專利名稱：在高速線材輥環(huán)表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冶金設(shè)備部件表面制備耐磨、抗熱涂層的方法，特別是涉及一種采用激光熔覆技術(shù)在高速線材輥環(huán)表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的方法，屬于激光熔覆技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高速線材軋機(jī)多采用粉末冶金的碳化鎢-鈷硬質(zhì)硬質(zhì)合金輥環(huán)，輥環(huán)具有高溫硬度高，耐磨性好，但在使用過(guò)程中存在著以下明顯不足1.沖擊韌性尚顯不夠，在疲勞載荷的作用下，疲勞裂紋擴(kuò)展迅速，表面表面剝落甚至碎輥，斷環(huán)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。2.耐腐蝕性欠佳，對(duì)冷卻水PH值要求嚴(yán)格。3.對(duì)加工精度要求極高，輥環(huán)安裝必須十分仔細(xì)。有關(guān)替代傳統(tǒng)硬質(zhì)合金輥環(huán)的新材料、新工藝的研究開(kāi)發(fā)一直沒(méi)有停止過(guò)，如采用熱等靜壓的工藝進(jìn)行的內(nèi)環(huán)為鋼、外環(huán)為硬質(zhì)合金的復(fù)合輥環(huán)，此工藝復(fù)雜，內(nèi)應(yīng)力大， 開(kāi)裂嚴(yán)重。采用鑄造方法進(jìn)行硬質(zhì)合金輥環(huán)的制造，但鑄造方面的問(wèn)題也較多。因此，選擇適當(dāng)?shù)脑诟咚倬€材輥環(huán)表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的工藝，使高速線材輥環(huán)表面碳化鎢硬質(zhì)合金涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高、耐磨性能好、合金涂層的厚度均勻， 是所屬領(lǐng)域當(dāng)前亟待解決的課題。激光熔覆技術(shù)作為一種先進(jìn)的再制造技術(shù)，近年來(lái)得到了迅速推廣和廣泛應(yīng)用。激光熔覆技術(shù)利用高能量激光束聚集能量極高的特點(diǎn)，瞬間將在基材表面預(yù)置或與激光同步自動(dòng)送置的、具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的合金粉末完全熔化，同時(shí)基材部分熔化，形成一種新的復(fù)合型材料，激光束掃描后快速凝固，獲得與基體冶金結(jié)合的致密覆層，以達(dá)到恢復(fù)幾何尺寸和表面強(qiáng)化的目的。目前，關(guān)于利用激光熔覆工藝制備設(shè)備部件耐磨合金涂層的專利和報(bào)道很多例如，公開(kāi)號(hào)為CN 1932082的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)給出的《在結(jié)晶器表面激光快速熔覆制備耐磨抗熱復(fù)合涂層工藝》，其特點(diǎn)在于利用高功率激光器，通過(guò)激光快速掃描在結(jié)晶器銅板表面熔覆與基體成冶金結(jié)合的良好的韌性打底過(guò)渡層，并通過(guò)激光寬帶熔覆在打底合金表面制備耐磨及抗熱性能優(yōu)良的鈷基合金。公開(kāi)號(hào)為CN1786272的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)給出的《激光熔覆鎳基納米WC/Co預(yù)涂層的制備方法》，該制備方法包括下列步驟①按每克重的蟲(chóng)膠與10 20克重的無(wú)水乙醇稱量蟲(chóng)膠和無(wú)水乙醇，然后將所述的蟲(chóng)膠加入無(wú)水乙醇中制成粘結(jié)劑；②根據(jù)需要按每克鎳基納米WC/Co粉末與0. 1毫升 0. 25毫升的粘結(jié)劑的比例，稱量鎳基納米WC/Co粉末和所述的粘結(jié)劑并混合，充分?jǐn)嚢杈鶆蛑瞥深A(yù)涂膠；③將上述預(yù)涂膠均勻地涂在待激光熔覆處理的工件表面，制成預(yù)涂層；④烘干。采用自制的粘結(jié)劑制備鎳基納米WC/Co預(yù)涂層，然后再采用激光熔覆工藝，制備出了表面較平整，較細(xì)密、基本消除了裂紋與孔隙并與基體呈冶金結(jié)合的鎳基納米WC/Co復(fù)合涂層。公開(kāi)號(hào)為CN101338427的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)給出的《液壓支架立柱缸筒、活塞桿耐磨抗蝕涂層的激光熔覆工藝》，包括以下工藝過(guò)程首先立柱缸筒、活塞桿表面預(yù)處理室溫下對(duì)立柱缸筒、活塞桿表面進(jìn)行除油、除銹，并用酒精清洗干凈；然后合金粉末的選擇和自動(dòng)送粉裝置的調(diào)節(jié)選用具有優(yōu)良耐磨抗蝕性能且與基體冶金相容性良好的鐵基合金粉末，鐵基合金粉末的成份中主要含有Fe、C、Cr、Ni、Mo、Si、N、Nb、Ta、B ；最后自動(dòng)送粉裝置的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)自動(dòng)送粉裝置，使自動(dòng)送粉頭出來(lái)的合金粉末正好落在激光熔池內(nèi)，調(diào)節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達(dá)到0. 