一种耐磨高速钢复合轧辊制备方法转让专利

申请号 : CN202210797203.2

文献号 : CN115142061B

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发明人 : 符寒光马鸿量刘显武李辉王如志林健袁乃博

申请人 : 北京工业大学

摘要 :

一种耐磨高速钢复合轧辊制备方法,属于金属表面处理领域。采用车床加工去除轧辊辊身表面的氧化和疲劳层并清洗干净,利用压片预置式激光熔覆技术在报废轧辊的表面制备具有高耐磨性、高硬度的耐磨高速钢涂层,从而使报废轧辊实现修复再利用。所获得的熔覆层组织致密,无气孔和裂纹等缺陷,与基体形成了良好的冶金结合。涂层的硬度达到了1000HV以上,较基体提高了300HV以上,耐磨性提高3倍以上,轧辊的表面性能明显提高,延长了其使用寿命。具有显著的经济和社会效益,符合我国推崇的绿色环保发展理念。

权利要求 :

1.一种耐磨高速钢复合轧辊制备方法,其特征在于复合轧辊辊身工作层是采用激光熔覆方法制备的耐磨高速钢涂层,利用压片预置式激光熔覆技术在报废轧辊的辊身表面制备具有高耐磨性、高硬度的耐磨高速钢涂层,从而使报废轧辊实现修复再利用,其特征在于,该方法是按照以下步骤进行的:(1)基体预处理

对使用报废的合金钢轧辊辊身,采用车床加工去除辊身表面的氧化和疲劳层,并用丙酮清洗,得到洁净的表面;

(2)激光熔覆

将熔覆用耐磨高速钢预置片超声清洗5‑8分钟,并用胶水将其固定在步骤(1)加工好的轧辊辊身钢基体表面;采用压片预置式激光熔覆方式,在辊身钢基体表面制备耐磨高速钢涂层;

耐磨高速钢预置片的化学组成及质量分数为:3.03‑3.27%C,4.28‑4.55%B,1.20‑

1.69%V,5.36‑5.74%Cr,2.76‑2.91%Mo,1.16‑1.33%Ca,12.04‑12.45%W,0.47‑0.82%Mn,4.47‑4.70%Si,<0.04%P,<0.03%S,Fe余量;

报废的合金钢轧辊的化学组成及质量分数为:0.41‑0.49%C,2.07‑2.36%Cr,0.24‑

0.38%Si,0.66‑0.81%Mn,0.53‑0.69%Ni,1.15‑1.30%Mo,0.04‑0.09%Nb,0.03‑0.09%V,<0.025%S,<0.030%P,余量Fe。

2.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,激光熔覆工艺参数主要包括:激光功率、扫描速度、预置片厚度;激光熔覆工艺参数为:激光功率5000‑5500W,扫描速度2‑4mm/s,高速2

钢预置片厚度4.0‑4.5mm,光斑尺寸为5×5mm,保护气体氩气流量12.5‑15.0L/min。

3.按照权利要求1或2所述的方法制备得到的耐磨高速钢复合轧辊。

说明书 :

