本發(fā)明屬于激光合金化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種小型型材初中軋軋輥激光復(fù)合制造耐磨抗熱合金化材料及工藝方案。

背景技術(shù)：

小型型材生產(chǎn)線中，初中軋軋輥由于受力大，轉(zhuǎn)速慢接觸時(shí)間長(zhǎng)溫度高，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響不大，所以選材主要是考慮安全性和抗熱疲勞性，在單次壽命和車(chē)削量間進(jìn)行均衡獲得最佳性價(jià)比。傳統(tǒng)初中軋軋輥材質(zhì)主要是鋼輥、半鋼輥及球鐵輥，主要問(wèn)題體現(xiàn)在磨損量大，疲勞裂紋嚴(yán)重存在斷輥風(fēng)險(xiǎn)。初中軋孔型為箱型孔和橢圓孔，磨損不均勻且由于有斜壁存在導(dǎo)致單次車(chē)削量非常大，初軋輥磨損量4mm時(shí)為能保證孔型需要車(chē)削28mm才能恢復(fù)孔型，使得軋輥的使用次數(shù)減少輥耗增加。初中軋軋輥接觸時(shí)間長(zhǎng)疲勞較嚴(yán)重，下線的初中軋軋輥局部出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，輥面裂紋嚴(yán)重，一旦出現(xiàn)環(huán)狀封閉裂紋便有斷輥的風(fēng)險(xiǎn)。初軋輥體積大，一般由于軋機(jī)機(jī)架限制和強(qiáng)度需求輥徑允許使用范圍為70-100mm，報(bào)廢后浪費(fèi)嚴(yán)重。部分鋼廠采用表面處理技術(shù)如堆焊和激光合金化處理，一定程度的降低了輥耗。但堆焊技術(shù)熱影響區(qū)大，易引發(fā)斷輥，且表面組織存在很大的不均勻性對(duì)軋輥壽命的提高未起到顯著效果。傳統(tǒng)激光合金化技術(shù)，在軋輥表面進(jìn)行合金化處理，處理層深在0.2-0.3mm雖可顯著提高軋輥的硬度，但對(duì)初中軋區(qū)3-5mm的磨損量來(lái)說(shuō)，仍不能滿足目前小型型材生產(chǎn)對(duì)成本控制的的迫切需求。如果采用激光熔覆技術(shù)在軋輥表面進(jìn)行1-2mm的激光熔覆，雖可顯著提高壽命但性價(jià)比并不高。所以，小型型材初中軋軋輥亟待開(kāi)發(fā)一種新的技術(shù)，滿足初中軋軋輥的工況需求，同時(shí)具有很高的性價(jià)比。

激光熔覆與激光合金化技術(shù)都是利用高能密度的激光束所產(chǎn)生的快速熔凝過(guò)程，在基材表面形成與基體相互熔合的、且具有不同成分與性能的合金覆層。它們的區(qū)別是激光熔覆中覆層材料完全熔化而基體熔化層極薄對(duì)熔覆層的成分影響極??；而激光合金化則是在基體的表面熔融層內(nèi)加入合金元素，從而形成以基材為基的新的合金層。本發(fā)明則是創(chuàng)新一種大稀釋率的介于激光熔覆和激光合金化之間的改性熔覆，常規(guī)激光熔覆的稀釋率都在15%左右，而激光改性熔覆將稀釋率放大到50%左右，利用光纖激光器短波長(zhǎng)激光的穿透力和對(duì)熔池的攪拌效果，將基體與合金層共同熔融后獲得改性熔覆的新的合金化層，材質(zhì)介于合金材料和基體材質(zhì)之間。

