CN103805934A - 一种电火花沉积结合等离子熔覆增强金属轧辊表面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用电火花沉积结合等离子熔覆增强金属轧辊表面的方法，对金属轧辊进行电火花沉积结合等离子熔覆处理，可有效解决轧辊的表面的硬度、耐磨性和耐冲击性等性能，延长金属轧辊的使用寿命的问题，方法是，用非氧化性的等离子束流在把合金粉末熔覆在轧辊表面上，形成熔融合金涂层，然后再在等离子熔覆涂层的基础上用电火花沉积WC陶瓷硬质合金，来形成电火花沉积结合等离子熔覆的复合涂层，本发明简单实用，电火花沉积结合等离子熔覆复合涂层与基体结合牢固，涂层厚度大，使轧辊表面硬度高、致密性好、耐热性和耐磨性能好，使用寿命长；复合涂层即发挥了铁镍合金粉末价格低廉、涂层厚度大、抗磨抗蚀性能好，硬度强度高、耐磨耐热性能优异。

Description

一种电火花沉积结合等离子熔覆增强金属轧辊表面的方法

技术领域

本发明涉及金属轧辊，特别是一种用电火花沉积结合等离子熔覆增强金属轧辊表面的方法。

背景技术

在冶金钢铁行业，随着我国已成为世界上最大的制造业国家，而轧钢又是钢铁生产中的一个重要领域，轧辊是钢铁厂轧制钢板(钢带)或钢筋的重要工具，也是轧制生产中的主要消耗备件之一。轧辊的工作条件一般十分恶劣，它要承受十分复杂的交变载荷与冲击，以及急冷急热的工作条件，除要求它具有足够的强韧性外，还要求它具有较高的耐磨性、耐热性以及抗冲击性能。因此，提高轧辊表面的硬度，可以减少轧辊使用的磨损量，采用轧辊表面修复与强化技术来提高轧辊表面硬度，已成为延长轧辊寿命的一个主要发展方向和途径，这方面的研究应用已经取得了一些进展。

金属轧辊一般由球墨铸铁、高铬镍铸铁、优质碳素结构钢、合金结构钢经铸造或锻造而成，加工成型后直接安装使用或再经表面硬化处理后安装使用，用于轧辊表面强化的方法主要有激光表面淬火、表面中频淬火、电阻炉整体加热淬火、差温淬火、表面堆焊耐磨材料、表面热喷涂 (包括火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂和超音速喷涂) 耐磨耐热材料、激光熔覆合金层等。激光表面淬火硬化层且设备投资大、维护费用高；表面中频淬火、电阻炉整体加热淬火、差温淬火方法适用于碳素结构钢及合金结构钢，但淬火硬化层耐热性差，不能用于热轧；表面堆焊耐磨材料成本高，而且也存在表面加工困难的问题；表面热喷涂前处理一般采用喷砂，有环境污染，涂层加工困难，涂层与基体结合差，涂层易疲劳剥落；激光熔覆合金层所需要的大型激光器造价昂贵，激光熔覆束搭接处缺陷多，熔覆层后加工也较困难。因此，如何对金属轧辊表面进行处理，增强其耐磨性，防止脱落，延长使用寿命，是亟待解决的技术问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种用电火花沉积结合等离子熔覆增强金属轧辊表面的方法，对金属轧辊进行电火花沉积结合等离子熔覆处理，可有效解决轧辊的表面的硬度、耐磨性和耐冲击性等性能，延长金属轧辊的使用寿命的问题。

本发明解决的技术方案是，用非氧化性的等离子束流在把合金粉末熔覆在轧辊表面上，形成熔融合金涂层，然后再在等离子熔覆涂层的基础上用电火花沉积WC陶瓷硬质合金，来形成电火花沉积结合等离子熔覆的复合涂层，步骤是：

（1）、配制铁镍合金粉末，该合金粉末是由按重量百分比计的：Ni 31～32%、Cr 26～30%、C 1～2%、Mo 3～4.5%、B 2.5～3%、Si 3.5～5%、W 2～4.5%和余量为Fe 的粉末，混合在一起组成；

（2）、采用等离子熔覆耐磨设备（公知常用设备，如青岛海纳等离子科技有限公司，或河南省煤科院耐磨技术有限公司）对轧辊表面熔覆铁镍合金粉末层，输入电源电压：380V±10%，额定输入容量： 30KVA，输出电压：75V ，工作电压： 10～30V ，输出功率12-15KW,输出电流： 300～600A，扫描速度： 300～600mm/min，送粉器气流：0.65～0.75m³/h，送粉量为250-300g/min，离子气体流量：0.6～0.9m³/h，保护气体流量：0.65～0.75m³/h，喷嘴直径5mm，喷嘴距离工件28－32mm；

