CN113862662B - 一种高温自硬化复合侧导板衬板及其加工方法 - Google Patents

一种高温自硬化复合侧导板衬板及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温自硬化复合侧导板衬板及其加工方法，包括基板16Mn钢板和在基板表面激光熔覆得到的高温耐磨自硬化层，高温耐磨自硬化层为Ni‑Zr‑Ti‑Nb‑Fe‑C‑B‑Al2O3‑ZrO2‑hBN合金，可在服役过程中产生自硬化相和自润滑相，由40–60wt％Al2O3、5–10wt％ZrO2、3–10wt％六方氮化硼和30–50wt％Ni‑Zr‑Ti‑Nb‑Fe‑C‑B合金组成，且Ni‑Cr‑Ti‑Nb‑Fe‑C‑B合金由Ni 75–90wt％、Zr 3–5wt％、Ti 5–10wt％、Nb 3–5wt％、Fe 1–5％、C 0.1–0.6wt％和B 0.005–0.1wt％组成。本发明通过残余压应力激光熔覆形成高温耐磨自硬化层，侧导板衬板服役过程中在残余弹性压应力和高温协同作用下生成自硬化相和加入自润滑相，解决热轧带钢时侧导板衬板磨损快、带钢端面被拉伤和硬质相脱落的问题。

Description

一种高温自硬化复合侧导板衬板及其加工方法
技术领域
本发明属于冶金材料技术领域，具体涉及一种高温自硬化复合侧导板衬板及其加工方法。
背景技术
热轧钢带时，卷取机前侧导板衬板将带钢对中送入夹送辊，并在进入夹送辊时夹持带钢以减少钢卷的塔形和错层，侧导板以一定压力夹持带钢，造成侧导板与带钢接触部位安装的衬板与带钢产生相对滑动摩擦，在轧制时钢带温度高，最高温度可达1000℃，且钢带以10–20m/s的速度通过，衬板同时承受高温和高速摩擦冲击作用，导致衬板磨损极快。
由于高温、高速冲击摩擦的作用，侧导板衬板需具备耐高温、抗摩擦能力和抗高温冲击能力，要求高温硬度大、高温韧性好，但就热轧钢带质量而言，如果侧导板衬板硬度过大，则会造成热轧钢带出现边损缺陷，热轧钢带侧边被衬板拉毛，出现丝状毛刺。此外，如果脆硬相脱落掉在热轧板坯表面，会被压入板面，造成严重质量事故。因此，侧导板衬板既要高硬度又不能造成带钢边部损伤，还要与基体结合紧密不脱落。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高温自硬化复合侧导板衬板，以镍基合金为粘结剂，通过加入高温陶瓷相并在服役过程中自发析出弥散分布的自硬化相提高耐磨性能，通过加入高温润滑剂减小摩擦系数来解决板带拉毛问题，通过加入高活性金属元素和高温润滑剂解决高温润滑剂易剥落的问题。
本发明的另一目的在于提供上述高温自硬化复合侧导板衬板的加工方法，在16Mn钢表面激光熔覆具有耐高温磨损、自润滑、抗脱落功能的涂层，解决热轧带钢时侧导板衬板磨损快、带钢端面被拉伤和硬质相脱落的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种高温自硬化复合侧导板衬板，包括基板和在所述基板表面激光熔覆得到的高温耐磨自硬化层；其中，所述基板为16Mn钢板，所述高温耐磨自硬化层为Ni-Zr-Ti-Nb-Fe-C-B-Al2O3-ZrO2-hBN合金，可在服役过程中产生自硬化相和自润滑相，由40–60wt％Al2O3、5–10wt％ZrO2、3–10wt％六方氮化硼(hBN)和30–50wt％Ni-Zr-Ti-Nb-Fe-C-B合金组成，且所述Ni-Cr-Ti-Nb-Fe-C-B合金由Ni 75–90wt％、Zr 3–5wt％、Ti 5–10wt％、Nb3–5wt％、Fe 1–5％、C 0.1–0.6wt％和B 0.005–0.1wt％组成，Al2O3为耐磨相，ZrO2为增韧相，hBN为自润滑相，Ni为粘结剂，Zr和Ti为润湿元素，C、B、Nb为自硬化元素。
