CN113737177A

CN113737177A - 一种高温耐磨自润滑侧导板衬板及其加工方法

Info

Publication number: CN113737177A
Application number: CN202111113657.5A
Authority: CN
Inventors: 李雷
Original assignee: Shanghai Dianji University
Current assignee: Shanghai Dianji University
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2021-12-03

Abstract

本发明公开了一种高温耐磨自润滑侧导板衬板及其加工方法，该侧导板衬板呈三明治结构，中间基板为45钢，两侧为由激光熔覆得到的高温耐磨自润滑层，高温耐磨自润滑层由85–97wt％高熵合金、1–5wt％六方氮化硼和2–10wt％共晶BaF₂/CaF₂组成，高熵合金为NiFeAlCoCrB_x，由等摩尔的Ni、Fe、Al、Co、Cr和摩尔含量为x的B组成，x为0.02–0.1，采用两路激光熔覆在中间基板表面形成高温耐磨自润滑层。本发明采用高熵合金提高衬板硬度，采用氮化硼和共晶BaF₂/CaF₂共同提高衬板高温润滑性，有效解决热轧带钢时侧导板衬板磨损快、寿命短及带钢端面被拉伤的问题。

Description

一种高温耐磨自润滑侧导板衬板及其加工方法

技术领域

本发明属于冶金材料领域，具体涉及一种高温耐磨自润滑侧导板衬板及其加工方法。

背景技术

热轧钢带产线卷取机前，侧导板衬板为热轧厂主轧线卷取区域的关键设备，其作用是将带钢对中送入夹送辊，并在进入夹送辊时夹持带钢以减少钢卷的塔形和错层，根据不同钢种及规格，侧导板以不同预设定的压力夹持带钢，造成侧导板与带钢接触部位安装的衬板与带钢产生相对滑动摩擦，在轧制时，钢带温度高，最高温度可达1100℃，且钢带通过速度高，可达15m/s，衬板不但承受摩擦作用，而且是高温冲击摩擦，很快导致衬板磨损。因此，侧导板衬板需具备耐高温摩擦能力和抗高温冲击能力，也即需要高温强度大、高温硬度大，但如果其硬度大，会造成带钢端面被衬板拉毛，出现丝状毛刺，损伤带钢，这就需要侧导板既要有高硬度又不造成带钢边部损伤。

为了既提高衬板硬度又减少带钢边损，有研究提出在高温强度大的材料中加入高温润滑剂来解决上述问题。常用的润滑剂石墨、二硫化钼在高温下会被氧化失效，在超过400℃后，其润滑效果失效，六方氮化硼具有类似于石墨的结构，俗称“白石墨”，具有高温润滑效果，在900℃下仍有良好的润滑效果，但氮化硼价格较贵，而氟化物具有高的化学和热稳定性，共晶BaF₂/CaF₂在温度超过400℃后，由脆性向塑性转变，剪切强度降低，显示出良好的润滑性，润滑性即使到950℃后也不会降低，美国NASA采用Ag与共晶BaF₂/CaF₂为润滑相，制备了PS200、PS212、PS300、PS304、PS400等高温润滑涂层，在500–1000℃之间时，其摩擦系数在0.16–0.4之间波动，解决了斯特林发动机高温润滑和空气动压轴承高温起轴转停润滑的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高温耐磨自润滑侧导板衬板，解决热轧带钢时侧导板衬板磨损快、寿命短以及带钢端面被拉伤的问题，既提高高温强度又降低摩擦系数，在提高侧导板衬板寿命的同时杜绝带钢端面拉丝现象，保证边部完整性。

