CN116445824A - 一种合金粉末及其在提高带钢夹送辊服役寿命方面的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料表面修复领域，具体公开了一种合金粉末及其在提高带钢夹送辊服役寿命方面的应用，所述合金粉末按照质量百分数包括以下元素：C：0.085‑0.095wt％；N：0.025‑0.035wt％；Cr：6.0‑6.1wt％；Ni：0.8‑0.9wt％；Mn：0.95‑1.05wt％；Mo：1.2‑1.4wt％；W：2.5‑2.7wt％；V：0.53‑0.67wt％；B：1.7‑1.8wt％；Si：1.05‑1.15wt％；余量为Fe和微量杂质元素；优选的，所述杂质元素中O：≤0.015wt％；S:≤0.030wt％；P:≤0.030wt％。本发明提供的合金粉末及激光熔覆修复方法在对带钢加送辊进行处理后，使用寿命由先前的2～7天延长至7～14天，并且合金粉末成本低廉，综合成本仅为现有技术的30％～50％，在降低成本的同时，还提高了激光覆层高温红硬性和抗开裂能力。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面修复领域，具体公开了一种合金粉末及其在提高带钢夹送辊服役寿命方面的应用。
背景技术
钢厂带钢生产线上的夹送辊一般由热作模具钢或42CrMo合金结构钢+堆焊的方式制造而成，该夹送辊在带钢生产线上主要起引导、夹送、夹轧的作用，其服役温度在500～700度之间，高转速下，有水冷却给夹送辊降温。夹送辊的服役环境比较恶劣，主要失效的方式有急冷急热导致的疲劳龟裂纹、带钢冲击及应力集中导致的脆化垂直裂纹、氧化磨损等等。夹送辊表面上的裂纹会反映在带钢产品上导致产品表面缺陷，而氧化磨损会引起带钢产品厚度一致性得不到保证。为保证带钢产品质量的稳定性，一般带钢厂会根据班次或过钢量来检查夹送辊的表面状态和运转情况，一旦有肉眼可见的裂纹、磨损减径等情况发生，会紧急下线夹送辊进行堆焊修复。
钢厂机修车间一般选用热强钢作为焊材，以明弧堆焊的方式对带钢夹送辊进行修复，此修复方式主要有以下四点不足：1)堆焊层有肉眼看不到的微裂纹和焊料的夹渣物。为提高堆焊层的高温强度，焊材多选用开裂倾向较大的中/高碳含量的热强钢。并且，为提高堆焊效率，机修车间多采用多层多道、大厚度的堆焊工艺，两者的复合作用就进一步加剧了热应力在堆焊层中的残留，从而导致裂纹的萌生。2)明弧焊的热输出大，带钢夹送辊两端内孔的缩钢量会超差，从而使带钢产品的厚度尺寸得不到保证。3)明弧焊的稀释率过大，必须使用多层多道焊才能保证盖面层合金成分的一致性，降低了作业效率和浪费焊材。4)明弧焊烟尘较大，对人体伤害和环境污染严重，不符合绿色制造的国家新政。
为解决上述行业痛点，有人率先提出使用熔覆效率高、热输出小、粉材纯净和绿色环保的激光熔覆技术对带钢夹送辊进行修复和强化，如图1所示。公布号为CN110241418A的中国专利公开了一种卷取机夹送辊及其激光熔覆方法，该方法使用的合金粉末均为高铬(15％～18wt％)、含镍(3.5～5.0wt％)型的马氏体不锈钢合金粉末，并添加与该合金粉末比重为1/9～1/3的碳化钨合金粉末来进一步强化熔覆层的耐磨和红硬性。该复合粉末对于在中温环境服役中夹送辊来说主要有以下不足：1)铬含量过高。依据美国工具钢标准A681提供的合金成分来看工具钢的铬含量在2.5～13.5wt％，过高的铬含量会促使熔覆层在该温度下快速地生成铁素体相、Laves相和G相等又脆又硬的金属间化合物，这导致熔覆层的持久强度、抗冲击性能下降，降低夹送辊的服役寿命。2)碳化钨的比列太高。