CN110438488A - 轧辊表面无裂纹非晶涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轧辊表面无裂纹非晶涂层及其制备方法，制备方法包括轧辊基体前处理、烘粉、激光预热轧辊基体、预置合金粉末以及激光熔覆制备无裂纹非晶涂层。所述合金粉末为气雾法制备的非晶粉末，粒度为150～250目，各组分及其质量百分比如下：铁72%、硼15%、硅10%、铌3%。本发明以Fe72B15Si10Nb3的合金粉末并优化工艺，从而能够在轧辊表明制得无裂纹非晶涂层，非晶涂层表面无裂纹，内部组织致密，平均维氏硬度达913.6HV，满足冷轧辊使用的高硬度、耐磨性的技术要求。

Description

轧辊表面无裂纹非晶涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于轧辊表面涂层制备技术领域，具体涉及一种轧辊表面无裂纹非晶涂层及其制备方法。
背景技术
钢铁工业作为重要的基础工业部门，是发展国民经济与国防建设的物质基础。钢铁工业的原料、燃料及辅助材料资源状况，影响着其工业规模、产品质量、经济效益以及布局方向。轧辊是各类金属轧制成材的核心部件，也是轧机的主要消耗部件。在冷、热、高速、重载交互作用的苛刻工况下，轧辊易产生辊面疲劳剥落、磨损以及辊身断裂等损伤失效的问题，这不仅影响了钢材质量和数量，还导致了不容小觑的经济损失。
近年来，有研究者尝试采用激光熔覆技术修复轧辊。但由于激光熔覆技术具有很高的冷却速度，急冷产生的高残余应力以及涂层与基体间热膨胀系数的差异等原因导致涂层开裂，“强度—韧性”这两个相对矛盾的性能始终无法有效解决。在激光技术条件下，为实现“强度—韧性”的结合，目前多采用调整工艺参数、添加稀土元素（如中国专利文献CN108546947A）、制备梯度涂层（如中国专利文献CN109402631A）等方法，但这些方法往往带来成本增大、工艺复杂等问题，并不适用工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种生产成本较低、工艺简单的轧辊表面无裂纹非晶涂层及其制备方法。
实现本发明目的的技术方案是：一种轧辊表面无裂纹非晶涂层的制备方法，包括：
S1：轧辊基体前处理；
S2：烘粉；
S3：激光预热轧辊基体；
S4：预置合金粉末；
S5：激光熔覆制备无裂纹非晶涂层。
上述步骤S1所述轧辊基体前处理是先用砂轮打磨轧辊基体，以去除氧化物，直至露出金属光泽；然后将轧辊基体置于无水乙醇中进行超声清洗；最后取出吹干待用。
所述轧辊基体的材质优选为5Cr5WMoSiV冷轧辊。
上述步骤S2所述烘粉是将合金粉末置于真空干燥箱内，先抽真空，然后加热到75～85℃保温2～4h，最后随箱冷却。
所述合金粉末为气雾法制备的非晶粉末，粒度为150～250目，各组分及其质量百分比如下：铁72%、硼15%、硅10%、铌3%。
上述步骤S3所述激光预热轧辊基体是采用激光器在步骤S1前处理后的轧辊基体表面反复扫描，直至轧辊基体表面温度达到150℃。
上述步骤S3所述激光预热轧辊基体的工艺参数为：激光功率为0.3～0.7kW，激光扫描速度为2～6mm/s，激光头距离轧辊基体表面300～350mm。
上述步骤S4所述预置合金粉末是将步骤S2烘干后的合金粉末平铺在步骤S3预热后的轧辊基体表面，铺粉厚度为1.0～1.5mm。
上述步骤S5所述激光熔覆制备无裂纹非晶涂层是在氩气气氛内，采用激光器进行激光熔覆，制得无裂纹非晶涂层。
