CN111321356A - 一种激光增材制造沉没辊复合轴套及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光增材制造沉没辊复合轴套及其制备方法，所述的轴套包括沉没辊轴套本体和抗磨耐蚀表层，所述的抗磨耐蚀表层覆盖在所述的沉没辊轴套本体上。本发明制备的激光增材制造沉没辊复合轴套本体具有良好的高温强韧性，500℃时的抗拉强度大于850MPa，冲击韧性αKU大于65J/cm2；本发明的方法制备的沉没辊复合轴套的表层硬度高，硬度大于1250HV；本发明制备的沉没辊复合轴套表层具有优异抗锌液腐蚀磨损能力，在480℃的锌液腐蚀环境下，本发明的沉没辊复合轴套的使用寿命超过45天，比316L不锈钢沉没辊轴套大幅度延长。

Description

一种激光增材制造沉没辊复合轴套及其制备方法
技术领域
本发明属于沉没辊技术领域，具体涉及一种激光增材制造沉没辊复合轴套及其制备方法。
背景技术
目前，国内大型钢铁企业从国外共引进了80多条宽带钢连续镀锌线，这些生产线具有设备先进、产量高、产品档次高等特点，在连续热镀锌生产线中，沉没辊装置是重要设备。沉没辊工作于460℃左右的锌渡液中，沉没辊能否长期稳定运转，对镀锌产品的质量和合格品率都有重要影响。为了确保沉没辊的安全使用，在沉没辊两端，装配轴套，沉没辊轴套和轴瓦需要具有以下特点：耐锌液的腐蚀、耐磨损、摩擦系数低。
为了提高沉没辊轴套的性能，中国专利CN108018511A一种高耐磨沉没辊轴套及其制备方法，主要解决现有技术中轴套硬度较低、在使用过程中耐高温磨损性能较差的技术问题。该发明一种高耐磨沉没辊轴套，由不锈钢基体和钴基堆焊层组成，钴基堆焊层焊覆在不锈钢基体表面，钴基堆焊层的厚度为2.0-4.0mm，钴基堆焊层的化学成分重量百分比为：Co10.0-14.0％，C1.5-2.0％，Cr27-30％，W8-12％，Si≤1.5％，B≤1％，其余为Fe和不可避免的杂质。中国发明专利CN 107630168A还公开了一种沉没辊轴套，所述的沉没辊轴套由以下成分组成：C0.24％-0.45％，Mn0.60％-2.0％，Si0.80％-1.10％，Zr0.02％-0.12％，Al0.035％-0.080％，Cr2.7％-3.5％，Ni0.75％-1.60％，Y0.02-0.03％，Mo0.5％-2.5％，Nb0.03％-0.55％，B2.5％-3.3％，N0.003-0.01，P<0.035，S<0.045，其余为Fe。该发明沉没辊轴套在低碳高速钢基础上，加入硼元素，在保持高速钢具有良好高温红硬性的前提下，还具有优异的抗锌液腐蚀能力。另外，该发明还加入了适量的钇、镁、钙、钛、铌、钾，主要起脱氧、脱硫，细化组织，改善夹杂物形态和分布的作用，有利于提高沉没辊轴套的机械性能，特别是沉没辊轴套的强韧性。
中国发明专利CN106282810A还公开了一种用于沉没辊轴套的合金，其组成成分以及各成分所占质量百分比分别为：钼：7.2～10.5％、钛：3.3～5.7％、锆：2.9～4.4％、铪：0.8～2.2％、铌：1.7～2.5％、硅：1.2～2.1％、碳：1.4～3.0％、磷＜0.02％、硫＜0.02％，其余为铁。中国实用新型ZL201721497221.X还公告了一种耐磨型沉没辊轴套，包括轴套本体，所述的轴套本体开口一侧设置有连接凸缘，另一侧设置有拱形凸起，所述轴套本体内壁中间位置设置有第一衬套以及第二衬套，所述第一衬套以及第二衬套分别通过两边设置挡块的方式与轴套本体连接固定，其中第一衬套以及第二衬套与轴套本体中间分别设置有石墨垫片，所述的轴套本体表面设置有直形沟槽，所述的直形沟槽与环形凹槽相通。该实用新型衬套与轴套本体中间设置有石墨垫片，防止衬套与轴套因锌液粘附，防止轴套在使用过程中产生裂纹，而且轴套本体表面设置有直形沟槽，所述的直形沟槽与环形凹槽相通，防止锌渣堵转。