本申請(qǐng)人曾發(fā)明過(guò)一種冶金熱軋輥表面激光納米陶瓷合金化的涂料（CN200610047996.7）目前雖在包線運(yùn)營(yíng)中，合金化后軋輥表面的硬度可得到HS15-HS25的提高，但由于缺乏固溶強(qiáng)化的合金元素，合金化后軋輥的壽命提高了80%，對(duì)于目前冶金行業(yè)降本的迫切需求仍有不足。目前小型型材初中軋軋輥為滿足安全性和熱疲勞性能需求，軋輥的硬度一般在HS45左右耐磨性不足。初中軋軋輥工作溫度高，耐磨性不足是由于硬度和高溫強(qiáng)度兩方面不足共同的作用結(jié)果。為滿足小型型材初中軋軋輥的工況需求，利用激光改性熔覆技術(shù)在滿足安全性和熱疲勞性需求的基體上，制備一層與基體結(jié)合良好并具有耐磨性和高溫強(qiáng)度的合金化熔覆層為當(dāng)務(wù)之急。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，研發(fā)一種適用于目前小型型材初中軋軋輥鑄鋼、半鋼及球鐵材質(zhì)，且滿足小型型材初中軋軋輥工況需求的耐磨抗熱合金化材料，并配置溶劑制備合金材料的涂料，失效異型軋輥孔型合金材料的涂覆預(yù)置。本發(fā)明能夠在小型型材初中軋軋輥表面預(yù)置厚度為0.2-0.5mm厚度的合金粉末通過(guò)激光改性熔覆技術(shù)制造合金化層，合金化層硬度提高的同時(shí)，高溫強(qiáng)度得到改善。

由于激光改性熔覆的稀釋率達(dá)50%，基體的成分對(duì)合金化層的影響非常大。所以針對(duì)小型型材初中軋軋輥的材質(zhì)種類(lèi)進(jìn)行一下分類(lèi)，軋輥材質(zhì)合金元素含量差別并不大，而且在激光改性熔覆的過(guò)程中影響合金化層的主要的因素是碳含量，所以將小型型材初中軋軋輥分為三個(gè)碳含量等級(jí)C%：0.7%、1.5%及3.2%。為靈活滿足不同初中軋軋輥材質(zhì)激光改性熔覆的需求，綜合考慮進(jìn)行合金化粉末的設(shè)計(jì)和工藝的設(shè)計(jì)。

本發(fā)明給出的技術(shù)方案是：一種用于小型型材軋輥激光合金化的耐磨抗熱合金材料，其特點(diǎn)是該材料成分按重量百分比計(jì)的配比如下。

C：0.03-1.5%，Cr：3.1 -6.0%，Si：0.5-1.3%，Ni：0.6-3.2%，Mn：0.40-0.89%，W：3.5-8.5%，Mo 3.00-6.30%，V：2.10-5.20%，Nb：1.0-3.2%，余量為Fe。

這種材料粉末的特點(diǎn)是利用小型型材初中軋軋輥的基體提供的碳含量與合金材料的合金元素相互作用，節(jié)約成本的同時(shí)獲得滿足設(shè)計(jì)需求的耐磨抗熱合金化層。合金材料中有大量強(qiáng)碳化物形成元素如釩和鈮，在激光作用的過(guò)程中形成初生碳化物作為硬質(zhì)點(diǎn)和晶界強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)存在，提高合金化層的宏觀硬度，釩和鈮是強(qiáng)碳化物的形成元素形成的是一次碳化物，細(xì)化晶粒的同時(shí)有助于提高合金層的抗高溫回火性能阻礙晶粒的長(zhǎng)大，同時(shí)釩和鈮消耗合金層內(nèi)的碳元素使得大量的鎢、鉬和鉻可以固溶到鐵基體中；其余大量的合金元素除形成碳化物外會(huì)固溶在鐵基體內(nèi)進(jìn)行基體的強(qiáng)化，增強(qiáng)鐵素體的高溫強(qiáng)度，防止軋輥在與高溫軋材接觸過(guò)程中的溫升引起軋輥表面軟化降低高溫耐磨性能。雙管齊下，提高小型型材初中軋軋輥的高溫耐磨性。東莞理工學(xué)院李勝、韓立發(fā)等發(fā)明的激光熔覆高硬無(wú)裂鐵基合金專(zhuān)用合金粉末（CN200810218548.8）獲得了大量的客觀的常溫硬度，但是由于合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，對(duì)于鐵基體的強(qiáng)化效果不足，抗高溫回火性能不足。武漢高斯激光技術(shù)有限公司蔣漢前和田為軍發(fā)明的一種球墨鑄鐵軋輥表面合金化處理方式（CN201010125564.X）采用酚醛樹(shù)脂調(diào)制的合金漿糊實(shí)現(xiàn)了0.1-0.15mm的涂層，激光合金化之后合金層的厚度是相對(duì)受限的。本發(fā)明采用樹(shù)脂水溶液作為溶劑進(jìn)行合金漿料的制備，采用4%-6%的樹(shù)脂水溶液進(jìn)行合金粉末的配置。用水進(jìn)行60wt%-90wt%的合金粉末和40wt-10wt%樹(shù)脂水溶液調(diào)制成漿料合金化涂料，涂覆在軋輥的表面0.3-0.5mm厚度，晾干后進(jìn)行激光掃描。