一种耐磨高速钢复合轧辊制备方法

技术领域

[0001] 本发明为复合轧辊制备方法,特别涉及一种利用压片预置式激光熔覆技术制备耐磨高速钢复合轧辊方法,属于金属表面处理技术领域。

背景技术

[0002] 轧辊在轧钢生产过程中是直接实现轧制变形的工具,其质量、性能和使用寿命对生产效率、生产成本和产品质量都有很大的影响。轧辊在使用过程中会承受轧制循环应力、高温状态下的摩擦与冲击,会以磨损、裂纹和剥落的形式发生失效。失效的轧辊进行报废处理会产生大量钢材的浪费。若通过表面修复的方法,在失效的轧辊表面制备出一层高硬度高耐磨性的涂层,就可以达到失效报废轧辊重新投入使用的目的,有望延长轧辊的使用寿命,并且由于制备的涂层具有高硬度和高耐磨性,还能大幅提高轧辊的表面性能。
[0003] 激光熔覆技术利用高能量密度的激光光束将具有所需性能的熔覆材料与基体表面一起熔化后迅速凝固,形成与基材表面冶金结合的熔覆层,以改善基体表面耐磨、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等性能。与其他表面修复技术相比较,激光熔覆技术有以下几个优势:激光束能量密度高,加热速度快,使基体热影响区小,工件变形小;冷却速度快,熔覆层组织均匀致密,晶粒细小;稀释率低,结合强度高;可用材料范围广,自动化程度高,操作过程可控度高,且加工精度较高;激光熔覆对环境的污染与辐射都很小。激光熔覆在航空航天、电子、金属快速成型和模具修复等领域都有广泛的应用。近年来提出了压片预置式激光熔覆,即将熔覆粉末在压力设备中压制为致密预置薄片用于后续激光熔覆的方法。压片预置式激光熔覆相比于其他激光熔覆方法有显著优势:工艺设备简单,无需送粉器;粉末致密度更高,涂层孔隙率低,不易产生气泡;粉末利用率高,超过90%;稀释率低,涂层性能更加优越。
[0004] 高碳高钒高速钢具有高硬度碳化物、高耐磨性、高热稳定性、高淬透性、优良的强韧性以及良好的氧化膜形成能力等优势,已经被应用于生产新一代复合轧辊,也是未来耐磨材料发展的重要方向之一。目前高碳高钒高速钢已广泛应用于复合轧辊的生产。中国发明专利CN102615108A公开了一种离心铸造高速钢复合轧辊及其制造方法,复合轧辊由外层高速钢、中间层石墨钢和芯部高强度球铁通过离心复合而成。该发明是在现有高碳高钒高速钢轧辊基础上,适当降低钒含量,同时加入铌元素,且Nb/V控制在0.3‑0.5,使Nb与V形成复合碳化物(V,Nb)C,从而避免了在离心力作用下形成偏析。高速钢复合轧辊的辊芯采用高强度球墨铸铁,为防止浇注球铁时与外层高速钢熔合混入Cr,B等引起脆化的元素,在外层和辊芯之间浇注多元石墨钢中间层。为防止轧辊离心铸造过程中出现裂纹,对辊面高速钢材料和中间层石墨钢进行细化组织的微合金化处理,达到提高轧辊材料抗热裂能力的目的。中国发明专利CN101037760A还公开了一种高碳高钒高速钢复合轧辊,制得的该高碳高钒高速钢轧辊外层的化学成分及其重量百分比为:C:1.8%~3.0%,V:3.0%~6.0%,Cr:4.0%~6.0%,Mo:3.0%~6.0%,W:1.0%~3.0%,Nb:1.0%~5.0%,Co:1.0%~5.0%,Si<1.0%,Mn<1.5%,P<0.04%,S<0.04%,Y:0.05%~0.20%,Ti:08%~0.25%,Mg:
0.03%~0.12%,Zr:0.04%~0.18%,Te:0.02%~0.12%,余量为Fe,化学成分的总和为