优选地，所述高温耐磨自硬化层在服役温度为600–1100℃的过程中产生自硬化相和自润滑相。
优选地，所述Ni-Zr-Ti-Nb-Al-Fe-C-B合金的粉末粒径为15–150um。
更优选地，所述Ni-Zr-Ti-Nb-Al-Fe-C-B合金的粉末制备方法为：在雾化炉的坩埚内加入纯Ni、纯Zr、纯Ti、纯Nb金属锭、工业生铁锭和FeB20中间合金锭坯，在氮气气体保护下进行熔炼和雾化制粉，熔炼温度1300–1400℃，熔清后从石墨喷嘴喷出，采用氩气雾化，粉末收集在雾化筒内，通过分级筛筛选粉体，得到Ni-Zr-Ti-Nb-Al-Fe-C-B合金粉。
优选地，Al2O3为球形Al2O3，且Al2O3、ZrO2和六方氮化硼的粉末粒径均为15–150μm。
本发明还提供所述高温自硬化复合侧导板衬板的加工方法，包括以下步骤：
(1)制备Ni-Zr-Ti-Nb-Al-Fe-C-B合金粉；
(2)步骤(1)中所述Ni-Zr-Ti-Nb-Al-Fe-C-B合金粉、Al2O3粉、ZrO2粉和六方氮化硼粉混合均匀并真空烘干，得到高温自硬化复合粉体；
(3)步骤(2)中所述高温自硬化复合粉体通过激光熔覆在所述基板的两侧表面；其中采用残余压应力激光熔覆，先夹持所述基板两端并施加拉力，在板内部产生50–200MPa的弹性拉伸应力，维持所述弹性拉伸应力恒定并进行两路激光熔覆，第一路激光光斑中心与第二路激光光斑中心之间的距离为5–20mm，第一路激光功率为50–500W，不熔化所述基板，仅预热、清理其表面的氧化皮，第二路激光功率为2000–8000W，同时熔化所述高温耐磨自硬化粉体和所述基板，且在所述基板表面形成高温耐磨自硬化层，完成后去除所述弹性拉伸应力，在板内部产生残余弹性压应力；
当所述高温自硬化复合侧导板衬板使用过程中，在所述残余弹性压应力和高温协同作用下，在所述高温耐磨自硬化层内析出细小弥散分布的镍基γ′相、TiC、ZrC和NbC相。
优选地，步骤(2)中，所述Ni-Zr-Ti-Nb-Al-Fe-C-B合金粉、Al2O3粉、ZrO2粉和六方氮化硼粉放入V型混料机中混料24h后，放入真空烘干炉内在120℃下烘干1h。
优选地，步骤(3)中，单道次熔覆层厚度为0.5–1.5mm，经2–5次熔覆后所述高温耐磨自硬化层的总厚度为2–7mm。
所述侧导板衬板在服役过程中大量自发产生自硬化相，在服役过程中与红热的高温板坯接触并高速摩擦，同时承受高温和摩擦切应力的作用。根据镍基合金相图，在500–1000℃服役温度下，含有Zr、Ti、Nb、C等元素的镍基合金会析出细小弥散的γ′强化相，以及MC、M6和M23C6等碳化物硬质相(其中M代表Zr、Ti、Nb等金属元素)。如果成分合适，在侧导板服役过程中会自发时效析出硬质相粒子，而这些硬质相的粒径分布涵盖从纳米、亚um到um量级尺度，与外部引入的硬质相颗粒相比，内部自发析出的硬质相粒子与基体结合更为紧密不易脱落，通过服役过程中不断自发生成硬质相颗粒，实现“越用越硬”，提高侧导板耐磨性。因此，为了在侧导板衬板服役过程中能够自发析出碳化物硬质相、以及γ′强化相，本发明以镍元素为基体，引入Zr、Ti、Nb和C元素，在服役温度下，可自发生成强化相γ′，同时生成MC、M6C和M23C6等碳化物硬质相，从而提高合金硬度，自发生成的强化相γ′和碳化物硬质相与基体结合紧密，可防止硬质相从基体脱落。
