CN101994114A - 热轧无缝钢管轧机限动芯棒激光熔覆耐磨、抗热疲劳合金涂层工艺 - Google Patents

Abstract

一种热轧无缝钢管轧机限动芯棒激光熔覆耐磨、抗热疲劳合金涂层方法，其特点是：首先对限动芯棒的油污及锈层进行表面清理；然后选择钴基合金粉末，采用激光设备和自动送粉装置，在限动芯棒表面进行激光熔覆加工，使之形成0.2--2mm的抗高温氧化、抗热疲劳、抗热磨损的涂层；最后在热处理炉中对激光熔覆后的限动芯棒进行高温回火处理，以减少激光熔覆后涂层及基体组织转变后的残余应力。本发明的激光熔覆合金涂层均匀、致密，具有生产率高、能耗低、熔覆层加工余量小、成品率高以及综合成本低等特点。

Description

热轧无缝钢管轧机限动芯棒激光熔覆耐磨、抗热疲劳合金涂层工艺

技术领域

本发明涉及一种冶金设备部件的耐磨抗蚀方法，特别是涉及一种采用激光熔覆技术的制备热轧无缝钢管轧机限动芯棒耐磨、抗热疲劳合金涂层的工艺，属于IPC国际专利分类表中的C23C24/10(2006.01)I技术领域。

背景技术

我国无缝钢管行业近几年出现了有史以来最快发展，作为轧管机组中重要的工模具-芯棒，其需求也随之大幅增长。业内专家认为：“十一五”期间随着国内正在建设及新建生产线的陆续投产，预计2010年我国芯棒的国内消耗量在1.5～2.0万吨左右。

在无缝钢管的生产费用中，轧制工模具-芯棒的消耗达50-100元/吨。据统计2008年我国热轧无缝钢管产量为2000多万吨，芯棒消耗达10-20亿元，且大口径无缝钢管限动芯棒80％需要进口，钢管企业因此付出高昂的购置费用。因而提高芯棒的使用寿命、降低工具消耗是无缝钢管企业迫切需要解决的技术难题。

限动芯棒在轧制过程中反复急冷急热，承受巨大的循环应力，其表面因此形成热疲劳裂纹及热磨损而失效。目前提高限动芯棒使用寿命的主要途径是采用高合金的热作模具钢及超纯净钢冶炼技术提高限动芯棒的耐磨、抗热疲劳性能。显然整体提高钢的纯净度会带来制造难度的加大及成本的大幅上升，更重要的是芯棒的失效是因为表面裂纹及热磨损的原因而导致整体的报废，无形中会造成社会成本及稀缺、贵重资源的巨大浪费。限动芯棒镀表面硬铬也是目前采用的技术之一，但涂层结合强度差，易剥落且不环保，属国家限制采用的技术。

因此，选择适当的制备热轧无缝钢管轧机限动芯棒耐磨、抗热疲劳合金涂层的工艺，使热轧无缝钢管轧机限动芯棒耐磨、抗热疲劳合金涂层与基体结合强度高、耐磨及抗热疲劳性能好、合金涂层的厚度均匀，是当前亟待解决的课题。

激光熔覆技术作为一种先进的再制造技术，近年来得到了迅速推广和广泛应用。

激光熔覆技术利用高能量激光束聚集能量极高的特点，瞬间将在基材表面预置或与激光同步自动送置的、具有特殊物理、化学或力学性能的合金粉末完全熔化，同时基材部分熔化，形成一种新的复合型材料，激光束扫描后快速凝固，获得与基体冶金结合的致密覆层，以达到恢复几何尺寸和表面强化的目的。

目前，关于利用激光熔覆工艺制备设备部件耐磨抗蚀合金涂层的专利和报道很多：例如，

公开号为CN1202534的中国发明专利申请给出的《金属表面等离子喷涂后激光熔覆制备陶瓷涂层的方法》，该方法是先在金属表面用等离子喷涂方法制备陶瓷涂层，然后在激光照射的同时，将陶瓷粉末喷向涂层表面，对陶瓷涂层进行二次熔覆处理。

公开号为CN1786272的中国发明专利申请给出的《激光熔覆镍基纳米WC/Co预涂层的制备方法》，该制备方法包括下列步骤：①按每克重的虫胶与10～20克重的无水乙醇称量虫胶和无水乙醇，然后将所述的虫胶加入无水乙醇中制成粘结剂；②根据需要按每克镍基纳米WC/Co粉末与0.1毫升～0.25毫升的粘结剂的比例，称量镍基纳米WC/Co粉末和所述的粘结剂并混合，充分搅拌均匀制成预涂胶；③将上述预涂胶均匀地涂在待激光熔覆处理的工件表面，制成预涂层；④烘干。采用自制的粘结剂制备镍基纳米WC/Co预涂层，然后再采用激光熔覆工艺，制备出了表面较平整，较细密、基本消除了裂纹与孔隙并与基体呈冶金结合的镍基纳米WC/Co复合涂层。