100%。其制备利用电炉熔炼,采用离心铸造方法铸造成形,热处理包括淬火和回火处理。高速钢轧辊的硬度和强度高、韧性和耐磨性好,且具有良好的抗热疲劳能力,使用中无断辊和剥落现象出现。中国发明专利CN113667898A还公开了一种高钒高速钢复合轧辊及其制造方法,包括:轧辊工作层和轧辊芯部辊轴,其中,所述轧辊工作层采用高钒高速钢材质,并且高钒高速钢的化学成分重量百分数为:C1.5‑2.2%、Si0.8‑1.6%、Mn0.5‑1.0%、Cr4.0‑
7.0%、Mo3.0‑6.0%、V8.0‑12.0%、P≤0.035%、S≤0.030%以及余量为Fe。该发明提供的高钒高速钢复合轧辊及其制造方法,将高钒高速钢复合轧辊铸造生产成为现实。由于V元素及其碳化物的增加,提高了轧辊耐磨性,延长了轧辊使用寿命。中国发明专利CN105033227A还公开了一种适用于窄带钢轧机用的高钒高速钢复合轧辊的制造方法。所述制造方法包括采用离心浇注方法浇注辊身外层,浇注完辊身外层高钒高速钢水后,往辊身外层型腔内持续通入惰性气体,当高钒高速钢外层温度达到1220~1280℃时停止离心机转动,同时停止惰性气体吹入,然后合箱浇注辊身芯部铁水。该发明明显提高了外层高钒高速钢与芯部铁水的结合率,结合率由40%提高至100%,结合强度由以前的350MPa左右提升至450MPa左右,使得高钒高速钢轧辊辊身结合层抗剥落性大大提高;同时能够有效去除芯部铁水溶蚀外层的碳化物形成元素量,从而改善了辊颈组织,提高了辊颈的抗拉强度,有效杜绝了使用中的断辊现象。中国发明专利CN1631565A还公开了高钒高速钢复合轧辊及生产工艺,轧辊分为辊芯和轧辊耐磨层,辊芯采用韧性较好的低合金钢或中碳钢材料制作,轧辊耐磨层采用高钒高速钢材料,该高钒高速钢的主要元素含量为:C:1.8-3.5%、V:7-12%、Cr:4-
5%、Mo:2-4%、Ni:0.5-1.5%,余量为铁。其生产工艺为:辊芯与轧辊耐磨层通过感应加热顺序凝固结晶方法复合熔铸为一体。该发明轧辊耐磨性好,性价比高,使用安全可靠。轧辊组织致密、均匀,无偏析,两种材料为良好的冶金结合,结合强度高,使用过程中不会发生断裂、碎裂现象,可减少易损件失效而造成的停机次数。有效提高了轧辊的韧性和耐磨性,解决离心铸造法易发生成分偏析的问题。中国发明专利CN102319897A还公开了一种喷射成形高钒高速钢复合轧辊的制造方法。高钒高速钢化学组成成分(质量分数,%)是:1.7‑
1.8C,1.2‑1.6Si,5.0‑6.0Cr;1.2‑1.4Mo;0.5‑0.6Mn;8.0‑10.0V,余量为Fe;所述轧辊辊芯是球墨铸铁。该发明还公开了上述辐射轧辊的制备方法:将辊芯用感应线圈预热到一定温度,同时将外层高速钢在真空感应炉中熔炼,采用喷射成形的方法,将高速钢金属液流用氮气雾化并沉积在旋转的辊芯上复合成形。该复合轧辊外层组织均匀,消除粗大共晶碳化物及组织偏析,在辊芯与喷射层之间形成良好的冶金结合,辊面硬度高,耐磨性好,疲劳性能提高,使用寿命更长,随着设备的成熟,喷射成形复合轧辊具有更高更好的经济效益。但是,上述方法制造高碳高钒高速钢轧辊工艺复杂,效率低。因此,选用高碳高钒高速钢作为熔覆材料对损坏的轧辊辊身表面进行激光熔覆再制造,有望延长轧辊使用寿命。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是:针对目前报废轧辊的修复问题,提出一种利用压片预置式激光熔覆技术制备耐磨高速钢涂层的轧辊制造方法,解决报废轧辊的修复再利用及表面磨损问题,实现耐磨高速钢复合轧辊的成功制备。
