一种提高轧钢轧辊耐磨性的方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种提高轧钢轧辊耐磨性的方法。

背景技术

存在各种介质的开放或封闭体系内，在载荷的相互作用下，由于物体相对运动而引起的表面损耗即为磨损。

轧辊在服役状态下长期受到组织应力和热应力，这要求轧辊具有高的强度和耐热性。轧辊失效主要以长期应力下的磨损、裂纹和剥落为主，这些失效形式都不同程度地降低了轧辊的使用寿命，并降低了轧机的效率和轧材的表面质量。轧辊的质量关系到钢厂轧钢的效率、质量和生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高轧钢轧辊耐磨性的方法，旨在解决现有的轧辊容易受到磨损从而降低使用寿命的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种提高轧钢轧辊耐磨性的方法，包括以下步骤：

将轧辊进行表面感应加热淬火，得到基材；

在合金粉末中加入碳化物硬质相或稀土氧化物，得到涂层材料；

将所述涂层材料以熔化或半熔化状态沉积到所述基材表面，形成沉积层；

利用激光表面改性技术加热熔化所述基材的表层和所述沉积层，使两相混合熔化后凝固，形成新的表面合金层，得到耐磨轧辊。

其中，所述涂层材料为采用非晶纳米复合涂层。

其中，所述涂层材料包括高硬度合金材料、陶瓷的热障材料或者氧化物复合合金材料。

其中，所述激光表面改性技术包括激光表面淬火技术、激光熔凝、激光表面合金化和激光熔覆中的任意一种。

其中，所述基材的表层和所述沉积层为冶金结合。

其中，在所述加热熔化过程中得到的碳化物用氮置换碳并添加固氮元素。

其中，所述固氮元素包括铌和钛。

本发明的一种提高轧钢轧辊耐磨性的方法，通过将轧辊进行表面感应加热淬火，得到基材；在合金粉末中加入碳化物硬质相或稀土氧化物，得到涂层材料；将所述涂层材料以熔化或半熔化状态沉积到所述基材表面，形成沉积层；利用激光表面改性技术加热熔化所述基材的表层和所述沉积层，使两相混合熔化后凝固，形成新的表面合金层，得到耐磨轧辊，解决了现有的轧辊容易受到磨损从而降低使用寿命的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种提高轧钢轧辊耐磨性的方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1，本发明提供一种提高轧钢轧辊耐磨性的方法，包括以下步骤：

S1将轧辊进行表面感应加热淬火，得到基材；

具体的，该方法用电磁感应的原理，将轧辊表面加热到临界温度以上然后急冷，主要用于冷轧辊的表面淬火。淬火后得到极细的马氏体，表面硬度高，耐磨性好、疲劳强度高；材料表面氧化和脱碳轻微且易于控制和实现机械化、自动化。

表面感应加热淬火技术可以在轧辊表面生成高硬度的马氏体组织，轧辊心部可以保持较好的强度韧性和塑性。但感应淬火后碳元素在基质中呈线性特征，基质中碳的分布不均匀，存在较大的残余应力，组织不够细小，降低了材料的硬度。研究表明轧辊在热处理后表面存在较大的压应力，且随着热处理制度的不同，淬硬层厚度也不同。通过工艺优化可以获得较深的硬化层。硬化层厚度受淬火工艺参数、轧辊直径和回火制度的影响。试样直径的增加会增加输入功率要求。当试样直径增加时，感应频率自动降低，并在表面形成较深的硬化层。此外，还可以通过建立数学模型计算出淬火到最大硬度时淬火层厚度与淬火温度间的函数关系，预测最佳的工艺参数，有利于进行进一步的研究。

工艺的优化是限制感应加热淬火技术发展的主要因素。此外淬硬层的厚度也受到了限制，淬硬层越厚，轧辊的工作效率越差，同时轧辊的应力越大；开裂对倾向也越大；而且对淬火过程中残余应力的分布和产生的原因也缺少细致的研究。

S2在合金粉末中加入碳化物硬质相或稀土氧化物，得到涂层材料；

具体的，所述涂层材料为采用非晶纳米复合涂层。所述涂层材料包括高硬度合金材料、陶瓷的热障材料或者氧化物复合合金材料。

S3将所述涂层材料以熔化或半熔化状态沉积到所述基材表面，形成沉积层；

热喷涂是指将细微而分散的金属或非金属的涂层材料，以熔化或半熔化状态，沉积到基体表面，形成沉积层。涂层的性能不仅受涂料的成分和组成涂层微观结构的影响，还受到喷涂操作工艺和环境的影响。轧辊热喷涂一般主要选择高硬度的合金材料和陶瓷的热障材料或者氧化物复合合金材料。

