TW202129026A - 獲得具有碳化鎢合金塗層的軋製輥的方法和獲得的軋製輥 - Google Patents

Abstract

本發明之方法的目的是製備具有碳化鎢或其合金塗層的軋機輥，其中，該塗層為單層並且通過高速熱噴塗實現。

Description

獲得具有碳化鎢合金塗層的軋製輥的方法和獲得的軋製輥

本發明的目的是開發一種可獲得具有碳化鎢合金塗層的軋製輥的工藝，其中，該塗層為單層。

採用熱噴塗方式進行塗裝。

本發明提供獲得具有光滑和粗糙表面的軋製輥，本發明的另一個目的是減少由該工藝本身產生的在塗層上的髒汙物。

因此，本發明屬於塗層軋機工作輥的範圍。

在軋鋼生產中，使用軋製輥。它的作用不僅從生產率的角度來看是重要的，而且從它對表面質量的巨大影響來看也是重要的。

軋機工作輥是與待軋製板帶接觸的輥，用於減小厚度（壓下軋機）或實現軋製材料的光潔度和機械性能。由於板帶接觸軋製輥，軋製輥的表面受到磨損，失去了表面光潔度和幾何輪廓。當發生這種情況時，必須採用其他軋製輥來代替軋製輥。

使用的軋製輥歷來是無塗層並由鑄鋼製成為鍛鋼，以提高大量軋製噸數後的耐磨性。

20世紀80年代，首次對具有不同塗層的鍛鋼軋製輥進行了塗層試驗，從結合耐磨性和價格來看，電解鉻得出的效果最好。目前，鉻是獲得大多數軋鋼企業公認的塗料。

在歐洲，由於環保限制，將禁止使用劇毒六價鉻制取鉻的電解工藝。在幾次中止之後，歐洲經濟委員會決定在2023年暫停該工藝，以使生產企業不得不根據REACH尋找環保可行的替代品。這意味著，在2023年前，在其工藝中使用鉻的公司正尋找替代品以進行替代。軋鋼企業就是這樣，他們通過自有的研發部門正在測試新的塗料，這些塗料在技術、經濟和環境各方面均可真正替代鉻。

在現有技術中，諸如以下描述的各文獻均為已知的：

-專利CN107699842B描述了一種非金屬軋製工藝，其中，施加的壓縮力與鋼軋工藝相比非常小。在該申請中，塗層厚度為0.15±0.1mm已被證明在鋼軋機中不起作用，並導致供應塗層過早地脫離。儘管他們使用了HVAF技術，但他們無法應用適合我們的申請並已得到充分證明的薄厚度層。

-專利EP0694620表現出與上一專利相同的困難。

-文獻CN106011605旨在通過粉末合金燒結硬化並隨後焊接到輥體來製造環形件。

因此，它並非是一種塗層，而是一種硬化套筒的製造工藝，這種工藝不適用於扁平（熱、冷）軋製輥。更具體地，這些環形件設置在輥體上，用於軋製長條產品：線材、鋼坯。由於其製造的複雜性，這些環形件的尺寸非常小，並且它們的尺寸不適用於扁平產品（金屬板）的熱軋和冷軋，厚度在mm範圍，並且能夠在30mm至150mm範圍內變動。

這些環形件無法承受施加在冷金屬板軋機和熱金屬板軋機上的軋製力，表現出極低的電導率，並且由於厚度大，這些環形件無法消散軋製間隙中產生的熱量，從而導致頻繁的變化，這在技術上和經濟上均不可行。