6-1. 2mm。公開(kāi)號(hào)為CN101338425的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)給出的《鐵路道岔滑床板表面耐磨抗蝕合金涂層激光熔覆工藝》，包括以下工藝過(guò)程首先滑床板表面預(yù)處理，即在室溫下對(duì)滑床板表面進(jìn)行除油除銹，并用酒精清洗干凈；然后是合金粉末的預(yù)置，即把待熔覆的鐵基、 鎳基或鈷基合金粉末預(yù)置于上述處理后的滑床板表面，并用帶有導(dǎo)軌的刮尺來(lái)調(diào)整預(yù)制合金粉末，使之均勻分布在滑床板表面并具有適當(dāng)?shù)暮穸龋詽M足熔覆后涂層厚度的要求；最后是光熔覆強(qiáng)化滑床板，選用氣體CO2激光器，工作臺(tái)為數(shù)控機(jī)床，在滑床板表面進(jìn)行激光熔覆強(qiáng)化。公開(kāi)號(hào)為CN101338428的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)給出的《鎬形截齒齒體頭部激光熔覆耐磨涂層強(qiáng)化工藝》，包括以下工藝過(guò)程首先是截齒齒體頭部表面預(yù)處理；然后是合金粉末的選擇和自動(dòng)送粉裝置的調(diào)整；最后是截齒頭部激光熔覆耐磨合金涂層?，F(xiàn)有技術(shù)給出的上述技術(shù)方案雖能利用激光熔覆工藝對(duì)部分設(shè)備部件進(jìn)行耐磨涂層處理，取得一定的技術(shù)效果。但對(duì)其他特定的設(shè)備部件，例如像高速線材輥環(huán)這樣的特殊結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有激光熔覆工藝所提供的工藝參數(shù)已明顯不能適應(yīng)。經(jīng)本申請(qǐng)人檢索查證采用激光熔覆工藝在高速線材輥環(huán)表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層，國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例，國(guó)外也沒(méi)有見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道。因此，尋找出適當(dāng)?shù)牟捎眉す馊鄹苍诟咚倬€材輥環(huán)表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的工藝參數(shù)，仍需所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步作出創(chuàng)造性的研究工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)對(duì)在高速線材輥環(huán)表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層處理難的課題，通過(guò)反復(fù)研究改進(jìn)，給出了一種新的在高速線材輥環(huán)表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的方法。該方法是采用激光熔覆技術(shù)通過(guò)同步送粉，在普通的中碳合金鋼輥環(huán)基體孔型所在部位熔覆形成冶金結(jié)合的碳化鎢硬質(zhì)合金涂層，輥環(huán)工作面熔覆的碳化鎢硬質(zhì)合金涂層與傳統(tǒng)的整體鈷-碳化鎢硬質(zhì)合金有所不同，韌性相強(qiáng)度有所提高，并保持材料的優(yōu)越的耐磨性。由于采用了激光熔覆復(fù)合制造工藝，硬質(zhì)合金復(fù)合高速線材輥環(huán)表面能提高輥環(huán)的整體耐熱疲勞、抗沖擊、耐腐蝕的性能，有效的降低甚至杜絕了傳統(tǒng)硬質(zhì)合金因沖擊韌性不夠而導(dǎo)致的斷環(huán)的事故，是現(xiàn)行硬質(zhì)合金粉末燒結(jié)生產(chǎn)硬質(zhì)合金輥環(huán)的取代技術(shù)。本發(fā)明給出的技術(shù)方案是這種在高速線材輥環(huán)表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的方法，其特點(diǎn)是工藝過(guò)程如下1、輥環(huán)的基體選擇
