CN102453902B

CN102453902B - 在高速线材辊环表面制备碳化钨硬质合金涂层的方法

Info

Publication number: CN102453902B
Application number: CN201010518946.9A
Authority: CN
Inventors: 陶兴启; 陈海涛; 崔忠宝
Original assignee: SHENYANG DALU LASER SYSTEM CO Ltd
Current assignee: SHENYANG DALU LASER SYSTEM CO Ltd
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2030-10-26
Also published as: CN102453902A

Abstract

一种在高速线材辊环表面制备碳化钨硬质合金涂层的方法，采用激光熔覆技术通过同步送粉的方法，在普通的中碳合金钢辊环基体孔型所在部位熔覆形成冶金结合的碳化钨硬质合金涂层，其工艺过程：先选择辊环的基体；然后进行碳化钨硬质合金激光熔覆材料的配制；工作层机械加工及表面清理，激光熔覆加工使辊环表面形成碳化钨硬质合金涂层。本发明提高了辊环的整体耐热疲劳、抗冲击、耐腐蚀的性能，有效的降低甚至杜绝了传统硬质合金因冲击韧性不够而导致的断环的事故。

Description

在高速线材辊环表面制备碳化钨硬质合金涂层的方法

技术领域

本发明涉及一种冶金设备部件表面制备耐磨、抗热涂层的方法，特别是涉及一种采用激光熔覆技术在高速线材辊环表面制备碳化钨硬质合金涂层的方法，属于激光熔覆技术领域。

背景技术

高速线材轧机多采用粉末冶金的碳化钨-钴硬质硬质合金辊环，辊环具有高温硬度高，耐磨性好，但在使用过程中存在着以下明显不足：

1.冲击韧性尚显不够，在疲劳载荷的作用下，疲劳裂纹扩展迅速，表面表面剥落甚至碎辊，断环现象时有发生。

2.耐腐蚀性欠佳，对冷却水PH值要求严格。

3.对加工精度要求极高，辊环安装必须十分仔细。

有关替代传统硬质合金辊环的新材料、新工艺的研究开发一直没有停止过，如采用热等静压的工艺进行的内环为钢、外环为硬质合金的复合辊环，此工艺复杂，内应力大，开裂严重。采用铸造方法进行硬质合金辊环的制造，但铸造方面的问题也较多。

因此，选择适当的在高速线材辊环表面制备碳化钨硬质合金涂层的工艺，使高速线材辊环表面碳化钨硬质合金涂层与基体结合强度高、耐磨性能好、合金涂层的厚度均匀，是所属领域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合金涂层的专利和报道很多：例如，

公开号为CN 1932082的中国发明专利申请给出的《在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺》，其特点在于利用高功率激光器，通过激光快速扫描在结晶器铜板表面熔覆与基体成冶金结合的良好的韧性打底过渡层，并通过激光宽带熔覆在打底合金表面制备耐磨及抗热性能优良的钴基合金。

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耐磨涂层处理，取得一定的技术效果。但对其他特定的设备部件，例如像高速线材辊环这样的特殊结构，现有激光熔覆工艺所提供的工艺参数已明显不能适应。

经本申请人检索查证：采用激光熔覆工艺在高速线材辊环表面制备碳化钨硬质合金涂层，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在高速线材辊环表面制备碳化钨硬质合金涂层的工艺参数，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在高速线材辊环表面制备碳化钨硬质合金涂层处理难的课题，通过反复研究改进，给出了一种新的在高速线材辊环表面制备碳化钨硬质合金涂层的方法。该方法是采用激光熔覆技术通过同步送粉，在普通的中碳合金钢辊环基体孔型所在部位熔覆形成冶金结合的碳化钨硬质合金涂层，辊环工作面熔覆的碳化钨硬质合金涂层与传统的整体钴-碳化钨硬质合金有所不同，韧性相强度有所提高，并保持材料的优越的耐磨性。由于采用了激光熔覆复合制造工艺，硬质合金复合高速线材辊环表面能提高辊环的整体耐热疲劳、抗冲击、耐腐蚀的性能，有效的降低甚至杜绝了传统硬质合金因冲击韧性不够而导致的断环的事故，是现行硬质合金粉末烧结生产硬质合金辊环的取代技术。

