CN114525506A - 一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法 - Google Patents
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Abstract
一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，涉及一种熔覆修复连铸机足辊方法，本发明包括以下步骤：1）使用无硼、超低硫、磷含量的00Cr11NiNb焊粉在连铸机足辊基材上进行第一层超快激光熔覆；2）使第一层激光熔覆后的工件冷却至室温，车削该熔覆层的氧化皮和搭接沟槽；3）使用权利要求1所述的合金粉末进行第二层~第n层的超快激光熔覆（n≤7），在熔覆厚度不小于1mm的条件下，超快激光熔覆的工艺参数按公式：激光功率/（光斑面积×线速度×熔覆厚度）=1.12~1.73w/[mm2×(mm/s)×mm]进行加工。本发明解决了现有明弧焊、埋弧焊堆焊连铸机足辊时工件热变形大，堆焊层在高温环境中易氧化、腐蚀、开裂而引起的服役寿命短、维修次数频繁、中断生产进度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种熔覆修复连铸机足辊方法，特别是涉及一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法。
背景技术
连铸辊的全称为连铸机用堆焊辊，按辊子所处连铸机位置和功能的不同，连铸辊传统意义上又可分为：结晶器足辊、侧向导辊、弯曲段辊、弧形段辊、矫直段辊和水平段辊，其中结晶器足辊所处温度最高，氧化和腐蚀最为剧烈，再加上钢液的鼓肚力和循环载荷的双重影响，结晶器足辊与其他类连铸机用辊相比，服役寿命最短、修复次数最为频繁。对于钢厂而言，不但增加了生产成本，更重要的是影响了生产进度的连续性。
在连铸辊相关的YB/T4326和JB/T13496行业标准里，对于结晶器足辊推荐的堆焊技术有埋弧焊、自保护电弧焊（明弧焊）；推荐的焊材为0Cr13Ni4MoN、镍基625和钴基25三大类。由于结晶器足辊的壁较薄、长径比大的原因，按上述标准中的埋弧焊和明弧焊技术堆焊连铸机足辊时会导致结晶器足辊较大的弯曲变形及收缩，这就限制了该项技术的推广。另一方面，镍基和钴基材料作为昂贵的战略储备金属，在连铸辊上大面积堆焊推行是不现实的，而对于0Cr13Ni4MoN不锈钢类的堆焊层，由于铬、镍、钼含量较低，在上千度的工况环境中无法保证工件的耐氧化腐蚀性、耐磨性、红硬性和热疲劳。
例如，中国发明专利申请号为201811407495 .4的专利申请文件公开了一种用于修复连铸空心足辊辊套的药芯焊丝及其熔覆工艺，从该专利中的描述得知：专利文件中使用的激光器为矩形光斑的半导体激光器，选用的焊材为“丝包粉”状焊材，这种技术对于热变形而言比埋弧焊和明弧焊有优势但是并不能彻底解决焊接热变形的问题，因为在同样激光器的情况下焊丝与自熔性焊粉相比，需要更大的热输出。此外，该专利中作者提出了焊材颗粒变质剂含有氮化铬4.5~5.5%和焊丝中包裹的粉末中含有0.5~2.0%的硼，大家共知的是硼元素和氮元素在熔融态时能迅速反应生成B-N化合物，该化合物严重影响钢材的力学性能，引起开裂[文献1]。另一方面，硼元素和氮元素反应后，固溶在熔覆层基体内的硼、氮元素会减少，这将进一步降低熔覆层的高温力学性能，从而影响连铸机足辊的服役寿命。此外，在选用激光熔覆合金粉末时，为了避免此类裂纹隐患的产生应该选用氩气雾化制粉工艺制粉，并且在激光熔覆时应采用氩气保护熔池而非氮气保护熔池。
中国发明专利申请号为201610227927 .8 的专利申请文件公开了用于连铸机的连铸辊，该专利焊材成分构思与权利要求1中的合金粉末有这本质的区别，该焊材中使用大量的铜和铌元素并且采用了低碳、低铬合金设计原理。这种合金设计原理类似于马氏体沉淀硬化不锈钢设计的思路。
现有利用明弧焊、埋弧焊堆焊连铸机足辊时工件热变形大，堆焊层在高温环境中易氧化、腐蚀、开裂而引起的服役寿命短、维修次数频繁，影响生产进度。
图1为现有明弧焊技术修复的连铸机足辊:搭接区腐蚀及裂纹对比实物照片图。
文中涉及文献如下：
文献1 高佳蓉.含硼钢板坯质量缺陷的研究[J]. 重型机械.2013，S1：165-169.
