CN103255412B - 一种用于轧辊工作面的激光熔覆高硬度材料的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于轧辊工作面的激光熔覆高硬度材料的工艺方法，该方法应用激光熔覆技术，将高硬度合金粉末材料多层熔覆于轧辊工作面，在其表面形成高硬度耐磨合金焊层。本发明能从根本上保证激光熔覆的工艺稳定性、焊层组织、成分的均匀性和一致性，避免裂纹、气孔及夹杂等熔覆质量缺陷的产生，减少基体热影响区，降低稀释率，最终获得牢固冶金结合的晶粒细化致密的高硬度、高耐磨、能承受较大冲击载荷的合金焊层，焊层硬度大于HRC 55。轧辊经激光熔覆修复后上机轧制使用，过钢量提高2.2倍以上，辊耗降低30～40％，经济效益十分显著。

Description

一种用于轧辊工作面的激光熔覆高硬度材料的工艺方法

技术领域

本发明属于材料表面工程技术领域，具体涉及一种激光熔覆工艺技术，特别是涉及一种用于轧辊工作面的激光熔覆高硬度材料的工艺方法，该方法用于对轧辊工作面进行大面积的多层熔覆。

背景技术

轧辊是使(轧材)金属产生塑性变形的工具，作为轧机的关键备品备件，在轧钢过程中消耗量巨大，是决定轧机效率和轧材质量和产量的重要消耗部件。轧辊工作时承受各种动静载荷及周期应力，致使轧辊工作表面损伤十分严重乃至报废，从而使得轧钢企业的生产成本急剧上升。

近几年来，中国钢铁工业以每年递增20％～30％的速度迅猛发展，2010年我国年产钢材已近6.3亿吨，占全球钢产量的44.3％。随着产钢量的增加，轧辊消耗量迅速增加。粗略计算，如果按吨钢消耗轧辊1kg估算，仅2010年的轧辊消耗就约在60万吨左右，消耗轧辊的价值则在180亿元以上。因此，对于报废旧轧辊的修复再用以及对新轧辊的强化、改性，进而提高轧辊的使用周期及寿命意义重大，已成为我国轧钢企业降低成本、提高效益的重要举措，也是符合我国节能降耗、清洁生产、循环经济的基本国策。目前，对于轧辊的大面积修复还仅局限于较传统的堆焊修复技术上，如气体保护焊、电渣焊、埋弧焊、等离子弧焊等，而这些传统修复方法存在高能耗、自动化生产可控性差、焊层晶粒组织粗大、合金成分分布不均匀、基体稀释率及热影响区过大等系列问题。如中国专利CN03116017.4，“大型轧辊硬面堆焊修复方法”，其中存在保温时间过长，生产效率低的问题；中国专利CN201110126771.1，“激光快速成型修复复合轧辊方法”中，采用的轧辊修复工艺方法存在粉末熔结效率过低、生产周期长、合金焊层薄、设备投入大等问题。为此，有必要开发出一种全新的轧辊修复处理技术，以解决当前轧辊修复所存在的诸多难题。

发明内容

针对传统轧辊堆焊修复工艺存在的能耗高、焊层晶粒组织粗大、成分均匀性差、硬度偏低、焊层易开裂、脱落等问题，本发明提供一种用于轧辊工作面的激光熔覆高硬度材料的工艺方法，采用该工艺方法将高硬度、红硬性好的合金粉末材料大面积、多层熔覆于轧辊工作面，所修复、制备的轧辊，其焊层组织细化致密，无裂纹、夹杂等质量缺欠，是轧钢企业修复再造轧辊、降低生产成本的一种重要技术手段。

本发明的技术方案如下：

一种用于轧辊工作面的激光熔覆高硬度材料的工艺方法，该方法应用激光熔覆技术，将高硬度合金粉末材料多层熔覆于轧辊工作面表面，形成高硬度耐磨合金焊层；具体包括如下步骤：

1)轧辊前期处理：将轧辊表面存在的锈蚀、砂眼、裂纹及疲劳层等缺欠车削去除，以保证激光熔覆时对轧辊基体质量的要求；

2)轧辊预热处理：将经步骤1)处理后的轧辊进行预热处理，其中：预热温度480～620℃，加热速度100～200℃/小时并保温1～2小时；

3)激光熔覆加工：将预热处理后的轧辊进行激光熔覆加工，激光熔覆工艺参数为：激光功率6.0～10.0KW、扫描速度600～1000mm/min、光斑尺寸15×1.5mm、搭接率40～50％、单道熔覆厚度1.5～3.5mm，熔覆宽度15mm；在激光熔覆过程中，保持轧辊基体温度为400～600℃；

