CN113894258A - 连铸结晶器足辊的表面涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了连铸结晶器足辊的表面涂层，它由打底层和表层组成；打底层为镍基合金粉末，厚度为0.1‑0.2mm；表层为镍基碳化钨合金粉末，厚度为1‑3mm。其中，打底层的化学成分及质量百分比如下：0.01‑0.03％C、0.3‑1％Fe、2‑3％Si、1‑3％B、其余为Ni；表层的化学成分及质量百分比如下：0.1‑0.4％C、0.3‑1％Fe、2‑3％Si、1‑3％B、10‑30％W、5‑10％Cr、0.5‑1％稀土元素，其余为Ni。本发明还公开了连铸结晶器足辊的表面涂层的制备方法，其具体步骤是：(1)车削(2)探伤(3)车螺纹(4)清洗、活化(5)喷涂(6)重熔(7)精加工。本发明连铸结晶器足辊通过喷涂和重熔的方法进行足辊强化，使表面涂层与基体之间形成冶金结合，并能保证涂层性能稳定，提高其耐磨损及冷热疲劳等性能，延长了连铸结晶器足辊的使用寿命。

Description

连铸结晶器足辊的表面涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料表面改性及冶金工业领域，特别涉及一种连铸结晶器足辊涂层用粉末材料及涂层制备方法。
背景技术
连铸是现代冶金工业领域的先进技术之一，结晶器被称为连铸产线的“心脏”，连铸结晶器足辊则是结晶器下端的重要传输部件，其质量的优劣直接影响钢坯质量和连铸机的生产效率。由于钢坯经过结晶器足辊时处于红热状态，坯壳内部包含液芯，这就导致结晶器足辊在传输过程中不仅承受与钢坯的摩擦而且还承受很高的温度，同时伴随二冷水的喷淋，使得结晶器足辊不断经受冷热循环。因此，足辊的失效形式主要是磨损以及疲劳产生的表面开裂、脱落。
为了解决上述问题，目前传统的手段是采用堆焊的方法在足辊表面制备铁基合金涂层：常用的合金焊丝为430、414N等不锈钢材料。但因为堆焊过程热输入较大，极易产生较大的变形，而且稀释率较大，同时较大的热输入也导致晶粒粗大，力学性能降低。但是采用喷涂的方法由于热喷涂涂层呈现典型的层状结构，且与基体的结合为物理结合，因而难以适应恶劣的环境。因此如何提高连铸结晶器足辊表面的性能，对于钢铁企业降本增效就显得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种连铸结晶器足辊的表面涂层及其制备方法。本发明连铸结晶器足辊通过喷涂和重熔的方法进行足辊强化，使表面涂层与基体之间形成冶金结合，并能保证涂层性能稳定，提高其耐磨损及冷热疲劳等性能，延长了连铸结晶器足辊的使用寿命。
本发明连铸结晶器足辊的表面涂层，它由打底层和表层组成；打底层为镍基合金粉末，厚度为0.1-0.2mm；表层为镍基碳化钨合金粉末，厚度为1-3mm。
进一步地，打底层的化学成分及质量百分比如下：0.01-0.03％C、0.3-1％Fe、2-3％Si、1-3％B、其余为Ni；表层的化学成分及质量百分比如下：0.1-0.4％C、0.3-1％Fe、2-3％Si、1-3％B、10-30％W、5-10％Cr、0.5-1％稀土元素，其余为Ni。
本发明连铸结晶器足辊的表面涂层的制备方法，其具体步骤是：
(1)车削：对结晶器足辊坯料进行车削，车削外径至小于辊子最终尺寸1-2mm；车削内孔至小于辊子最终内孔2-5mm；车削长度至大于辊子最终尺寸3-5mm；
(2)探伤：对车削后的结晶器足辊进行探伤，确保车削后的辊子无裂纹、气孔等缺陷；
(3)车螺纹：采用螺纹刀加工，使辊面形成直角螺纹；
(4)清洗、活化：清洗油污，采用喷砂的方法对螺纹面进行活化处理；
(5)喷涂：采用火焰喷涂方法在直角螺纹面上制备涂层，底层0.1-0.2mm，表层1-3mm；
(6)重熔：进炉整体重熔；
(7)精加工：将结晶器足辊加工至尺寸要求。
进一步地，步骤(1)车削：坯料加工是按照产品规格和成品尺寸进行保留相应余量进行的加工，外径按成品去除涂层厚度的尺寸进行加工，内孔按成品最小内径处保留2-5mm加工余量进行加工。
进一步地，步骤(3)车螺纹：螺纹的螺距2-4mm，螺纹深0.3-0.5mm。