本發(fā)明采用光纖激光器進(jìn)行激光改性熔覆，短波長(zhǎng)激光在熔融過(guò)程中會(huì)對(duì)熔池進(jìn)行劇烈的攪拌，使合金粉末和基體的表層進(jìn)行充分的混合。在實(shí)際操作過(guò)程中采用6KW光纖激光器，合金粉末和基體表面混合形成0.5-0.6mm合金化層，硬度達(dá)到HS90；同時(shí)會(huì)對(duì)基體的亞表層進(jìn)行一次激光淬火，在合金化層的下面會(huì)有一層0.6mm左右的激光淬火層存在，硬度在HS60-HS80之間。在節(jié)約成本的同時(shí)對(duì)軋輥表面1mm范圍內(nèi)的組織進(jìn)行了改性，提高了表面的高溫強(qiáng)度和耐磨性，提高了初中軋軋輥的壽命和孔型保持能力。

激光改性熔覆的制造過(guò)程中，首先清理下線后的軋輥工作表面，將表面的裂紋采用車(chē)削加工的方式處理干凈，用丙酮進(jìn)行清洗去除油污和銹漬。熔覆條件具備后采用熔覆工藝參數(shù)：功率1800-3500W，掃描速度1000-3000mm/min，搭接率45-65%，采用樹(shù)脂4%溫水?dāng)嚢枞芙夂辖鸹勰┖笸扛苍谲堓伇砻婧穸仍?.3-0.5mm，待涂覆層干燥后進(jìn)行激光改性熔覆。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是。

與現(xiàn)有整體輥?zhàn)酉啾缺韺佑捕忍岣吡?倍，耐磨性大大提高，孔型保持能力增加。相比堆焊技術(shù)可適用更多的基體材料，不受基體材質(zhì)的影響，同時(shí)組織更均勻穩(wěn)定。與傳統(tǒng)激光合金化工藝相比，激光改性熔覆的合金化層厚度大大提高，由原來(lái)的0.2-0.3mm提高了1倍達(dá)到0.5-0.6mm，且隨硬度的提高的同時(shí)，大量固溶的合金元素提高鐵素體的高溫強(qiáng)度，進(jìn)一步提高高溫耐磨性；同時(shí)激光淬火層的存在也提高了耐磨性。新配置的樹(shù)脂溶劑與合金材料調(diào)制而成的合金漿料可實(shí)現(xiàn)更寬厚度的合金粉末層預(yù)置。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1。

在石墨鋼初軋輥上進(jìn)行激光改性熔覆。將下線的石墨鋼初軋輥車(chē)削加工，將表面的裂紋采用車(chē)削加工的方式處理干凈，用丙酮進(jìn)行清洗去除油污。合金化材料的成分為：按重量百分比計(jì)，包含C：0.8%，Cr：3.25%，Si：0.8%，Ni：2.0%，Mn：0.6%，W：4.5%，Mo 5.5%，V：2.66%，Nb：1.8%，余量為Fe。制備合金化材料漿料，將合金材料與樹(shù)脂配比溶于水制備改性熔覆漿料，涂覆在石墨鋼軋輥表面，涂覆厚度為0.3mm，待2h干燥后進(jìn)行激光改性熔覆。熔覆工藝參數(shù)：功率2600W，掃描速度2000mm/min，搭接率50%進(jìn)行激光改性熔覆，改性熔覆后的軋輥取樣進(jìn)行高溫回火熱處理，結(jié)果如表1-1所示。經(jīng)過(guò)600℃×4h一次熱處理后，改性熔覆的合金層的硬度得到了小幅的升高，再次進(jìn)行640℃×4h一次熱處理，硬度依然保持優(yōu)勢(shì)。

表1-1石墨鋼基體軋輥合金化層高溫?zé)崽幚淼挠捕取?/p>

與現(xiàn)有整體輥?zhàn)酉啾龋?jīng)本發(fā)明熔覆過(guò)的石墨鋼軋輥表層硬度提高了1倍，耐磨性大大提高，孔型保持能力增加。與傳統(tǒng)激光合金化工藝相比，激光改性熔覆的合金化層厚度大大提高，由原來(lái)的0.2-0.3mm提高了1倍達(dá)到0.5-0.6mm，且隨硬度的提高的同時(shí)，大量固溶的合金元素提高鐵素體的高溫強(qiáng)度，進(jìn)一步提高高溫耐磨性；同時(shí)激光淬火層的存在也提高了耐磨性。