-文獻CN 2091128522包括在瓦楞輥上噴塗碳化鎢的一般工藝，該瓦楞輥用於製造瓦楞紙板，不適用於冷金屬軋製和熱金屬軋製。

更具體地，碳化鎢厚度大於0.030mm，並且它們無法承受金屬軋製力，因此塗層會分離，必須補充一個事實，即在這該工藝中需要幾道塗層。

-文獻CN106040744描述了一種通過硬化工藝施塗碳化鎢層的工藝，其中，將碳和鎢加入爐中，從而沉積碳化鎢層並提高軋製輥體中的碳濃度。

該硬化工藝在高於920°C的溫度下進行。

要用這種技術沉積碳化鎢，必須進行表面雕刻（通過激光）以能夠確保沉積層的附著力。

這項技術不適用於冷軋工作輥，因為冷軋工作輥具有一層在硬化溫度下會被破壞馬氏體機構（20-25mm厚）。這種結構為軋製輥提供了硬化層，用於支撐HVAF塗層，並減少了軋製輥在冷軋機工作條件下發生的變形，降低了軋製輥的使用壽命。

由於硬化溫度的緣故，軋製輥套筒會變形，軋製輥無法恢復，從而致使其無法使用。因此，該申請僅適用於新製造的軋製輥。此問題也發生在熱軋制輥。

實際情況是新的熱金屬板軋製輥和冷金屬板軋製輥的價格非常高昂，因此，如果不能重複使用，則這種工藝在經濟上是不可行的。

同時，該項技術所必需的激光雕刻在冷軋中是不可行的，因為由於軋製壓力的存在，軋製產品會被標記，從而致使其無法使用。

此外，硬化過程中碳濃度的增加將增加軋輥的脆性，從而不會減少由於在熱軋條件下引起的熱裂紋而導致的從軋輥分離的材料的變化和缺陷。

而且，在熱軋工藝的溫度（＞400°C）下，這種碳化鎢塗層是不可行（已經測試），因為當溫度超過400°C時它會失去硬度，從而降低耐磨性。

簡而言之，鑑於該技術需要較長時間加工軋製輥，因此在熱軋和冷軋的組織條件下，這是一種在經濟上不可行的工藝。

- 文獻CN 104611664描述了一種在軋製輥上沉積金屬陶瓷（碳化鎢等）的一般工藝，該工藝不適用於冷軋工作輥。

該項技術目前適用於世界各地使用的拉繩輥、張力輥、導輥等。該項技術的不同之處在於它是基於通過噴塗Ni-Al底層（0.02mm）來提高耐腐蝕性的申請，因為其技術會產生多孔層。因此，施塗0.15mm至0.20mm的厚金屬陶瓷層，結果，由於該金屬陶瓷層仍然是多孔的，因此施塗了有機密封膠（孔蓋）而後固化。

因此，它是用於軋製軋製輥的典型技術，但不適用於軋機工作輥。

更具體地，所施塗的厚度極高（總的為0.17mm至0.22mm），因此當軋製第一米金屬薄板時（已經測試），該層會分離。

同時，為了施塗所描述的厚度，需要進行四次以上的軋製，因而會在塗層中產生更多的應力，這將導致軋製過程中出現分離。

此外，在超聲噴塗工藝中，由於燃燒所需的氧氣含量高，導致在塗層中產生了高孔隙率和脆性。

因此，從現有技術文獻可以看出，儘管這些技術文獻具有碳化鎢塗層，但是它們表現出一些缺點。在大多數情況下，要麼是塗層厚度非常大，要麼是這些工藝不適用於軋製輥，而在適用於鋼軋機的情況下，這些技術文獻會導致供應塗層過早地脫離，因此不適用於冷軋，在其他情況下，這些技術文獻使用兩層塗層或需要低很多的壓縮力的軋製輥。

因此，本發明的目的是開發一種在軋製工藝中的工作軋製輥上的表面塗層，用於提高軋機性能並且其價格近似於鉻鍍層的價格。

有鑑於此，吾等發明人乃潛心進一步研究，並著手進行研發及改良，期以一較佳發明以解決上述問題，且在經過不斷試驗及修改後而有本發明之問世。

所提出的方法完美解決了先前存在的問題。

為此，更具體地，在本發明的方法中設想了以下各操作階段：

a）對軋製輥的表面除脂；

c）對軋製輥的表面加熱；

d）通過熱噴塗方式將碳化鎢合金塗覆在軋製輥上，其中，碳化鎢合金粉末在燃燒室中熔化，生成的粉末粒度在30µm到5µm之間，熔融材料通過載氣輸送到噴槍，並以1kg/h至8kg/h的供給流量通過噴槍噴塗在軋製輥上。

