一種電火花沉積結合等離子熔覆增強金屬軋輥表面的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用電火花沉積結合等離子熔覆增強金屬軋輥表面的方法，對金屬軋輥進行電火花沉積結合等離子熔覆處理，可有效解決軋輥的表面的硬度、耐磨性和耐沖擊性等性能，延長金屬軋輥的使用壽命的問題，方法是，用非氧化性的等離子束流在把合金粉末熔覆在軋輥表面上，形成熔融合金涂層，然后再在等離子熔覆涂層的基礎上用電火花沉積WC陶瓷硬質合金，來形成電火花沉積結合等離子熔覆的復合涂層，本發(fā)明簡單實用，電火花沉積結合等離子熔覆復合涂層與基體結合牢固，涂層厚度大，使軋輥表面硬度高、致密性好、耐熱性和耐磨性能好，使用壽命長；復合涂層即發(fā)揮了鐵鎳合金粉末價格低廉、涂層厚度大、抗磨抗蝕性能好，硬度強度高、耐磨耐熱性能優(yōu)異。
【專利說明】一種電火花沉積結合等離子熔覆增強金屬軋輥表面的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬軋輥，特別是一種用電火花沉積結合等離子熔覆增強金屬軋輥表面的方法。
【背景技術】
[0002]在冶金鋼鐵行業(yè)，隨著我國已成為世界上最大的制造業(yè)國家，而軋鋼又是鋼鐵生產中的一個重要領域，軋輥是鋼鐵廠軋制鋼板(鋼帶)或鋼筋的重要工具，也是軋制生產中的主要消耗備件之一。軋輥的工作條件一般十分惡劣，它要承受十分復雜的交變載荷與沖擊，以及急冷急熱的工作條件，除要求它具有足夠的強韌性外，還要求它具有較高的耐磨性、耐熱性以及抗沖擊性能。因此，提高軋輥表面的硬度，可以減少軋輥使用的磨損量，采用軋輥表面修復與強化技術來提高軋輥表面硬度，已成為延長軋輥壽命的一個主要發(fā)展方向和途徑，這方面的研究應用已經取得了一些進展。
[0003]金屬軋輥一般由球墨鑄鐵、高鉻鎳鑄鐵、優(yōu)質碳素結構鋼、合金結構鋼經鑄造或鍛造而成，加工成型后直接安裝使用或再經表面硬化處理后安裝使用，用于軋輥表面強化的方法主要有激光表面淬火、表面中頻淬火、電阻爐整體加熱淬火、差溫淬火、表面堆焊耐磨材料、表面熱噴涂(包括火焰噴涂、等離子噴涂、電弧噴涂和超音速噴涂)耐磨耐熱材料、激光熔覆合金層等。激光表面淬火硬化層且設備投資大、維護費用高；表面中頻淬火、電阻爐整體加熱淬火、差溫淬火方法適用于碳素結構鋼及合金結構鋼，但淬火硬化層耐熱性差，不能用于熱軋；表面堆焊耐磨材料成本高，而且也存在表面加工困難的問題；表面熱噴涂前處理一般采用噴砂，有環(huán)境污染，涂層加工困難，涂層與基體結合差，涂層易疲勞剝落；激光熔覆合金層所需要的大型激光器造價昂貴，激光熔覆束搭接處缺陷多，熔覆層后加工也較困難。因此，如何對金屬軋輥表面進行處理，增強其耐磨性，防止脫落，延長使用壽命，是亟待解決的技術問題。

【發(fā)明內容】

[0004]針對上述情況，為克服現(xiàn)有技術之缺陷，本發(fā)明之目的就是提供一種用電火花沉積結合等離子熔覆增強金屬軋輥表面的方法，對金屬軋輥進行電火花沉積結合等離子熔覆處理，可有效解決軋輥的表面的硬度、耐磨性和耐沖擊性等性能，延長金屬軋輥的使用壽命的問題。
[0005]本發(fā)明解決的技術方案是，用非氧化性的等離子束流在把合金粉末熔覆在軋輥表面上，形成熔融合金涂層，然后再在等離子熔覆涂層的基礎上用電火花沉積WC陶瓷硬質合金，來形成電火花沉積結合等離子熔覆的復合涂層，步驟是:
(1)、配制鐵鎳合金粉末，該合金粉末是由按重量百分比計的:Ni31~32%、Cr 26~30%,C 1~2%、Mo 3 ~4.5%、B 2.5 ~3%、Si 3.5 ~5%、W 2 ~4.5% 和余量為 Fe 的粉末，混合在一起組成；
(2)、采用等離子熔覆耐磨設備(公知常用設備，如青島海納等離子科技有限公司，或河南省煤科院耐磨技術有限公司)對軋輥表面熔覆鐵鎳合金粉末層，輸入電源電壓:380V±10%，額定輸入容量:30KVA，輸出電壓:75V，工作電壓:10~30V，輸出功率12-15KW,輸出電流:300~600A，掃描速度:300~600mm/min，送粉器氣流:0.65~
0.75m3/h，送粉量為250-300g/min，離子氣體流量:0.6~0.9m3/h,保護氣體流量:0.65~
0.75m3/h,噴嘴直徑5mm，噴嘴距離工件28 — 32mm ；
(3)、熔覆鐵鎳合金粉末層方法是，開啟等離子熔覆耐磨設備的工作臺運行，使等離子炬移到軋輥處理部位上方，打開等離子炬保護氣體氬氣和電源起弧，以步驟(2)中給出的工藝參數(shù)，按等離子熔覆耐磨設備的常規(guī)操作方法，對軋輥表面進行等離子束熔覆，在直流等離子束流的高溫10000-1600(TC下，將步驟(1)中配置好的鐵鎳合金粉末同步送入等離子炬的等離子束流中，軋輥表面快速依次形成與束流直徑尺寸相近的熔池，粉末經快速加熱，呈熔化或半熔化狀態(tài)與熔池金屬發(fā)生混合擴散反應，隨著等離子束流的移動，合金熔池迅速凝固，形成與基體呈冶金結合的等離子熔覆合金涂層；
(4)、熔覆合金涂層后，關閉等離子炬電源和氣源，對軋輥表面熔覆的合金涂層進行磨削或拋光，再采用電火花沉積設備(公知常用設備，如北京精誠信電力技術開發(fā)公司或中國科學研究院農業(yè)技術研究所生產的DZS-4000型電火花沉積設備)，將電極材料WC或TiC硬質合金電極棒，作為工作陽電極，氬氣中使之與被沉積的軋輥作陰極之間產生火花放電，直接利用火花放電的能量，在ΙΟ—5~10_6 s內電極與軋輥(工件)接觸的部位達到10000~24500°C，將電極材料轉移至已被等離子熔覆處理過的合金涂層表面，形成電火花沉積結合等離子熔覆復合涂層，電極采用自身旋轉方式，電極的夾持方式為機械方式，輸出功率為3400W,輸出電壓為200V，放電頻率為1800HZ，沉積速率為2.5min/cm2，保護氣體氬氣流量為8~10L/min,電極的伸長長 度為3mm,金屬軋棍基體表面經電火花沉積結合等離子熔覆后涂層厚度為l_4mm。
[0006]本發(fā)明簡單實用，本發(fā)明形成的電火花沉積結合等離子熔覆復合涂層與基體結合牢固，涂層厚度大，使軋輥表面硬度高、致密性好、耐熱性和耐磨性能好，使用壽命長；復合涂層即發(fā)揮了鐵鎳合金粉末價格低廉、涂層厚度大、抗磨抗蝕性能好，又發(fā)揮了電火花沉積陶瓷硬質合金的硬度強度高、耐磨耐熱性能優(yōu)異的綜合特點。在軋輥上用電火花沉積結合等離子熔覆方法進行表面冶金處理的在鋼鐵冶金行業(yè)市場潛力很大。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為本發(fā)明的金屬軋輥結構示意圖(局部剖開)。
[0008]圖2為本發(fā)明金屬軋輥的剖面主視圖。
【具體實施方式】
[0009]以下結合實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】作詳細說明。
[0010]實施例1
本發(fā)明在具體實施中，是由以下步驟實現(xiàn)的:
(1)、配制鐵鎳合金粉末，該合金粉末是由按重量百分比計的:Ni31%,Cr 28%、C 1.5%、Mo 4%、B 2.8%、Si 4%、W 3%和余量為Fe的粉末，混合在一起組成，粒度為106~180mm ;
(2)、采用等離子熔覆耐磨設備對軋輥表面熔覆鐵鎳合金粉末層，輸入電源電壓:380V±10%，額定輸入容量:30KVA，輸出電壓:75V，工作電壓:10~30V，輸出功率12-15KW，輸出電流:300~600A，掃描速度:300~600mm/min，送粉器氣流:0.65~
0.75m3/h,送粉量為250-300g/min，離子氣體流量:0.6~0.9m3/h,保護氣體流量:0.65~
0.75m3/h,噴嘴直徑5mm，噴嘴距離工件28 — 32mm ；
(3)、熔覆鐵鎳合金粉末層2的方法是，開啟等離子熔覆耐磨設備的工作臺運行，使等離子炬移到軋輥處理部位上方，打開等離子炬保護氣體氬氣和電源起弧，以步驟(2)中給出的工藝參數(shù)，按等離子熔覆耐磨設備的常規(guī)操作方法，對軋輥表面進行等離子束熔覆，在直流等離子束流的高溫10000-1600(TC下，將步驟(1)中配置好的鐵鎳合金粉末同步送入等離子炬的等離子束流中，軋輥表面快速依次形成與束流直徑尺寸相近的熔池，粉末經快速加熱，呈熔化或半熔化狀態(tài)與熔池金屬發(fā)生混合擴散反應，隨著等離子束流的移動，合金熔池迅速凝固，形成與基體呈冶金結合的等離子熔覆合金涂層；
(4)、熔覆合金涂層后，關閉等離子炬電源和氣源，對軋輥表面熔覆的合金涂層進行磨削或拋光，再采用DZS-4000型電火花沉積設備，將電極材料WC或TiC硬質合金電極棒，作為工作陽電極，氬氣中使之與被沉積的軋輥作陰極之間產生火花放電，直接利用火花放電的能量，在10_5~10_6 s內電極與軋輥(工件)接觸的部位達到10000~24500°C，將電極材料轉移至已被等離子熔覆處理過的合金涂層表面，形成電火花沉積結合等離子熔覆復合涂層3,電極米用自身旋轉方式，電極的夾持方式為機械方式，輸出功率為3400W,輸出電壓為200V，放電頻率為1800HZ，沉積速率為2.5min/cm2，保護氣體氬氣流量為8~10L/min，電極的伸長長度為3mm，金屬軋輥基體表面經電火花沉積結合等離子熔覆后涂層厚度為l-4mm。
[0011]實施例2
在本發(fā)明的具體實施中，所述的鐵鎳合金粉末還可采用重量百分比計的:Ni 32%、Cr26%、C 2%、Mo 3%、B 3%、Si 3.5%、W 4.5%和余量為Fe的粉末，混合在一起組成，其它同實施例I。
[0012]實施例3
在本發(fā)明的具體實施中，所述的鐵鎳合金粉末也可采用重量百分比計的:Ni 31%、Cr30%、C 1%、Μο 4.5%、B 2.5%、Si 5%、W 2%和余量為Fe的粉末，混合在一起組成，其它同實施例I。
[0013]本發(fā)明經實驗和測試，涂層中出現(xiàn)大量納米非晶微晶顆粒，涂層致密度高；等離子熔覆16000°C和電火花沉積中25000 °C的高溫使復合涂層與基體產生了涂層不會脫落的冶金結合；涂層的表面硬度可以達到1707.6HV~2084.1HV,而基體的硬度為352.1 HV，涂層的硬度比基體的硬度可提高4-6倍；復合涂層的耐磨性比基體的耐磨性可提高2-4倍。與現(xiàn)有技術相比，具有以下突出的有益技術效果:
1、本發(fā)明采用金屬軋輥為處理熔覆對象，可在零件的易磨損部位或工作部位獲得較高表面平整度的高結合力、高硬度、高致密性、高耐熱性等能自由控制的的熔覆合金硬化層，在氬氣保護狀態(tài)下獲得熔覆耐磨層的厚度為I~4mm，熔覆層的硬度為HRC60~72，耐磨性提高2~4倍。這樣就提高了金屬軋輥材料表面的耐磨耐蝕耐沖擊性能，進而提高了軋輥的使用壽命。