中国发明专利CN103233173A还公开了一种沉没辊轴套及制备方法，属于耐腐蚀磨损材料技术领域。沉没辊轴套材料的化学成分是(质量分数，％)：0.10-0.25C,2.0-3.0B,16.0-18.0Mn,2.0-3.5Cr,0.15-0.30N,S<0.03,P<0.03,Fe余量。该发明轴套材料利用电炉便可生产，具有硬度和强度高，韧性、耐蚀性和耐磨性好等特点，制造工艺简便，生产成本低廉。使用该发明轴套材料可以显著提高热镀锌生产线的作业率，具有很好的经济效益。中国发明专利CN102851597A还公开了一种抗磨蚀沉没辊轴套及其制造方法，具体成分及质量分数％如下：0.15-0.28C，3.0-3.5B，2.0-2.5Cr，9.5-10.0W，2.5-3.0Mo，0.65-0.80Al，1.20-1.50Si，0.25-0.50Mn，0.04-0.08Y，0.06-0.10Ti，0.06-0.10Nb，0.03-0.06Ca，0.05-0.08Mg，0.08-0.12K，S＜0.04，P＜0.05，余量为Fe。该发明抗磨蚀沉没辊轴套利用电炉熔炼，采用铸造方法成型，经淬火和回火后进行精加工。中国发明专利CN102128208A还公开了一种高结合强度沉没辊轴套的制备方法。通过陶瓷表面金属化及钎焊技术，对不锈钢和陶瓷基体进行连接。主要工序有：1、陶瓷表面金属化；2、采用Co基钎料钎焊连接陶瓷和不锈钢基体。Co基钎料中含有Co、Si、Cu、Cr、B、W、C和粘结剂，原料可以是单质粉末或合金或化合物，也可以是这几种材料的组合；粘结剂可以是无机物质，还有部分添加剂和助剂混合。该发明提供的高结合强度轴套的制备方法，其优点在于：陶瓷与金属的结合强度高、耐熔锌腐蚀层厚，可以达到2mm以上，大大地延长了耐高温锌液腐蚀寿命；而且该制造方法适应性强、操作简便、规范性强、生产成本较低，具有巨大的实用价值。中国专利ZL201420009202.8还公告了一种热镀锌装置零件，尤其涉及一种沉没辊轴套，包括轴向中空的沉没辊轴套主体，所述的沉没辊轴套主体的内表面和外表面均焊接有以WC或/和MoB为硬质相的耐蚀硬化层。该实用新型的有益效果是：在沉没辊轴套主体的内表面和外表面上，以钴基作为粘结金属，焊接以WC、MoB为硬质相的耐蚀硬化层，保证辊身表面的红硬性，又具有超强的耐磨性能，而且WC、MoB，化学性质稳定，与锌液也无化学腐蚀现象，从而提高沉没辊轴套的使用寿命。
目前，上述的发明均未能很好的解决沉没辊轴套要同时兼顾抗磨、抗蚀，且轴套本体要具有良好的高温强韧性，确保轴套使用安全的难题。
鉴于以上原因，特提出本发明。
发明内容
为了解决现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种激光增材制造沉没辊复合轴套及其制备方法，本发明先用铸造方法制造具有良好高温性能的沉没辊轴套本体，然后在加工好的沉没辊轴套本体上采用激光增材制造方法获得抗磨耐蚀表层，得到的沉没辊复合轴套具有优异的抗锌腐蚀磨损能力。
本发明的第一目，提供了一种激光增材制造沉没辊复合轴套，所述的轴套包括沉没辊轴套本体和抗磨耐蚀表层，所述的抗磨耐蚀表层覆盖在所述的沉没辊轴套本体上。