Ni元素是面心立方结构，在高温下无相变，抗高温氧化性好，且Ni与陶瓷相之间的润湿性高，故采用Ni基合金作为侧导板衬板高温耐磨相的粘结剂。侧导板衬板的服役温度在500–1000℃之间，镍基高温合金具有良好的高温强度和稳定性，与碳化物陶瓷相TiC、ZrC以及氧化物陶瓷相Al2O3、ZrO2之间具有良好的润湿性，故本发明采用镍基高温合金作为高硬度陶瓷相的粘结剂。
另一方面，在服役过程中通过析出沉淀而自发生成的硬质相粒子的粒径小，大部分是纳米或亚微米量级，一般小于10um，其耐磨性能小于相同材质的大直径的硬质相粒子，且时效析出要高温、高应力作用数h后才能逐渐生成，为了确保侧导板具有初始耐磨性和高的后期耐磨性，在镍基合金中加入粒径为15–150μm的Al2O3陶瓷相，Al2O3陶瓷相硬度大、耐高温，在高温、高速摩擦作用下具有高的抗月牙凹坑磨损能力。通过服役过程中析出的细小弥散的强化相和硬质相，以及制备过程中添加的较大颗粒的Al2O3陶瓷相，实现大、小粒径硬质颗粒的搭配，从而提高侧导板衬板的抗高温磨损能力。Al2O3陶瓷相含量低于40wt％，则提高抗磨损能力不明显，高于60wt％，则熔覆过程中易开裂。
但Al2O3陶瓷韧性较小，抗冲击能力较低，为了提高其韧性和抗冲击能力，采用两方面的措施，一方面加入高韧性陶瓷ZrO2提高陶瓷相整体韧性，另一方面采用球形氧化铝，增强其与基体的结合力，减小对基体的割裂，避免陶瓷相在高速摩擦、冲击作用下从基体脱落。陶瓷相颗粒直径小于15μm则粒径过细，激光熔覆送粉时易粘结，不易出粉，粒径大于150μm，粒径过大，同样不易送粉。加入ZrO2陶瓷的目的在于提高Al2O3韧性，使侧导板能够承受高温板坯的高速冲击摩擦而不开裂，ZrO2含量低于5wt％，提高韧性效果不足，但氧化锆陶瓷热导率低，高于10wt％，则会降低合金热导率，导致合金耐磨性降低。
Ti和Zr是化学活性高的元素，可提高镍元素与陶瓷相之间的浸润性，在镍基合金中加入一定量的Ti和Zr，一方面提高镍基合金与Al2O3、ZrO2等陶瓷相之间的浸润性，提高陶瓷相与基体金属之间的结合力，避免在高速摩擦和冲击作用下陶瓷相脱落，另一方面，在时效过程中，Ti、Zr与C作用，生成碳化物硬质相，提高合金硬度。在所述Ni-Zr-Ti-Nb-Fe-C-B-Al2O3-ZrO2-hBN合金中，Zr、Ti含量不易过高，Zr含量低于3wt％，则提高镍基合金润湿性效果有限，超过5wt％，则会溶蚀Al2O3陶瓷相，使Al2O3陶瓷相容易开裂。Ti含量低于5％，则提高润湿性作用有限，超过10wt％，则激光熔覆过程中产生TiO2，体积膨胀过大而导致合金易开裂。
加入Nb可固溶强化镍基合金，基体元素Ni与Nb、Ti、Zr等元素形成强化相γ′，共同起沉淀强化作用，并在晶界上可生成连续分布的NbC硬质相，提高硬度，稳定晶界，提高合金高温蠕变强度，Nb含量低于3wt％，则增强高温蠕变强度效果有限，超过5wt％，引起晶界脆化，导致合金易开裂。
加入少量C元素，一方面降低合金熔点，增加熔体流动性，另一方面在熔炼过程中、激光熔覆过程中以及侧导板的高温服役时效过程中等各个阶段，持续生成碳化物硬质相，提高合金硬度，C元素含量低于0.1wt％，则生成碳化物效果不佳，高于0.6wt％，则会使合金变脆，易开裂。