本发明的另一目的在于提供上述高温耐磨自润滑侧导板衬板的加工方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供的一种高温耐磨自润滑侧导板衬板，呈三明治结构，中间基板为45钢，两侧为由激光熔覆得到的高温耐磨自润滑层，所述高温耐磨自润滑层由85–97wt％高熵合金、1–5wt％六方氮化硼和2–10wt％共晶BaF₂/CaF₂组成，其中所述高熵合金为NiFeAlCoCrB_x，由等摩尔的Ni、Fe、Al、Co、Cr和摩尔含量为x的B组成，x为0.02–0.1。为提高高温硬度，在基板表面激光熔覆高熵合金形成简单的FCC、BCC晶格，硬度高，晶格结构单一，高温稳定性好，并通过固溶强化和沉淀强化提高强度和硬度；为解决带钢边部损伤的问题，在高熵合金中加入高温自润滑材料六方氮化硼和共晶BaF₂/CaF₂来提高高温自润滑性能。

高熵合金由我国台湾地区叶均蔚教授1995年提出，高熵合金含有多种主要元素，合金主元数一般≧5，其中每种主要元素都具有较高的摩尔百分含量，但不超过35％，没有一种合金的含量超过50％。传统合金以一种主元素为主，一般认为合金元素较多时易产生金属间化合物而导致性能变差，而叶均蔚对高熵合金的研究发现多主元合金凝固后，不但不会形成数量众多的金属间化合物，反而形成简单的晶体FCC相或BCC相。高熵合金具有热力学上的高熵效应，由于混合熵高、混合焓低，抑制了金属间化合物的形成，倾向于生成简单的FCC或BCC固溶体相，晶格结构简单，热稳定性高。结晶学上的晶格畸变效应，每种组成元素的原子半径、晶格结构类型和结合能都存在差异，形成固溶体时易形成不对称间隙、不对称键，造成严重的晶格畸变效应，严重的晶格畸变会大幅度提高材料的强度和硬度。动力学上的迟滞扩散效应，由于各组分无溶剂和溶质的差别，因此会造成原子迁移前后各节点的原子组态存在差异，造成不同位置的原子在迁移的时候需要不同的激活能，在原子跃迁过程中，所需能量在不断变化，不利于原子持续迁移，从而使原子的扩散变得迟缓，迟滞扩散效应阻碍氧元素在高熵合金涂层纵向的扩散，从而提高高熵合金涂层的抗氧化性能，迟滞扩散效应还能提升高熵合金在高温使用的稳定性。性能上的“鸡尾酒”效应，高熵合金的性能并不是其***所包含合金元素的性能的简单的叠加，而是所有元素相互作用、共同协作为总体性能做贡献，有可能高熵合金的性能远比各元素性能之和还要高。比如：密度较小的纯Al其自身是一种比较柔软的材料，加入到CoCrCuFeNi高熵合金体系中，高熵合金的硬度未见降低反而升高了，Al元素的加入会促进BCC硬质相的形成，从而提高了高熵合金的硬度。

由于高熵合金具有以上四大效应，导致其性能上高强度、高硬度、高耐磨性、高热稳定性、高抗氧化性、高耐腐蚀性等特点。而侧导板衬板在高温下工作，承受极大的高温摩擦磨损，如果将高熵合金应用于侧导板衬板，则可以解决其抗高温磨损、高温氧化的问题。鉴此，本发明采用高熵合金作为侧导板衬板的主要合金元素。

另一方面，侧导板衬板硬度高，会拉伤带钢端面，使带钢出现边损，纯粹采用高熵合金，硬度大，虽然侧导板衬板寿命提高，但会损伤带钢产品，为了解决带钢边损问题，本申请提出在高熵合金中加入高温润滑剂六方氮化硼、共晶BaF₂/CaF₂，六方氮化硼俗称“白石墨”，在高温下也不会失效，传统固体润滑剂石墨在温度超过400℃后即会氧化，而氮化硼即使在1300℃下也不会氧化或分解，是良好的高温固体润滑剂，但氮化硼熔点高，激光熔覆时不会熔化，导致熔体流动性差，易产生气孔和裂纹，故含量不易超过5wt％，但低于1wt％，则自润滑效果差。为了进一步增大润滑性能，添加一定量的共晶BaF₂/CaF₂，共晶BaF₂/CaF₂在温度超过400℃后，由脆性向塑性转变，剪切强度降低，显示出良好的润滑性，润滑性即使到950℃后也不会降低，共晶BaF₂/CaF₂的熔点低，激光熔覆过程中可熔化，流动性好，故含量可适当增大，共晶BaF₂/CaF₂的添加量为2–10wt％，其含量超过10wt％后材料脆性增加，已产生裂纹，低于2wt％，提高润滑效果不佳。