（3）、熔覆铁镍合金粉末层方法是，开启等离子熔覆耐磨设备的工作台运行，使等离子炬移到轧辊处理部位上方，打开等离子炬保护气体氩气和电源起弧，以步骤（2）中给出的工艺参数，按等离子熔覆耐磨设备的常规操作方法，对轧辊表面进行等离子束熔覆，在直流等离子束流的高温10000-16000℃下，将步骤（1）中配置好的铁镍合金粉末同步送入等离子炬的等离子束流中，轧辊表面快速依次形成与束流直径尺寸相近的熔池，粉末经快速加热，呈熔化或半熔化状态与熔池金属发生混合扩散反应，随着等离子束流的移动，合金熔池迅速凝固，形成与基体呈冶金结合的等离子熔覆合金涂层；

（4）、熔覆合金涂层后，关闭等离子炬电源和气源，对轧辊表面熔覆的合金涂层进行磨削或抛光，再采用电火花沉积设备（公知常用设备，如北京精诚信电力技术开发公司或中国科学研究院农业技术研究所生产的DZS-4000型电火花沉积设备），将电极材料WC或TiC硬质合金电极棒，作为工作阳电极，氩气中使之与被沉积的轧辊作阴极之间产生火花放电，直接利用火花放电的能量，在10^-5～10^-6 s内电极与轧辊（工件）接触的部位达到10000～24500℃，将电极材料转移至已被等离子熔覆处理过的合金涂层表面，形成电火花沉积结合等离子熔覆复合涂层，电极采用自身旋转方式，电极的夹持方式为机械方式，输出功率为3400W,输出电压为200V，放电频率为1800HZ，沉积速率为2.5min/cm²，保护气体氩气流量为8～10L/min，电极的伸长长度为3mm，金属轧辊基体表面经电火花沉积结合等离子熔覆后涂层厚度为1-4mm。

本发明简单实用，本发明形成的电火花沉积结合等离子熔覆复合涂层与基体结合牢固，涂层厚度大，使轧辊表面硬度高、致密性好、耐热性和耐磨性能好，使用寿命长；复合涂层即发挥了铁镍合金粉末价格低廉、涂层厚度大、抗磨抗蚀性能好，又发挥了电火花沉积陶瓷硬质合金的硬度强度高、耐磨耐热性能优异的综合特点。在轧辊上用电火花沉积结合等离子熔覆方法进行表面冶金处理的在钢铁冶金行业市场潜力很大。

附图说明

图1为本发明的金属轧辊结构示意图（局部剖开）。

图2为本发明金属轧辊的剖面主视图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的具体实施方式作详细说明。

实施例1

本发明在具体实施中，是由以下步骤实现的：

（1）、配制铁镍合金粉末，该合金粉末是由按重量百分比计的：Ni 31%、Cr 28%、C 1.5%、Mo 4%、B 2.8%、Si 4%、W 3%和余量为Fe 的粉末，混合在一起组成，粒度为106～180mm；

（2）、采用等离子熔覆耐磨设备对轧辊表面熔覆铁镍合金粉末层，输入电源电压：380V±10%，额定输入容量： 30KVA，输出电压：75V ，工作电压： 10～30V ，输出功率12-15KW,输出电流： 300～600A，扫描速度： 300～600mm/min，送粉器气流：0.65～0.75m³/h，送粉量为250-300g/min，离子气体流量：0.6～0.9m³/h，保护气体流量：0.65～0.75m³/h，喷嘴直径5mm，喷嘴距离工件28－32mm；

（3）、熔覆铁镍合金粉末层2的 方法是，开启等离子熔覆耐磨设备的工作台运行，使等离子炬移到轧辊处理部位上方，打开等离子炬保护气体氩气和电源起弧，以步骤（2）中给出的工艺参数，按等离子熔覆耐磨设备的常规操作方法，对轧辊表面进行等离子束熔覆，在直流等离子束流的高温10000-16000℃下，将步骤（1）中配置好的铁镍合金粉末同步送入等离子炬的等离子束流中，轧辊表面快速依次形成与束流直径尺寸相近的熔池，粉末经快速加热，呈熔化或半熔化状态与熔池金属发生混合扩散反应，随着等离子束流的移动，合金熔池迅速凝固，形成与基体呈冶金结合的等离子熔覆合金涂层；