加入少量B元素，一方面起到降低熔点，增加流动性的作用，另一方面可减小合金元素偏析，细化晶粒，改善γ′相和碳化物相的形貌，提高高温蠕变性能。B元素含量低于0.005wt％，则降熔效果不佳，提高高温蠕变性能有限，高于0.1wt％，则会偏析在晶界上，引起晶界脆化，导致合金性能变差。
Fe元素的加入是为了便于C元素和B元素的加入，以含碳量较高的工业生铁和铁硼中间合金的形式加入，含量不宜过高，会降低其抗氧化性。铁含量低于1％，则不利于C元素和B元素的添加，高于5％，则会降低合金的抗氧化性、耐腐蚀性。
六方氮化硼具有类似于石墨的结构，俗称“白石墨”，具有高温润滑效果，在1000℃下仍有良好的润滑效果，加入合金中提高其自润滑效果，避免边损，以解决合金硬度过大而导致的钢坯边部拉丝的问题。常用的润滑剂石墨、二硫化钼在高温下会被氧化失效，在超过400℃后，其润滑效果失效，本发明的侧导板衬板服役温度在600–1100℃之间，故不能使用石墨或二硫化钼润滑剂。hBN含量低于3wt％，则提高合金自润滑效果不明显，超过10wt％，则合金变脆，易开裂。
激光熔覆技术利用高能量激光束将零件表面的特定材料粉末和基体表面薄层同时熔化，快速凝固后形成与基体冶金结合的覆层，可多次逐层熔覆，该方法可显著提高基体材料表面的抗磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化等性能。由于覆层材料具有较大的选择自由度，不一定与基体材料一致，可根据实际需求选择具有特殊功能的覆层材料，从而使原先单一材质的零部件成为功能梯度复合材料，具有稀释率低、晶粒细小、组织致密、成形精度高等优点。鉴于激光熔覆技术的优点，本发明采用激光熔覆技术，在16Mn钢板表面加工一层耐磨损、自润滑的材料，形成功能梯度复合材料，基板16Mn钢具有高韧性，表层激光熔覆层具有耐磨、自润滑、抗硬质相脱落功能。
进一步地，为了使γ′强化相和碳化物硬质相的析出量加大，本发明采用熔覆过程中拉伸侧导板、使侧导板衬板内部产生残余弹性压应力以促进强化相和硬质相析出的办法，首先夹持16Mn基板两端并施加拉力，在板内部产生50–200MPa弹性拉应力，然后维持恒定弹性拉应力进行激光熔覆，激光熔覆完成后去除拉力，即在板内部产生残余弹性压应力。残余弹性压应力使材料内部产生弹性压缩势能，使晶粒内部和晶界上具有较高的自由能，弹性压缩势能同时叠加高温引起的扩散能，增大了晶内原子、位错运动活度，为γ′强化相以及MC、M6和M23C6等碳化物硬质相的形成和脱溶提供额外的自由能，从而加速γ′强化相以及MC、M6和M23C6等碳化物硬质相从基体中的脱溶速度，促使大量的强化相和碳化物脆硬相在侧导板衬板服役过程中不断析出，产生“越用越硬”现象，大幅度提高侧导板耐磨性。16Mn钢的屈服应力约为300MPa，为了确保是弹性应力，不产生塑性屈服，本发明的弹性拉伸应力为50–200MPa，低于50MPa，残余弹性应力过小，不足以加速强化相和硬化相的析出速度，超过200MPa，可能会引起塑性变形。
侧导板衬板的服役温度在500–1000℃之间，镍基高温合金具有良好的高温强度和稳定性，与碳化物陶瓷相TiC、ZrC、以及氧化物陶瓷相Al2O3、ZrO2之间具有良好的润湿性，故本发明采用镍基高温合金作为高硬度陶瓷相的粘结剂。