NiFeAlCoCr是较为典型的BCC型高熵合金体系，FeCoNiCr是高熵合金最基本的合金元素，因为这些元素的原子半径相似，任何两对原子对的混合焓都很接近，可以很好地形成稳定的固溶体，加入适量的Al可促使形成BCC相，且Al的原子半径较大，引起的晶格畸变效应强，加入一定量的B元素可增强合金的流动性，降低合金熔点，提高各元素之间的润湿性，另一方面，由于B元素原子半径小，可固溶在晶格中，引起晶格畸变，进一步提高合金强度和硬度，B元素加入量摩尔比低于0.02，增加流动性和降熔效果不明显，摩尔比含量超过0.1，与铬生成过多的铬硼脆硬相，硬度过大，会引起合金开裂，故B的摩尔含量x的取值范围为0.02–0.1。

本发明提供上述高温耐磨自润滑侧导板衬板的加工方法，包括

(1)制备NiFeAlCoCrB_x高熵合金粉和共晶BaF₂/CaF₂粉；

(2)步骤(1)中所述NiFeAlCoCrB_x高熵合金粉和共晶BaF₂/CaF₂粉与六方BN粉混合均匀，得到高温耐磨自润滑粉体；

(3)步骤(12)中所述高温耐磨自润滑粉体通过激光熔覆在所述中间基板的两侧表面；其中采用两路激光熔覆，第一路激光光斑中心与第二路激光光斑中心之间的距离为5–20mm，第一路激光功率为50–500W，不熔化所述中间基板，仅预热、清理其表面的氧化皮，第二路激光功率为2000–8000W，同时熔化所述高温耐磨自润滑粉体和所述中间基板，且在所述中间基板表面形成高温耐磨自润滑层。

优选地，所述NiFeAlCoCrB_x高熵合金粉的制备方法为：称量等摩尔比的纯Ni、纯Fe、纯Al、纯Co、纯Cr和FeB20合金锭坯，在氩气保护下进行熔炼和雾化制粉，筛选粒度为5–150um的粉体，得到NiFeAlCoCrB_x高熵合金粉。

优选地，所述共晶BaF₂/CaF₂粉的制备方法为：称取重量百分比为62％的BaF₂和38％CaF₂，在1400–1500℃下熔化，熔清后搅拌10–15min，保温10–15min，浇铸为直径20–200mm的锭坯，冷却凝固后粉碎，筛选粒度为5–150um的粉体，得到共晶BaF₂/CaF₂粉；

优选地，所述六方BN粉的粒度为5–150um。

更优选地，所述NiFeAlCoCrB_x高熵合金粉为粒度分别为5–45um和45–150um的粉末混合物。

更优选地，所述六方BN粉的粒度为5–45um。

优选地，步骤(3)中，单道次熔覆层厚度为0.5–1.5mm，经2–5次熔覆后所述高温耐磨自润滑层总厚度为2–7mm。

本发明的上述加工方法中，高熵合金制粉是关键工艺，目前一般的制粉工艺为球磨法制粉，所采用的原材料是金属粉末，将Ni粉、Fe粉等放入球磨机内，并加入酒精等润湿剂进行长时间的球磨，这种方法制备时间长、量小、成本高，所得粉末为扁平状，流动性差，激光熔覆时难以从送粉器送出，只能采用铺粉法进行激光熔覆，但对于管、棒等异型材、或者需要竖直熔覆的零件而言，铺粉法存在巨大的技术困难。本发明提出采用气雾化法制备球形高熵合金粉的办法，所采用原材料为金属锭坯，不是金属粉末，将金属锭坯熔炼为成分合格的合金熔体后，将其注入位于雾化喷嘴之上的中间包内，再由喷嘴喷出与高速气流相遇被雾化为细小液滴，雾化液滴快速凝固成合金粉末，获得的粉末为球形粉，具有高的流动性，能够从送粉器送粉，解决了球磨法粉末为扁平状、流动性差、无法从送粉器送粉的难题，且所得高熵合金成分均匀性和一致性均优于球磨法。激光熔覆时，粉体粒度小于5um后，粉末粘滞性大，会产生结块现象，故粉体粒度不小于5um，粉体粒度大于150um后，会产生熔不透现象，且熔覆表面粗糙度大，故高熵合金粉体粒度为5–150um。

