專利名稱：一種金屬軋輥表面電火花強(qiáng)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料表面強(qiáng)化技術(shù)，特別提供一種在金屬軋輥表面形成耐磨耐高溫氧化
涂層的電火花沉積方法。采用電火花沉積方法在鑄鋼軋輥表面形成納米微米結(jié)構(gòu)耐磨涂
層，該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金行業(yè)。
背景技術(shù)：
在冶金鋼鐵行業(yè)，隨著我國(guó)已成為世界上最大的制造業(yè)國(guó)家，而軋鋼又是鋼鐵生產(chǎn) 中的一個(gè)重要領(lǐng)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(chǎn)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(fù)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(qiáng)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(fù)與強(qiáng)化技術(shù)來(lái)提高軋輥表面硬度，已成為延長(zhǎng)軋輥壽命的一個(gè) 主要發(fā)展方向和途徑，這方面的研究應(yīng)用已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。
金屬軋輥一般由球墨鑄鐵、高鉻鎳鑄鐵、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)鑄造或鍛
造而成，加工成型后直接安裝使用或再經(jīng)表面硬化處理后安裝使用，用于軋輥表面強(qiáng)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、等離子熔覆合金層等。激光表面淬火硬化層且設(shè)備投資大、
維護(hù)費(fèi)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(jié)構(gòu)鋼及
合金結(jié)構(gòu)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(wèn)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(jié)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(jià)
昂貴，激光熔覆束搭接處缺陷多，熔覆層后加工也較困難；等離子熔覆工藝不好控制，
生產(chǎn)成本較高，從工業(yè)實(shí)用化的角度來(lái)看，尚需要作進(jìn)一步的深入研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述方法所制造軋輥表面強(qiáng)化的不足，提供一種金屬軋輥電 火花表面強(qiáng)化處理方法，對(duì)金屬軋輥進(jìn)行沉積處理，從而使軋輥的表面的硬度、耐磨性、 耐腐蝕性、耐高溫性得到提高，從而延長(zhǎng)金屬軋輥的使用壽命。
本發(fā)明的技術(shù)方案為采用WC-Co陶瓷硬質(zhì)合金電極在金屬軋輥上進(jìn)行沉積處理， 使用電火花沉積處理設(shè)備，于氬氣保護(hù)氣氛中，把電極材料(硬質(zhì)合金WC-Co)作為工作電極(陽(yáng)極)，固定在電火花沉積槍內(nèi)，氬氣中使之與被沉積的金屬工件(陰極)之 間產(chǎn)生火花放電，輸出功率為500 4000W，輸出電壓為60 180V，放電頻率為100 2000HZ，沉積速率為1 5min/cm2。保護(hù)氣體氬氣流量設(shè)定在5 15L/min。在1(T l(Ts 內(nèi)電極與工件接觸的部位達(dá)到8000 2500(TC的高溫，電極與工件間火花放電的能量， 使電極材料與工件表面材料熔融，構(gòu)成沉積層。
所述電極采用自身旋轉(zhuǎn)方式，電極的夾持方式為機(jī)械方式，電極的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度為2
6mnu
所述的WC-Co陶瓷硬質(zhì)合金為WC-4Co、 WC-8Co或WC-15Co。 本發(fā)明的有益效果是
1、 本發(fā)明通過(guò)采用鑄鋼鑄鐵軋輥為沉積對(duì)象，使用DZ4000電火花沉積設(shè)備，在大 氣條件下，使用氬氣作為保護(hù)氣體，用WC-CO電極材料對(duì)鑄鋼球磨鑄鐵軋輥材料進(jìn)行沉 積處理，提高了金屬軋輥材料的表面質(zhì)量，進(jìn)而提高了軋輥的使用壽命。