本发明的沉没辊轴套本体具有良好的高温强韧性，抗磨耐蚀表层具有抗锌液腐蚀磨损的性能。
进一步的，所述的沉没辊轴套本体材料的化学组成及其质量分数包括0.30-0.43％C、22.15-22.83％Cr、8.06-8.51％Ni、0.03-0.06％Ce、0.02-0.05％N、5.40-5.79％Mo、2.64-2.88％Al、12.18-12.53％Nb、3.21-3.46％Si、0.27-0.41％Mn、<0.025％P、<0.020％S、余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明轴套本体材料中加入5.40-5.79％Mo、2.64-2.88％Al、12.18-12.53％Nb和3.21-3.46％Si，可以大幅度提高本体材料的高温强度。加入22.15-22.83％Cr和2.64-2.88％Al可以明显提高本体材料的抗锌液腐蚀能力。加入8.06-8.51％Ni、0.03-0.06％Ce和0.02-0.05％N，可以明显提高本体材料的高温韧性。
进一步的，所述的抗磨耐蚀表层材料的化学组成及其质量分数包括18.03-18.77％B、28.17-28.60％Cr、16.45-16.92％Co、9.75-10.66％W、0.75-0.89％Y、2.17-2.30％C和23.21-23.74％Ni。
其中加入18.03-18.77％B、28.17-28.60％Cr、16.45-16.92％Co和0.75-0.89％Y，可以大幅度提高表层的抗锌液腐蚀能力。加入9.75-10.66％W和2.17-2.30％C，可以生成微细的WC颗粒，大幅度提高表层的高温抗磨能力，B和W结合生成高硬度的W2B，亦有利于提高表层的高温抗磨能力。加入0.75-0.89％Y和23.21-23.74％Ni，还可以提高表层的强度和韧性，防止高温使用过程中，表层发生开裂和剥落。
本发明的第二目的，提供了一种所述的激光增材制造沉没辊复合轴套的制备方法，包括如下步骤：
(1)将所述的沉没辊轴套本体熔炼成金属熔液，浇注成沉没辊复合轴套本体毛坯，继续加热，保温处理，炉冷至温度低于150℃，出炉空冷至室温，粗加工，得到沉没辊复合轴套本体；
(2)在步骤(1)得到的沉没辊复合轴套本体的外表面上采用激光熔覆增材制造方法将抗磨耐蚀表层覆盖上，激光熔覆后精加工至规定尺寸和精度，得到所述的激光增材制造沉没辊复合轴套。
进一步的，浇注成沉没辊复合轴套本体毛坯时金属熔液温度为1564-1578℃。
采用上述的温度下进行浇注，浇注成沉没辊复合轴套本体毛坯，组织致密，铸造缺陷少。
进一步的，步骤(1)中继续加热至600-650℃，保温3-4h。
进一步的，步骤(1)中继续加热至625℃，保温3.5h。
为了防止复合轴套本体使用中因应力过大出现变形或开裂，对沉没辊复合轴套本体毛坯加热至600-650℃，保温3-4小时后，炉冷至温度低于150℃，出炉空冷至室温，进行去应力退火处理，然后进行粗加工，获得沉没辊复合轴套本体。
进一步的，步骤(1)中浇注成沉没辊复合轴套本体毛坯采用的方法为消失模铸造或熔模铸造。
其中，沉没辊轴复合套本体采用消失模铸造方法或熔模铸造方法加工而成，效率高，成本低廉。此外，采用中频感应电炉内熔炼沉没辊复合轴套本体材料的金属熔液，熔化效率高，温度和成分易于控制。
进一步的，步骤(2)中激光熔覆单边厚度3.2-3.6mm的抗磨耐蚀表层。