初始除脂步驟a）除去軋製輥的表面殘留的油脂。

加熱步驟c）用於進行預先的預熱，使得軋製輥的表面可以容納隨後的塗層而不會產生熱衝擊，熱衝擊會導致供應塗層滲透率升高和開裂。

熱噴塗步驟d）是在軋製輥上塗覆適當的材料、厚度和機械性能的步驟。待噴塗的材料在燃燒室內部分或全部熔化。該熔融材料在噴槍的噴嘴處加速，並以高速拋到軋製輥的表面。。

大於30µm的碳化鎢合金粒度會導致滲透率增加和抗衝擊性降低，從而導致軋製過程中供應塗層的分離失效。流量大於8kg/h會導致塗層厚度增加，應力增加以及粉末在噴槍中的沉積增加。

如果需要光滑表面（用於金屬板和馬口鐵的軋製），則增加了額外的常規拋光步驟，並使用金剛石磨料將粗糙度降低到必要值。

如果需要粗糙表面，則該方法可選地設想了步驟b），通過技術噴砂處理表面，以便該步驟去除殘留的油脂。該噴砂操作可在熱態或冷態下，使用相同的噴槍和氧化鋁進行粗糙度控制。

獲得粗糙表面（清潔為重要步驟）的另一種可選方法是跳過步驟b），以便在步驟d）之後添加兩個新步驟。

在步驟e）中，通過加熱方式進行表面清潔處理，類似於步驟c），該步驟目的在於去除熱噴塗碳化鎢合金的步驟d）中產生的髒汙物。

在步驟f）中，通過噴塗玻璃珠使粗糙峰變圓。該階段降低了摩擦。

所有步驟均是使用同一把噴槍進行。

通過該方法的這三種變體中的任何一種獲得塗有碳化鎢合金的軋製輥具有低厚度塗層，其中該塗層是單層，其厚度在0.003mm至0.020mm之間，並且覆蓋於100%的工作表面。

該塗層厚度的測量是根據ASTM-B499標準確定的。

在這個意義上，值得強調的是，使用碳化鎢或其合金在軋製輥上實現單層塗層且厚度在0.003mm至0.020mm之間，這不僅僅是一種設計和/或製造的可選方法，因為在正常條件下，在工作輥上施塗厚度小於0.020mm的塗層的覆蓋率非常低，造成部分未覆蓋區域具有高滲透率，從而導致該塗層分離。因此，為了保證100%的工作面覆蓋率，施塗了第二層或更多層，這樣使厚度達到大於0.020mm，但因為該厚度和施塗的下一層存在內應力，使其無法承受軋製條件。由於這些應力，在軋製應力的作用下，供應塗層會產生微裂紋，從而導致塗層失效，進而塗層脫離。這情況不會發生在本發明的軋製輥中。

本發明的軋製輥的優點在於，相對於鍍鉻軋製輥，其將軋製輥的使用壽命（磨損極限）提高了2倍以上，並且相對於無塗層軋製輥，其將軋製輥的使用壽命（磨損極限）提高了3倍以上，從而增加了軋製活動的次數，減少了軋製輥的總年消耗量，並且其表明了無須安排連續軋製活動即可改變寬度的可能性。

所獲得的軋製輥表現出的硬度大於1300HV，以保證優異的耐磨性，因此存在金屬板軋製輥摩擦並且滲透率小於0.1%，可承受軋製過程的0.8Tm/mm至3Tm/mm的高壓縮力。

滲透率是通過氣體滲透率測試來測量的。硬度根據ASTM-B578標準測量的。

除非另有說明，否則本說明書中使用的所有技術和科學要素均具有本發明所屬技術領域中具有通常知識者通常理解的含義。當實施本發明時，可以使用與本說明書中描述的方法和材料相似或等效的方法和材料。