（4）、熔覆合金涂层后，关闭等离子炬电源和气源，对轧辊表面熔覆的合金涂层进行磨削或抛光，再采用DZS-4000型电火花沉积设备，将电极材料WC或TiC硬质合金电极棒，作为工作阳电极，氩气中使之与被沉积的轧辊作阴极之间产生火花放电，直接利用火花放电的能量，在10^-5～10^-6 s内电极与轧辊（工件）接触的部位达到10000～24500℃，将电极材料转移至已被等离子熔覆处理过的合金涂层表面，形成电火花沉积结合等离子熔覆复合涂层3，电极采用自身旋转方式，电极的夹持方式为机械方式，输出功率为3400W,输出电压为200V，放电频率为1800HZ，沉积速率为2.5min/cm²，保护气体氩气流量为8～10L/min，电极的伸长长度为3mm，金属轧辊基体表面经电火花沉积结合等离子熔覆后涂层厚度为1-4mm。

实施例2

在本发明的具体实施中，所述的铁镍合金粉末还可采用重量百分比计的：Ni 32%、Cr 26%、C 2%、Mo 3%、B 3%、Si 3.5%、W 4.5%和余量为Fe 的粉末，混合在一起组成，其它同实施例1。

实施例3

在本发明的具体实施中，所述的铁镍合金粉末也可采用重量百分比计的：Ni 31%、Cr 30%、C 1%、Mo 4.5%、B 2.5%、Si 5%、W 2%和余量为Fe 的粉末，混合在一起组成，其它同实施例1。

本发明经实验和测试，涂层中出现大量纳米非晶微晶颗粒，涂层致密度高；等离子熔覆16000℃和电火花沉积中25000 ℃的高温使复合涂层与基体产生了涂层不会脱落的冶金结合；涂层的表面硬度可以达到1707.6HV～2084.1HV, 而基体的硬度为352.1 HV，涂层的硬度比基体的硬度可提高4-6倍；复合涂层的耐磨性比基体的耐磨性可提高2-4倍。与现有技术相比，具有以下突出的有益技术效果：

1、本发明采用金属轧辊为处理熔覆对象，可在零件的易磨损部位或工作部位获得较高表面平整度的高结合力、高硬度、高致密性、高耐热性等能自由控制的的熔覆合金硬化层，在氩气保护状态下获得熔覆耐磨层的厚度为1～4mm，熔覆层的硬度为HRC60～72，耐磨性提高2～4倍。这样就提高了金属轧辊材料表面的耐磨耐蚀耐冲击性能，进而提高了轧辊的使用寿命。

2、本发明使在复合涂层的表层电火花区域内形成了含有的高硬度非平衡合金组织，含有大量的纳米微晶粒子，其硬化机理为纳米晶非晶强化、微晶强化、过饱和固溶强化、高硬度化合物弥散强化等。

3、本发明是在金属轧辊上用高能量束的方法使具有高硬度、高强度、高耐磨性的合金粉末和陶瓷硬质合金熔覆在金属轧辊材料的表面，形成了一层与基体冶金结合的复合合金层，耐磨损、耐冲击、耐高温、耐腐蚀。由于熔覆沉积处理过程中单个冶金熔池处于无限大的冷态的轧辊母材上，所以熔池的冷却速度非常大，就整个轧辊来说，仍处于常温状态或温升较低，轧辊不会退火或热变形。

4、在金属轧辊上熔覆合金粉末和沉积陶瓷硬质合金后复合涂层的厚度、质量和工作效率与熔覆沉积工艺参数电压、电流、频率和速度等有关，因此可通过对工艺参数的调节控制来获得不同的工艺效果。方法简单，易操作，产品质量好，具有很强的实际应用价值，可广泛应用于钢铁冶金行业，经济和社会效益巨大。

Claims (4)

1.一种用电火花沉积结合等离子熔覆增强金属轧辊表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、配制铁镍合金粉末，该合金粉末是由按重量百分比计的：Ni 31～32%、Cr 26～30%、C 1～2%、Mo 3～4.5%、B 2.5～3%、Si 3.5～5%、W 2～4.5%和余量为Fe 的粉末，混合在一起组成；

（2）、采用等离子熔覆耐磨设备对轧辊表面熔覆铁镍合金粉末层，输入电源电压：380V±10%，额定输入容量： 30KVA，输出电压：75V ，工作电压： 10～30V ，输出功率12-15KW,输出电流： 300～600A，扫描速度： 300～600mm/min，送粉器气流：0.65～0.75m³/h，送粉量为250-300g/min，离子气体流量：0.6～0.9m³/h，保护气体流量：0.65～0.75m³/h，喷嘴直径5mm，喷嘴距离工件28－32mm；