碳化钨确实能提高工模具钢的热强性，但是该专利中碳化钨粉末的比列过高，该粉末复合到马氏体不锈钢粉末中后，整体平均碳含量在0.52～1.44wt％，平均钨含量高达9.60～31.68wt％，该复合粉末的成分远超热作模具钢的范畴，更像是低温环境下作业的冷作模具钢或高速钢，熔覆层太脆了，不适合急冷急热的工况环境。3)该复合粉末的平均碳含量和铬、钨含量都很高，熔覆材料的成本高昂并且熔覆时必须高温预热加缓慢冷却的工艺条件下才能制造出无缺陷的熔覆层，这种加工方式的效率和综合成本会居高不下，无市场竞争优势。又如，公布号为CN109576603B的中国专利公开了一种激光熔覆修复精轧除磷箱夹送辊的功能层合金粉末及方法与流程。首先，在该专利中发明人明确强调了熔覆材料选用的是铬碳合金+碳化钛的复合合金粉末，加入碳化钛合金粉末的主要目的是为了熔覆层的高温耐磨性、耐蚀性和降低熔覆难度。其次，该专利的发明人又强调了加入2.0～5.0wt％的硅和3.0～6.0wt％硼是为了保护激光熔池中的碳化钛不被分解。最后，该专利发明人又补充道，加入5.0～10.0wt％的铬是为了提高粘结相的抗腐蚀能力和对硬质颗粒的把持能力，加入1.0～5.0wt％的镍是为提高熔覆层的抗氧化能力和韧性。该专利提供的工况环境与本发明提供的工况环境存在较大差异，据了解，精轧除磷箱夹送辊和带钢夹送辊虽然使用的温度都在中温，并且都有循环水冷却，但是精轧除磷箱夹送辊不像带钢夹送辊一样需要很高的抗中温冲击性能，该工况环境最关键的需求是高温耐磨性能，工况差异性就造就了两种粉末在合金设计上有着本质上的区别。此外，碳化钛合金粉末非常活泼，易与空气中的水气、氧、氮等元素形成钛的化合物，导致熔覆层气孔、夹渣的生成，该专利发明人即使加入了很高的硅、硼元素来除氧，但是碳化钛和硼、硅的含量实在是过高，夹渣的生成和开裂的风险极大，不适合大规模量化生产。比如，在实施例2中该专利发明人就提出使用15wt％碳化钛、1.1wt％的碳、5wt％的硅、10.0wt％的铬、5.0wt％的镍和6wt％的硼的合金组合，合金总量高达42.1wt％，非金属元素高达12wt％以上。所以，该合金粉末称之为陶瓷—金属复合多元合金更合适。利用这种合金粉末对于基材为钢铁材料进行激光熔覆时其结合力显然是大打折扣的，因为这种材料违背了材料学中最基本的“相似相溶”原理。该复合粉末更适合粉热等静压技术不适合激光熔覆技术。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种合金粉末及其在提高带钢夹送辊服役寿命方面的应用。
本发明的技术方案如下：
一种合金粉末，按照质量百分数包括以下元素：
C：0.085-0.095wt％；N：0.025-0.035wt％；Cr：6.0-6.1wt％；Ni：0.8-0.9wt％；Mn：0.95-1.05wt％；Mo：1.2-1.4wt％；W：2.5-2.7wt％；V：0.53-0.67wt％；B：1.7-1.8wt％；Si：1.05-1.15wt％；余量为Fe和微量杂质元素。
上述方案中的合金粉末配比的原理如下：
1)以硼元素作为主强化元素，打破传统的热作磨具钢以碳元素为主强化元素的先例。一部分硼元素固溶在奥氏体相内，提高了低温马氏体的硬度，一部分硼元素聚集在晶界，填补了晶界的空位，降低了晶界的表面能，强化晶界的同时细化了晶粒。此外，M-B型硼化物颗粒沉淀析出在基体相上(M代指Fe、Cr、Mo、W、V、Mn等金属元素中的一种或几种，下同)，提高了熔覆层的中温持久强度和耐磨性。在本合金体系中，当硼元素的含量高于1.8wt％时，熔覆层易产生Laves等金属间化合物，该化合物硬度高达1100Hv，极大地降低了熔覆层的冲击韧性，当硼元素低于1.7wt％时，熔覆层的硬度低于技术要求中的50～55HRC的工况需求，根本原因是其高温红硬性不足
