CN110004372B - 一种耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊及其制备方法，涉及冶金辊制备技术领域，该冶金辊包括基体和复合涂层，基体为碳素结构钢，碳素结构钢中各元素质量百分比为C 0.11‑0.15％、Al 0.035‑0.08％、Mn 0.32‑0.63％、S 0.008‑0.016％、P 0.012‑0.027％、Si 0.06‑0.15％、N 0.001‑0.003％、Als 0.011‑0.052％、Fe 98.69‑99.18％，复合涂层原料为合金粉末，本发明采用等离子激光喷涂技术在冶金辊基体表面喷涂复合涂层，进一步提高了冶金辊的耐高温、抗氧化、耐磨性能，增强其使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及冶金辊制备技术领域，具体涉及一种耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊及其制备方法。
背景技术
目前，冶金行业普遍使用的冶金辊是采用合金工具钢，通过“炼钢+浇铸+热处理”、“炼钢+铸锭+锻造+热处理”获得的铸辊和锻辊。这种传统冶金辊最大的问题是表面磨损或掉块后只能通过一次补焊来进行修复，补焊金属与基体结合强度大大降低，因此生命周期比较短。在连续生产的前提下，每支辊的一次生命周期(即没有修复前)只有3-6天时间，算上修复后的生命周期不超过10天。但是，这种整体合金工具钢制造的冶金辊的成本却比较高，使得企业生产的吨钢成本大幅度上升。
现有技术中，以碳素结构钢锻棒作为基体，以微米级WC、CrC、NiC粉末作为涂层材料，采用喷涂技术在基体表面形成薄薄的涂层三。这样获得的新式冶金辊，破损的涂层可通过再次喷涂得以修复，从而确保了基体的多次利用。在连续生产的前提下，每支辊的一次生命周期不低于3天，按5次喷涂累加的生命周期可达15天。增加涂层厚度可以提高一次生命周期，但是增厚的涂层在基体热膨胀量大、高温冲击载荷、高温氧化等综合作用下，容易脱落。
等离子激光喷涂技术指的是在等离子喷涂过程中，同时加入激光热源，等离子体焰与激光光束两热源经旁轴复合方式复合在一起，使其作用到基体待沉积表面的焰流中心时始终重合。沉积过程中，两种热源同时对喷涂粒子和基体表面进行加热，实现涂层制备。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊及其制备方法，该冶金辊基体通过合理的元素配比使其具有良好耐高温、抗氧化、耐磨性能，并且通过等离子激光喷涂技术在冶金辊基体表面喷涂复合涂层，进一步提高冶金辊的耐高温、抗氧化、耐磨性能，增强其使用寿命。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊，包括基体和复合涂层，基体为碳素结构钢，碳素结构钢中各元素质量百分比为C 0.11-0.15％、Al 0.035-0.08％、Mn 0.32-0.63％、S0.008-0.016％、P 0.012-0.027％、Si 0.06-0.15％、N 0.001-0.003％、Als 0.011-0.052％、Fe 98.69-99.18％，复合涂层原料为合金粉末。
进一步的，复合涂层由内向外依次为涂层一、涂层二、涂层三，涂层一原料为铁自熔合金粉末、铝自熔合金粉末、镍自熔合金粉末中的一种或几种混合，涂层二原料为SiC、ZrC、Co微细碳化物特种合金粉末中的一种或几种混合，涂层三原料为微米级BN、CrN、TiC合金粉末中的一种或几种混合。
进一步的，涂层一原料为镍自熔合金粉末，涂层二为SiC、Co微细碳化物特种合金粉末的混合物，涂层三原料为BN、CrN合金粉末的混合物。
上述耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊的制备方法包括以下步骤：
1)基体的制备：按比例取上述原料通过炼钢、浇铸制备钢坯，将钢坯依次经过热轧、冷轧和退火处理，得到基体；
2)喷涂：将步骤1)得到的基体表面粗化，采用等离子激光喷涂技术将复合涂层原料喷涂在步骤1)制备的基体表面，同时采用低功率激光束照射等离子喷射流中心点；
3)激光二次重熔：步骤2)喷涂完成后，加大激光器发射功率，利用高能量密度激光束对基体及涂层进行激光二次重熔，经机械精加工后得冶金辊。
进一步的，步骤1)中，热轧前加热温度为1230-1290℃，终轧温度为850-890℃，冷轧压下率为50-70％，退火温度为750-780℃。