4)保温缓冷处理：在激光熔覆加工结束后，将轧辊温度控制在380±20℃并保温4～5小时，然后自然冷却至室温；

5)检验及机械加工：对保温缓冷处理后的轧辊进行外观质量、熔覆尺寸、表面硬度及无损探伤检测，然后根据轧辊使用要求，进行机械加工、复型。

所述轧辊其材质为铸钢、锻钢等。

所述高硬度合金粉末材料为铁基合金粉末，粉末粒度80～400目。

所述铁其合金粉末购于瑞典哈格纳斯公司，合金牌号为M2。

经上述方法所形成的合金焊层总厚度为5～35mm、硬度大于HRC 55。

本发明有以下有益效果：

1、本发明基于优化的激光熔覆工艺参数、特定的熔覆粉末材料及预热保温缓冷热处理条件，实现了高硬度材料的大面积、多层的熔覆加工，熔覆层厚度5～35mm，合金焊层硬度大于HRC55，红硬性好，耐磨性能优良。

2、本发明获得高质量无缺欠的焊层组织，辊体表面无裂纹、夹杂和气孔等熔覆缺欠，焊层组织致密细化，母材稀释率低，焊层合金成分及性能稳定可靠，所修复的轧辊上机使用后，过钢量优于原材质轧辊，经济效益十分显著。

3、本发明工艺方法生产效率高，能源消耗较传统堆焊方法少，符合国家建设节约型社会、可持续发展的政策需要。

4、本发明工艺可控性好，劳动强度低，易于实现自动化生产。

5、本发明可对报废、损伤轧辊进行修复再用或制造具有特殊功能涂层的新辊，从而为轧钢企业降低轧辊消耗成本，减少吨钢成本，增加企业经济效益。

附图说明

图1为本发明轧辊激光熔覆加工示意图。

图2为本发明轧辊激光熔覆加工局部放大示意图。

图3为本发明实施例1的金相显微组织照片。

图4为本发明实施例2的金相显微组织照片。

图中：1光纤激光器；2机器人滑轨；3机器人；4操作光纤；5轧辊；6滚轮架；7机床工作台；8熔覆加工头；9重力送粉***；10合金焊层；11送粉喷嘴；12激光熔池。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本发明。

各实施例中对轧辊进行修复的工艺流程及具体步骤如下：

1)轧辊前期处理：将轧辊表面存在的锈蚀、砂眼、裂纹及疲劳层等缺欠车削去除，以保证激光熔覆时对轧辊基体质量的要求；

2)轧辊预热处理：将经步骤1)处理后的轧辊进行预热处理，其中：预热温度480～620℃，加热速度100～200℃/小时并保温1～2小时；

3)激光熔覆加工：将预热处理后的轧辊进行激光熔覆加工，激光熔覆工艺参数为：激光功率6.0～10.0KW、扫描速度600～1000mm/min、光斑尺寸15×1.5mm、搭接率40～50％、单道熔覆厚度1.5～3.5mm，熔覆宽度15mm；在激光熔覆过程中，保持轧辊基体温度为400～600℃；

4)保温缓冷处理：在激光熔覆加工结束后，将轧辊温度控制在380±20℃并保温4～5小时，然后自然冷却至室温；

5)检验及机械加工：对保温缓冷处理后的轧辊进行外观质量、熔覆尺寸、表面硬度及无损探伤检测，然后根据轧辊使用要求，进行机械加工、复型。

实施例中激光熔覆所用铁基合金粉末购于瑞典哈格纳斯公司，其合金牌号为M2。该合金粉末粒度140～325目，合金粉末主要成分如下：C 0.90％，Si 0.30％，Mn 0.25％，Cr4.5％，W6.2％，Mo 5.1％，V 1.80％，Fe余量。

如图1-2所示，滚轮架6固定在机床工作台7上，轧辊5置于滚轮架6上，在机床主轴的旋转带动下，轧辊5做旋转运动。与此同时，对轧辊5进行预热处理，在辊体温度达到设定的温度并经一定时间保温后再进行激光熔覆加工。加工时，保证辊体温度在400～600℃范围内，轧辊按设定程序做匀速旋转运动。同时，固定在机器人滑轨2上的机器人3在滑轨的滑动带动下也按照程序设定的速度沿轧辊5轴向匀速移动，重力送粉***9将熔覆粉末通过送粉喷嘴11输送至轧辊5表面，光纤激光器1产生的激光经过操作光纤4传输至熔覆加工头8并经扩束聚焦后到达轧辊5表面，从而将预置的粉末和基体材料熔化形成激光熔池12，在随后的轧辊5快速转动过程中，激光熔池12快速凝固不断形成合金焊层10。在整个轧辊5工作面熔覆完成后，对轧辊5进行保温缓冷处理。

实施例1：

材质为165CrNiMo的某铸钢辊工作面严重损伤，该辊规格为 采用本发明工艺方法对该辊进行激光熔覆修复处理，修复后各项指标均满足轧辊上机使用标准。加工过程中：

1)激光熔覆工艺参数为：激光功率10KW，扫描速度1000mm/min，光斑尺寸15×1.5mm，搭接率50％，单道熔覆厚度3.5mm、熔覆宽度15mm，总熔覆厚度为35mm，熔覆材料为铁基合金粉末。