在整個說明書和權利要求書中，“包括”一詞及其變體並不旨在排除其他技術特徵、添加項、組件或步驟。對於本發明所屬技術領域中具有通常知識者來說，本發明的其他目的、優點和特徵可從本發明的描述和實際應用中推導出來。

關於吾等發明人之技術手段，茲舉數種較佳實施例配合圖式於下文進行詳細說明，俾供  鈞上深入瞭解並認同本發明。

根據本發明的方法的任何變體實施例，在所有這些實施例中建立以下操作步驟：

a）對軋製輥的表面除脂；

c）對軋製輥的表面加熱；

d）通過熱噴塗方式將碳化鎢合金或其各種合金塗覆在軋製輥上，其中，碳化鎢合金粉末在燃燒室中熔化，生成的粉末粒度在30µm到5µm之間，熔融材料通過載氣輸送到噴槍，並以1kg/h至8kg/h的供給流量通過噴槍噴塗在軋製輥上。

優選地，步驟a）通過使用冷溶劑或氣相進行。

優選地，步驟c）的溫度應當類似於熱噴塗過程中軋製輥會達到的溫度，並且其將為待塗覆的軋製輥的質量的函數。尤其，對於直徑大於500mm的軋製輥，該溫度必須在40°C至50°C之間。尤其，對於直徑小於500mm的軋製輥，該溫度應為80°C至100°C。尤其，採用燃燒火焰進行加熱。

當要獲得的軋製輥具有光滑表面（0.2µm至0.4µm）時，在同一台噴塗機和/或外部機器中進行最終拋光操作。拋光是在旋轉機中使用金剛石磨料進行的，以降低噴塗產生的粗糙度並達到規定值。

這是一種使用以下參數在乾燥（無冷卻劑）條件下進行的操作：

-軋機軋製輥轉速：50rpm至100rpm

-打磨條移動速度：20cm/min至60cm/min

磨料類型：金剛石

磨料粒度：150µm至250µm

打磨條類型：光纖與銅鑲塊自然冷卻。

根據本發明的第二變型實施例，為了獲得粗糙表面，該方法包括用於通過技術噴砂處理表面的步驟b）。該步驟去除了殘留油脂。該噴砂操作將在熱態或冷態下，使用相同的噴槍和氧化鋁進行粗糙度控制。

噴砂步驟可確保80％以上的塗層附著力。ASTM-B571標準用於塗層附著力的定性測定。

更具體地，在步驟d）中，在高速空氣燃料熱噴塗中實現熱噴塗。優選地，空氣壓力在85Psi至90Psi之間的範圍內。尤其，該燃料為丙烷。優選地，丙烷壓力在87Psi至92Psi之間的範圍內；此外，尤其，丙烷壓力至少比空氣壓力高2Psi。

優選地，該載氣為氮氣。優選地，氮氣流速在20 l/min至30 l/min之間。更優選地，在23 l/min至24 l/min之間。

優選地，在存在氫氣的情況下，通過噴槍進行噴塗。優選地，氮氣流速在30 l/min至40 l/min之間。更優選地，在33 l/min至36 l/min之間。

優選地，噴槍和待塗覆的軋製輥之間的距離在19cm至26cm之間。優選地，粉末的粒度在15µm至30µm之間。優選地，供給流量在4Kg/h至8Kg/h之間。

優選地，噴槍的橫向速度在2mm/s至3mm/s之間。當施塗幾層塗層時，不能使用這些速度，因為它會導致零件過熱，從而產生熱應力。優選地，以mm/s為單位的軋製輥的線性移動的切向速度在2000mm/s至3000mm/s之間。尤其，2000mm/s用於小於500mm的直徑，2500mm/s用於200mm和500mm之間的直徑，3000mm/s用於小於200mm的直徑。