进一步的，步骤2)中，等离子激光喷涂时，激光功率为2100W-2300W，喷涂距离为90-100mm，喷涂速度为270-290mm/s。
(三)有益效果
本发明提供了一种耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊及其制备方法，该冶金辊基体通过合理的元素配比使其具有良好耐高温、抗氧化、耐磨性能，并且通过等离子激光喷涂技术在冶金辊基体表面喷涂复合涂层，进一步提高冶金辊的耐高温、抗氧化、耐磨性能，增强其使用寿命。
其中，用三层复合涂层替代传统冶金辊铸态、锻态、镶焊及表面单相耐磨涂层，满足了冶金辊耐磨、耐高温、抗氧化、抗蠕变等复杂技术要求。三层复合涂层中，涂层一与冶金辊基体相熔，增加涂层与基体粘合度；涂层三提高产品抗氧化、耐磨等关键理化特性；涂层二隔绝外部高温的同时，确保涂层一与涂层三相对稳定。采用等离子激光喷涂技术，综合运用等离子喷涂速度快、对喷涂材料和基材限制少，激光喷涂可使粉末材料完全融合，不受粉粒形状和粒度限制的双重优势，利用激光预热结构钢基体表面，可以激活基体表面活性；利用低功率激光束照射等离子喷射流中心点，可以促进喷射颗粒的完全熔解，气体超微粒子流促进熔解粒子细化，提高涂层致密性，提升涂层与基体的密接性，并且利用低功率激光束照射易于控制，有效解决超声速等离子喷涂时对高熔点材料难以熔化的问题，在极短时间内可完成多层高速喷涂，最大喷涂厚度可达3mm以上，完全满足冶金辊涂层制备要求；利用激光二次重熔，可以将合金粉末二次高温热熔于基体表面，使得多层涂层与基材表面发生微熔并产生冶金结合，获得枝晶细小均匀和偏析程度低的重熔层。通过涂层与基体间原子扩散，涂层孔隙率可下降至0.3％以下，提高了组织致密性，降低裂纹倾向，延长冶金辊使用寿命。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊，包括基体和复合涂层，基体为碳素结构钢，碳素结构钢中各元素质量百分比为C 0.11％、Al 0.08％、Mn 0.32％、S 0.008％、P 0.012％、Si0.15％、N 0.003％、Als 0.052％、Fe 98.72％，复合涂层原料为合金粉末，该复合涂层由内向外依次为涂层一、涂层二、涂层三，涂层一原料为镍自熔合金粉末，涂层二为SiC、Co微细碳化物特种合金粉末的混合物，涂层三原料为BN、CrN合金粉末的混合物。
上述耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊的制备方法包括以下步骤：
1)基体的制备：按比例取上述原料通过炼钢、浇铸制备钢坯，将钢坯依次经过热轧、冷轧和退火处理，得到基体，其中，热轧前加热温度为1250℃，终轧温度为860℃，冷轧压下率为65％，退火温度为760℃；
2)喷涂：将步骤1)得到的基体表面粗化，采用等离子激光喷涂技术将复合涂层原料喷涂在步骤1)制备的基体表面，激光功率为2200W，喷涂距离为90mm，喷涂速度为270mm/s，同时采用低功率激光束照射等离子喷射流中心点；
3)激光二次重熔：步骤2)喷涂完成后，加大激光器发射功率，利用高能量密度激光束对基体及涂层进行激光二次重熔，经机械精加工后得冶金辊。
实施例2：
一种耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊，包括基体和复合涂层，基体为碳素结构钢，碳素结构钢中各元素质量百分比为C 0.11％、Al0.035％、Mn 0.39％、S 0.01％、P 0.019％、Si0.06％、N 0.001％、Als0.011％、Fe 99.18％，复合涂层原料为合金粉末，该复合涂层由内向外依次为涂层一、涂层二、涂层三，涂层一原料为镍自熔合金粉末，涂层二原料为SiC、ZrC、Co微细碳化物特种合金粉末中的混合物，涂层三原料为微米级BN、CrN、TiC合金粉末的混合物。
上述耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊的制备方法包括以下步骤：
1)基体的制备：按比例取上述原料通过炼钢、浇铸制备钢坯，将钢坯依次经过热轧、冷轧和退火处理，得到基体，其中，热轧前加热温度为1230℃，终轧温度为850℃，冷轧压下率为58％，退火温度为750℃；
2)喷涂：将步骤1)得到的基体表面粗化，采用等离子激光喷涂技术将复合涂层原料喷涂在步骤1)制备的基体表面，激光功率为2100W，喷涂距离为95mm，喷涂速度为290mm/s，同时采用低功率激光束照射等离子喷射流中心点；