[0006] 一种耐磨高速钢复合轧辊制备方法,利用压片预置式激光熔覆技术制备高速钢耐磨涂层,该方法是按照以下步骤进行的:
[0007] (1)基体预处理
[0008] 对使用报废的合金钢轧辊辊身,采用车床加工去除辊身表面的氧化和疲劳层,并用丙酮清洗,得到洁净的表面;
[0009] (2)激光熔覆
[0010] 将熔覆用耐磨高速钢预置片超声清洗5‑8分钟,并用胶水将其固定在加工好的轧辊辊身钢基体表面;采用压片预置式激光熔覆方式,在辊身钢基体表面制备耐磨高速钢涂层。
[0011] 作为对本发明的限定,本发明熔覆所用的耐磨高速钢预置片的化学组成及质量分数为:3.03‑3.27%C,4.28‑4.55%B,1.20‑1.69%V,5.36‑5.74%Cr,2.76‑2.91%Mo,1.16‑1.33%Ca,12.04‑12.45%W,0.47‑0.82%Mn,4.47‑4.70%Si,<0.04%P,<0.03%S,Fe余量。
本发明报废的合金钢轧辊的化学组成及质量分数为:0.41‑0.49%C,2.07‑2.36%Cr,0.24‑
0.38%Si,0.66‑0.81%Mn,0.53‑0.69%Ni,1.15‑1.30%Mo,0.04‑0.09%Nb,0.03‑0.09%V%,<0.025%S,<0.030%P,余量Fe。
[0012] 通过压片预置式激光熔覆获得的熔覆层组织致密,无气孔裂纹等宏观缺陷,熔覆层与基体呈现良好的冶金结合。激光工艺参数会影响熔覆层的宏观形貌、熔覆层质量、显微组织与相组成、以及力学性能。为了能够获得无缺陷、成形性好、组织致密且力学性能优良的熔覆层,需要选择合适的激光熔覆工艺参数。激光熔覆工艺参数主要包括:激光功率、扫描速度、预置片厚度等。本发明激光熔覆工艺参数为:激光功率5000‑5500W,扫描速度2‑2
4mm/s,高速钢预置片厚度4.0‑4.5mm,光斑尺寸为5×5mm ,保护气体氩气流量12.5‑15.0L/min。
[0013] 熔覆层质量评价包括宏观和微观两个方面。宏观质量为熔覆层的整体形貌特征,表现为熔覆层表面平整性、裂纹情况及横截面尺寸特征等,微观质量则表现为熔覆层稀释特征、微观组织形貌及相组成等。因此将熔覆层形貌特征和熔覆层稀释特性作为工艺参数的主要参考指标。从熔覆层稀释率角度来看,在保证涂层与基体达到较为良好的冶金结合且基本没有宏观缺陷的前提下,低稀释率更有利于保证涂层优异的力学性能。稀释率过大会导致涂层中基体材料的含量较高,破坏了合金涂层的固有特性,从而降低了涂层的力学性能。
[0014] 压片预置激光熔覆的热量传递的特点是预置片将先在高能量密度激光束照射下熔化形成熔池,在熔化的过程中热量通过预置片以热传导的方式向基体传递,最终基体材料吸收足够热量达到半熔化,以此形成良好的冶金结合。通过检测,熔覆层中生成了高硬度碳硼化合物。
[0015] 采用上述方案后,本发明取得的有益效果是:通过压片预置式激光熔覆获得的熔覆层成形性好,压片预置是采用预置片粘合包覆在辊身钢基体表面,与钢基体实现了良好的冶金结合,熔覆层组织致密,未发现气孔和裂纹等缺陷。熔覆层硬度达到了1000HV以上,比报废的合金钢轧辊辊身硬度高出300HV以上,熔覆层的耐磨性比合金钢轧辊提高3倍以上。