（3）、熔覆铁镍合金粉末层方法是，开启等离子熔覆耐磨设备的工作台运行，使等离子炬移到轧辊处理部位上方，打开等离子炬保护气体氩气和电源起弧，以步骤（2）中给出的工艺参数，按等离子熔覆耐磨设备的常规操作方法，对轧辊表面进行等离子束熔覆，在直流等离子束流的高温10000-16000℃下，将步骤（1）中配置好的铁镍合金粉末同步送入等离子炬的等离子束流中，轧辊表面快速依次形成与束流直径尺寸相近的熔池，粉末经快速加热，呈熔化或半熔化状态与熔池金属发生混合扩散反应，随着等离子束流的移动，合金熔池迅速凝固，形成与基体呈冶金结合的等离子熔覆合金涂层；

（4）、熔覆合金涂层后，关闭等离子炬电源和气源，对轧辊表面熔覆的合金涂层进行磨削或抛光，再采用电火花沉积设备，将电极材料WC或TiC硬质合金电极棒，作为工作阳电极，氩气中使之与被沉积的轧辊作阴极之间产生火花放电，直接利用火花放电的能量，在10^-5～10^-6 s内电极与轧辊接触的部位达到10000～24500℃，将电极材料转移至已被等离子熔覆处理过的合金涂层表面，形成电火花沉积结合等离子熔覆复合涂层，电极采用自身旋转方式，电极的夹持方式为机械方式，输出功率为3400W,输出电压为200V，放电频率为1800HZ，沉积速率为2.5min/cm²，保护气体氩气流量为8～10L/min，电极的伸长长度为3mm，金属轧辊基体表面经电火花沉积结合等离子熔覆后涂层厚度为1-4mm。

2.根据权利要求1所述的用电火花沉积结合等离子熔覆增强金属轧辊表面的方法，其特征在于，是由以下步骤实现的：

（1）、配制铁镍合金粉末，该合金粉末是由按重量百分比计的： Ni 31%、Cr 28%、C 1.5%、Mo 4%、B 2.8%、Si 4%、W 3%和余量为Fe 的粉末，混合在一起组成；

（2）、采用等离子熔覆耐磨设备对轧辊表面熔覆铁镍合金粉末层，输入电源电压：380V±10%，额定输入容量： 30KVA，输出电压：75V ，工作电压： 10～30V ，输出功率12-15KW,输出电流： 300～600A，扫描速度： 300～600mm/min，送粉器气流：0.65～0.75m³/h，送粉量为250-300g/min，离子气体流量：0.6～0.9m³/h，保护气体流量：0.65～0.75m³/h，喷嘴直径5mm，喷嘴距离工件28－32mm；

（3）、熔覆铁镍合金粉末层2的 方法是，开启等离子熔覆耐磨设备的工作台运行，使等离子炬移到轧辊处理部位上方，打开等离子炬保护气体氩气和电源起弧，以步骤（2）中给出的工艺参数，按等离子熔覆耐磨设备的常规操作方法，对轧辊表面进行等离子束熔覆，在直流等离子束流的高温10000-16000℃下，将步骤（1）中配置好的铁镍合金粉末同步送入等离子炬的等离子束流中，轧辊表面快速依次形成与束流直径尺寸相近的熔池，粉末经快速加热，呈熔化或半熔化状态与熔池金属发生混合扩散反应，随着等离子束流的移动，合金熔池迅速凝固，形成与基体呈冶金结合的等离子熔覆合金涂层；

（4）、熔覆合金涂层后，关闭等离子炬电源和气源，对轧辊表面熔覆的合金涂层进行磨削或抛光，再采用DZS-4000型电火花沉积设备，将电极材料WC或TiC硬质合金电极棒，作为工作阳电极，氩气中使之与被沉积的轧辊作阴极之间产生火花放电，直接利用火花放电的能量，在10^-5～10^-6 s内电极与轧辊接触的部位达到10000～24500℃，将电极材料转移至已被等离子熔覆处理过的合金涂层表面，形成电火花沉积结合等离子熔覆复合涂层3，电极采用自身旋转方式，电极的夹持方式为机械方式，输出功率为3400W,输出电压为200V，放电频率为1800HZ，沉积速率为2.5min/cm²，保护气体氩气流量为8～10L/min，电极的伸长长度为3mm，金属轧辊基体表面经电火花沉积结合等离子熔覆后涂层厚度为1-4mm。

3.根据权利要求1所述的用电火花沉积结合等离子熔覆增强金属轧辊表面的方法，其特征在于，所述的铁镍合金粉末是由重量百分比计的：Ni 32%、Cr 26%、C 2%、Mo 3%、B 3%、Si 3.5%、W 4.5%和余量为Fe 的粉末，混合在一起组成。

4.据权利要求1所述的用电火花沉积结合等离子熔覆增强金属轧辊表面的方法，其特征在于，所述的铁镍合金粉末是由重量百分比计的：Ni 31%、Cr 30%、C 1%、Mo 4.5%、B 2.5%、Si 5%、W 2%和余量为Fe 的粉末，混合在一起组成。

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