3)激光二次重熔：步骤2)喷涂完成后，加大激光器发射功率，利用高能量密度激光束对基体及涂层进行激光二次重熔，经机械精加工后得冶金辊。
实施例3：
一种耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊，包括基体和复合涂层，基体为碳素结构钢，碳素结构钢中各元素质量百分比为C 0.15％、Al 0.08％、Mn 0.63％、S 0.016％、P 0.027％、Si0.15％、N 0.002％、Als 0.023％、Fe 98.69％，复合涂层原料为合金粉末，该复合涂层由内向外依次为涂层一、涂层二、涂层三，涂层一原料为铁自熔合金粉末、铝自熔合金粉末、镍自熔合金粉末的混合物，涂层二原料为ZrC、Co微细碳化物特种合金粉末的混合物，涂层三原料为微米级BN、CrN合金粉末的混合物。
上述耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊的制备方法包括以下步骤：
1)基体的制备：按比例取上述原料通过炼钢、浇铸制备钢坯，将钢坯依次经过热轧、冷轧和退火处理，得到基体，其中，热轧前加热温度为1260℃，终轧温度为870℃，冷轧压下率为50％，退火温度为780℃；
2)喷涂：将步骤1)得到的基体表面粗化，采用等离子激光喷涂技术将复合涂层原料喷涂在步骤1)制备的基体表面，激光功率为2200W，喷涂距离为100mm，喷涂速度为280mm/s，同时采用低功率激光束照射等离子喷射流中心点；
3)激光二次重熔：步骤2)喷涂完成后，加大激光器发射功率，利用高能量密度激光束对基体及涂层进行激光二次重熔，经机械精加工后得冶金辊。
实施例4：
一种耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊，包括基体和复合涂层，基体为碳素结构钢，碳素结构钢中各元素质量百分比为C 0.12％、Al 0.054％、Mn 0.43％、S 0.012％、P 0.012％、Si 0.06％、N 0.003％、Als 0.036％、Fe 99.03％，复合涂层原料为合金粉末，该复合涂层由内向外依次为涂层一、涂层二、涂层三，涂层一原料为铁自熔合金粉末，涂层二原料为ZrC、Co微细碳化物特种合金粉末的混合物，涂层三原料为微米级BN、CrN合金粉末的混合物。
上述耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊的制备方法包括以下步骤：
1)基体的制备：按比例取上述原料通过炼钢、浇铸制备钢坯，将钢坯依次经过热轧、冷轧和退火处理，得到基体，其中，热轧前加热温度为1290℃，终轧温度为890℃，冷轧压下率为69％，退火温度为770℃；
2)喷涂：将步骤1)得到的基体表面粗化，采用等离子激光喷涂技术将复合涂层原料喷涂在步骤1)制备的基体表面，激光功率为2300W，喷涂距离为100mm，喷涂速度为270mm/s，同时采用低功率激光束照射等离子喷射流中心点；
3)激光二次重熔：步骤2)喷涂完成后，加大激光器发射功率，利用高能量密度激光束对基体及涂层进行激光二次重熔，经机械精加工后得冶金辊。
实施例5：
一种耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊，包括基体和复合涂层，基体为碳素结构钢，碳素结构钢中各元素质量百分比为C 0.14％、Al 0.071％、Mn 0.47％、S 0.009％、P 0.019％、Si 0.09％、N 0.001％、Als 0.043％、Fe 98.72％，复合涂层原料为合金粉末，该复合涂层由内向外依次为涂层一、涂层二、涂层三，涂层一原料为铝自熔合金粉末、镍自熔合金粉末的混合物，涂层二原料为SiC、ZrC合金粉末的混合物，涂层三原料为微米级BN、CrN、TiC合金粉末的混合物。
上述耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊的制备方法包括以下步骤：
1)基体的制备：按比例取上述原料通过炼钢、浇铸制备钢坯，将钢坯依次经过热轧、冷轧和退火处理，得到基体，其中，热轧前加热温度为1240℃，终轧温度为880℃，冷轧压下率为70％，退火温度为750℃；
2)喷涂：将步骤1)得到的基体表面粗化，采用等离子激光喷涂技术将复合涂层原料喷涂在步骤1)制备的基体表面，激光功率为2300W，喷涂距离为90mm，喷涂速度为290mm/s，同时采用低功率激光束照射等离子喷射流中心点；
3)激光二次重熔：步骤2)喷涂完成后，加大激光器发射功率，利用高能量密度激光束对基体及涂层进行激光二次重熔，经机械精加工后得冶金辊。