2、 本發(fā)明是在金屬軋輥上用高能量束的方法使具有高強(qiáng)度、高耐磨性的WC-Co陶 瓷電極材料熔覆在金屬軋輥材料的表面，形成了一層與基體冶金結(jié)合的合金層，本發(fā)明 所采用的大參數(shù)工藝的快速加熱快速冷卻的特點(diǎn)使沉積層易產(chǎn)生具有納米尺寸的細(xì)小 顆粒，提高了沉積層性能。
3、 本發(fā)明不需要特殊、復(fù)雜的處理裝置和設(shè)施，如熱噴涂、激光強(qiáng)化等復(fù)雜的設(shè) 備，因此工藝設(shè)備簡(jiǎn)單。
4、 本發(fā)明所采用的工藝方法不會(huì)使軋輥材料退火或熱變形。電火花沉積時(shí)雖然在 放電瞬時(shí)能使材料熔化，以至形成汽化的高溫。但是，由于放電時(shí)間很短，放電點(diǎn)的面 積又很小，因此放電的熱作用只發(fā)生在工件表面的微小區(qū)域。就整個(gè)工件來(lái)說(shuō)，仍處于 常溫狀態(tài)或溫升較低，工件不會(huì)退火或熱變形。
5、 在金屬軋輥上沉積WC-Co電極材料后的沉積層厚度、沉積層質(zhì)量與沉積參數(shù)電 壓、功率、頻率、時(shí)間等操作因素有關(guān)，因此可通過(guò)對(duì)沉積參數(shù)的調(diào)節(jié)和沉積時(shí)間的控 制來(lái)獲得不同的工藝效果。
6、 本發(fā)明不僅使用于普通鑄鋼軋輥、球磨鑄鐵軋輥，同樣適用于普通冷硬鑄鐵軋 輥、無(wú)限冷硬合金鑄鐵軋輥、高鉻鑄鐵軋輥、高鉻鑄鋼軋輥、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼軋輥、合 金結(jié)構(gòu)鋼軋輥。


圖1為本發(fā)明鑄鋼軋輥表面電火花沉積WC-Co電極工作原理圖。圖1所示，用螺釘把電極棒夾持在沉積槍內(nèi)，工作時(shí)沉積槍內(nèi)的電極棒以圍著軸心高速旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行。
圖2為本發(fā)明鑄鋼軋輥表面電火花沉積WC-Co電極沉積層的表面形貌FESEM照片。
圖3為本發(fā)明鑄鋼軋輥表面電火花沉積WC-Co電極沉積層截面形貌FESEM照片。
圖4為本發(fā)明中鑄鋼軋輥表面電火花沉積WC-Co電極后沉積層的物相分析圖。
圖5為本發(fā)明中鑄鋼軋輥沉積WC-Co電極后沉積層的硬度變化曲線圖。
圖6為本發(fā)明鑄鋼軋輥和鑄鋼軋輥沉積后沉積層的室溫摩擦系數(shù)變化圖。
圖7為本發(fā)明鑄鋼軋輥和鑄鋼軋輥沉積后沉積層的高溫摩擦系數(shù)變化圖。
圖8為本發(fā)明鑄鋼軋輥沉積后在800°C恒溫氧化100h氧化膜形貌。
圖9為本發(fā)明鑄鋼軋輥沉積后在800°C恒溫氧化100小時(shí)后的氧化膜和涂層的界
面形貌。
具體實(shí)施例方式
金屬軋輥選用在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的鑄鋼軋輥，電極采用WC-8Co陶瓷硬質(zhì)合 金電極材料(含量為WC92% Co8%),直徑為05隨。 具體工藝步驟如下
工件預(yù)處理在電火花沉積前，首先對(duì)金屬軋輥表面進(jìn)行去氧化皮、除銹去污等簡(jiǎn) 單預(yù)處理；
沉積過(guò)程選好合適的沉積參數(shù)，然后同氬氣連接，最后合上電源開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)沉積 槍的按鈕，沉積時(shí)在氬氣保護(hù)氣氛中陰極與陽(yáng)極之間發(fā)生火花放電，產(chǎn)生瞬間高溫，電 極材料熔化后滲進(jìn)金屬軋輥的表面，與母材形成冶金結(jié)合，形成致密的沉積層。
所述電極材料是WC-Co系硬質(zhì)合金，具有高強(qiáng)度、高耐磨、高的熱穩(wěn)定性、低沖擊 韌性，它的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)電系數(shù)與鋼及其合金接近。
根據(jù)下面的工藝加工方法，同樣可在球墨鑄鐵、高鉻鎳鑄鐵、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、 合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)鑄造或鍛造并加工成型后的軋輥外表面進(jìn)行電火花放電沉積處理。
本發(fā)明在鑄鋼軋輥上進(jìn)行了 WC-C0(WC-8Co)電極材料的工藝試驗(yàn)研究，測(cè)量了沉積 層的硬度，并分析了沉積層的物相組織結(jié)構(gòu)、摩擦性能和抗高溫氧化性能，得出如下結(jié) 果。
實(shí)施例1