另一方面，通过析出沉淀而自发生成的硬质相粒子的粒径小，大部分是纳米或亚微米量级，一般小于10um，其耐磨性能小于相同材质的大直径的硬质相粒子，且时效析出要高温、高应力作用数h后才能逐渐生成，为了确保侧导板具有初始耐磨性和高的后期耐磨性，在镍基合金中加入粒径为15–150μm的Al2O3陶瓷相，Al2O3陶瓷相在高温、高速摩擦作用下具有高的抗月牙凹坑磨损能力，从而实现大、小粒径硬质颗粒的搭配，但Al2O3陶瓷韧性较小，抗冲击能力较低，为了提高其韧性和抗冲击能力，一方面加入高韧性陶瓷ZrO2提高陶瓷相整体韧性，另一方面采用球形氧化铝，增强其与基体的结合力，减小对基体的割裂，避免陶瓷相在高速摩擦、冲击作用下从基体脱落。陶瓷相颗粒直径小于15μm则粒径过细，激光熔覆送粉时易粘结，不易出粉，粒径大于150μm，粒径过大，同样不易送粉。
Ti和Zr是化学活性高的元素，可提高镍元素与陶瓷相之间的浸润性，在镍基合金中加入一定量的Ti和Zr，有两方面作用，一方面提高镍基合金与Al2O3、ZrO2之间的浸润性，提高陶瓷相与基体金属之间的结合力，避免在高速摩擦和冲击作用下陶瓷相脱落，另一方面，在时效过程中，Ti、Zr与C作用，生成碳化物陶瓷相，提高合金硬度。在所述Ni-Cr-Ti-Nb-Fe-C-B合金中，Zr、Ti含量不易过高，Zr含量低于3wt％，则提高镍基合金润湿性效果有限，超过5wt％，则会溶蚀Al2O3陶瓷相，使Al2O3陶瓷相容易开裂。Ti含量低于5％，则提高润湿性作用有限，超过10wt％，则激光熔覆时产生TiO2，体积膨胀过大而导致合金易开裂。
加入Nb可固溶强化镍基合金，基体元素Ni与Nb、Ti、Zr等元素形成强化相γ′，共同起沉淀强化作用，并在晶界上可生成连续分布的NbC硬质相，提高硬度，稳定晶界，提高合金高温蠕变强度，Nb含量低于3wt％，则提高高温蠕变强度效果有限，超过5wt％，引起晶界脆化，导致合金易开裂。
与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
(1)本发明使热轧钢侧导板衬板寿命从24h提高到240–300h，解决了侧导板衬板寿命低的难题，大幅度提高生产效率。
(2)本发明采用服役过程生成自硬化相和加入自润滑相的方法，同时解决了侧导板衬板耐磨性低、板坯边损问题。
(3)本发明通过加入Zr、Ti活性金属元素，增大了陶瓷相与基体之间的粘结力，解决了硬质相脱块问题。
(4)本发明通过残余压应力激光熔覆法使板坯内部具有弹性压缩势能，促进了服役过程中硬质相的析出。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
某钢厂侧导板衬板原采用16Mn钢，使用寿命为20h左右。在雾化炉的坩埚内加入纯Ni、纯Zr、纯Ti、纯Nb金属锭、工业生铁锭和FeB20中间合金锭坯，在氮气气体保护下进行熔炼和雾化制粉，熔炼温度1300–1400℃，熔清后，从石墨喷嘴喷出，采用氩气雾化，粉末收集在雾化筒内，通过分级筛对粉末进行筛选，筛选出粒度为45–150um的粉体，获得Ni-Zr-Ti-Nb-Al-Fe-C-B合金粉。购买粒度为45–150um的hBN粉末、球形Al2O3粉、ZrO2粉，将以上四种粉末放入V型混料机，混料24h，混合均匀后放入真空烘干炉，在120℃下烘干1h。采用6000W激光器进行熔覆，光斑为圆形，光斑直径6mm，采用旁轴送粉法进行激光熔覆，搭接率为60％，预热激光与熔覆激光之间的距离为10mm，首次熔覆厚度为1mm，共熔覆3次，熔覆层总厚度为3mm。