輥環(huán)的基體材料為35CrMo、40CrNiMo中低碳合金鋼；2、碳化鎢硬質(zhì)合金激光熔覆材料的配制A、作為粘接相的鎳基合金的化學(xué)成分，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)碳0. 05-0. 3 %、硅 2-4 %、硼 1-3 %、鉻 0-8 %、鐵 0-8 %、其余為鎳，B、碳化鎢特征球狀鑄造碳化鎢，粒度40_70um，C、粉末比例球狀鑄造碳化鎢質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為60-80 %，鎳基合金為粘接相質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為 20% —40%,按上述材料及配比范圍在電子天平上進(jìn)行配制，并在混粉器進(jìn)行混合4小時(shí)以上；3、工作層機(jī)械加工及表面清理機(jī)械加工預(yù)留出激光熔覆所需的工作層厚度，并進(jìn)行表面清理油污和銹層；4、激光熔覆加工1)合金粉末的選擇和自動(dòng)送粉裝置的調(diào)整根據(jù)軋輥的工況，選用作為粘接相的鎳基合金、球狀鑄造碳化鎢粉末，調(diào)節(jié)自動(dòng)送粉裝置送粉速率，以滿足涂層厚度所需送粉速率。2)激光熔覆工藝參數(shù)高功率激光窄帶熔覆聚焦鏡f = 100 400熔覆功率P = 3000 10000W光斑直徑D = 2 6mm熔覆掃描速度V = 200 1000mm/min搭接率40 60%高功率激光寬帶熔覆熔覆功率P = 3000 IOOOOW矩形光斑長(zhǎng)X寬=O 10)mmX (1 2)mm熔覆掃描速度V = 100 800mm/min搭接率40 6O %本發(fā)明自行配制的合金粉末由于鎳基合金為粘接相與球狀鑄造碳化鎢具高的較高浸潤(rùn)性及材料熱物性的差異的協(xié)調(diào)性，因而有優(yōu)藝的抗熱疲勞性和抗熱磨損性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是采用激光熔覆技術(shù)通過(guò)同步送粉的方法，在普通的中碳合金鋼輥環(huán)基體孔型所在部位熔覆形成冶金結(jié)合的碳化鎢硬質(zhì)合金涂層，輥環(huán)工作面熔覆的碳化鎢硬質(zhì)合金涂層韌性相強(qiáng)度有所提高，并保持材料的優(yōu)越的耐磨性。本發(fā)明由于采用了激光熔覆復(fù)合制造工藝，提高了硬質(zhì)合金復(fù)合輥環(huán)的整體耐熱疲勞、抗沖擊、耐腐蝕的性能，有效的降低甚至杜絕了傳統(tǒng)硬質(zhì)合金因沖擊韌性不夠而導(dǎo)致的斷環(huán)的事故。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1激光熔覆碳化鎢硬質(zhì)合金涂層制造高速線材輥環(huán)工藝方法含以下過(guò)程1、輥環(huán)的基體輥環(huán)的基體材料為40CrNiMo合金鋼2、碳化鎢硬質(zhì)合金激光熔覆材料的配制A、鎳基合金為粘接相的化學(xué)成分，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)碳0.08%、硅 2.5%、硼 1. 5%、鉻 3%、鐵 3%、其余為鎳，B、碳化鎢特征球狀鑄造碳化鎢C、粉末比例球狀鑄造碳化鎢重量百數(shù)為80% ；鎳基合金為粘接相重量百數(shù)為20% .按上述材料及配比范圍在電子天平上進(jìn)行配制，并在專用混粉器進(jìn)行混合4小時(shí)以上。3、工作層機(jī)械加工及表面清理機(jī)械加工的目的是為了預(yù)留激光熔覆所需的工作層厚度，表面清理是保證涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的重要工序，油污等用溶劑或清洗劑清除，對(duì)銹層可用打磨或噴砂清除。4、激光熔覆加工1)合金粉末的選擇和自動(dòng)送粉裝置的調(diào)整根據(jù)輥環(huán)的工作部位，選用上述比例粘接相、球狀鑄造碳化鎢粉末，調(diào)節(jié)自動(dòng)送粉裝置送粉速率，以滿足涂層厚度所需送粉速率。2)激光熔覆工藝參數(shù)聚焦鏡f = 400熔覆功率 P = 4000W光斑直徑D = 4匪熔覆掃描速度V = 500mm/min搭接率50%實(shí)施例2激光熔覆碳化鎢硬質(zhì)合金涂層制造高速線材輥環(huán)工藝如下1.輥環(huán)的基體輥環(huán)的基體材料為35CrMo合金鋼2.碳化鎢硬質(zhì)合金激光熔覆材料的配制A、鎳基合金為粘接相的化學(xué)成分，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)碳0. 15%、硅 3.5%、硼 2.5%、鉻 5%，鐵 5%、其余為鎳；B、碳化鎢特征球狀鑄造碳化鎢，粒度40_70um.C、粉末比例球狀鑄造碳化鎢重量百數(shù)為60% ；鎳基合金為粘接相重量百數(shù)為40% .按上述材料及配比范圍在電子天平上進(jìn)行配制，并在專用混粉器進(jìn)行混合4小時(shí)以上。