[0014]2、本發(fā)明使在復合涂層的表層電火花區(qū)域內形成了含有的高硬度非平衡合金組織，含有大量的納米微晶粒子，其硬化機理為納米晶非晶強化、微晶強化、過飽和固溶強化、高硬度化合物彌散強化等。
[0015]3、本發(fā)明是在金屬軋輥上用高能量束的方法使具有高硬度、高強度、高耐磨性的合金粉末和陶瓷硬質合金熔覆在金屬軋輥材料的表面，形成了一層與基體冶金結合的復合合金層，耐磨損、耐沖擊、耐高溫、耐腐蝕。由于熔覆沉積處理過程中單個冶金熔池處于無限大的冷態(tài)的軋輥母材上，所以熔池的冷卻速度非常大，就整個軋輥來說，仍處于常溫狀態(tài)或溫升較低，軋輥不會退火或熱變形。
[0016]4、在金屬軋輥上熔覆合金粉末和沉積陶瓷硬質合金后復合涂層的厚度、質量和工作效率與熔覆沉積工藝參數(shù)電壓、電流、頻率和速度等有關，因此可通過對工藝參數(shù)的調節(jié)控制來獲得不同的工藝效果。方法簡單，易操作，產品質量好，具有很強的實際應用價值，可廣泛應用于鋼鐵冶金行業(yè)， 經濟和社會效益巨大。
【權利要求】
1.一種用電火花沉積結合等離子熔覆增強金屬軋輥表面的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)、配制鐵鎳合金粉末，該合金粉末是由按重量百分比計的:Ni31~32%、Cr 26~30%、C I ~2%、Mo 3 ~4.5%、B 2.5 ~3%、Si 3.5 ~5%、W 2 ~4.5% 和余量為 Fe 的粉末，混合在一起組成； (2)、采用等離子熔覆耐磨設備對軋輥表面熔覆鐵鎳合金粉末層，輸入電源電壓:380V±10%，額定輸入容量:30KVA，輸出電壓:75V，工作電壓:10~30V，輸出功率12-15KW,輸出電流:300~600A，掃描速度:300~600mm/min，送粉器氣流:0.65~0.75m3/h,送粉量為250-300g/min，離子氣體流量:0.6~0.9m3/h,保護氣體流量:0.65~0.75m3/h,噴嘴直徑5mm，噴嘴距離工件28 — 32mm ； (3)、熔覆鐵鎳合金粉末層方法是，開啟等離子熔覆耐磨設備的工作臺運行，使等離子炬移到軋輥處理部位上方，打開等離子炬保護氣體氬氣和電源起弧，以步驟(2)中給出的工藝參數(shù)，按等離子熔覆耐磨設備的常規(guī)操作方法，對軋輥表面進行等離子束熔覆，在直流等離子束流的高溫10000-1600(TC下，將步驟(1)中配置好的鐵鎳合金粉末同步送入等離子炬的等離子束流中，軋輥表面快速依次形成與束流直徑尺寸相近的熔池，粉末經快速加熱，呈熔化或半熔化狀態(tài)與熔池金屬發(fā)生混合擴散反應，隨著等離子束流的移動，合金熔池迅速凝固，形成與基體呈冶金結合的等離子熔覆合金涂層； (4)、熔覆合金涂層后，關閉等離子炬電源和氣源，對軋輥表面熔覆的合金涂層進行磨削或拋光，再采用電火花沉積設備，將電極材料WC或TiC硬質合金電極棒，作為工作陽電極，氬氣中使之與被沉積的軋輥作陰極之間產生火花放電，直接利用火花放電的能量，在10_5~10_6 s內電極與軋輥接觸的部位達到10000~24500°C，將電極材料轉移至已被等離子熔覆處理過的合金涂層表面，形成電火花沉積結合等離子熔覆復合涂層，電極采用自身旋轉方式，電極的夾持方式為機械方式，輸出功率為3400W，輸出電壓為200V，放電頻率為1800HZ，沉積速率為2.5min/cm2，保護氣體氬氣流量為8~10L/min，電極的伸長長度為3mm,金屬軋棍基體表面經電火花沉積結合等離子熔覆后涂層厚度為l_4mm。