2)碳和氮作为沉淀强化相的辅助元素，在本合金体系中两元素的含量均在0.1wt％以下，其原因为硼元素含量较高的情况下，需要降低易引起熔覆层开裂的碳和氮元素含量，其次为降低M3C、M23C6等在中温环境中易团聚长大或溶解的M-C型碳化物的含量，间接提高熔覆层的热强性和耐磨性。最后是为M-B硼化物提供更有利的生成环境，防止高含量的碳、氮化物抢夺硼化物的生成条件。在本合金体系中碳元素含量高于0.095wt％时，熔覆层硬度和耐高温氧化性能受到影响。当碳元素低于0.085wt％时，需要加入的氮或硼元素就会增多，熔覆层易产生气孔或脆化。氮元素是三大主元素中含量最少的元素，因为本合金粉末的设计体系是以硼元素作为主强化元素，加入量较高，而氮元素在1000度以上易与硼元素反应生成B-N化合物，该化合物会极大地降低了熔覆层的韧塑性，对综合力学性能不利。在氮元素高于0.035wt％时上述现象易发生，在低于0.025wt％时M(C，N)的微合金作用体现不出来。另外，从试验结果来看，硼、碳、氮三元素联用比单一元素沉淀强化的效果要好很多。
3)镍、锰两元素联合加入是为了弥补因碳、氮元素含量的不足而引起的硼元素在基体上固溶量减少的现象，因为，在以硼元素为主强化元素的合金设计框架下，如果基体中的硼含量不足，那么碳、氮和硼化物的含量就会超标，最终熔覆层的微观组织就由“软态的”基体相+粗大化的“硬态的”化合物相组成，这显然不符合热作模具钢的服役要求。如图2所示，镍和锰元素的联合加入能固溶更多的硼元素，并抑制过量的铁素体相。镍与锰配合之后，当镍含量高于0.8～0.9wt％范围值时，熔覆层搭接区的回火脆性较大，当低于该下限值时，熔覆层会产生过量的铁素体相(大于15V％)，锰是所有钢材中不可或缺的元素之一，在本合金体系中主要为了溶解氮元素和防止焊接过热裂纹而存在，因为本合金体系中氮元素的含量在0.03wt％左右，硼和硅元素的含量之和接近3wt％。与镍元素配合使用时，根据氮、硼和硅三元素的含量范围，锰元素的加入量在1.0±0.05wt％范围时，熔覆层中基体的力学性能最佳。
4)铬、钼和钨元素，铬、钼元素联用主要是促进熔覆层产生自润滑的特性，以此来达到熔覆层减摩和降低磨损量的目的。在工程材料中如果提高熔覆层的抗冲击能力，一般情况下会牺牲掉熔覆层的部分耐磨性，为解决此问题，本发明就使用铬和钼联用之后的自润滑特性来减少摩擦磨损。在铬高于6.1wt％和钼高于1.4wt％时，合金元素促进了又脆又硬的Laves相和G相大量生成，当在铬低于6.0wt％和钼低于1.2wt％时，熔覆层的减摩效果大打折扣。钨与钼的性质接近，从试验结果来看，在铬、钼元素含量一定的情况下，钨和铬、钼三元素联合后的熔覆层自润滑-减摩效果要好于铬、钼两元素的联合的自润滑-减摩效果，从加钨比不加钨的熔覆层在服役七天后的对比情况来看，前者的表面光洁度和磨损量都小于后者。如图5～图6所示。在本合金粉末体系中，钨含量高于2.7wt％时，对综合力学性能有影响的金属间化合物开始在熔覆层中大量生成，当钨含量低于2.5wt％以下时，熔覆层在服役过程中的光洁度和磨损量不理想。
此外，铬、钼和钨联合是为了制造10～15V％的铁素体相，因为激光熔覆在修复时常遇到明弧焊的堆焊层，如果完全车掉明弧焊的堆焊层，那激光熔覆高效率和低成本的优势就不明显，如果在明弧堆焊层上激光熔覆，含有高硼和高硅的熔覆层的热膨胀量明显高于明弧焊的堆焊层，为防止熔覆层因热应力而导致的开裂现象发生，在熔覆层中人为地制造10～15V％的铁素体相，能有效地抑制熔覆裂纹的产生。
5)钒元素主要作用有两个方向，一是稳定并强化熔覆层中的铁素体相，防止因熔覆层中的铁素体含量超标而降低中温力学性能，二是优先与氮元素结合，防止B-N陶瓷化合物的生成而影响熔覆层的韧塑性。在本合金体系中，当钒大于0.67wt％时，熔覆层中铁素体含量超标，熔覆层的强韧性被破坏。当钒含量低于0.53wt％时，B-N化合物含量超标。