1.輸出功率和輸出電壓決定電火花放電能量，從而對(duì)沉積層的厚度產(chǎn)生很大的影 響。對(duì)于鑄鋼軋輥，從沉積層的硬度、厚度和質(zhì)量狀況來(lái)說(shuō)，選擇沉積功率為2000W， 沉積電壓為130V。保護(hù)氣體氬氣流量設(shè)定在10L/min，電極的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度為3. 5mm。2. 放電頻率主要影響沉積層的質(zhì)量和沉積效率，選擇放電頻率為1400Hz。
3. 在一定時(shí)間內(nèi)，電火花沉積時(shí)沉積層的厚度隨著沉積時(shí)間的延長(zhǎng)在不斷的增厚， 但當(dāng)沉積到一定厚度時(shí)，隨著沉積時(shí)間的增長(zhǎng)沉積層的厚度不但不增長(zhǎng)，而且會(huì)變薄， 沉積層的質(zhì)量也會(huì)變差。對(duì)于鑄鋼軋輥，選擇沉積速率為2分鐘/cm2。
4. 在鑄鋼軋輥上，電火花沉積WC-8Co硬質(zhì)合金時(shí)，快速冷卻的方法能獲得由Fe3W3C 、Co3W3C, Si2W和Fe2C等相組成的沉積層；沉積層厚度大約為15 60 u m; WC-8Co沉積層 中強(qiáng)化顆粒相Si2W和Fe2C彌散分布于Fe3W3C和Co3W3C基體相上，提高了沉積層的硬度 和耐磨性。過(guò)渡層組織主要呈顯出細(xì)小的柱狀晶結(jié)構(gòu)、等軸晶結(jié)構(gòu)和樹(shù)枝狀晶結(jié)構(gòu)。
5. 沉積層硬度分布不均勻，硬質(zhì)相較多區(qū)域的硬度較高。鑄鋼軋輥沉積層顯微硬 度達(dá)到1454.8 1698.8HV，過(guò)渡層顯微硬度為666. 7HV，從沉積層到過(guò)渡層、基體，顯 微硬度逐漸下降。
6. 鑄鋼軋輥沉積后沉積層的耐磨性較軋輥鑄鋼基體得到了很大的提高，室溫下摩 擦磨損性能提高3.9倍，50(TC高溫下摩擦性能提高3.3倍。
7. 鑄鋼軋輥沉積后沉積層的抗高溫氧化性能較軋輥鑄鋼基體得到了很大的提高， 在800 °C的高溫下恒溫氧化后100小時(shí)后，沉積層的抗高溫氧化性能提高2. 4倍。
實(shí)施例2:
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
使用電火花沉積處理設(shè)備，在沉積過(guò)程中通入氬氣保護(hù)，電極采用自身旋轉(zhuǎn)方式(軸 向旋轉(zhuǎn))，電極轉(zhuǎn)速2400r/min,電極的夾持方式為機(jī)械方式。電火花沉積參數(shù)為輸 出功率2400W;輸出電壓為120V;放電頻率為2000HZ;沉積速率為3min/cm2，保護(hù)氣 體氬氣流量設(shè)定在7L/min，電極的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度可為3mm。沉積時(shí)，先用汽油或丙酮清洗工 件表面，去除油垢和氧化皮。
圖1為鑄鋼軋輥表面沉積處理WC-Co電極的時(shí)的工作原理圖，它直接利用電能的高 密度能量對(duì)金屬的表面進(jìn)行沉積處理的工藝，高速旋轉(zhuǎn)的電極材料(陽(yáng)極)與工件材料 (陰極)間發(fā)生火花放電，使電極材料與工件材料產(chǎn)生冶金結(jié)合形成沉積層。
圖2和圖3為軋輥表面電火花沉積WC-Co電極后具有納米和微米結(jié)構(gòu)的沉積層的表 面和截面SEM照片，圖中的超細(xì)顆粒以彌散形式分布在涂層中；圖4為沉積后沉積層的 XRD衍射圖，經(jīng)分析鑒定主要物相為Fe2C、 Si2W、 Fe3W3C和Co3W3C。
圖5是采用HSV1000維氏顯微硬度計(jì)對(duì)電火花沉積層的硬度進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。結(jié)果 表明，電火花沉積層具有較高的硬度，最高可達(dá)1698.8HV，平均硬度為1575.8HV，沉積層的硬度顯著高于基體硬度。而從沉積層到過(guò)渡層、基體顯微硬度逐漸下降。從上面 可知，沉積層的組織中含有高硬度的復(fù)雜的碳化物等，而且這些具有粒狀細(xì)小的高硬度 的碳化物是以彌散形式分布的，由于電火花沉積是加熱和冷卻是瞬間完成的，存在著高 密度的位錯(cuò)和較高的殘余應(yīng)力，這些都導(dǎo)致沉積層具有較高的顯微硬度。