實(shí)施例2。

在球鐵初軋輥上進(jìn)行激光改性熔覆。將下線的球鐵初軋輥車(chē)削加工，將表面的裂紋采用車(chē)削加工的方式處理干凈，用丙酮進(jìn)行清洗去除油污。合金化材料的成分為：按重量百分比計(jì)，包含C：0.03%，Cr：5%，Si：1.3%，Ni：1.6%，Mn：0.36%，W：5.3%，Mo 4.9%，V：3.0%，Nb：2.5%，余量為Fe。制備合金化材料漿料，將合金材料與樹(shù)脂配比溶于水制備改性熔覆漿料，涂覆在石墨鋼軋輥表面，涂覆厚度為0.35mm，待2.5h干燥后進(jìn)行激光改性熔覆。熔覆工藝參數(shù)：功率3100W，掃描速度2200mm/min，搭接率59%進(jìn)行激光改性熔覆,改性熔覆后的軋輥取樣進(jìn)行高溫回火熱處理，結(jié)果如表2-1所示。經(jīng)過(guò)600℃×4h一次熱處理后，改性熔覆的合金層的硬度得到了小幅的升高，再次進(jìn)行640℃×4h一次熱處理，硬度依然保持優(yōu)勢(shì)。

表2-1球鐵基體軋輥合金化層高溫?zé)崽幚淼挠捕取?/p>

與現(xiàn)有整體輥?zhàn)酉啾?，?jīng)本發(fā)明熔覆過(guò)的石墨鋼軋輥表層硬度提高了1倍，耐磨性大大提高，孔型保持能力增加。與傳統(tǒng)激光合金化工藝相比，激光改性熔覆的合金化層厚度大大提高，由原來(lái)的0.2-0.3mm提高了1倍達(dá)到0.5-0.6mm，且隨硬度的提高的同時(shí)，大量固溶的合金元素提高鐵素體的高溫強(qiáng)度，進(jìn)一步提高高溫耐磨性；同時(shí)激光淬火層的存在也提高了耐磨性。

實(shí)施例3。

在鑄鋼小型型材初軋輥上進(jìn)行激光改性熔覆。將下線的鑄鋼小型型材初軋輥車(chē)削加工，將表面的裂紋采用車(chē)削加工的方式處理干凈，用丙酮進(jìn)行清洗去除油污。合金化材料的成分為：按重量百分比計(jì)，包含C：1.4%，Cr：3.5%，Si：0.9%，Ni：1.2%，Mn：0.55%，W：8.0%，Mo 5.2%，V：3.9%，Nb：2.9%，余量為Fe。制備合金化材料漿料，將合金材料與樹(shù)脂配比溶于水制備改性熔覆漿料，涂覆在石墨鋼軋輥表面，涂覆厚度為0.4mm，待2h干燥后進(jìn)行激光改性熔覆。熔覆工藝參數(shù)：功率2100W，掃描速度1500mm/min，搭接率50%進(jìn)行激光改性熔覆。改性熔覆后的軋輥取樣進(jìn)行高溫回火熱處理，結(jié)果如表3-1所示。經(jīng)過(guò)600℃×4h一次熱處理后，改性熔覆的合金層的硬度得到了小幅的升高，再次進(jìn)行640℃×4h一次熱處理，硬度依然保持優(yōu)勢(shì)。

表3-1鑄鋼基體軋輥合金化層高溫?zé)崽幚淼挠捕取?/p>

與現(xiàn)有整體輥?zhàn)酉啾?，?jīng)本發(fā)明熔覆過(guò)的石墨鋼軋輥表層硬度提高了1倍，耐磨性大大提高，孔型保持能力增加。與傳統(tǒng)激光合金化工藝相比，激光改性熔覆的合金化層厚度大大提高，由原來(lái)的0.2-0.3mm提高了1倍達(dá)到0.5-0.6mm，且隨硬度的提高的同時(shí)，大量固溶的合金元素提高鐵素體的高溫強(qiáng)度，進(jìn)一步提高高溫耐磨性；同時(shí)激光淬火層的存在也提高了耐磨性。