轧辊在工作时长期处于高温(热轧条件下)和较大的滚动压应力之下，造成涂层出现裂纹和剥落的情况。研究了滚动条件下涂层剥落的机理，结果表明，涂层表面出现了一些圆形或弧形裂纹是涂层剥落的起源。裂纹的横截面SEM形貌显示，裂纹的起因是涂层内的微缺陷，如未熔化的颗粒、氧化物。涂层内的微缺陷和未熔颗粒在接触应力下扩展连接形成主裂纹，主裂纹附近的涂层材料由于不稳定发生断裂导致剥落。减少热喷涂涂层内部的微缺陷是减少涂层裂纹和剥落的1种途径。对热喷涂涂层进行激光重熔，可以有效降低涂层内应力、细化组织和晶粒，减少裂纹的产生。对于等离子喷涂层，激光重熔后涂层材料和基体以冶金结合为主，组织晶粒更加细化，涂层具有更高的硬度和更好的抗热冲击性能。

热喷涂技术虽然具有高度灵活性，但由于基材和涂层材料之间主要为机械结合，结合强度较低。因此，热喷涂层会更快地磨损。许多研究表明热喷涂层的磨损性能更多地依赖于磨损条件，如与涂层相对的相对运动，接触载荷和几何形状。在特定类型磨损的低负载水平下，性能主要取决于层内特征。此外，热喷涂还会在材料表层产生孔隙，导致破裂，而且难以通过初始的方法修复，为了降低孔隙率，必须增加涂层的厚度，这又增加了喷涂的成本。

纳米结构有助于改善涂层的磨损性能，非晶态的合金涂层具有更高的强度和耐磨损、耐腐蚀性能，将纳米技术和非晶技术相结合，制备出的非晶纳米复合涂层具有更好的耐磨耐蚀性能，具有更好的发展前景。

粉末颗粒的加热可以获得致密的微观结构，但同时会导致脱碳影响磨损性能，通过适当的粉末颗粒设计和工艺调整可以获得更好的涂层性能。

S4利用激光表面改性技术加热熔化所述基材的表层和所述沉积层，使两相混合熔化后凝固，形成新的表面合金层，得到耐磨轧辊。

具体的，所述激光表面改性技术包括激光表面淬火技术、激光熔凝、激光表面合金化和激光熔覆中的任意一种。所述基材的表层和所述沉积层为冶金结合。在所述加热熔化过程中得到的碳化物用氮置换碳并添加固氮元素。所述固氮元素包括铌和钛。

随着近几年激光技术的快速发展，轧辊再制造也越来越多地应用到激光表面改性技术。利用激光束极快地加工工件表面，或使材料熔化后再凝固，从而改变材料表面的结构，强化材料表面的物理、化学和力学性能。这类方法主要包括激光表面淬火技术、激光熔凝、激光表面合金化和激光熔覆。

轧辊表面激光淬火比普通淬火加热速度快，热影响区小，轧辊表面的变形也小，得到的表面硬度比一般淬火后的硬度高，耐磨性好。但因为激光光斑周围温度梯度过大而产生较大的应力、温度分布不均匀产生裂纹，光斑重叠的部分存在回火软化带及因为回火软化造成的硬化层不均匀。研究表明渗氮处理和变速扫描可以增加硬化层的均匀性、硬度和耐磨性，通过对激光淬火参数的优化可以提升硬化层的硬度。

激光熔凝是用高功率密度的激光在极短的时间将金属表面局部区域在瞬间加热熔化，随后快速凝固。熔凝后表层显微组织细小，硬度较高，耐磨性较好。此外激光熔凝对材料的耐腐蚀性能也有很好的改善效果，部分研究认为激光熔覆后材料耐磨性能的改善是由于熔凝后材料硬度和耐腐蚀性能共同增加的协同效应。经激光熔凝后材料的微观形貌主要受到激光功率、扫描速度和冷却速率的影响，在较高的冷却速率下，提高扫描速度和最佳功率的组合可以细化晶粒、提高硬度。扫描速度和最佳激光功率组合的增加会减小冷却速率对微观形貌的影响。熔凝时熔池熔体的流动易形成波纹，导致表面不平整光滑、容易形成裂纹和硬化层不均匀的问题。