圖6和圖7為沉積試樣和基體的室溫高溫摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化圖，摩擦試驗(yàn)是采用 HT-600型高溫磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫和高溫500。C無(wú)潤(rùn)滑摩擦磨損試驗(yàn)，運(yùn)動(dòng)形式為圓圈 循環(huán)運(yùn)動(dòng)。試樣尺寸為30mmX30mmX10mm，對(duì)磨球試樣為。6mm的WC-Co硬質(zhì)合金球，試驗(yàn) 載荷15N ，頻率1200Hz，時(shí)間30min。利用精確到lX 10—、的AEL-200型號(hào)的電子分析天平 進(jìn)行磨損失重測(cè)量。從圖中可以看出，電火花沉積試樣后摩擦系數(shù)相比來(lái)說(shuō)比較小，主 要是因?yàn)槌练e層中細(xì)小晶粒的析出增強(qiáng)了沉積層耐磨性能，使得沉積層的摩擦系數(shù)有所 降低。由摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算可知，當(dāng)室溫摩擦?xí)r，基體試樣的磨損失重為4.7g，沉 積試樣失重為1.2g，磨損性能提高3.9倍；當(dāng)高溫500。C摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)，基體試樣磨損 體積為O. 828mm3,沉積試樣磨損體積為O. 248 mm3，磨損性能提高了3.3倍。
圖8為WC-8Co耐磨沉積層在800°C恒溫氧化lOOh的氧化膜形貌，圖中氧化物呈現(xiàn) 出的多面體狀,這些氧化膜顆粒細(xì)小，顆粒之間結(jié)合致密、連續(xù)，無(wú)空洞和裂紋，使涂層 的高溫抗氧化性得到較大的提高。
圖9為WC-8Co沉積層在800eC氧化lOOh后沉積層與氧化膜結(jié)合區(qū)的截面形貌。從 圖中就可以看到有一層薄薄的氧化膜附著在涂層的表面，并且在涂層和氧化膜之間存在 明顯的界限。在800。C的氧化實(shí)驗(yàn)中，氧化膜與涂層的結(jié)合都非常好，可以有效阻止涂 層的進(jìn)一步氧化，因此可以認(rèn)為WC-8Co沉積層具有優(yōu)良的高溫抗氧化性能。
權(quán)利要求
1、一種金屬軋輥表面電火花強(qiáng)化方法，對(duì)金屬軋輥表面進(jìn)行預(yù)處理，使用電火花沉積處理設(shè)備，其特征在于，采用WC-Co陶瓷硬質(zhì)合金電極在金屬軋輥上進(jìn)行沉積處理，于氬氣保護(hù)氣氛下，以硬質(zhì)合金WC-Co作為陽(yáng)極，固定在電火花沉積槍內(nèi)，以軋輥工件作為陰極，輸出功率為500～4000W，輸出電壓為60～180V，放電頻率為100～2000HZ，沉積速率為1～5min/cm2，保護(hù)氣體氬氣流量設(shè)定在5～15L/min。
2、 如權(quán)利要求l所述的金屬軋輥表面電火花強(qiáng)方法，其特征在于，所述電極采用自身旋轉(zhuǎn)方式，電極的夾持方式為機(jī)械方式，電極的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度為2 6mm。
3、 如權(quán)利要求1所述的金屬軋輥表面電火花強(qiáng)化方法，其特征在于，所述WC-Co陶瓷硬質(zhì)合金為WC-4Co、 WC-8Co或WC-15Co。
全文摘要
一種金屬軋輥表面電火花強(qiáng)化方法，涉及材料表面強(qiáng)化技術(shù)。本發(fā)明以鑄鋼軋輥為沉積對(duì)象，選用陶瓷硬質(zhì)合金WC-Co電極在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行沉積處理。其工藝參數(shù)為輸出功率為500～4000W，輸出電壓為60～180V，放電頻率為1000～2000HZ，沉積速率為1～5min/cm²，保護(hù)氣體氬氣流量設(shè)定在5～15L/min。與熱噴涂、等離子熔覆和真空燒結(jié)等工藝相比，本發(fā)明所需設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作，無(wú)需在沉積前對(duì)工作進(jìn)行預(yù)熱，沉積后無(wú)需退火處理，不對(duì)金屬軋輥表面產(chǎn)生熱損傷，并可以進(jìn)行反復(fù)沉積。經(jīng)過(guò)處理后的電火花沉積層形成納米微米細(xì)晶結(jié)構(gòu)，且這些細(xì)小顆粒呈彌散分布于沉積層中，沉積層的顯微硬度、耐磨性和高溫氧化性大大提高，延長(zhǎng)了軋輥的壽命。
文檔編號(hào)C23C4/12GK101555580SQ200910084728
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2009年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月19日
發(fā)明者俞宏英, 孫冬柏, 孟惠民, 樊自拴, 王建升, 王旭東 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)