进一步地，步骤(4)清洗、活化：采用菱形铁砂将辊面完全活化。
进一步地，表层粉末和打底层粉末的粒度均为53-150um。
进一步地，步骤(5)喷涂：打底层工艺参数：工件线速度30-35m/min，喷涂距离150-200mm，喷涂步距6-10mm/r，乙炔20-30NLPM，氧气20-40NLPM，送粉率80-100g/min；表层工艺参数：工件线速度10-15m/min，喷涂距离150-200mm，喷涂步距6-10mm/r，乙炔20-30NLPM，氧气20-40NLPM，送粉率80-100g/min。
进一步地，步骤(6)重熔：整体采用真空炉重熔，重熔过程真空度小于10-2Pa，温度900-1100℃，保温时间30-60min。
与现有技术相比，本发明的优点是：一、本发明表面涂层分为打底层和表层，充分利用镍基合金的自溶性和润湿性，以及镍基WC涂层的耐磨损与热疲劳性能，兼顾了涂层所要求的结合强度和耐磨损与热疲劳性能；二、镍基WC复合涂层具有高耐磨性和热疲劳性，粉末含有2-3％Si、1-3％B，一方面降低粉末熔点，保证重熔工艺的可行性，另一方面保证在重熔过程中形成细小的共晶化物Cr7C3、Ni3B等弥散分布在固溶体中，有效改善了涂层的组织和性能；三、镍基WC合金粉末中的稀土元素在重熔过程中起到细化晶粒、净化晶界，增强了合金的抗氧化性和延展性能，使得粉末具有优异的耐磨性和韧性；四、采用整体真空加热重熔，在保证涂层与基体之间形成冶金结合的同时避免了重熔过程中涂层间出现的氧化现象，避免了涂层之间的晶间氧化。总之，采用本发明制备方法得到的连铸结晶器足辊，有效的兼顾涂层与基体的结合强度、涂层的耐磨损与热疲劳性能，涂层硬度为HRC45左右，相较于堆焊足辊的使用寿命提高了5倍以上。
具体实施方式
实施例1
本发明连铸结晶器足辊的表面涂层，它由打底层和表层组成；打底层为镍基合金粉末，厚度为0.1-0.2mm；表层为镍基碳化钨合金粉末，厚度为1-3mm。
其中，打底层的化学成分及质量百分比如下：0.01-0.03％C、0.3-1％Fe、2-3％Si、1-3％B、其余为Ni；表层的化学成分及质量百分比如下：0.1-0.4％C、0.3-1％Fe、2-3％Si、1-3％B、10-30％W、5-10％Cr、0.5-1％稀土元素，其余为Ni。
实施例2
本发明连铸结晶器足辊表面涂层的制备方法，其具体步骤是：
(1)车削：对结晶器足辊坯料进行车削，车削外径至小于辊子最终尺寸1-2mm；车削内孔至小于辊子最终内孔2-5mm；车削长度至大于辊子最终尺寸3-5mm；
(2)探伤：对车削后的结晶器足辊进行探伤，确保车削后的辊子无裂纹、气孔等缺陷；
(3)车螺纹：采用螺纹刀加工，使辊面形成直角螺纹；
(4)清洗、活化：清洗油污，采用喷砂的方法对螺纹面进行活化处理；
(5)喷涂：采用火焰喷涂方法在直角螺纹面上制备涂层，底层0.1-0.2mm，表层1-3mm；
(6)重熔：进炉整体重熔；
(7)精加工：将结晶器足辊加工至尺寸要求。
其中：步骤(1)车削：坯料加工是按照产品规格和成品尺寸进行保留相应余量进行的加工，外径按成品去除涂层厚度的尺寸进行加工，内孔按成品最小内径处保留2-5mm加工余量进行加工。
其中，步骤(3)车螺纹：螺纹的螺距2-4mm，螺纹深0.3-0.5mm。车削螺纹的目的是为了增加喷涂、重熔过程中涂层与基体之间的结合强度。
其中，步骤(4)清洗、活化：采用菱形铁砂将辊面完全活化。
其中，步骤(5)喷涂：表层粉末和打底层粉末的粒度均为53-150um。
其中，步骤(5)喷涂：打底层工艺参数：工件线速度30-35m/min，喷涂距离150-200mm，喷涂步距6-10mm/r，乙炔20-30NLPM，氧气20-40NLPM，送粉率80-100g/min；表层工艺参数：工件线速度10-15m/min，喷涂距离150-200mm，喷涂步距6-10mm/r，乙炔20-30NLPM，氧气20-40NLPM，送粉率80-100g/min。
其中，步骤(6)重熔：整体采用真空炉重熔，重熔过程真空度小于10-2Pa，温度900-1100℃，保温时间30-60min。重熔改善了涂层与基体的结合强度和涂层内在质量，提高涂层使用性能。