通过以上方法制备的高温自硬化复合侧导板衬板寿命为11天，较16Mn钢侧导板衬板寿命提高了11倍。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高温自硬化复合侧导板衬板的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备Ni-Zr-Ti-Nb-Al-Fe-C-B合金粉，方法为：在雾化炉的坩埚内加入纯Ni、纯Zr、纯Ti、纯Nb金属锭、工业生铁锭和FeB20中间合金锭坯，在氮气气体保护下进行熔炼和雾化制粉，熔炼温度为1300–1400℃，熔清后从石墨喷嘴喷出，采用氩气雾化，粉末收集在雾化筒内，通过分级筛筛选粉体，得到Ni-Zr-Ti-Nb-Al-Fe-C-B合金粉，粉末粒径为15–150；
（2）步骤（1）中所述Ni-Zr-Ti-Nb-Al-Fe-C-B合金粉、Al2O3粉、ZrO2粉和六方氮化硼粉混合均匀并真空烘干，得到高温自硬化复合粉体；
（3）步骤（2）中所述高温自硬化复合粉体通过激光熔覆在基板的两侧表面；其中采用残余压应力激光熔覆，先夹持所述基板两端并施加拉力，在板内部产生50–200MPa的弹性拉伸应力，维持弹性拉伸应力恒定并进行两路激光熔覆，第一路激光光斑中心与第二路激光光斑中心之间的距离为5–20mm，第一路激光功率为50–500W，不熔化所述基板，仅预热、清理其表面的氧化皮，第二路激光功率为2000–8000W，同时熔化所述高温耐磨自硬化粉体和所述基板，且在所述基板表面形成高温耐磨自硬化层，完成后去除所述弹性拉伸应力，在板内部产生残余弹性压应力；
所述高温自硬化复合侧导板衬板的使用过程中，在所述残余弹性压应力和高温协同作用下，所述高温耐磨自硬化层内析出细小弥散分布的镍基
Figure QLYQS_1
相、TiC、ZrC和NbC相；
所述高温自硬化复合侧导板衬板包括所述基板和在所述基板表面激光熔覆得到的高温耐磨自硬化层；其中：
所述基板为16Mn钢板；
所述高温耐磨自硬化层为Ni-Zr-Ti-Nb-Fe-C-B-Al2O3-ZrO2-hBN合金，可在服役过程中产生自硬化相和自润滑相，由40–60wt%Al2O3、5–10wt%ZrO2、3–10wt%六方氮化硼（hBN）和30–50wt% Ni-Zr-Ti-Nb-Fe-C-B合金组成，其中：
所述Ni-Zr-Ti-Nb-Fe-C-B合金由Ni 75–90wt%、Zr 3–5wt%、Ti 5–10wt%、Nb 3–5wt%、Fe1–5%、C 0.1–0.6wt%和B 0.005–0.1wt%组成，Al2O3为耐磨相，ZrO2为增韧相，hBN为自润滑相，Ni为粘结剂，Zr和Ti为润湿元素，C、B、Nb为自硬化元素。
2.根据权利要求1所述高温自硬化复合侧导板衬板的加工方法，其特征在于，所述高温耐磨自硬化层在服役温度为600–1100℃的过程中产生自硬化相和自润滑相。
3.根据权利要求1所述高温自硬化复合侧导板衬板的加工方法，其特征在于，Al2O3为球形Al2O3，且Al2O3、ZrO2和六方氮化硼的粉末粒径均为15–150μm。
4.根据权利要求1所述高温自硬化复合侧导板衬板的加工方法，其特征在于，步骤（2）中，Ni-Zr-Ti-Nb-Al-Fe-C-B合金粉、Al2O3粉、ZrO2粉和六方氮化硼粉放入V型混料机中混料24h后，放入真空烘干炉内在120℃下烘干1h。
5.根据权利要求1所述高温自硬化复合侧导板衬板的加工方法，其特征在于，步骤（3）中，单道次熔覆层厚度为0.5–1.5mm，经2–5次熔覆后，所述高温耐磨自硬化层的总厚度为2–7mm。
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