进一步的，步骤(2)中激光熔覆增材制造方法中的参数为：激光功率3800-4300W，激光束斑点被固定为5mm×5mm的正方形斑点，扫描速度8-12mm/秒，送粉率25-30克/分钟。
采用上述的激光熔覆增材制造方法中的参数，可以保证熔覆表层无气孔和开裂等缺陷。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明制备的激光增材制造沉没辊复合轴套本体具有良好的高温强韧性，500℃时的抗拉强度大于850MPa，冲击韧性αKU大于65J/cm2；
(2)本发明的方法制备的沉没辊复合轴套的表层硬度高，硬度大于1250HV；本发明制备的沉没辊复合轴套表层具有优异抗锌液腐蚀磨损能力，在480℃的锌液腐蚀环境下，本发明的沉没辊复合轴套的使用寿命超过45天，比316L不锈钢沉没辊轴套大幅度延长；
(3)本发明的制备方法适应性强，操作简单，推广应用，本发明制备的轴套能够提高热镀锌机组作业率，减轻工人劳动强度，提高热镀锌钢板表面质量，具有良好的经济和社会效益；
(4)本发明采用特定比例的材料成分制备沉没辊轴套，微观组织相对于现有轴套更为致密，并且力学性能优异，经久耐用，能够有效保证沉没辊长时间稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的激光增材制造沉没辊复合轴套的结构示意图；
附图标记
1-沉没辊轴套本体；2-抗磨耐蚀表层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例的一种激光增材制造沉没辊复合轴套，所述的轴套包括沉没辊轴套本体1和抗磨耐蚀表层2，所述的抗磨耐蚀表层2覆盖在所述的沉没辊轴套本体1上。
其中，所述的沉没辊轴套本体1材料的化学组成及其质量分数包括0.30％C、22.83％Cr、8.06％Ni、0.06％Ce、0.02％N、5.79％Mo、2.64％Al、12.53％Nb、3.21％Si、0.41％Mn、0.022％P、0.019％S、余量为Fe和其他不可避免的杂质。所述的抗磨耐蚀表层2材料的化学组成及其质量分数包括18.03％B、28.60％Cr、16.45％Co、10.66％W、0.75％Y、2.30％C和23.21％Ni。
本实施例的一种激光增材制造沉没辊复合轴套的制备方法，包括如下步骤：
(1)在500公斤中频感应电炉内将所述沉没辊轴套本体熔炼成金属熔液，当金属熔液的温度达到1564℃，采用消失模铸造方法，浇注成沉没辊复合轴套本体毛坯，继续加热至600℃，保温处理4h后，炉冷至温度低于150℃，出炉空冷至室温，进行粗加工，得到沉没辊复合轴套本体1；
(2)在步骤(1)得到的沉没辊复合轴套本体1的外表面上采用激光熔覆增材制造方法将抗磨耐蚀表层2覆盖上，激光熔覆单边厚度3.2-3.3mm的抗磨耐蚀表层2，激光功率3800W，激光束斑点被固定为5mm×5mm的正方形斑点，扫描速度8mm/秒，送粉率25克/分钟；激光熔覆后精加工至规定尺寸和精度，得到所述的激光增材制造沉没辊复合轴套。
本实施例的沉没辊复合轴套的本体1具有良好的高温强韧性，500℃时的抗拉强度875MPa，冲击韧性αKU 69J/cm2；复合轴套的抗磨耐蚀表层2硬度高，硬度1273HV。
实施例2
本实施例的一种激光增材制造沉没辊复合轴套，所述的轴套包括沉没辊轴套本体1和抗磨耐蚀表层2，所述的抗磨耐蚀表层2覆盖在所述的沉没辊轴套本体1上。