6)硅元素是钢铁材料和激光熔覆用的粉材中不可或缺的元素之一，在本合金体系中，其主要作用是防止硼元素在熔覆层中余留的过多，防止熔覆层脆化和保护熔池不被氧化。在其他合金元素确定的情况下，硅元素含量高于1.15wt％时熔覆层易形成夹渣缺陷和开裂，在含量低于1.05wt％时熔覆层中残留的硼元素超标，硼元素作为主合金强化元素发挥不出来它该有的特性。
进一步的，上述一种合金粉末，所述杂质元素中，
O：≤0.015wt％；S:≤0.030wt％；P:≤0.030wt％。
进一步的，上述合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
S1配料
S2熔炼
S3气雾化气冷
S4分级打包。
进一步的，上述合金粉末的应用，所述应用为提高带钢夹送辊服役寿命。
进一步的，上述合金粉末的应用，所述应用为将合金粉末应用激光熔覆技术修复带钢夹送辊的损伤处。
进一步的，上述合金粉末的应用，所述带钢夹送辊是以42CrMo合金结构钢+堆焊的方式制造而成。
进一步的，上述合金粉末的应用，所述修复包括以下步骤：
1)对下线的夹送辊工件进行探伤，根据探伤结果车削掉工件表面的局部裂纹，多次探伤直至裂纹完全车削干净；
2)使用直接输出半导体激光器在工件表面进行激光熔覆；
3)激光熔覆结束后，立即将工件放置在温度500℃及以上的电阻炉里面进行保温，然后随炉冷却至室温。
进一步的，上述合金粉末的应用，所述步骤2)具体包括以下步骤：选用光斑大小为2x20mm-2x22mm、功率为5800-6000w的直接输出半导体激光器在工件表面进行激光熔覆，其中，单次单边熔覆厚度为1.7-1.9mm、线速度为4-5mm/s、搭接率为光斑长度方向的50-55％；熔覆次数根据车削掉的裂纹深度而定，如果工件车削深度大于2.6毫米，使用20-30HRC的316奥氏体不锈钢合金粉末打底后再熔覆，但工作层的熔覆厚度不低于0.9毫米。
进一步的，上述合金粉末的应用，所述步骤3)中，电阻炉温度为500℃-510℃之间，保温时间120min-130min。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果:
本发明提供的合金粉末抛弃了传统热作模具钢以碳(氮)为主强化元素的设计思路，创新性提出以适量的硼作为主强化元素，以硼元素固溶强化和硼化物析出强化为核心、以碳氮化物为辅助的合金设计框架。由此来创造更多的弥散强化的耐高温硬质颗粒点。进一步地，本发明提供的方案中还增加了约10.0～15.0V％铁素体基体相，打破了中高温用钢中铁素体含量不能超过10.0V％经验教条，如图2～3所示。此外，由于碳和氮元素的含量被极大地限制，硼化物弥散强化效果明显，熔覆层在服役过程中不但耐冲击性得到提升并且磨损量并没有增加。另一方面，本发明提供的合金总量在15.9wt％以下，与成熟的热作模具钢成分含量相当，无难熔且昂贵的陶瓷基复合粉末加入，激光熔覆厚度薄，热输出小，稀释率低、效率高。生产成本得以有效地降低、熔覆和机加效率得以大幅度提升，便于大规模产业化应用。
综合的，本发明具有以下明显优势，本发明提供的合金粉末及激光加工方法在对带钢加送辊进行处理后，1)熔覆热变形小、加工效率高；2)抗裂效果优异；3)高温耐冲击性优异的同时不削减耐磨性和抗冷热疲劳性能；4)使用寿命由先前的2～7天延长至7～14天，如图4所示；5)合金粉末成本低廉，综合成本仅为现有技术的30％～50％。
附图说明
图1激光熔覆带钢夹送辊的示意图，①激光器-粉末系统、②带钢夹送辊；
图2利用本发明提供的实施例2的合金粉末成分，在激光熔覆时基体相的模拟相图；
