CN113913722A - 无缝钢管轧制用芯棒的表面复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无缝钢管轧制用芯棒的表面复合涂层，它由打底层、过渡层和表层组成：打底层为普碳合金材料，厚度为3‑8mm；过渡层为Ni基合金，厚度0.01‑0.05mm；表层为Ni基合金掺杂一定比例的WC、Cr2C3或它们的混合物涂层，厚度0.03‑0.2mm。本发明公开了无缝钢管轧制用芯棒的表面复合涂层的制备方法，具体步骤如下：(1)堆焊前加工；(2)堆焊；(3)堆焊后热处理；(4)堆焊后加工；(5)喷涂前预处理；(6)超音速喷涂；(7)后加工。本发明表面复合复合涂层的性能良好，具有高的耐磨性、耐腐蚀性以及耐热疲劳性能，显著提高了产品的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及芯棒修复方法领域，具体为一种无缝钢管轧制用芯棒的表面复合涂层及其制备方法。
背景技术
芯棒是连轧机组中轧制无缝钢管的热变形工具，主要是在高温下用芯棒对钢坯进行穿孔。芯棒的工作条件极为复杂恶劣：热轧芯棒在轧制时的温度较高，同时要承受很高的轴向张应力和径向压应力；芯棒在使用过程中处于非稳定的温度场中，使用温度高达1000℃以上，表面温升达到700℃，使用后采用水冷，承受冷热交替循环和热磨损。因此，芯棒需具备耐磨损、耐热疲劳以及耐腐蚀性能。使用过程中芯棒的主要失效形式是局部裂纹和磨损过快。
当芯棒失效后，为了节约成本，一般都要对芯棒进行修复。目前，芯棒的修复方法通常是采用“堆焊+电镀”的方法，该方法主要存在以下不足：1、堆焊采用多种材料梯度堆焊，含碳量高，堆焊工艺性差；2、电镀层强度低，易出现耐磨、脱落。同时，电镀工艺污染性大，不符合国家绿色制造的要求。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供无缝钢管轧制用芯棒表面的复合涂层及其制备方法。本发明复合涂层的性能良好，具有高的耐磨性、耐腐蚀性以及耐热疲劳性能，显著提高了产品的使用寿命。同时，整个修复制造过程绿色无污染。
本发明无缝钢管轧制用芯棒的表面复合涂层，它由打底层、过渡层和表层组成：打底层为普碳合金材料，厚度为3-8mm；过渡层为Ni基合金，厚度0.01-0.05mm；表层为Ni基合金掺杂一定比例的WC、Cr2C3或它们的混合物涂层，厚度0.03-0.2mm。
本发明无缝钢管轧制用芯棒的表面复合涂层的制备方法，具体步骤如下：
(1)堆焊前加工：采用大型数控车床对芯棒进行加工；
(2)堆焊：采用埋弧焊工艺制备厚度为3-8mm的普碳合金材料作为底层；
(3)堆焊后热处理：将芯棒放入加热炉内，进行退火去应力处理；
(4)堆焊后加工：采用大型数控车床对芯棒进行加工，使芯棒尺寸比成品直径小0.1-0.3mm；
(5)喷涂前预处理：采用有机溶剂、酒精等将芯棒进行清洗或活化处理；待喷涂面采用喷砂进行预处理，喷砂后表面粗糙度Ra5-8；
(6)超音速喷涂：采用喷涂设备制备厚度为0.01-0.05mm的Ni基合金过渡层；采用喷涂设备制备厚度为0.03-0.2mm的Ni基合金掺杂一定比例的WC或Cr2C3或它们的混合物涂层；
(7)后加工：在数控机床上采用砂带对芯棒进行表面抛磨处理，表面粗糙度达到Ra≤0.8。
进一步地，步骤(1)、(2)、(3)主要针对修复件而言，首先去除原疲劳层及缺陷，然后通过堆焊恢复尺寸。
进一步地，步骤(2)堆焊前需要预热，预热采用卧式预热炉进行，内置时时监测热电偶，保证达到预热温度要求，同时防止预热不均的现象出现。
进一步地，步骤(2)堆焊材料为普碳合金类材料，堆焊厚度根据尺寸要求确定，保证加工余量。
进一步地，步骤(3)堆焊后热处理的温度500-550℃，保温3-5h。
进一步地，步骤(6)喷涂的工艺参数为：氧气流量为800-950L/min，煤油流量为0.3-0.5L/min，喷涂距离350-400mm，送粉量50-100g/min。
进一步地，步骤(6)的过渡层首选Ni基合金材料，粒度为15～53um。
