CN112359310A

CN112359310A - 辊轴表面涂层方法

Info

Publication number: CN112359310A
Application number: CN202011010533.XA
Authority: CN
Inventors: 孙小丛; 齐赛; 易平; 邓廷全; 李文喜
Original assignee: Xiangyang Zhenben Transmission Equipment Co ltd
Current assignee: Xiangyang Zhenben Transmission Equipment Co ltd
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2021-02-12

Abstract

一种辊轴表面涂层方法，用于冶金设备中对辊轴的表面处理。辊轴基体采用GCr15材料，依次经过粗车、表面淬火处理、精车、磨削、时效处理、半精磨削、表面涂层处理、精磨削得到辊轴产品；辊轴表面涂层处理包括喷涂前准备、表面预处理、喷涂、喷涂后处理；表面涂层处理采用超音速火焰喷涂设备，喷枪与辊轴的相对运动速度可达到1200m/s，涂层密度可达到17.5g/cm³，氧化物含量≤0.05%。本发明涂层孔隙率低，组织致密均匀，抗热震性能好，涂层耐腐蚀性和韧性、涂层结合强度、硬度、孔隙率及磨损性能优良，不仅可修复,还可提高矫直辊耐磨性,延长矫直辊使用寿命,改善钢材表面质量,实现绿色环保，再生能源利用。

Description

辊轴表面涂层方法

技术领域

本发明涉及冶金设备技术领域，具体是一种辊类产品表面涂层的方法。

背景技术

随着尖端科学和现代工业的高速发展,必须要求机械设备能在高温、高压、高速度和高度自动化，以及严重的磨损和腐蚀等恶劣的工况条件下长期稳定运行，而采用高性能的高级材料制造整体设备及零件，以获得表面防护和强化效果,显然不经济,甚至不可能。

辊类产品表面强化处理技术主要分为感应加热淬火技术、堆焊技术、热喷涂技术、热喷焊技术和激光表面改性技术等。

(1)感应加热淬火技术

感应加热淬火是指将工件置于有足够功率输出的感应线圈中,在高频交流磁场的作用下,工件表面被迅速加热到钢的相变临界温度之上,然后在冷却介质中快速冷却获得马氏体。但产品硬度取决于材料成分，硬度要求越高，材料成本也越高。

(2)堆焊技术

堆焊是在零件表面熔覆一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。矫直辊采用堆焊技术修复后,堆焊层与母材能实现冶金结合,堆焊获得的矫直辊表面层厚度最大。采用堆焊方法修复旧矫直辊和制造新辊已成为降低成本和提高效益的重要举措。但其加工热量高，变形大，加工余量大，材料损耗多。

(3)电镀铬技术

电镀是指通过电化学方法在固体表面沉积一层金属或合金的过程。电镀层可提高金属零件在使用环境中的抗蚀性能，以及如硬度、耐磨性、导电性、电磁性、耐热性等工作性能,硬度可达到HV900～1000左右，可装饰零件的外表,使其光亮美观。但电镀对环境影响较大，铬层结合强度低。

(4)热喷涂技术

热喷涂是采用热源使涂层材料加热熔化或半熔化后,用高速气体使涂层材料分散细化，并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。通过热喷涂技术处理矫直辊基体变形小,热影响区浅，喷涂层硬度比堆焊高,采用火焰喷涂耐磨性比电弧堆焊提高3-4倍。但火焰喷涂层与基体结合强度较低，不能承受交变载荷和冲击载荷。

（5）激光表面改性技术

激光表面改性加工的主要优势在于加工材料范围广,适用于各种金属和非金属材料的非接触加工,热变形≥0.5mm,加工精度较高，可进行微细加工，加工速度快,效率高，不仅可以进行打孔和切割,也可进行焊接、热处理等；可控性好，易于自动控制，可提高产品的磨损及硬度，延长使用寿命。但其只适用于软态基材上进行表面自熔的微冶金结合层，热变形大于辊类产品要求。

对辊类产品表面超音速喷涂可望解决传统涂层材料涂层硬度的提高与辊类产品韧性、脆性的矛盾，以及涂层与基体的匹配性、结合性下降、涂层易开裂、硬质相易脱落等问题。因此,对材料进行表面涂层处理，以获得良好的综合机械性能的研究就显得越来越重要。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种辊轴表面涂层方法，以提高辊类产品表面质量及使用寿命。