图3利用本发明提供的实施例2的合金粉末成分，在激光熔覆时沉淀相的析出模拟相图；
图4激光熔覆后的带钢夹送辊在上机14天后的表面着色探伤实物图。
图5合金粉末中含钨元素时，带钢夹送辊在上机7天时的激光熔覆层的表面状态实物图；
图6合金粉末不含钨元素时，带钢夹送辊在上机7天时的激光熔覆层的表面状态实物。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种合金粉末，按照质量百分数包括以下元素：C：0.085wt％；N：0.025wt％；Cr：6.0wt％；Ni：0.8wt％；Mn：0.95wt％；Mo：1.2wt％；W：2.5wt％；V：0.53wt％；B：1.7wt％；Si：1.05wt％；O：0.01wt％；S:0.015wt％；P:0.008wt％；Fe为余量。
使用上述粉末对带钢夹送辊进行激光熔覆修复损伤的步骤如下：
1.对下线的夹送辊进行探伤，根据探伤结果车削掉工件表面的局部裂纹，多次探伤直至裂纹完全车削干净；
2.选用光斑大小为2x20mm、功率为5800w的直接输出半导体激光器在工件表面进行激光熔覆，其中，单次单边熔覆厚度为1.7mm、线速度为4mm/s、搭接率为光斑长度方向的50％。熔覆次数根据车削掉的裂纹深度而定，如果工件车削深度大于2.6毫米，使用20～30HRC的316奥氏体不锈钢合金粉末打底后再熔覆，但，工作层的熔覆厚度不低于0.9毫米；
3.激光熔覆结束后，立即将工件放置在500摄氏度的电阻炉里面进行保温120分钟，然后随炉冷却至室温。
实施例2
一种合金粉末，按照质量百分数包括以下元素：C：0.090wt％；N：0.030wt％；Cr：6.05wt％；Ni：0.85wt％；Mn：1.0wt％；Mo：1.3wt％；W：2.6wt％；V：0.60wt％；B：1.75wt％；Si：1.10wt％；O：≤0.012wt％；S:≤0.017wt％；P:≤0.012wt％；Fe为余量。
使用上述粉末对带钢夹送辊进行激光熔覆修复损伤的步骤如下：
1.对下线的夹送辊进行探伤，根据探伤结果车削掉工件表面的局部裂纹，多次探伤直至裂纹完全车削干净；
2.选用光斑大小为2x21mm、功率为5900w的直接输出半导体激光器在工件表面进行激光熔覆，其中，单次单边熔覆厚度为1.8mm、线速度为4.5mm/s、搭接率为光斑长度方向的52％。熔覆次数根据车削掉的裂纹深度而定，如果工件车削深度大于2.7毫米，使用20～30HRC的316奥氏体不锈钢合金粉末打底后再熔覆，但，工作层的熔覆厚度不低于1.0毫米；
3.激光熔覆结束后，立即将工件放置在505摄氏度的电阻炉里面进行保温125分钟，然后随炉冷却至室温。
实施例3
一种合金粉末，按照质量百分数包括以下元素：C：0.095wt％；N：0.035wt％；Cr：6.1wt％；Ni：0.9wt％；Mn：1.05wt％；Mo：1.4wt％；W：2.7wt％；V：0.67wt％；B：1.8wt％；Si：1.15wt％；O：≤0.014wt％；S:≤0.020wt％；P:≤0.016wt％；Fe为余量。
使用上述粉末对带钢夹送辊进行激光熔覆修复损伤的步骤如下：
1.对下线的夹送辊进行探伤，根据探伤结果车削掉工件表面的局部裂纹，多次探伤直至裂纹完全车削干净；
2.选用光斑大小为2x22mm、功率为6000w的直接输出半导体激光器在工件表面进行激光熔覆，其中，单次单边熔覆厚度为1.9mm、线速度为5mm/s、搭接率为光斑长度方向的55％。熔覆次数根据车削掉的裂纹深度而定，如果工件车削深度大于2.8毫米，使用20～30HRC的316奥氏体不锈钢合金粉末打底后再熔覆，但，工作层的熔覆厚度不低于1.1毫米；
3.激光熔覆结束后，立即将工件放置在510摄氏度的电阻炉里面进行保温130分钟，然后随炉冷却至室温。