进一步地，步骤(6)中的表层首选Ni基粉末杂一定比例的WC或Cr2C3或两者的混合物材料，粒度为15～53um。
与现有技术相比，本发明的优点是：一、堆焊材料是普碳合金材料，仅仅用于恢复尺寸，焊接工艺性及强度都较好，对预热和后热要求低，不易出现裂纹等缺陷；二、采用热喷涂技术制作表面强化层，降低了对堆焊材料性能的要求，采用单一成分堆焊层，过程易于控制，同时该制备方法绿色无污染；三、热喷涂技术效率高，热输入小(＜120℃)，制作过程中不需要考虑芯棒的变形问题；四、使用的涂层材料结合喷涂技术的优势，结合了耐磨性、耐腐蚀性、以及耐热疲劳性能，显著提高了产品的使用寿命。
具体实施方式
实施例1
本发明无缝钢管轧制用芯棒的表面复合涂层，由打底层、过渡层和表层组成：打底层为普碳合金材料，厚度为3-8mm；过渡层为Ni基合金，厚度0.01-0.05mm；表层为Ni基合金掺杂一定比例的WC、Cr2C3或它们的混合物涂层，厚度0.03-0.2mm。
实施例2
本发明无缝钢管轧制用芯棒的表面复合涂层的制备方法，具体步骤如下：
(1)堆焊前加工：采用大型数控车床对芯棒进行加工；
(2)堆焊：采用埋弧焊工艺制备厚度为3-8mm的普碳合金材料作为底层；
(3)堆焊后热处理：将芯棒放入加热炉内，进行退火去应力处理；
(4)堆焊后加工：采用大型数控车床对芯棒进行加工，使芯棒尺寸比成品直径小0.1-0.3mm；
(5)喷涂前预处理：采用有机溶剂、酒精等将芯棒进行清洗或活化处理；待喷涂面采用喷砂进行预处理，喷砂后表面粗糙度Ra5-8；
(6)超音速喷涂：采用喷涂设备制备厚度为0.01-0.05mm的Ni基合金过渡层；采用喷涂设备制备厚度为0.03-0.2mm的Ni基合金掺杂一定比例的WC或Cr2C3或它们的混合物涂层；
(7)后加工：在数控机床上采用砂带对芯棒进行表面抛磨处理，表面粗糙度达到Ra≤0.8。
其中，步骤(1)、(2)、(3)主要针对修复件而言，首先去除原疲劳层及缺陷，然后通过堆焊恢复尺寸。
其中，步骤(2)堆焊前需要预热，预热采用卧式预热炉进行，内置时时监测热电偶，保证达到预热温度要求，同时防止预热不均的现象出现。
其中，步骤(2)堆焊材料为普碳合金类材料，堆焊厚度根据尺寸要求确定，保证加工余量。
其中，步骤(3)堆焊后热处理的温度500-550℃，保温3-5h。
其中，步骤(6)喷涂的工艺参数为：氧气流量为800-950L/min，煤油流量为0.3-0.5L/min，喷涂距离350-400mm，送粉量50-100g/min。
其中，步骤(6)中的过渡层首选Ni基合金材料，粒度为15～53um。
其中，步骤(6)中的表层首选Ni基粉末杂一定比例的WC或Cr2C3或两者的混合物材料，粒度为15～53um。
在热喷涂工艺执行过程中，可根据不同的工况即轧制的钢管材料进行选择：针对普碳钢管和不锈钢管，可采用Ni基合金掺杂不同比例的WC、Cr2C3或它们的混合物涂层，来调节涂层的耐磨性和塑韧性。
对现有电镀层的性能和本发明复合涂层的性能进行对比，本发明的复合涂层表层为Cr2C3-NiCr(质量比3:1)和WC-NiCr(质量比1：4)复合材料。
(一)抗热震性能试验：将试样(规格50*50*20mm)放入800℃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。结果如表1所示：
表1
| 序号 | 涂层 | 试验次数 | 表面状态 |
| 1 | 电镀层 | 20 | 可见裂纹 |
| 2 | Cr<sub>2</sub>C<sub>3</sub>-NiCr(3:1)涂层 | 28 | 无变化 |
| 3 | WC-NiCr(1:4)涂层 | 28 | 可见裂纹 |
表1
从上述实验数据表明，本发明芯棒的复合涂层的抗热震性能良好。
(二)耐磨损性能试验：采用MMS-2A微机控制磨损试验机进行滑动磨损实验，在同等工况及时间下的失重情况对比。结果如表2所示：
表2
从上述实验数据表明，本发明的芯棒复合涂层的耐磨损性能良好。
因此，从复合涂层试样和电镀层试样的各个性能比较可以得出：本发明复合涂层的抗热震性能、耐磨损性能都远优于电镀层，因此本发明复合涂层的无缝钢管芯棒的使用寿命至少是使用电镀修复的无缝钢管芯棒的寿命的2倍。