上述步骤S5所述激光熔覆制备无裂纹非晶涂层的工艺参数为：氩气流速为5～15L/min，激光功率2～3kW，激光扫描速度为5～10mm/s，激光头距离轧辊基体表面距离300～350mm。
所述氩气为高纯氩气，纯度为99.9%。
上述激光器均为半导体宽带激光器，激光聚集光斑尺寸为14mm×1.5mm，即涂层宽度达14mm。
上述任一方法制得的无裂纹非晶涂层。
本发明具有的积极效果：
（1）本发明以Fe72B15Si10Nb3的合金粉末并优化工艺，从而能够在轧辊表明制得无裂纹非晶涂层，非晶涂层表面无裂纹，内部组织致密，平均维氏硬度达913.6HV，满足冷轧辊使用的高硬度、耐磨性的技术要求。
（2）本发明在制备涂层前通过对轧辊基体进行预热，这样能够减少轧辊基体与涂层之间的热膨胀系数差异，有效缓和熔覆过程中产生的热应力，能够有效去除涂层表面裂纹。
（3）本发明采用光斑尺寸为14mm×1.5mm的半导体宽带激光器，能够显著提高熔覆效率。
（4）本发明的方法工艺简单，成本低廉，可控性强，适用于工业化生产。
附图说明
图1为实施例1采用的合金粉末以及制得的无裂纹非晶涂层的XRD图谱（X射线衍射图谱）。
图2为实施例1制得的无裂纹非晶涂层的原始表观形貌和着色探伤后表观形貌；其中，a图为原始表观形貌，b图为着色探伤后表观形貌。
图3为实施例1制得的无裂纹非晶涂层的截面的扫描电子显微镜（SEM）显微组织形貌。
图4为实施例1制得的无裂纹非晶涂层的显微维氏硬度测试结果图。
具体实施方式
若未特别说明，本申请文件对于材料成分描述中的“%”为质量百分比。若未特别说明，本发明中所使用的其他物料、原料均为可以从市场上购买得到的常规原料。所使用的设备也为本领域的常规设备。本发明中未提及的操作均为本领域的常规操作。
（实施例1）
本实施例的轧辊表面无裂纹非晶涂层的制备方法具体如下：
S1：轧辊基体前处理。
选用材质为5Cr5WMoSiV的冷轧辊，并将其切割成直径为170mm、厚度为18mm的圆块，作为轧辊基体。
先用砂轮打磨轧辊基体，以去除氧化物，直至露出金属光泽；然后将轧辊基体置于无水乙醇中进行超声清洗10min；最后取出吹干待用。
S2：烘粉。
将合金粉末置于真空干燥箱内，先抽真空，然后加热到80℃保温3h，最后随箱冷却。
本实施例采用的合金粉末为气雾法制备的非晶粉末，粒度为150～250目，各组分及其质量百分比如下：铁72%、硼15%、硅10%、铌3%。
S3：激光预热轧辊基体。
用半导体宽带激光器【型号为：Delias 3kW，下同】在步骤S1前处理后的轧辊基体表面反复扫描，直至轧辊基体表面温度达到150℃。
具体工艺参数如下：激光功率0.5kW，激光扫描速度4mm/s，激光头距离轧辊基体表面330mm。
本实施例采用的半导体宽带激光器的激光聚集光斑尺寸14mm×1.5mm。
S4：预置合金粉末。
将步骤S2烘干后的合金粉末平铺在步骤S3预热后的轧辊基体表面，铺粉厚度为1.2mm，也即非晶涂层的厚度为1.2mm。
S5：激光熔覆制备无裂纹非晶涂层。
在99.9%高纯氩气气氛内，采用半导体宽带激光器【型号同上】进行激光熔覆，制得无裂纹非晶涂层。
具体工艺参数为：氩气流速为10L/min，激光功率为2.5kW，激光扫描速度8mm/s，激光头距离轧辊基体表面330mm。
（测试例1）
对实施例1采用的合金粉末以及制得的无裂纹非晶涂层（又称熔覆层）进行X射线衍射（XRD）测试，XRD图谱见图1。