文献2 裴明德 译 ，罗刚 校.用钴取代不锈钢中的部分镍[J]，太钢译文,2015年第1期：26-30。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，本发明针对连铸机足辊的工况环境设计了高耐蚀-高耐磨-高强韧性、非时效-沉淀硬化型马氏体不锈钢合金粉末，加入更高的铬、钼提高耐蚀性，通过钴、镍来抑制和减少脆性铁素体相和Cr-Mo-M-Fe（M代称金属）金属间化合物相的生成，在铬、钼、镍含量高的情况下通过钴元素的加入来提高马氏体相变温度，由此来获得更多的马氏体相和保持熔覆的高硬度和力学性能。此外，通过加入高含量钴和降低镍含量来抬高AC1相变温度，而熔覆层的硬度主要依据是以碳、硼、钼、钴元素的协同作用来提升，使熔覆层的红硬性、韧性和耐蚀性三个看似矛盾且不可调和的物化性能同时得以保证。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，所述方法包括以下包括以下步骤：
1）用无硼、超低硫、磷含量的00Cr11NiNb焊粉在连铸机足辊基材上进行第一层超快激光熔覆；
2）第一层激光熔覆后的工件冷却至室温，车削该熔覆层的氧化皮和搭接沟槽；
3）用合金粉末进行第二层~第n层的超快激光熔覆（n≤7），在熔覆厚度不小于1mm的条件下，激光熔覆的工艺参数按公式：激光功率/（光斑面积×线速度×熔覆厚度）=1.12~1.73w/[mm2×(mm/s)×mm]进行加工，即可；
所用合金粉末组成成分如下：
C：0.03~0.05wt%；Cr：15.1~15.4wt%；Ni：3.2~3.6wt%；Co：9,8~10.2wt%；Mo：3.05~3.15wt%；Mn：0.0~0.5wt%；Nb：0.08~0.14wt%；V：0.05~0.09wt%；Ti：0.11~0.15wt%；B：0.1~0.3wt%；Si：0.4~0.8wt%；Fe为余量。
所述的一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，所述碳在0.03~0.05wt%，硼在0.1~0.3wt%及Si：0.4~0.8wt%为佳。
所述的一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，所述铬含量范围在15.1~15.3wt%，钼含量范围在3.05~3.15%为佳。
所述的一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，所述铁素体含量小于等于10%，室温以上，熔覆层中马氏体含量占比大于等于90%，镍含量：3.2~3.6wt%；钴含量：9.8~10.2wt%为佳。
所述的一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，所述碳元素在0.1wt%以下、铌元素在0.08~0.14wt%，铌、钒联合控碳以及钒元素范围为0.05~0.09wt%为佳。
所述的一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，所述钛元素在0.11~015wt%为佳。
所述的一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，所述粉末中硫元素在300ppm以下，锰元素在0.5wt%以下为佳。
本发明的优点与效果是：
1、本发明方法在已知堆焊加工领域，超快激光熔覆修复连铸机足辊工件热变形及收缩量最小，单位平方米内效率最高；
2、本发明合金粉末与镍基和钴基合金相比，焊材成本只有五分之一，与0Cr13Ni4MoN堆焊层相比，无复杂的热处理工序，使用寿命提高一倍，减少了停机更换连铸足辊的次数，提高了整体生产效率，综合生产成本低于传统明弧焊和埋弧焊的加工方式。
附图说明
图1为现有明弧焊技术修复连铸机足辊:搭接区腐蚀及裂纹对比实物照片图；
图2为本发明方法修复的连铸机足辊无腐蚀、裂纹对比实物照片图。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种超快激光熔覆修复连铸机足辊的方法，包括以下步骤：
1）使用无硼、超低硫、磷含量的00Cr11NiNb焊粉在连铸机足辊基材上进行第一层超快激光熔覆；
2）使第一层激光熔覆后的工件冷却至室温，车削该熔覆层的氧化皮和搭接沟槽；
3）使用权利要求1所述的合金粉末进行第二层~第n层的超快激光熔覆（n≤7），在熔覆厚度不小于1mm的条件下，超快激光熔覆的工艺参数按公式：激光功率/（光斑面积×线速度×熔覆厚度）=1.12~1.73w/[mm2×(mm/s)×mm]进行加工.