公开号为CN101338427的中国发明专利申请给出的《液压支架立柱缸筒、活塞杆耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺》，包括以下工艺过程：首先立柱缸筒、活塞杆表面预处理：室温下对立柱缸筒、活塞杆表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净；然后合金粉末的选择和自动送粉装置的调节：选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末，铁基合金粉末的成份中主要含有Fe、C、Cr、Ni、Mo、Si、N、Nb、Ta、B；最后自动送粉装置的调节：调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.6-1.2mm。

公开号为CN101338425的中国发明专利申请给出的《铁路道岔滑床板表面耐磨抗蚀合金涂层激光熔覆工艺》，包括以下工艺过程：首先滑床板表面预处理，即在室温下对滑床板表面进行除油除锈，并用酒精清洗干净；然后是合金粉末的预置，即把待熔覆的铁基、镍基或钴基合金粉末预置于上述处理后的滑床板表面，并用带有导轨的刮尺来调整预制合金粉末，使之均匀分布在滑床板表面并具有适当的厚度，以满足熔覆后涂层厚度的要求；最后是光熔覆强化滑床板，选用气体CO₂激光器，工作台为数控机床，在滑床板表面进行激光熔覆强化。

公开号为CN101338428的中国发明专利申请给出的《镐形截齿齿体头部激光熔覆耐磨涂层强化工艺》，包括以下工艺过程：首先是截齿齿体头部表面预处理；然后是合金粉末的选择和自动送粉装置的调整；最后是截齿头部激光熔覆耐磨合金涂层。

现有技术给出的上述技术方案虽能利用激光熔覆工艺对部分设备部件进行防腐耐磨涂层处理，并通过配制适当的熔覆材料克服了激光熔层存在的裂纹、气孔和微观结构不均匀性的问题，取得一定的技术效果。但对其他特定的设备部件，例如像热轧无缝钢管轧机限动芯棒这样的特殊结构，现有的激光熔覆工艺已明显不能适应。

经本申请人检索查证：采用激光熔覆工艺完成热轧无缝钢管轧机限动芯棒耐磨、抗热疲劳合金涂层，国内尚无先例，国外也没有见到相关报道。因此，寻找出适当的采用激光熔覆完成热轧无缝钢管轧机限动芯棒耐磨、抗热疲劳合金涂层的工艺方法，仍需所属领域的技术人员进一步作出创造性的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术对热轧无缝钢管轧机限动芯棒耐磨、抗热疲劳合金涂层处理难的课题，通过反复研究改进，给出了一种新的热轧无缝钢管轧机限动芯棒激光熔覆耐磨、抗热疲劳合金涂层工艺。该激光熔覆工艺采用高功率激光设备和同步自动送粉装置，在高功率激光束辐照限动芯棒表面形成激光熔池的同时将性能优异的钴基合金粉末材料同步送入熔池，激光束移开后熔池快速凝固形成0.2--2mm左右的抗高温氧化、抗热疲劳、抗热磨损的涂层，从而提高芯棒使用寿命1倍或数倍以上。

本发明给出的技术方案是：这种热轧无缝钢管轧机限动芯棒激光熔覆耐磨、抗热疲劳合金涂层工艺，采用激光设备和自动送粉装置，在激光束辐照限动芯棒表面形成激光熔池的同时将合金粉末材料送入熔池，激光束移开后熔池快速凝固形成0.2--2mm的抗高温氧化、抗热疲劳、抗热磨损的涂层，其特点是包括有以下步骤：

1、工作层机械加工及表面清理

为了预留激光熔覆所需的工作层厚度，用溶剂或清洗剂清除限动芯棒油污，对限动芯棒锈层用打磨或喷砂清除；

2、激光熔覆加工

1)合金粉末的选择和自动送粉装置的调整

根据限动芯棒工况，采用钴基合金粉末，其化学成份按重量百分比为：C：0.2-0.3％、Cr：25-30％、Ni：2-4％、Mo：4.5-6.5％、Si：0.7-1.5％、余量为Co。调节自动送粉装置送粉速率，以满足涂层厚度所需送粉速率，送粉速率为5-20g/min；

2)圆形光束激光熔覆工艺参数

聚焦镜f＝300～400mm

熔覆功率P＝3000～10000W

光斑直径D＝2～6mm

熔覆扫描速度V＝200～1000mm/min

搭接率40～60％

矩形光束激光熔覆

熔覆功率P＝3000～10000W

矩形光斑长×宽＝(8～10)mm×(1～2)mm

熔覆扫描速度V＝100～800mm/min

搭接率40～60％；

3、后续热处理

在热处理炉中对激光熔覆后的限动芯棒进行高温回火处理：温度为550-600℃，去应力退火5～7个小时，以减少激光熔覆后涂层及基体组织转变后的残余应力。

本发明选用钴基合金粉末具有优良的抗高温氧化性、抗热疲劳性和抗热磨损性；合金热膨胀系数熔与基体十分相近，这样可以抑制激光熔覆过程中由于基材与熔覆材料热物性之间的差异导致产生的组织应力。