对比例：采用传统技术制备冶金辊。
对本发明实施例1-5制备的冶金辊和采用传统技术制备的冶金辊进行性能测试，其结果如表1所示。
表1：
综上，本发明实施例具有如下有益效果：本发明实施例1-5制备的冶金辊其基体材料硬度、辊面硬度、高温耐磨/耐氧化性、加工精度、粗糙度、过钢量、使用寿命均远远好于传统技术制备的冶金辊，本发明具有显著的进步。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊，其特征在于，所述冶金辊包括基体和复合涂层，所述基体为碳素结构钢，所述碳素结构钢中各元素质量百分比为C 0.11-0.15％、Al 0.035-0.08％、Mn 0.32-0.63％、S0.008-0.016％、P 0.012-0.027％、Si 0.06-0.15％、N 0.001-0.003％、Als0.011-0.052％、Fe 98.69-99.18％，所述复合涂层原料为合金粉末，所述复合涂层由内向外依次为涂层一、涂层二、涂层三，所述涂层一原料为铁自熔合金粉末、铝自熔合金粉末、镍自熔合金粉末中的一种或几种混合，所述涂层二原料为SiC、ZrC、Co微细碳化物特种合金粉末中的一种或几种混合，所述涂层三原料为微米级BN、CrN、TiC合金粉末中的一种或几种混合，该冶金辊的制备方法包括以下步骤：
1)基体的制备：按比例取上述原料通过炼钢、浇铸制备钢坯，将钢坯依次经过热轧、冷轧和退火处理，得到基体；
2)喷涂：将步骤1)得到的基体表面粗化，采用等离子激光喷涂技术将复合涂层原料喷涂在步骤1)制备的基体表面，同时采用低功率激光束照射等离子喷射流中心点；
3)激光二次重熔：步骤2)喷涂完成后，加大激光器发射功率，利用高能量密度激光束对基体及涂层进行激光二次重熔，经机械精加工后得冶金辊。
2.如权利要求1所述的耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊，其特征在于，所述涂层一原料为镍自熔合金粉末，所述涂层二为SiC、Co微细碳化物特种合金粉末的混合物，所述涂层三原料为BN、CrN合金粉末的混合物。
3.如权利要求1所述的耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊，其特征在于，步骤1)中，热轧前加热温度为1230-1290℃，终轧温度为850-890℃，冷轧压下率为50-70％，退火温度为750-780℃。
4.如权利要求1所述的耐高温、抗氧化、耐磨冶金辊，其特征在于，步骤2)中，等离子激光喷涂时，激光功率为2100W-2300W，喷涂距离为90-100mm，喷涂速度为270-290mm/s。
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Denomination of invention: Metallurgical roll with high temperature resistance, oxidation resistance and wear resistance and its preparation method Effective date of registration: 20221226 Granted publication date: 20200522 Pledgee: Dangtu County sub branch of China Post Savings Bank Co.,Ltd. Pledgor: MAANSHAN HENGTAI HEAVY INDUSTRY MACHINERY CO.,LTD. Registration number: Y2022980028908 |
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Date of cancellation: 20231225 Granted publication date: 20200522 Pledgee: Dangtu County sub branch of China Post Savings Bank Co.,Ltd. Pledgor: MAANSHAN HENGTAI HEAVY INDUSTRY MACHINERY CO.,LTD. Registration number: Y2022980028908 |
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