本发明给出的技术方案是：这种在高速线材辊环表面制备碳化钨硬质合金涂层的方法，其特点是工艺过程如下：

1、辊环的基体选择

辊环的基体材料为35CrMo、40CrNiMo中低碳合金钢；

2、碳化钨硬质合金激光熔覆材料的配制

A、作为粘接相的镍基合金的化学成分，以质量百分数计：

碳0.05-0.3％、硅2-4％、硼1-3％、铬0-8％、铁0-8％、其余为镍，

B、碳化钨特征

球状铸造碳化钨，粒度40-70um，

C、粉末比例

球状铸造碳化钨质量百分数为60-80％，镍基合金为粘接相质量百分数为20％--40％，

按上述材料及配比范围在电子天平上进行配制，并在混粉器进行混合4小时以上；

3、工作层机械加工及表面清理

机械加工预留出激光熔覆所需的工作层厚度，并进行表面清理油污和锈层；

4、激光熔覆加工

1)合金粉末的选择和自动送粉装置的调整

根据轧辊的工况，选用作为粘接相的镍基合金、球状铸造碳化钨粉末，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

高功率激光窄带熔覆

聚焦镜f＝100～400

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％

高功率激光宽带熔覆

熔覆功率P＝3000～10000W

矩形光斑长×宽＝(2～10)mm×(1～2)mm

熔覆扫描速度V＝100～800mm/min

搭接率40～60％

本发明自行配制的合金粉末由于镍基合金为粘接相与球状铸造碳化钨具高的较高浸润性及材料热物性的差异的协调性，因而有优艺的抗热疲劳性和抗热磨损性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用激光熔覆技术通过同步送粉的方法，在普通的中碳合金钢辊环基体孔型所在部位熔覆形成冶金结合的碳化钨硬质合金涂层，辊环工作面熔覆的碳化钨硬质合金涂层韧性相强度有所提高，并保持材料的优越的耐磨性。本发明由于采用了激光熔覆复合制造工艺，提高了硬质合金复合辊环的整体耐热疲劳、抗冲击、耐腐蚀的性能，有效的降低甚至杜绝了传统硬质合金因冲击韧性不够而导致的断环的事故。

具体实施方式

实施例1

激光熔覆碳化钨硬质合金涂层制造高速线材辊环工艺方法含以下过程：

1、辊环的基体

辊环的基体材料为40CrNiMo合金钢

2、碳化钨硬质合金激光熔覆材料的配制

A、镍基合金为粘接相的化学成分，以质量百分数计：

碳0.08％、硅2.5％、硼1.5％、铬3％、铁3％、其余为镍，

B、碳化钨特征

球状铸造碳化钨

C、粉末比例

球状铸造碳化钨重量百数为80％；镍基合金为粘接相重量百数为20％.

按上述材料及配比范围在电子天平上进行配制，并在专用混粉器进行混合4小时以上。

3、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，油污等用溶剂或清洗剂清除，对锈层可用打磨或喷砂清除。

4、激光熔覆加工

1)合金粉末的选择和自动送粉装置的调整

根据辊环的工作部位，选用上述比例粘接相、球状铸造碳化钨粉末，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％

实施例2

激光熔覆碳化钨硬质合金涂层制造高速线材辊环工艺如下：

1.辊环的基体

辊环的基体材料为35CrMo合金钢

2.碳化钨硬质合金激光熔覆材料的配制

A、镍基合金为粘接相的化学成分，以质量百分数计：

碳0.15％、硅3.5％、硼2.5％、铬5％，铁5％、其余为镍；

B、碳化钨特征

球状铸造碳化钨，粒度40-70um.

C、粉末比例

球状铸造碳化钨重量百数为60％；镍基合金为粘接相重量百数为40％.

3、工作层机械加工及表面清理

4、激光熔覆加工

1)合金粉末的选择和自动送粉装置的调整

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％。

Claims

1.一种在高速线材辊环表面制备碳化钨硬质合金涂层的方法，其特征在于工艺过程如下：

（1）辊环的基体

辊环的基体材料为 40CrNiMo合金钢；

（2）碳化钨硬质合金激光熔覆材料的配制

A、镍基合金为粘接相的化学成分，以质量百分数计：

碳0.08%、硅2.5% 、硼1.5%、铬3% 、铁3% 、其余为镍，

B、碳化钨特征

球状铸造碳化钨，粒度40-70um ，

C、粉末比例

球状铸造碳化钨重量百数为80%; 镍基合金为粘接相重量百数为20%.

按上述材料及配比范围在电子天平上进行配制，并在专用混粉器进行混合4小时以上；

（3）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，油污用溶剂或清洗剂清除，对锈层可用打磨或喷砂清除；

（4）激光熔覆加工

1）合金粉末的选择和自动送粉装置的调整

根据辊环的工作部位，选用上述比例粘接相、球状铸造碳化钨粉末，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% 。