共晶BaF₂/CaF₂粉一般的制备方法是球磨法，同样存在粉体形状为盘片状、流动性差的问题，本发明采用熔炼法，将重量百分比为62％的BaF₂和38％CaF₂混合后，在1400–1500℃下熔化，熔清后，搅拌10–15min，搅拌的目的是为了使成分均匀和脱气，搅拌时间小于10min，脱气效果不佳，15min左右，脱气完成，故搅拌时间宜为10–15min。搅拌后保温10–15min，让熔体稳定，杂质上浮或下沉，将熔体浇铸为直径20mm–200mm的锭坯，冷却凝固后粉碎，铸坯直径低于20mm则浇铸效率低，直径大于200mm则后续粉碎困难，筛选出粒度为5–150um的共晶BaF₂/CaF₂粉体，粉碎的粉体虽然非球形，但流动性优于盘片状。

将制备的粒度为5–150umNiFeAlCoCrB_x高熵合金粉、粒度为5–150um共晶BaF₂/CaF₂粉、粒度为5–150um六方氮化硼粉三种粉体混合均匀，所述六方氮化硼粉由市场购得，混合方法可以是机械搅拌法、球磨法等常用方法，获得高温耐磨自润滑粉体。

采用激光熔覆法将制备的高温耐磨自润滑粉体熔覆在45号基板表面，采用两路激光熔覆法，第一路激光光斑中心与第二路激光光斑中心之间的距离为5–20mm，第一路激光功率较小，功率为50–500W，不熔化基体金属，起预热、清理氧化皮的作用，由于高熵合金硬度大，易产生裂纹，第一路激光首先预热板坯，减小温度梯度，可抑制裂纹产生，第一路激光同时起清理表面氧化皮的作用，可增加高熵合金与基板之间的浸润性，更易与基板形成冶金结合；第2路激光功率较大，功率为2000–8000W，同时熔化粉末和基体表层，从而在45钢板表面熔覆一层高温耐磨自润滑层，单道次熔覆厚度为0.5–1.5mm，经2–5次熔覆后，熔覆层总厚度2–7mm，熔覆层厚度低于2mm，耐磨性能不够，熔覆层厚度大于7mm，熔覆层抗裂性降低，易开裂。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的热轧钢侧导板衬板寿命从24h提高到240–300h，解决了侧导板衬板寿命低的难题。

(2)本发明采用高熵合金提高衬板硬度，采用氮化硼和共晶BaF₂/CaF₂共同提高衬板高温润滑性，解决了热轧带钢边部损伤的问题。

(3)本发明采用气雾化法制备高熵合金粉末，解决球磨法制备粉末成分不均匀、粉体流动性差、只能长铺粉法激光熔覆的问题，可采用喷法进行激光熔覆。

(4)本发明采用两路激光熔覆实现高熵合金与基体之间完全的冶金结合，解决了高熵合金激光熔覆时易热裂的问题。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

某钢厂侧导板衬板原采用45钢，使用寿命为24h左右，在雾化炉的坩埚内加入等摩尔比的Ni、Fe、Al、Co、Cr金属锭，并加入摩尔含量为0.05％的B，熔化温度为1350–1400℃，熔清后，从石墨喷嘴喷出，采用氩气雾化，粉末收集在雾化筒内，通过分级筛对粉末进行筛选，筛选出粒度为45–150um、5–45um的粉体，将这两种粉体分别包装待用。将重量百分比为62％的BaF₂和38％CaF₂混合后，在1450℃下熔化，熔清后，通氩气搅拌12min，搅拌后保温15min，将熔体浇铸如入直径为150mm的锭坯，冷却凝固后采用锤式破碎机破碎，并辗磨为粉末，筛选出粒度为5–150um的共晶BaF₂/CaF₂粉体。购买粒度为5–45um的BN粉末。