2)热处理工艺方法为：轧辊预热温度580±20℃，加热速度120℃/小时，保温时间2小时；熔覆过程中加热保温温度500±20℃；加工结束即刻进行380±20℃、5小时的保温，然后自然冷却至室温。

本实施例中，激光熔覆后焊层硬度大于HRC55。如图3所示，铁基合金焊层晶粒组织高度细化致密，焊层组织主要由大量的针状马氏体、碳化物及少量残留奥氏体等相组成，碳化物硬度很高，大量均匀弥散分布于焊层组织中，在马氏体及碳化物的均匀弥散强化共同作用下，使得合金焊层硬度极高，具有优良的耐磨性能、抗冲击载荷性能及红硬性，能够很好地满足轧辊的使用工况要求。处理后的轧辊在轧钢企业上机使用后，过钢量提高2.5倍，辊耗降低30％，经济效益十分显著。

实施例2：

与实施例1不同之处在于：

某轧辊材质为70Mn2，规格为采用本发明工艺方法对该辊工作面进行激光熔覆修复，加工过程中：

1)激光熔覆工艺参数为：激光功率6KW，扫描速度600mm/min，光斑尺寸15×1.5mm，搭接率40％，单道熔覆厚度2.5mm、熔覆宽度15mm，总熔覆厚度为25mm。

2)热处理工艺方法为：轧辊预热温度520±20℃，加热速度150℃/小时，保温时间1小时；熔覆过程中加热保温温度450±20℃；加工结束即刻进行380±20℃、4小时的保温，然后自然冷却至室温。

本实施例中，轧辊经激光熔覆修复后，获得了良好的合金焊层，焊层硬度达到HRC61～64，焊层经机械加工后无损探伤检测良好，无熔覆裂纹、夹杂等质量缺欠，满足该辊上机使用要求。

如图4所示，从该实施例的金相显微组织照片可以看出，合金焊层晶粒组织高度细化、致密，大量的碳化物均匀弥散分布于焊层组织中，显微硬度均值达到HV788，硬度极高，具有良好的耐磨性。本实施例修复后的轧辊经上机使用后，过钢量提高2.2倍，辊耗降低40％，经济效益明显。

上述实施例表明，采用本发明的工艺方法，不仅可以提高轧钢企业被修复轧辊的焊层质量和使用寿命，而且也是轧辊制造企业提升新辊产品性能的一种重要技术手段，采用本发明所述的工艺方法修复、制备轧辊，较传统堆焊工艺方法更能获得高质量的大面积、大厚度的合金焊层，焊层晶粒组织高度细化致密，无熔覆裂纹、夹杂等质量缺欠，硬度大于HRC55。修复后的轧辊在轧钢企业上机使用后，过钢量可提高2.2倍以上，辊耗降低30-40％，经济效益明显。另外，本发明属于节能降耗环保的新型轧辊修复、制造处理技术，符合现代企业生产和国家经济政策需要，具有重要的社会意义。

Claims (8)

1.一种用于轧辊工作面的激光熔覆高硬度材料的工艺方法，其特征在于：该方法应用激光熔覆技术，将高硬度合金粉末材料多层熔覆于轧辊工作面，在其表面形成高硬度耐磨合金焊层；具体包括如下步骤：

1)轧辊前期处理；

2)轧辊预热处理：将经步骤1)处理后的轧辊进行预热处理，其中：预热温度480～620℃，加热速度100～200℃/小时，保温时间1～2小时；

3)激光熔覆加工：将预热处理后的轧辊进行激光熔覆加工，激光熔覆工艺参数为：激光功率6.0～10.0kW、扫描速度600～1000mm/min、光斑尺寸15×1.5mm、搭接率40～50％、单道熔覆厚度1.5～3.5mm，熔覆宽度15mm；

4)保温缓冷处理：在激光熔覆加工结束后，将轧辊温度控制在380±20℃并保温4～5小时，然后自然冷却至室温；

5)检验及机械加工。

2.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述轧辊其材质为铸钢或锻钢。

3.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述高硬度合金粉末材料为铁基合金粉末，粉末粒度80～400目。

4.根据权利要求3所述的工艺方法，其特征在于：所述铁基合金粉末购于瑞典哈格纳斯公司，合金牌号为M2。

5.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：在步骤3)激光熔覆加工过程中，保持轧辊基体温度为400～600℃。

6.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：轧辊前期处理是将轧辊表面存在的锈蚀、砂眼、裂纹及疲劳层车削去除。

7.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：检验及机械加工是对保温缓冷处理后的轧辊进行外观质量、熔覆尺寸、表面硬度及无损探伤检测，然后根据轧辊使用要求，进行机械加工、复型。

8.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述合金焊层总厚度为5～35mm、硬度大于HRC 55。