测试例
经过实际应用，发现本发明具有如下优点：1)熔覆热变形小、加工效率高；2)抗裂效果优异；3)高温耐冲击性优异的同时不削减耐磨性和抗冷热疲劳性能；
4)使用寿命由先前的2～7天延长至7～14天，如图4所示；5)合金粉末成本低廉，综合成本仅为现有技术的30％～50％。
发明的有限几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种合金粉末，其特征在于，按照质量百分数包括以下元素：
C：0.085-0.095wt％；N：0.025-0.035wt％；Cr：6.0-6.1wt％；Ni：0.8-0.9wt％；Mn：0.95-1.05wt％；Mo：1.2-1.4wt％；W：2.5-2.7wt％；V：0.53-0.67wt％；B：1.7-1.8wt％；Si：1.05-1.15wt％；余量为Fe和微量杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种合金粉末，其特征在于，所述杂质元素中，
O：≤0.015wt％；S:≤0.030wt％；P:≤0.030wt％。
3.如权利要求1-2任一项所述的合金粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1配料：根据工况环境和技术要求设计合金粉末的成分，根据成分进行配料
S2熔炼:将合金原材料(中间合金)加入到电阻坩埚炉中，加热至1520℃使其熔化后，进行除渣和排气操作；
S3气雾化气冷：将夜状金属升温至1580℃，保温14分钟。然后将其倒入钢包内，待液状合金流动至钢包下方的导液管时，通过4.7Mpa的氮气压力喷枪将其打碎、雾化成固体粉末状；
S4分级打包：待粉末冷却至室温后，采用分级筛粉器筛出80～300目的合金粉末，并进行分装、打包。
4.如权利要求1-2任一项所述的合金粉末的应用，其特征在于，所述应用为提高带钢夹送辊服役寿命。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，将合金粉末应用激光熔覆技术修复带钢夹送辊的损伤处。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述带钢夹送辊是以42CrMo合金结构钢+堆焊的方式制造而成。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述修复包括以下步骤：
1)对下线的夹送辊工件进行探伤，根据探伤结果车削掉工件表面的局部裂纹，多次探伤直至裂纹完全车削干净；
2)使用直接输出半导体激光器在工件表面进行激光熔覆；
3)激光熔覆结束后，立即将工件放置在温度500℃及以上的电阻炉里面进行保温，然后随炉冷却至室温。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述步骤2)具体包括以下步骤：选用光斑大小为2x20mm-2x22mm、功率为5800-6000w的直接输出半导体激光器在工件表面进行激光熔覆，其中，单次单边熔覆厚度为1.7-1.9mm、线速度为4-5mm/s、搭接率为光斑长度方向的50-55％；熔覆次数根据车削掉的裂纹深度而定，如果工件车削深度大于2.6毫米，使用20-30HRC的316奥氏体不锈钢合金粉末打底后再熔覆，但工作层的熔覆厚度不低于0.9毫米。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述步骤3)中，电阻炉温度为500℃-510℃之间，保温时间120min-130min。
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