为实现上述发明目的，本发明的辊轴基体采用GCr15材料，依次经过粗车加工、表面淬火处理、精车加工、磨削加工、时效处理、半精磨削加工、表面涂层处理、精磨削加工得到辊轴产品；辊轴表面涂层处理包括喷涂前准备、表面预处理、喷涂、喷涂后处理；表面涂层处理采用超音速火焰喷涂设备，喷枪采用圆筒型燃烧室,压力为0.4-0.8MPa，燃烧火焰温度2700～3000C,焰流速度可达1500m/s以上,喷枪与辊轴的相对运动速度可达到1200m/s，涂层密度可达到17.5g/cm³，氧化物含量≤0.05%。

所述辊轴表面涂层处理的喷涂前准备：确定辊轴的涂层厚度及涂层材料、、粉末粒度、以及喷枪与辊轴的相对运动速度；

表面预处理：包括（a）表面清理：清除辊轴表面的油污、铁锈、漆层，使辊轴表面洁净,油污和油漆用溶剂清洗剂清除；（b）采用喷砂、开槽、车螺纹、拉毛中的一种对辊轴表面进行粗化处理；喷砂砂料为石英砂、氧化铝砂、冷硬铁砂中的一种，砂料必须坚硬、清洁干燥、有尖锐棱角，对表面粗化后所呈现的新表面,必须防止其污染,保存在清洁、干燥的环境中,粗化后进行喷涂,喷涂时间不超过两个小时；（c）对辊轴非喷涂部位必需加以保护,用耐热的玻璃布或石棉屏蔽起来，对于辊轴表面上的键槽、油孔不允许喷涂的部位,用石墨块或粉笔堵平或高于辊轴表面，喷后清除所使用的清除工具棱角要倒钝，不能碰伤涂层；

喷涂工艺及参数：（a）对于破鳞线类辊轴采用喷涂碳化钨WC-Co涂层,其化学成分为88%(WC)+12%(Co)，其中WC的粒度≦15um，涂层厚度为0.1～0.2mm；镀锌铝业的拉矫辊类辊轴采用碳化镍铬CrC-NiCr耐热合金涂层，其化学成分为6.77%(C)+1.84%(Ca)+3.82%(Ba)+4.64%(F)+26.82%(Ni)+56.11%(Cr)，粒度≦15um，涂层厚度为0.03～0.08mm；（2）喷涂时,选用氧-燃料比例为8.9-15,能保证燃烧时氧与燃气分子全部耗尽，产生中性焰；氧气流量为368～526L/min，压力为0.55～1.2Mpa；燃料流量为37～46L/min，压力为0.25～0.7Mpa；（3）在喷涂WC-Co涂层时，送粉气体流量为38-60g/min，送粉压力为0.5～1.3Mpa，涂层孔隙率为0.3～1%，显微硬度HV1100～1600，粉末沉积率为45-55%；喷涂CrC-NiCr涂层时，送粉气体流量为27～45g/min，送粉压力为0.15～0.3Mpa；（4）喷涂距离为60-380mm，喷枪与辊轴的相对运动速度1200m/s以上，喷枪移动距离1～100mm/s；

喷涂后处理：喷涂后,对辊轴使用封孔剂进行封孔处理,封孔剂必须浸透性好,耐化学作用,不溶解,不变质，在工作温度下性能稳定,采用石蜡,环氧,酚醛中的一种；当喷涂后的尺寸精度与表面粗糙度不能满足要求时,必需采用车削或磨削对其进行机械加工。

本发明与现有技术相比，采用超音速火焰喷涂技术，可使辊类产品表面涂层的耐磨性达到电镀硬铬层的10倍，涂层孔隙率低，组织致密均匀，抗热震性能好，涂层的耐腐蚀性和韧性、涂层结合强度、显微硬度、孔隙率及磨损性能明显优于电镀硬铬层，不仅可以修复,而且还可以提高矫直辊的耐磨性,延长矫直辊的使用寿命,改善钢材的表面质量,实现绿色环保，再生能源利用，具有明显的经济效益。具体参数如下：

1、辊面使用寿命可提高3倍；

2、涂层与基体结合强度＞85MPa;

3、涂层的孔隙率为0.3～1%;

4、涂层显微硬度为HV1100～1600；

5、涂层表面粗糙度为Ra1.6～6.4；

6、涂层粉末沉积率为45-55%。

具体实施方式

本发明的辊轴基体采用GCr15材料，依次经过以下工序得到辊轴产品：（1）粗车加工：去除辊轴表面大部分加工余量；（2）表面淬火处理：提高辊面硬度,最高可达到HV780；（3）精车加工辊轴其它部位；（4）磨削加工：可减小辊面变形，提高粗糙度；（5）时效处理：消除辊轴加工应力；（6）半精磨削加工：为后续辊轴的喷涂做准备；（7）表面涂层处理：提高辊面耐磨性及综合性能；（8）精磨削加工。