其中，所述的沉没辊轴套本体1材料的化学组成及其质量分数包括0.43％C、22.15％Cr、8.51％Ni、0.03％Ce、0.05％N、5.40％Mo、2.88％Al、12.18％Nb、3.46％Si、0.27％Mn、0.021％P、0.015％S、余量为Fe和其他不可避免的杂质。所述的抗磨耐蚀表层2材料的化学组成及其质量分数包括18.77％B、28.17％Cr、16.51％Co、9.75％W、0.89％Y、2.17％C和23.74％Ni。
本实施例的一种激光增材制造沉没辊复合轴套的制备方法，包括如下步骤：
(1)在1000公斤中频感应电炉内将所述沉没辊轴套本体熔炼成金属熔液，当金属熔液的温度达到1578℃，采用消失模铸造方法，浇注成沉没辊复合轴套本体毛坯，继续加热至650℃，保温处理3h后，炉冷至温度低于150℃，出炉空冷至室温，进行粗加工，得到沉没辊复合轴套本体1；
(2)在步骤(1)得到的沉没辊复合轴套本体1的外表面上采用激光熔覆增材制造方法将抗磨耐蚀表层2覆盖上，激光熔覆单边厚度3.5-3.6mm的抗磨耐蚀表层2，激光功率4300W，激光束斑点被固定为5mm×5mm的正方形斑点，扫描速度12mm/秒，送粉率30克/分钟；激光熔覆后精加工至规定尺寸和精度，得到所述的激光增材制造沉没辊复合轴套。
本实施例的沉没辊复合轴套的本体1具有良好的高温强韧性，500℃时的抗拉强度890MPa，冲击韧性αKU 67J/cm2；复合轴套的抗磨耐蚀表层2硬度高，硬度1288HV。
实施例3
本实施例的一种激光增材制造沉没辊复合轴套，所述的轴套包括沉没辊轴套本体1和抗磨耐蚀表层2，所述的抗磨耐蚀表层2覆盖在所述的沉没辊轴套本体1上。
其中，所述的沉没辊轴套本体1材料的化学组成及其质量分数包括0.38％C、22.60％Cr、8.35％Ni、0.05％Ce、0.03％N、5.61％Mo、2.76％Al、12.30％Nb、3.29％Si、0.34％Mn、0.020％P、0.017％S、余量为Fe和其他不可避免的杂质。所述的抗磨耐蚀表层2材料的化学组成及其质量分数包括18.08％B、28.34％Cr、16.92％Co、10.12％W、0.80％Y、2.23％C和23.51％Ni。
本实施例的一种激光增材制造沉没辊复合轴套的制备方法，包括如下步骤：
(1)在500公斤中频感应电炉内将所述沉没辊轴套本体熔炼成金属熔液，当金属熔液的温度达到1571℃，采用消失模铸造方法，浇注成沉没辊复合轴套本体毛坯，继续加热至625℃，保温处理3.5h后，炉冷至温度低于150℃，出炉空冷至室温，进行粗加工，得到沉没辊复合轴套本体1；
(2)在步骤(1)得到的沉没辊复合轴套本体1的外表面上采用激光熔覆增材制造方法将抗磨耐蚀表层2覆盖上，激光熔覆单边厚度3.4-3.5mm的抗磨耐蚀表层2，激光功率4100W，激光束斑点被固定为5mm×5mm的正方形斑点，扫描速度10mm/秒，送粉率28克/分钟；激光熔覆后精加工至规定尺寸和精度，得到所述的激光增材制造沉没辊复合轴套。
本实施例的沉没辊复合轴套的本体1具有良好的高温强韧性，500℃时的抗拉强度880MPa，冲击韧性αKU74 J/cm2；复合轴套的抗磨耐蚀表层2硬度高，硬度1291HV。