想要獲得粗糙表面（清潔為重要步驟）的第二種可選方法包括省略上述步驟b），以便在步驟d）之後添加兩個新步驟。

在步驟e）中。通過還原焰進行碳化物粉末清潔處理，從而在燃燒中引入氫氣。如果不引入氫氣，火焰會將塗層氧化並導致塗層部分氧化，從而導致以下情況：

-脫碳：降低有用碳化物相含量（%），形成另一種不需要的非常脆的W2C相，WC，從而降低了塗層的耐磨性。

-由於燃燒過程中氧氣含量較高，天然孔隙率增加。

在該步驟中，空氣壓力將優選為80Psi到84Psi之間，丙烷壓力為86Psi到89Psi之間，而氮氣、氫氣和燃燒室的壓力將設置在72Psi左右，氮氣流速為23 l/min左右和氫氣流速15 l/min左右。

在步驟f）中，在不使用火焰，僅在設定的空氣壓力下，通過使用噴槍使粗糙峰變圓。噴塗材料為硬度低於塗層的玻璃珠，以免腐蝕塗層。玻璃珠束的壓力導致粗糙峰塑性變形，從而使其變圓。粗糙度趨於減小，因此要達到目標粗糙度，有必要從高出10%的粗糙度開始。

在該步驟中，空氣壓力將優選為70Psi至80Psi之間，而燃燒室的壓力將保持在38Psi左右。

對於玻璃微球，它們將具有基於鈉鈣玻璃的成分，該成分不含游離二氧化矽且化學中性，呈球形和規則形狀，無孔，硬度為48HRc至50HRc，粒度為45µm至90µm。

該工藝可減少板帶上的髒汙物，獲得具有更多圓形峰的塗層輪廓，從而減少與金屬板的摩擦，減少板帶上的鐵粉數量。

在上述三種情況中的任何一種情況下，均獲得具有碳化鎢合金塗層的軋製輥，其中，該塗層為單層，厚度在0.003mm至0.020mm之間，覆蓋100％的工作表面。

優選地，塗層的滲透率在0%到0.1%之間。

該合金優選地選自：WC-CoCr、WC-NiCr、WC-Co、WC-Ni、WC-CrC-Ni、WC-CrC-Co、碳化鎢和硼化鉬合金（例如WC-Mo B Ni Co Cr Fe）。

優選地，該碳化鎢合金包括碳化鉻。

優選地，該碳化鎢合金包括硼化鉬。與WC合金相比，含有MoB成分的合金表現出更勝一壽的抗黏性能。

塗層具有如下所述的最終特性：

-厚度，mm  0.003mm至0.012mm

-硬度，Hv   1300Hv至1600Hv

-滲透率，% ＜0.1%

-楊氏模量，GPa ~450Gpa

-附著力，MPa   ＞80

-道次數：    1

因此，在充分描述了本發明的性質以及如何實施本發明之後，必須注意的是，在其本質上，可以根據與實施例所闡述的細節不同的其他實施例來實施本發明，所尋求的保護將同樣涵蓋這些實施例，前提是未改變、變更或修改本發明的基本原則。

綜上所述，本發明所揭露之技術手段確能有效解決習知等問題，並達致預期之目的與功效，且申請前未見諸於刊物、未曾公開使用且具長遠進步性，誠屬專利法所稱之發明無誤，爰依法提出申請，懇祈  鈞上惠予詳審並賜准發明專利，至感德馨。

惟以上所述者，僅為本發明之數種較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

〔本發明〕 無

[圖1A]示出了當前使用的鉻塗層的橫截面; [圖1B]示出了通過高速氧氣燃料噴塗技術施塗的典型碳化鎢塗層的橫截面; [圖1C]為根據本發明的高速空氣燃料噴塗技術對象而施塗的碳化鎢塗層的橫截面。

Claims (15)