当连铸结晶器足辊基体采用42CrMo时，对采用传统的堆焊工艺得到的堆焊层与采用本发明工艺得到的涂层的性能进行对比：
(一)热震试验：将试样(规格
Figure BDA0003275638210000042
)放入500℃马弗炉内，保温15min后取出，快速放入室温清水中，如此反复。将第一次发现宏观裂纹的次数定义为裂纹起裂次数。性能对比如表1所示。
表1
涂层种类 起裂次数 表面状态
堆焊涂层 50 可见微裂纹
本发明涂层 100 无裂纹
(二)磨损实验：在高温端面摩擦磨损试验机上进行，试验温度为500℃，采用的摩擦副为淬火磨具钢。在同等工况及时间下的失重情况对比。性能对比如表2所示。
表2
Figure BDA0003275638210000041
通过上述实验数据表明，本发明的连铸结晶器足辊涂层具有良好的抗疲劳性能和磨损性能。
采用本发明制备方法得到的连铸结晶器足辊，有效的兼顾涂层与基体的结合强度、涂层的耐磨损与热疲劳性能，涂层硬度为HRC45左右。在钢厂连铸中厚板厂上线使用，过钢量60万吨以上，没有出现明显磨损与裂纹，相较于堆焊使用寿命提高了5倍以上。

Claims (9)

1.连铸结晶器足辊的表面涂层，其特征是：它由打底层和表层组成；打底层为镍基合金粉末，厚度为0.1-0.2mm；表层为镍基碳化钨合金粉末，厚度为1-3mm。
2.根据权利要求1所述的表面涂层，其特征是：打底层的化学成分及质量百分比如下：0.01-0.03％C、0.3-1％Fe、2-3％Si、1-3％B、其余为Ni；表层的化学成分及质量百分比如下：0.1-0.4％C、0.3-1％Fe、2-3％Si、1-3％B、10-30％W、5-10％Cr、0.5-1％稀土元素，其余为Ni。
3.连铸结晶器足辊的表面涂层的制备方法，其具体步骤是：
(1)车削：对结晶器足辊坯料进行车削，车削外径至小于辊子最终尺寸1-2mm；车削内孔至小于辊子最终内孔2-5mm；车削长度至大于辊子最终尺寸3-5mm；
(2)探伤：对车削后的结晶器足辊进行探伤，确保车削后的辊子无裂纹、气孔等缺陷；
(3)车螺纹：采用螺纹刀加工，使辊面形成直角螺纹；
(4)清洗、活化：清洗油污，采用喷砂的方法对螺纹面进行活化处理；
(5)喷涂：采用火焰喷涂方法在直角螺纹面上制备涂层，底层0.1-0.2mm，表层1-3mm；
(6)重熔：进炉整体重熔；
(7)精加工：将结晶器足辊加工至尺寸要求。
4.根据权利要求3所述的涂层制备方法，其特征是：步骤(1)车削：坯料加工是按照产品规格和成品尺寸进行保留相应余量进行的加工，外径按成品去除涂层厚度的尺寸进行加工，内孔按成品最小内径处保留2-5mm加工余量进行加工。
5.根据权利要求3所述的涂层制备方法，其特征是：步骤(3)车螺纹：螺纹的螺距2-4mm，螺纹深0.3-0.5mm。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：步骤(4)清洗、活化：采用菱形铁砂将辊面完全活化。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：表层粉末和打底层粉末的粒度均为53-150um。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：步骤(5)喷涂：打底层工艺参数：工件线速度30-35m/min，喷涂距离150-200mm，喷涂步距6-10mm/r，乙炔20-30NLPM，氧气20-40NLPM，送粉率80-100g/min；表层工艺参数：工件线速度10-15m/min，喷涂距离150-200mm，喷涂步距6-10mm/r，乙炔20-30NLPM，氧气20-40NLPM，送粉率80-100g/min。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：步骤(6)重熔：整体采用真空炉重熔，重熔过程真空度小于10-2Pa，温度900-1100℃，保温时间30-60min。
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