滑板的表面熔覆堆焊工艺，其特征在于，包括如下步骤：按熔覆层的配比混合各组分，配制得到合金粉末；再通过激光熔覆方法，使合金粉末在滑板主体表面熔覆形成熔覆层。
5.根据权利要求4所述的一种轧机用滑板的表面熔覆堆焊工艺，其特征在于：所述滑板主体熔覆前经过表面处理，其处理过程如下：
第一步，按重量份计，将30-40份成膜物质、15-20份锌粉、2-3份植酸、0.8-1.5份OP-10混合，得到处理剂；
第二步，将处理剂喷涂在滑板主体表面后干燥即可。
6.根据权利要求5所述的一种轧机用滑板的表面熔覆堆焊工艺，其特征在于：所述处理剂还包括6-8份石墨烯粉。
7.根据权利要求6所述的一种轧机用滑板的表面熔覆堆焊工艺，其特征在于：所述石墨烯粉的粒径为40-80nm。
8.根据权利要求5所述的一种轧机用滑板的表面熔覆堆焊工艺，其特征在于：所述成膜物质为水性氯化聚丙烯乳液。
9.根据权利要求4所述的一种轧机用滑板的表面熔覆堆焊工艺，其特征在于：熔覆步骤中，功率为3-5kW，光斑直径为2-4mm，扫描速率为400-600mm/min，送粉量为350-500mg/s。
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