1. 一種獲得具有碳化鎢合金塗層的軋製輥的方法，其特徵在於，包括以下操作階段或步驟： a）對所述軋製輥的表面除脂； c）對所述軋製輥的所述表面加熱； d）通過熱噴塗方式將碳化鎢合金塗覆在所述軋製輥上，其中，碳化鎢合金粉末在燃燒室中熔化，生成的粉末粒度在30µm到5µm之間，所述熔融材料通過載氣輸送到噴槍，並以1kg/h至8kg/h的供給流量通過所述噴槍噴塗在所述軋製輥上。 其中， •所述熱噴塗為高速燃料空氣熱噴塗， •所述熱噴塗的空氣壓力在85Psi至90Psi之間的範圍內，所述熱噴塗中使用的燃料為丙烷，丙烷壓力在87Psi至92Psi之間的範圍內， •所述丙烷壓力至少比空氣壓力高2Psi， •在存在氫氣的情況下，通過噴槍進行所述噴塗， •氫氣流速在30 l/min至40 l/min之間。
2. 如請求項1所述之獲得具有碳化鎢合金塗層的軋製輥的方法，其中，當想要通過所述軋製輥獲得光滑表面時，另外建立了使用金剛石磨料進行最終拋光的步驟。
3. 如請求項1所述之獲得具有碳化鎢合金塗層的軋製輥的方法，其中，當想要通過所述軋製輥獲得粗糙表面時，另外建立了通過噴砂處理所述表面的階段或步驟b）。
4. 如請求項1所述之獲得具有碳化鎢合金塗層的軋製輥的方法，其中，當想要通過所述軋製輥獲得粗糙表面時，另外建立了兩個操作步驟或階段：步驟e）其中，通過加熱方式進行表面清潔處理，以及步驟f）其中，通過噴塗玻璃珠使粗糙峰變圓。
5. 如請求項1所述之獲得具有碳化鎢合金塗層的軋製輥的方法，其中，在步驟d）中，所述載氣為氮氣。
6. 如請求項1或5所述之獲得具有碳化鎢合金塗層的軋製輥的方法，其中，在步驟d）中，所述氮氣流速在20 l/min至30 l/min之間。
7. 如請求項1或5所述之獲得具有碳化鎢合金塗層的軋製輥的方法，其中，在步驟d）中，所述噴槍和所述待塗覆的軋製輥之間的距離在19cm至26cm之間。
8. 如請求項1或5所述之獲得具有碳化鎢合金塗層的軋製輥的方法，其中，在步驟d）中，所述噴槍的橫向速度在2mm/s至3mm/s之間；設想所述軋製輥線性移動的切向速度為以2000mm/s（直徑小於500mm）、2500mm/s（直徑介於200mm和500mm之間）和3000mm/s（直徑小於200mm）。
9. 如請求項1所述之獲得具有碳化鎢合金塗層的軋製輥的方法，其中，在步驟d）中，所述粉末的粒度為15μm至30μm。
10. 如請求項1或5所述之獲得具有碳化鎢合金塗層的軋製輥的方法，其中，在步驟d）中，通過高速燃料空氣熱噴塗進行所述熱噴塗，其中，所述燃料通過壓力在86Psi至89Psi之間的丙烷實現，在80Psi至84Psi的壓力下施加空氣，在72Psi左右的壓力下施加氮氣和氫氣，使用23 l/min左右的氮氣流速和15 l/min左右的氫氣流速，將所述燃燒室的壓力設置為約72Psi。
11. 如請求項1或4所述之獲得具有碳化鎢合金塗層的軋製輥的方法，其中，在步驟f）中，在70Psi至80Psi之間的壓力下施加空氣，而所述燃燒室將保持在38Psi左右的壓力，尤其，玻璃微球具有基於鈉鈣玻璃的成分，該成分不含游離二氧化矽且化學中性，呈球形和規則形狀，無孔，硬度為48HRc至50HRc，粒度為45µm至90µm。
12. 一種使用如請求項1所述之方法獲得的軋機輥，其中，其在具有碳化鎢合金塗層的軋機輥中實現，其中，所述塗層為單層，厚度在0.003mm和0.020mm之間，並且覆蓋100%的工作表面。
13. 如請求項12所述之軋機輥，其中，所述碳化鎢合金包括硼化鉬。
14. 如請求項12所述之軋機輥，其中，所述碳化鎢合金包括碳化鉻。
15. 如請求項12至14項中任一項所述之軋機輥，其中，所述塗層的滲透率在0%到0.1%之間。

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