本发明沉没辊复合轴套的本体具有良好的高温强韧性，500℃时的抗拉强度大于850MPa，冲击韧性αKU大于65J/cm2，确保轴套使用中不变形，不开裂。本发明沉没辊复合轴套的表层硬度高，硬度大于1250HV，具有优异的耐磨性和良好的抗锌液腐蚀能力，在480℃的锌液腐蚀环境下，本发明沉没辊复合轴套的使用寿命超过45天，比316L不锈钢沉没辊轴套寿命大幅度延长。本发明采用创新性的成分配比对沉没辊轴套进行制造，微观组织相对于现有轴套更为致密，并且力学性能优秀，经久耐用，能够有效保证沉没辊长时间稳定运行。本发明制造方法适应性强，操作简便，规范性强，生产成本较低，具有巨大的实用价值，推广应用本发明轴套，能够提高热镀锌机组作业率，减轻工人劳动强度，提高热镀锌钢板表面质量，具有良好的经济和社会效益。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种激光增材制造沉没辊复合轴套，其特征在于，所述的轴套包括沉没辊轴套本体和抗磨耐蚀表层，所述的抗磨耐蚀表层覆盖在所述的沉没辊轴套本体上。
2.根据权利要求1所述的一种激光增材制造沉没辊复合轴套，其特征在于，所述的沉没辊轴套本体材料的化学组成及其质量分数包括0.30-0.43％C、22.15-22.83％Cr、8.06-8.51％Ni、0.03-0.06％Ce、0.02-0.05％N、5.40-5.79％Mo、2.64-2.88％Al、12.18-12.53％Nb、3.21-3.46％Si、0.27-0.41％Mn、<0.025％P、<0.020％S、余量为Fe和其他不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的一种激光增材制造沉没辊复合轴套，其特征在于，所述的抗磨耐蚀表层材料的化学组成及其质量分数包括18.03-18.77％B、28.17-28.60％Cr、16.45-16.92％Co、9.75-10.66％W、0.75-0.89％Y、2.17-2.30％C和23.21-23.74％Ni。
4.一种权利要求1-3任意一项所述的激光增材制造沉没辊复合轴套的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将所述的沉没辊轴套本体熔炼成金属熔液，浇注成沉没辊复合轴套本体毛坯，继续加热，保温处理，炉冷至温度低于150℃，出炉空冷至室温，粗加工，得到沉没辊复合轴套本体；
(2)在步骤(1)得到的沉没辊复合轴套本体的外表面上采用激光熔覆增材制造方法将抗磨耐蚀表层覆盖上，激光熔覆后精加工至规定尺寸和精度，得到所述的激光增材制造沉没辊复合轴套。
5.根据权利要求4所述的激光增材制造沉没辊复合轴套的制备方法，其特征在于，浇注成沉没辊复合轴套本体毛坯时金属熔液温度为1564-1578℃。
6.根据权利要求4所述的激光增材制造沉没辊复合轴套的制备方法，其特征在于，步骤(1)中继续加热至600-650℃，保温3-4h。
7.根据权利要求6所述的激光增材制造沉没辊复合轴套的制备方法，其特征在于，步骤(1)中继续加热至625℃，保温3.5h。
8.根据权利要求6所述的激光增材制造沉没辊复合轴套的制备方法，其特征在于，步骤(1)中浇注成沉没辊复合轴套本体毛坯采用的方法为消失模铸造或熔模铸造。
9.根据权利要求4所述的激光增材制造沉没辊复合轴套的制备方法，其特征在于，步骤(2)中激光熔覆单边厚度3.2-3.6mm的抗磨耐蚀表层。
10.根据权利要求4所述的激光增材制造沉没辊复合轴套的制备方法，其特征在于，步骤(2)中激光熔覆增材制造方法中的参数为：激光功率3800-4300W，激光束斑点被固定为5mm×5mm的正方形斑点，扫描速度8-12mm/秒，送粉率25-30克/分钟。
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