3、工作層機(jī)械加工及表面清理機(jī)械加工的目的是為了預(yù)留激光熔覆所需的工作層厚度，表面清理是保證涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的重要工序，油污等用溶劑或清洗劑清除，對(duì)銹層可用打磨或噴砂清除。4、激光熔覆加工1)合金粉末的選擇和自動(dòng)送粉裝置的調(diào)整根據(jù)輥環(huán)的工作部位，選用上述比例粘接相、球狀鑄造碳化鎢粉末，調(diào)節(jié)自動(dòng)送粉裝置送粉速率，以滿足涂層厚度所需送粉速率。2)激光熔覆工藝參數(shù)熔覆功率P = 7000W矩形光斑長(zhǎng)X寬=IOmmXlmm熔覆掃描速度V = 400mm/min搭接率40%。
權(quán)利要求
1.一種在高速線材輥環(huán)表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的方法，其特征在于工藝過(guò)程如下(1)輥環(huán)的基體選擇輥環(huán)的基體材料為35CrMo、40CrNiMo中低碳合金鋼；(2)碳化鎢硬質(zhì)合金激光熔覆材料的配制A、作為粘接相的鎳基合金粉末的化學(xué)成分，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)碳 0. 05-0. 3 %、硅 2-4 %、硼 1-3 %、鉻 0-8 %、鐵 0-8 %、其余為鎳，B、碳化鎢粉末球狀鑄造碳化鎢粉末，粒度40-70um，C、粉末比例球狀鑄造碳化鎢粉末的加入量以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)為60-80%，鎳基合金粉末的加入量以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)為20% -40%，按上述材料及配比范圍進(jìn)行配制，并在混粉器進(jìn)行混合4小時(shí)以上；(3)工作層機(jī)械加工及表面清理機(jī)械加工預(yù)留出激光熔覆所需的工作層厚度，并進(jìn)行表面清理油污和銹層；(4)激光熔覆加工1)合金粉末的選擇和自動(dòng)送粉裝置的調(diào)整根據(jù)軋輥的工況，選用作為粘接相的鎳基合金粉末、球狀鑄造碳化鎢粉末，調(diào)節(jié)自動(dòng)送粉裝置送粉速率，以滿足涂層厚度所需送粉速率；2)激光熔覆工藝參數(shù)高功率激光窄帶熔覆聚焦鏡f = 100 400，熔覆功率P = 3000 10000W， 光斑直徑D = 2 6mm，熔覆掃描速度V = 200 1000mm/min， 搭接率40 60%， 高功率激光寬帶熔覆熔覆功率P = 3000 10000W，熔覆掃描速度V = 100 800mm/min， 矩形光斑長(zhǎng)X寬=O 10)mmX (1 2)mm，搭接率40 60%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在高速線材輥環(huán)表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的方法，其特征在于較好的鎳基合金粉末的化學(xué)成分，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)碳0. 08%硅2. 5%硼1. 5%鉻3%鐵3%其余為鎳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在高速線材輥環(huán)表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的方法，其特征在于較好的鎳基合金粉末的化學(xué)成分，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)碳0. 15%、硅3. 5%、硼2. 5%、鉻5%，鐵5%、其余為鎳。
全文摘要
一種在高速線材輥環(huán)表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的方法，采用激光熔覆技術(shù)通過(guò)同步送粉的方法，在普通的中碳合金鋼輥環(huán)基體孔型所在部位熔覆形成冶金結(jié)合的碳化鎢硬質(zhì)合金涂層，其工藝過(guò)程先選擇輥環(huán)的基體；然后進(jìn)行碳化鎢硬質(zhì)合金激光熔覆材料的配制；工作層機(jī)械加工及表面清理，激光熔覆加工使輥環(huán)表面形成碳化鎢硬質(zhì)合金涂層。本發(fā)明提高了輥環(huán)的整體耐熱疲勞、抗沖擊、耐腐蝕的性能，有效的降低甚至杜絕了傳統(tǒng)硬質(zhì)合金因沖擊韌性不夠而導(dǎo)致的斷環(huán)的事故。
文檔編號(hào)B23K26/34GK102453902SQ20101051894
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者崔忠寶, 陳海濤, 陶興啟 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)大陸激光成套設(shè)備有限公司