2.根據(jù)權利要求1所述的用電火花沉積結合等離子熔覆增強金屬軋輥表面的方法，其特征在于，是由以下步驟實現(xiàn)的: (1)、配制鐵鎳合金粉末，該合金粉末是由按重量百分比計的:Ni31%、Cr 28%、C1.5%、Mo 4%、B 2.8%、Si 4%、W 3%和余量為Fe的粉末，混合在一起組成； (2)、采用等離子熔覆耐磨設備對軋輥表面熔覆鐵鎳合金粉末層，輸入電源電壓:380V±10%，額定輸入容量:30KVA，輸出電壓:75V，工作電壓:10~30V，輸出功率12-15KW,輸出電流:300~600A，掃描速度:300~600mm/min，送粉器氣流:0.65~0.75m3/h,送粉量為250-300g/min，離子氣體流量:0.6~0.9m3/h,保護氣體流量:0.65-0.75m3/h,噴嘴直徑5mm，噴嘴距離工件28 — 32mm ； (3)、熔覆鐵鎳合金粉末層2的方法是，開啟等離子熔覆耐磨設備的工作臺運行，使等離子炬移到軋輥處理部位上方，打開等離子炬保護氣體氬氣和電源起弧，以步驟(2)中給出的工藝參數(shù)，按等離子熔覆耐磨設備的常規(guī)操作方法，對軋輥表面進行等離子束熔覆，在直流等離子束流的高溫10000-1600(TC下，將步驟(1)中配置好的鐵鎳合金粉末同步送入等離子炬的等離子束流中，軋輥表面快速依次形成與束流直徑尺寸相近的熔池，粉末經快速加熱，呈熔化或半熔化狀態(tài)與熔池金屬發(fā)生混合擴散反應，隨著等離子束流的移動，合金熔池迅速凝固，形成與基體呈冶金結合的等離子熔覆合金涂層； (4)、熔覆合金涂層后，關閉等離子炬電源和氣源，對軋輥表面熔覆的合金涂層進行磨削或拋光，再采用DZS-4000型電火花沉積設備，將電極材料WC或TiC硬質合金電極棒，作為工作陽電極，氬氣中使之與被沉積的軋輥作陰極之間產生火花放電，直接利用火花放電的能量，在10_5~10_6 s內電極與軋輥接觸的部位達到10000~24500°C，將電極材料轉移至已被等離子熔覆處理過的合金涂層表面，形成電火花沉積結合等離子熔覆復合涂層3，電極采用自身旋轉方式，電極的夾持方式為機械方式，輸出功率為3400W，輸出電壓為200V，放電頻率為1800HZ，沉積速率為2.5min/cm2，保護氣體氬氣流量為8~10L/min，電極的伸長長度為3mm，金屬軋輥基體表面經電火花沉積結合等離子熔覆后涂層厚度為l-4mm。
3.根據(jù)權利要求1所述的用電火花沉積結合等離子熔覆增強金屬軋輥表面的方法，其特征在于，所述的鐵鎳合金粉末是由重量百分比計的:Ni 32%、Cr 26%、C 2%、Mo 3%、B 3%、Si 3.5%、W 4.5%和余量為Fe的粉末，混合在一起組成。
4.據(jù)權利要求1所述的用電火花沉積結合等離子熔覆增強金屬軋輥表面的方法，其特征在于，所述的鐵鎳合金粉末是由重量百分比計的:Ni 31%、Cr 30%、C 1%、Mo 4.5%、B.2.5%、Si 5%、W 2%和余量為 Fe的粉末，混合在一起組成。
【文檔編號】C23C4/06GK103805934SQ201410078306
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權日:2014年3月5日
【發(fā)明者】王建升, 吳金妹, 李勇, 李剛, 閻鎮(zhèn)威, 唐明奇, 馮在強, 張玉新 申請人:華北水利水電大學