与现有技术相比，本发明的优点是：一、堆焊材料是普碳合金材料，仅仅用于恢复尺寸，焊接工艺性及强度都较好，对预热和后热要求低，不易出现裂纹等缺陷；二、采用热喷涂技术制作表面强化层，降低了对堆焊材料性能的要求，采用单一成分堆焊层，过程易于控制，同时该制备方法绿色无污染；三、热喷涂技术效率高，热输入小(＜120℃)，制作过程中不需要考虑芯棒的变形问题；四、使用的涂层材料结合喷涂技术的优势，结合了耐磨性、耐腐蚀性、以及耐热疲劳性能，显著提高了产品的使用寿命。
本发明制备方法不仅仅局限于对无缝钢管轧制用芯棒的修复，在制造无缝钢管轧制用芯棒的新品时也可以使用本发明制备方法直接对芯棒的表面进行强化(从本发明修复方法的步骤4开始，且此时表面复合涂层为两层：过渡层+表层)，从而延长其使用寿命。
最后补充说明，以上所述案列仅为本发明的优选方案而已。虽然实施案例的对本发明进行了完整的说明，但对于本领域的相关人员来说，其依然可以对本发明的实施案例的方法进行修改、改进等。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.无缝钢管轧制用芯棒的表面复合涂层，其特征在于：它由打底层、过渡层和表层组成：打底层为普碳合金材料，厚度为3-8mm；过渡层为Ni基合金，厚度0.01-0.05mm；表层为Ni基合金掺杂一定比例的WC、Cr2C3或它们的混合物涂层，厚度0.03-0.2mm。
2.无缝钢管轧制用芯棒的表面复合涂层的制备方法，具体步骤如下：
(1)堆焊前加工：采用大型数控车床对芯棒进行加工；
(2)堆焊：采用埋弧焊工艺制备厚度为3-8mm的普碳合金材料作为底层；
(3)堆焊后热处理：将芯棒放入加热炉内，进行退火去应力处理；
(4)堆焊后加工：采用大型数控车床对芯棒进行加工，使芯棒尺寸比成品直径小0.1-0.3mm；
(5)喷涂前预处理：采用有机溶剂、酒精等将芯棒进行清洗或活化处理；待喷涂面采用喷砂进行预处理，喷砂后表面粗糙度Ra5-8；
(6)超音速喷涂：采用喷涂设备制备厚度为0.01-0.05mm的Ni基合金过渡层；采用喷涂设备制备厚度为0.03-0.2mm的Ni基合金掺杂一定比例的WC或Cr2C3或它们的混合物涂层；
(7)后加工：在数控机床上采用砂带对芯棒进行表面抛磨处理，表面粗糙度达到Ra≤0.8。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是：步骤(1)、(2)、(3)主要针对修复件而言，首先去除原疲劳层及缺陷，然后通过堆焊恢复尺寸。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是：步骤(2)堆焊前需要预热，预热采用卧式预热炉进行，内置时时监测热电偶，保证达到预热温度要求，同时防止预热不均的现象出现。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是：步骤(2)堆焊材料为普碳合金类材料，堆焊厚度根据尺寸要求确定，保证加工余量。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是：步骤(3)堆焊后热处理的温度500-550℃，保温3-5h。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是：步骤(6)喷涂的工艺参数为：氧气流量为800-950L/min，煤油流量为0.3-0.5L/min，喷涂距离350-400mm，送粉量50-100g/min。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是：步骤(6)的过渡层首选Ni基合金材料，粒度为15～53um。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是：步骤(6)中的表层首选Ni基粉末杂一定比例的WC或Cr2C3或两者的混合物材料，粒度为15～53um。
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