辊轴表面涂层处理包括喷涂前准备、表面预处理、喷涂、喷涂后处理等四个主要步骤。

喷涂前准备。首先确定涂层的厚度：涂层厚度应考虑预留辊轴加工余量,同时还要兼顾喷涂时的热胀冷缩等因素；涂层材料的确定：涂层材料应根据被喷涂辊轴的材料与涂层材料间的配合要求、技术要求及工作条件等，分别选择结合层与工作层材料，再确定粉末粒度以及喷枪与辊轴的相对运动速度。

表面预处理。是保证辊轴涂层与基体结合强度的重要工序。包括：（1）表面清理：清除辊轴表面的油污、铁锈、漆层等，使辊轴表面洁净,油污和油漆可以用溶剂清洗剂清除。（2）表面粗化：目的是为了增强辊轴涂层与基体的结合力,消除应力效应,常用的有喷砂、开槽、车螺纹、拉毛。（3）喷砂砂料可以选择石英砂、氧化铝砂、冷硬铁砂等，砂料以锋利坚硬为好,必须清洁干燥,有尖锐棱角，砂料尺寸、空气压力的大小、喷砂角度、距离和时间应该根据具体情况确定。对表面粗化后所呈现的新表面,严禁用手触摸,必须防止其污染,保存在清洁、干燥的环境中,粗化后尽快喷涂,一般喷涂时间不超过两个小时。（4）对辊轴非喷涂部位需加以保护,可以用耐热的玻璃布或石棉屏蔽起来，对于辊轴表面上的键槽、油孔等不允许喷涂的部位,可以用石墨块或粉笔堵平或略高于表面，喷后清除时,所使用的清除工具棱角要倒钝，不要碰伤涂层。

喷涂采用超音速火焰喷涂设备，其工艺控制主要依靠大幅度提高喷涂颗粒的速度来获得高质量的涂层,即:高的燃烧室压力→高的燃流速度→高的颗粒飞行速度→高的涂层质量。涂层性能与气流的速度和温度有关,但粒子的速度或动能对涂层质量的作用更大。由动量定理可知,粒子速度越高,动量越大,沉积时的冲量越大；粒子速度越高,粒子对基体的撞击作用越强,粒子变形越充分,使涂层中颗粒之间的连接更加紧密,从而减小了涂层孔隙率,增大了涂层的结合强度。因此喷涂中可控工艺参数有:喷嘴长度、喷涂距离、喷枪移动距离、氧气流量及压力、燃料流量及压力、送粉气体流量及压力、冷冻水流量15.75m³/h。喷枪采用圆筒型燃烧室,压力为0.4-0.8MPa，燃烧火焰温度为2700～3000°C,焰流速度可达1500m/s以上,能使火焰特性得到更精确的控制，同时可以提高喷枪与辊轴的相对运动速度，涂层密度可达到17.5g/cm³，氧化物含量≤0.05%；喷涂粉末氧含量高时会造成喷涂涂层中的氧化物夹杂增多，使涂层的致密度和结合强度降低，粉末杂质含量会给粉末的性能和涂层性能带来不利影响；高涂层密度可以均匀降低孔隙率，低氧化物含量能减少粒子的温度和较短的停留时间的火焰，这两项指标对提高辊轴涂层的硬度、抗磨损、致密性、抗腐蚀性能起着非常重要的主导作用。本发明的喷涂工艺及参数：（1）喷涂涂层根据使用工况不同，耐磨性、力学性能要求进行分析，选择相对应的配方和涂层厚度，以确定喷涂参数、粉末粒度、喷枪与工件的相对运动速度。对于破鳞线类辊轴采用喷涂碳化钨WC-Co涂层,其化学成分为88%(WC)+12%(Co)，其中WC的粒度≦15um，涂层厚度为0.1～0.2mm；镀锌铝业的拉矫辊类辊轴采用碳化镍铬CrC-NiCr耐热合金涂层，其化学成分为6.77%(C)+1.84%(Ca)+3.82%(Ba)+4.64%(F)+26.82%(Ni)+56.11%(Cr)，粒度≦15um，涂层厚度为0.03～0.08mm。（2）喷涂的焰流温度及特性取决于氧-燃气流量和混合比例。喷涂时,首先应按照设备的规定要求确定氧气和燃气的流量和压力,以保证喷枪焰流达到设计的功率水平，氧气流量为368～526L/min，压力为0.55～1.2Mpa；燃料流量为37～46L/min，压力为0.25～0.7Mpa。实际生产过程中有多种因素可导致氧-燃料比例的波动,而氧-燃料比例对确定最终的涂层组织十分重要。采用超音速火焰喷涂***喷涂,当氧-燃料比例在8.9～15之间时,可获得高性能的涂层，能保证燃烧时氧与燃气分子全部耗尽，才能产生中性焰，若比例下降，焰流中未消耗尽的氧分子将产生“氧化”气氛，导致熔融粉末粒子过度氧化，使涂层中氧化物含量增多。（3）送粉气体流量及压力也是影响涂层性能的一个重要参数，送粉量过小易污染涂层，增大涂层孔隙率，增加涂层开裂风险，同时也增大了生产成本。在喷涂WC-Co涂层时，送粉气体流量为38-60g/min，送粉压力为0.5～1.3Mpa，涂层孔隙率为0.3～1%，显微硬度HV1100～1600，粉末沉积率为45-55%，涂层性能最优；喷涂CrC-NiCr涂层时，送粉气体流量为27～45g/min，送粉压力为0.15～0.3Mpa，涂层性能最优。（4）喷涂距离：当粉末粒子在距喷枪出口100mm以内即已达到了其最高温度,随着喷距的增加粒子温度逐渐降低,在150-280mm范围内,粒子温度大约降低了60℃,其降低幅度并不大,粒子仍可保持约1775℃的高温；而粒子速度在距喷枪出口大约320mm内是一个逐渐加速的过程,在距喷枪出口320-380左右达到1200m/s以上的最高速度,考虑到高温焰流对基体传热的不利影响,喷距在可能的情况下应尽量增大,对超音速火焰喷涂***来说,适宜的喷涂距离为60-380mm，喷枪移动距离为1～100mm/s。（5）为了使喷枪在高温下长时间工作使用冷水机，冷冻水量选用15.75m³/h。与其它喷涂工艺相比,本发明喷涂喷距的可调整范围是比较大的,这得益于粒子的高速度。较大的喷距可调范围对实际生产十分有利,因为可以根据工件的形状、大小、涂层厚度等要求选择适宜的喷距,以得到良好的综合性能。