将以上三种粉末放入V型混料机，混料24h，混合均匀后，放入真空烘干炉，在120℃下烘干2h，预热激光功率为300W，光斑为矩形，熔覆激光功率为4000W，光斑为圆形，采用旁轴送粉法进行激光熔覆，搭接率为50％，预热激光与熔覆激光之间的距离为10mm，首次熔覆厚度为1.2mm，共熔覆3次，熔覆层总厚度为3.6mm。

通过以上方法制备的高温耐磨自润滑侧导板衬板寿命为11天，较45钢侧导板衬板寿命提高了11倍，效果显著。

以上仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高温耐磨自润滑侧导板衬板，其特征在于，所述高温耐磨自润滑侧导板衬板呈三明治结构，中间基板为45钢，两侧为由激光熔覆得到的高温耐磨自润滑层，所述高温耐磨自润滑层由85–97wt％高熵合金、1–5wt％六方氮化硼和2–10wt％共晶BaF₂/CaF₂组成；其中所述高熵合金为NiFeAlCoCrB_x，由等摩尔的Ni、Fe、Al、Co、Cr和摩尔含量为x的B组成，x为0.02–0.1。

2.权利要求1所述高温耐磨自润滑侧导板衬板的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备NiFeAlCoCrB_x高熵合金粉和共晶BaF₂/CaF₂粉；

(2)步骤(1)中所述NiFeAlCoCrB_x高熵合金粉和共晶BaF₂/CaF₂粉与六方氮化硼粉混合均匀，得到高温耐磨自润滑粉体；

(3)步骤(2)中所述高温耐磨自润滑粉体通过激光熔覆在所述中间基板的两侧表面；其中采用两路激光熔覆，第一路激光光斑中心与第二路激光光斑中心之间的距离为5–20mm，第一路激光功率为50–500W，不熔化所述中间基板，仅预热、清理其表面的氧化皮，第二路激光功率为2000–8000W，同时熔化所述高温耐磨自润滑粉体和所述中间基板，且在所述中间基板表面形成高温耐磨自润滑层。

3.根据权利要求2所述高温耐磨自润滑侧导板衬板的加工方法，其特征在于，所述NiFeAlCoCrB_x高熵合金粉的制备方法为：称量等摩尔比的纯Ni、纯Fe、纯Al、纯Co、纯Cr和FeB20合金锭坯，在氩气保护下进行熔炼和雾化制粉，筛选粒度为5–150um的粉体，得到NiFeAlCoCrB_x高熵合金粉。

4.根据权利要求2所述高温耐磨自润滑侧导板衬板的加工方法，其特征在于，所述共晶BaF₂/CaF₂粉的制备方法为：称取重量百分比为62％的BaF₂和38％CaF₂，在1400–1500℃下熔化，熔清后搅拌10–15min，保温10–15min，浇铸为直径20–200mm的锭坯，冷却凝固后粉碎，筛选粒度为5–150um的粉体，得到共晶BaF₂/CaF₂粉。

5.根据权利要求2所述高温耐磨自润滑侧导板衬板的加工方法，其特征在于，所述六方氮化硼粉的粒度为5–150um。

6.根据权利要求3所述高温耐磨自润滑侧导板衬板的加工方法，其特征在于，所述NiFeAlCoCrB_x高熵合金粉为粒度分别为5–45um和45–150um的粉末混合物。

7.根据权利要求5所述高温耐磨自润滑侧导板衬板的加工方法，其特征在于，所述六方氮化硼粉的粒度为5–45um。

8.根据权利要求2所述高温耐磨自润滑侧导板衬板的加工方法，其特征在于，步骤(3)中，单道次熔覆层厚度为0.5–1.5mm，经2–5次熔覆后所述高温耐磨自润滑层总厚度为2–7mm。