本发明的原理是：通过采用高温性能极好的钴基合金粉末，利用激光熔覆先进的工艺手段，在基体上形成0.2-2mm左右的抗高温氧化、热疲劳、抗热磨损的涂层，从而提高芯棒使用寿命，实现高性价比的激光芯棒的制造和在制造。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、激光熔覆钴基合金涂层均匀、致密，与基体形成牢固的冶金结合。

2、采用合金结构钢(35CrMoV、40CrNiMo等)复合激光熔覆钴基合金可取代传统限动芯棒的超纯钢制造技术及昂贵的H11、H13等热作模具钢材料，实现限动芯棒的激光制造。

3、本发明技术具有对环境无污染、无辐射、低噪声，还具有生产率高、能耗低、熔覆层加工余量小、成品率高以及综合成本低等特点。

4、本发明可用于限动芯棒的修复与再制造。

具体实施方式

实施案例1：

热轧无缝钢管轧机限动芯棒激光熔覆制造过程：

1、工作层机械加工及表面清理

机械加工的目的是为了预留激光熔覆所需的工作层厚度，表面清理是保证涂层与基体结合强度的重要工序，限动芯棒油污等用溶剂或清洗剂清除，对限动芯棒锈层可用打磨或喷砂清除。

2、激光熔覆加工

1)合金粉末的选择和自动送粉装置的调整

根据限动芯棒工况，选用钴基合金粉末，钴基合金粉末的化学成份按重量百分比为：C：0.2-0.3％、Cr：25-30％、Ni：2-4％、Mo：4.5-6.5％、Si：0.7-1.5％、余量为Co。

调节自动送粉装置送粉速率，以满足涂层厚度所需送粉速率。

2)激光熔覆工艺参数

聚焦镜f＝400

熔覆功率P＝4000W

光斑直径D＝4mm

熔覆扫描速度V＝500mm/min

搭接率50％

3、后续热处理

在热处理炉中对激光熔覆后的限动芯棒进行高温回火处理：温度为580℃，去应力退火6个小时，以减少激光熔覆后涂层及基体组织转变后的残余应力。

实施例2

本发明的热轧无缝钢管轧机限动芯棒激光熔覆制造过程：

1、工作层机械加工及表面清理

机械加工的目的是为了预留激光熔覆所需的工作层厚度，表面清理是保证涂层与基体结合强度的重要工序，限动芯棒的油污等用溶剂或清洗剂清除，对限动芯棒的锈层可用打磨或喷砂清除。

2、激光熔覆加工

1)合金粉末的选择和自动送粉装置的调整

根据限动芯棒工况，选用钴基合金粉末，钴基合金粉末的化学成份按重量百分比为：C：0.2-0.3％、Cr：25-30％、Ni：2-4％、Mo：4.5-6.5％、Si：0.7-1.5％、余量为Co。

调节自动送粉装置送粉速率，以满足涂层厚度所需送粉速率。

2)激光熔覆工艺参数

熔覆功率P＝7000W

矩形光斑长×宽＝10mm×1mm

熔覆扫描速度V＝400mm/min

搭接率40％

3、后续热处理

在热处理炉中对激光熔覆后的限动芯棒进行高温回火处理：温度为600℃，去应力退火7个小时，以减少激光熔覆后涂层及基体组织转变后的残余应力。

Claims (1)

1.一种热轧无缝钢管轧机限动芯棒激光熔覆耐磨、抗热疲劳合金涂层工艺，采用激光设备和自动送粉装置，在激光束辐照限动芯棒表面形成激光熔池的同时将合金粉末材料送入熔池，激光束移开后熔池快速凝固形成0.2--2mm的抗高温氧化、抗热疲劳、抗热磨损的涂层，其特征在于包括有以下步骤：

(1)工作层机械加工及表面清理

为了预留激光熔覆所需的工作层厚度，用溶剂或清洗剂清除限动芯棒油污，对限动芯棒锈层用打磨或喷砂清除；

(2)激光熔覆加工

1)合金粉末的选择和自动送粉装置的调整

根据限动芯棒工况，采用钴基合金粉末，其化学成份按重量百分比为：C：0.2-0.3％、Cr：25-30％、Ni：2-4％、Mo：4.5-6.5％、Si：0.7-1.5％、余量为Co。调节自动送粉装置送粉速率，以满足涂层厚度所需送粉速率，送粉速率为5-20g/min；

2)圆形光束激光熔覆工艺参数

聚焦镜f＝300～400mm

熔覆功率P＝3000～10000W

光斑直径D＝2～6mm

熔覆扫描速度V＝200～1000mm/min

搭接率40～60％

矩形光束激光熔覆

熔覆功率P＝3000～10000W

矩形光斑长×宽＝(8～10)mm×(1～2)mm

熔覆扫描速度V＝100～800mm/min

搭接率40～60％；

(3)后续热处理

在热处理炉中对激光熔覆后的限动芯棒进行高温回火处理：温度为550-600℃，去应力退火5～7个小时，以减少激光熔覆后涂层及基体组织转变后的残余应力。