本发明施用合金粉末组成成分：
C：0.03~0.05wt%；Cr：15.1~15.4wt%；Ni：3.2~3.6wt%；Co：9,8~10.2wt%；Mo：3.05~3.15wt%；Mn：0.0~0.5wt%；Nb：0.08~0.14wt%；V：0.05~0.09wt%；Ti：0.11~0.15wt%；B：0.1~0.3wt%；Si：0.4~0.8wt%；Fe为余量。
本发明合金粉末中各成分与含量的选取依据如下表：
实施例1
一种超快激光熔覆修复连铸机足辊的方法，包括以下步骤：
1）使用无硼、超低硫、磷含量的00Cr11NiNb焊粉在连铸机足辊基材上进行第一层激光熔覆，选用功率10000瓦，线速度220mm/s，熔覆厚度为1.55~1.65毫米；
2）使第一层激光熔覆后的工件冷却至室温，车削该熔覆层的氧化皮和搭接沟槽；
3）使用上述的合金粉末进行第二层~第n层的超快激光熔覆加工（n≤7），超快激光熔覆的工艺参数按公式：激光功率/（光斑面积×线速度×熔覆厚度）=1.12~1.73w/[mm2×(mm/s)×mm]进行加工，优选地，激光功率10000瓦，光斑为2.5mm的圆光斑，线速度为220mm/s，熔覆厚度为1.70~1.80mm。此外，层间温度应保持下70摄氏度以下。
上述合金粉末组分和物理参量如下表：
实施例2
一种超快激光熔覆修复连铸机足辊的方法，包括以下步骤：
1）使用无硼、超低硫、磷含量的00Cr11NiNb焊粉在连铸机足辊基材上进行第一层激光熔覆，选用功率11000瓦，线速度230mm/s，熔覆厚度为1.50~1.70毫米；
2）使第一层激光熔覆后的工件冷却至室温，车削该熔覆层的氧化皮和搭接沟槽；
3）使用上述的合金粉末进行第二层~第n层的超快激光熔覆加工（n≤7），超快激光熔覆的工艺参数按公式：激光功率/（光斑面积×线速度×熔覆厚度）=1.12~1.73w/[mm2×(mm/s)×mm]进行加工，优选地，激光功率11000瓦，光斑为2.4mm的圆光斑，线速度为230mm/s，熔覆厚度为1.75~1.85mm。此外，层间温度应保持下70摄氏度以下。
上述合金粉末组分和物理参量如下表：
实施例3
一种超快激光熔覆修复连铸机足辊的方法，包括以下步骤：
1）使用无硼、超低硫、磷含量的00Cr11NiNb焊粉在连铸机足辊基材上进行第一层激光熔覆，选用功率9900瓦，线速度200mm/s，熔覆厚度为1.60~1.75毫米；
2）使第一层激光熔覆后的工件冷却至室温，车削该熔覆层的氧化皮和搭接沟槽；
3）使用上述的合金粉末进行第二层~第n层的超快激光熔覆加工（n≤7），超快激光熔覆的工艺参数按公式：激光功率/（光斑面积×线速度×熔覆厚度）=1.12~1.73w/[mm2×(mm/s)×mm]进行加工，优选地，激光功率9900瓦，光斑为2.6mm的圆光斑，线速度为200mm/s，熔覆厚度为1.65~1.75mm。此外，层间温度应保持下70摄氏度以下。
上述合金粉末组分和物理参量如下表：
图2为本发明方法修复的连铸机足辊无腐蚀、裂纹对比实物照片图。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，其特征在于，所述方法包括以下包括以下步骤：
1）用无硼、超低硫、磷含量的00Cr11NiNb焊粉在连铸机足辊基材上进行第一层超快激光熔覆；
2）第一层激光熔覆后的工件冷却至室温，车削该熔覆层的氧化皮和搭接沟槽；
3）用合金粉末进行第二层~第n层的超快激光熔覆（n≤7），在熔覆厚度不小于1mm的条件下，激光熔覆的工艺参数按公式：激光功率/（光斑面积×线速度×熔覆厚度）=1.12~1.73w/[mm2×(mm/s)×mm]进行加工，即可；
所用合金粉末组成成分如下：
C：0.03~0.05wt%；Cr：15.1~15.4wt%；Ni：3.2~3.6wt%；Co：9,8~10.2wt%；Mo：3.05~3.15wt%；Mn：0.0~0.5wt%；Nb：0.08~0.14wt%；V：0.05~0.09wt%；Ti：0.11~0.15wt%；B：0.1~0.3wt%；Si：0.4~0.8wt%；Fe为余量。
2.根据权利要求1所述的一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，其特征在于，所述碳在0.03~0.05wt%，硼在0.1~0.3wt%及Si：0.4~0.8wt%为佳。
3.根据权利要求1所述的一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，其特征在于，所述铬含量范围在15.1~15.3wt%，钼含量范围在3.05~3.15%为佳。
4.根据权利要求1所述的一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，其特征在于，所述铁素体含量小于等于10%，室温以上，熔覆层中马氏体含量占比大于等于90%，镍含量：3.2~3.6wt%；钴含量：9.8~10.2wt%为佳。
5.根据权利要求1所述的一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，其特征在于，所述碳元素在0.1wt%以下、铌元素在0.08~0.14wt%，铌、钒联合控碳以及钒元素范围为0.05~0.09wt%为佳。
6.根据权利要求1所述的一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，其特征在于，所述钛元素在0.11~015wt%为佳。
7.根据权利要求1所述的一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法，其特征在于，所述粉末中硫元素在300ppm以下，锰元素在0.5wt%以下为佳。
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