喷涂后处理：喷涂后,对辊轴使用封孔剂进行封孔处理,封孔剂必须浸透性好,耐化学作用,不溶解,不变质，在工作温度下性能稳定,能增强涂层性能,常用的有石蜡,环氧,酚醛等。当喷涂后的尺寸精度与表面粗糙度不能满足要求时,必需采用车削或磨削对其进行机械加工。

Claims

1.一种辊轴表面涂层方法，其特征在于：辊轴基体采用GCr15材料，依次经过粗车加工、表面淬火处理、精车加工、磨削加工、时效处理、半精磨削加工、表面涂层处理、精磨削加工得到辊轴产品；辊轴表面涂层处理包括喷涂前准备、表面预处理、喷涂、喷涂后处理；表面涂层处理采用超音速火焰喷涂设备，喷枪采用圆筒型燃烧室,压力为0.4-0.8MPa，燃烧火焰温度2700～3000C,焰流速度可达1500m/s以上,喷枪与辊轴的相对运动速度可达到1200m/s，涂层密度可达到17.5g/cm³，氧化物含量≤0.05%。

2.根据权利要求1所述的辊轴表面涂层方法，其特征在于：所述辊轴表面涂层处理的喷涂前准备：确定辊轴的涂层厚度及涂层材料、粉末粒度、以及喷枪与辊轴的相对运动速度；

喷涂工艺及参数：（a）对于破鳞线类辊轴采用喷涂碳化钨WC-Co涂层,其化学成分为88%(WC)+12%(Co)，其中WC的粒度≦15um，涂层厚度为0.1～0.2mm；镀锌铝业的拉矫辊类辊轴采用碳化镍铬CrC-NiCr耐热合金涂层，其化学成分为6.77%(C)+1.84%(Ca)+3.82%(Ba)+4.64%(F)+26.82%(Ni)+56.11%(Cr)，粒度≦15um，涂层厚度为0.03～0.08mm；（b）喷涂时,选用氧-燃料比例为8.9-15,能保证燃烧时氧与燃气分子全部耗尽，产生中性焰；氧气流量为368～526L/min，压力为0.55～1.2Mpa；燃料流量为37～46L/min，压力为0.25～0.7Mpa；（c）在喷涂WC-Co涂层时，送粉气体流量为38-60g/min，送粉压力为0.5～1.3Mpa，涂层孔隙率为0.3～1%，显微硬度HV1100～1600，粉末沉积率为45-55%；喷涂CrC-NiCr涂层时，送粉气体流量为27～45g/min，送粉压力为0.15～0.3Mpa；（d）喷涂距离为60-380mm，喷枪与辊轴的相对运动速度1200m/s以上，喷枪移动距离1～100mm/s；