附图说明

[0016] 图1复合轧辊示意图;
[0017] 1‑轧辊本体,2‑轧辊辊身(与辊体同材料,采用表面感应淬火获得),3‑辊身工作层(激光熔覆耐磨高速钢涂层);
[0018] 图2实施例1的熔覆层显微组织图。

具体实施方式

[0019] 本发明将就以下实施例作进一步说明,但本发明并不限于以下实施。
[0020] 实施例1
[0021] (1)轧辊辊身2预处理
[0022] 对使用报废的合金钢轧辊辊身2,采用车床加工去除辊身2表面的氧化和疲劳层,并用丙酮清洗,得到洁净的表面。报废的合金钢轧辊1的化学组成及质量分数为:0.41%C,2.36%Cr,0.24%Si,0.81%Mn,0.53%Ni,1.30%Mo,0.04%Nb,0.09%V,0.021%S,
0.029%P,余量Fe。
[0023] (2)激光熔覆
[0024] 将熔覆用耐磨高速钢预置片超声清洗5分钟,并用胶水将其固定在加工好的轧辊辊身2钢基体表面;采用压片预置式激光熔覆方式,在辊身2钢基体表面制备耐磨高速钢涂层3。耐磨高速钢预置片的化学组成及质量分数为:3.03%C,4.55%B,1.20%V,5.74%Cr,2.76%Mo,1.33%Ca,12.04%W,0.82%Mn,4.47%Si,0.028%P,0.016%S,Fe余量。所用的激光熔覆工艺参数为:激光功率5000W,扫描速度2mm/s,高速钢预置片厚度4.0mm,光斑尺寸
2
为5×5mm,保护气体氩气流量12.5L/min。
[0025] 在该工艺参数下使报废的合金钢轧辊辊身2表面制备出耐磨高速钢熔覆涂层3。涂层3的显微硬度为1058HV,涂层熔高4.3mm,熔深1.26mm,稀释率33.48%。
[0026] 实施例2
[0027] (1)轧辊辊身2预处理
[0028] 对使用报废的合金钢轧辊辊身2,采用车床加工去除辊身2表面的氧化和疲劳层,并用丙酮清洗,得到洁净的表面。报废的合金钢轧辊1的化学组成及质量分数为:0.49%C,2.07%Cr,0.38%Si,0.66%Mn,0.69%Ni,1.15%Mo,0.09%Nb,0.03%V,0.008%S,
0.016%P,余量Fe。
[0029] (2)激光熔覆
[0030] 将熔覆用耐磨高速钢预置片超声清洗8分钟,并用胶水将其固定在加工好的轧辊辊身2钢基体表面;采用压片预置式激光熔覆方式,在辊身2钢基体表面制备耐磨高速钢涂层3。耐磨高速钢预置片的化学组成及质量分数为:3.27%C,4.28%B,1.69%V,5.36%Cr,2.91%Mo,1.16%Ca,12.45%W,0.47%Mn,4.70%Si,0.033%P,0.020%S,Fe余量。所用的激光熔覆工艺参数为:激光功率5500W,扫描速度4mm/s,高速钢预置片厚度4.5mm,光斑尺寸
2
为5×5mm,保护气体氩气流量15.0L/min。
[0031] 在该工艺参数下使报废的合金钢轧辊辊身2表面制备出耐磨高速钢熔覆涂层3。涂层3的显微硬度为1043HV,涂层熔高4.95mm,,熔深2.23mm,稀释率35.43%。
[0032] 实施例3
[0033] (1)轧辊辊身2预处理
[0034] 对使用报废的合金钢轧辊辊身2,采用车床加工去除辊身2表面的氧化和疲劳层,并用丙酮清洗,得到洁净的表面。报废的合金钢轧辊1的化学组成及质量分数为:0.46%C,2.19%Cr,0.27%Si,0.77%Mn,0.58%Ni,1.26%Mo,0.07%Nb,0.05%V,0.021%S,
0.026%P,余量Fe。
[0035] (2)激光熔覆
[0036] 将熔覆用耐磨高速钢预置片超声清洗6分钟,并用胶水将其固定在加工好的轧辊辊身2钢基体表面;采用压片预置式激光熔覆方式,在辊身2钢基体表面制备耐磨高速钢涂层3。耐磨高速钢预置片的化学组成及质量分数为:3.08%C,4.45%B,1.57%V,5.60%Cr,2.84%Mo,1.28%Ca,12.31%W,0.70%Mn,4.59%Si,0.036%P,0.013%S,Fe余量。所用的激光熔覆工艺参数为:激光功率5200W,扫描速度3mm/s,高速钢预置片厚度4.2mm,光斑尺寸
2
为5×5mm,保护气体氩气流量14.0L/min。
[0037] 在该工艺参数下使报废的合金钢轧辊辊身2表面制备出耐磨高速钢熔覆涂层3。涂层3的显微硬度为1067HV,涂层熔高4.80mm,熔深1.32mm,稀释率31.08%。
[0038] 本发明熔覆涂层硬度达到了1000HV以上,所获得的熔覆涂层组织致密,无气孔和裂纹等缺陷,与基体形成了良好的冶金结合。涂层的硬度比报废的合金钢轧辊辊身硬度高出300HV以上,熔覆涂层的耐磨性比合金钢轧辊提高3倍以上。应用该发明制备的轧辊,可降低轧辊消耗,提高轧钢机作业率,延长换辊周期,改善轧材表面质量,推广应用具有良好的经济和社会效益。轧辊芯部采用废旧轧辊再制造短流程工艺技术,所制造的耐磨高速钢复合轧辊生产成本大大降低,降低了能耗,减少了对大气环境的污染。