由图1可以看出：合金粉末在2θ=30～50°具有非常宽的衍射峰，这是非晶相存在的典型特征。
涂层由少量非晶相和α-Fe、Fe2B相组成。
此外，涂层中各相强度较低，代表微观组织晶粒尺寸较小，这也有利于提高涂层的强度和韧性。
（测试例2）
实施例1制得的无裂纹非晶涂层的原始表观形貌和着色探伤后表观形貌分别见图2中的a图与b图。
由图2可以看出，本发明制得的无裂纹非晶涂层宽度可达14mm，明显熔覆效率较高，适用于工业化生产。
而从着色探伤图可以看到，该涂层表面无明显孔洞或凹坑，完全不存在裂纹，韧性较好，表面性能优异。
（测试例3）
将实施例1制得的无裂纹非晶涂层经10%硝酸酒精溶液腐蚀截面，用扫描电子显微镜（SEM）观察涂层截面，结果见图3。
由图3可以看出，本发明的无裂纹非晶涂层主要由灰色的α-Fe枝晶和细小的Fe2B相组成，其间弥散分布大量白色富Nb的硬质颗粒。另外，非晶涂层相分布均匀，晶粒较小，有利于提高非晶涂层的强度和韧性。
（测试例4）
测试实施例1制得的无裂纹非晶涂层的显微维氏硬度，结果见图4。
由图4可以看出，本发明的无裂纹非晶涂层的显微维氏硬度均超过800HV，平均硬度可达913.6HV，最高硬度可达980HV，显著提高了冷轧辊在重压重载环境下的耐磨性能。

Claims (7)

1.一种轧辊表面无裂纹非晶涂层，该无裂纹非晶涂层由下述组分及其质量百分比组成：铁72%、硼15%、硅10%、铌3%。
2.一种轧辊表面无裂纹非晶涂层的制备方法，其特征在于包括：
S1：轧辊基体前处理；
S2：烘粉；
S3：激光预热轧辊基体；
S4：预置合金粉末；
S5：激光熔覆制备无裂纹非晶涂层；
所述合金粉末为气雾法制备的非晶粉末，粒度为150～250目，各组分及其质量百分比如下：铁72%、硼15%、硅10%、铌3%。
3.根据权利要求2所述的轧辊表面无裂纹非晶涂层的制备方法，其特征在于：所述轧辊基体的材质为5Cr5WMoSiV冷轧辊。
4.根据权利要求2所述的轧辊表面无裂纹非晶涂层的制备方法，其特征在于：上述步骤S3所述激光预热轧辊基体是采用激光器在步骤S1前处理后的轧辊基体表面反复扫描，直至轧辊基体表面温度达到150℃；工艺参数为：激光功率为0.3～0.7kW，激光扫描速度为2～6mm/s，激光头距离轧辊基体表面300～350mm。
5.根据权利要求2所述的轧辊表面无裂纹非晶涂层的制备方法，其特征在于：上述步骤S5所述激光熔覆制备无裂纹非晶涂层是在氩气气氛内，采用激光器进行激光熔覆，制得无裂纹非晶涂层；工艺参数为：氩气流速为5～15L/min，激光功率2～3kW，激光扫描速度为5～10mm/s，激光头距离轧辊基体表面距离300～350mm。
6.根据权利要求4或5所述的轧辊表面无裂纹非晶涂层的制备方法，其特征在于：上述激光器均为半导体宽带激光器，激光聚集光斑尺寸为14mm×1.5mm。
7.根据权利要求2所述的轧辊表面无裂纹非晶涂层的制备方法，其特征在于：上述步骤S1所述轧辊基体前处理是先用砂轮打磨轧辊基体，以去除氧化物，直至露出金属光泽；然后将轧辊基体置于无水乙醇中进行超声清洗；最后取出吹干待用；上述步骤S2所述烘粉是将合金粉末置于真空干燥箱内，先抽真空，然后加热到75～85℃保温2～4h，最后随箱冷却；上述步骤S4所述预置合金粉末是将步骤S2烘干后的合金粉末平铺在步骤S3预热后的轧辊基体表面，铺粉厚度为1.0～1.5mm。
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