激光熔凝非常具有选择性，几乎不会失真，实施起来不需要多余的辅助材料，经济成本低。但目前对熔池熔体的流动形成波纹的研究较少，有关熔凝组织热应力对裂纹形成的影响等有待进一步的研究。

激光表面合金化是利用高能密度的激光束快速加热熔化基材表层和添加的合金元素，使两相混合熔化后凝固，从而形成新的表面合金层，表面合金层与基体为冶金结合，添加合金元素的不同直接影响到合金后的材料性能。工艺参数和粉末粒度对合金层的质量有较大的影响，在合金粉末中加入一定量的碳化物硬质相或稀土氧化物可以提高合金层的硬度和起到细化晶粒、均匀组织的效果，并且经激光重熔后的合金化层，组织更加均匀，表面硬度也更高。

激光熔覆是利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层同时熔化并快速凝固的方法，在基材表面形成与基材为冶金结合的熔覆层，熔覆层性能可靠，寿命较长。但激光熔覆修复轧辊存在熔覆层速率以及精度不足的问题，不适用于修复大型轧辊和精度要求较高的轧辊工作层。

目前铁基和镍基自熔性合金粉末材料研究较多，一般会加入第二相强化形成复合材料来提高熔覆层的性能，主要包括陶瓷颗粒和稀土元素。适量稀土元素的添加可以细化晶粒提高熔覆层组织的均匀性、硬度和断裂韧性。

由于熔覆过程升温与降温极快，熔覆材料与基体膨胀系数的不同，会在内部产生应力，并在应力集中区域产生裂纹，并最终导致熔覆层开裂、剥落。研究表明在熔覆层的材料中加入增韧、增塑的元素可以细化晶粒，增加熔池的流动性减少裂纹的形成。

将采用以上技术对自身轧辊特点进行耐磨性的研究试验，选择出适合自身的适用技术，减少生产成本。

本发明提供的一种提高轧钢轧辊耐磨性的方法，通过在轧辊表面堆焊，以提高轧辊的耐磨性，堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一层具有一定性能的材料，使零件具有不同特殊性能或使已破损的母体材料恢复原有的尺寸，在修复零件的磨损方面具有良好的适应性和灵活性。

采用堆焊技术修复的轧辊，堆焊层与辊身为冶金结合，结合强度是热喷涂层结合强度的3～8倍，且耐磨性能突出，也可使用激光熔敷和直接金属快速模具辅助堆焊，获得特殊性能的功能层。堆焊层的耐磨损性能和堆焊层中的碳化物含量和形貌有密切的关系，而焊接工艺参数会影响堆焊层内的碳化物含量和形貌。二次碳化物的增加和球形度好、直径较小的碳化物有利于堆焊层的耐磨性，在药芯焊丝中添加稀土氧化物，激光重熔后可以得到细小的碳化物。在堆焊过程中用氮置换碳，可以使堆焊层中马氏体板条细化，提高其力学性能、硬面韧性和延展性，而且可以减少裂纹的形成。通过氮置换部分的碳及添加铌、钛等固氮元素，开发了一种新型埋弧堆焊焊丝，并对这种焊丝进行了试用研究，结果表明试样的表面硬度和耐磨性能得到了显著提升，延长了轧辊的使用寿命。这也为后续新焊丝的开发提供了实例参考。

在堆焊合金中添加碳化物颗粒或稀土氧化物可以改善堆焊层的组织形貌耐磨性能。使用手工氧乙炔焊接堆焊方法在钢基材上沉积了WC颗粒增强的Cu-Ni-Mn合金堆焊涂层，结果表明WC颗粒均匀分布在堆焊层中，在堆焊层中未发现裂纹或其他缺陷，耐磨性也得到了大幅度提升。在高铬铸铁堆焊层中添加具有稀土氧化物的纳米颗粒，结果表明随纳米颗粒用量的增加一次碳化物的体积分数先增加后减小，添加0.288％(质量分数)纳米添加剂的硬质合金中一次碳化物的体积分数比未添加纳米颗粒的焊层增加了27％，硬度从61.5HRC提升到64.5HRC，磨损率下降了21.2％。

堆焊会在堆焊层内产生肉眼看不到的气孔或孔洞，造成推焊层容易开裂脱落，堆焊过程中产生热应力也会增加堆焊层开裂的倾向。选择合适的堆焊技术和材料，增加堆焊材料和基体的匹配性，降低母材的稀释率，提高堆焊层性能的同时减少堆焊层气孔和应力的产生是未来研究的方向。

轧辊的耐磨再制造和表面耐磨强化一直是一项国际性的前沿课题，当前的几种轧辊修复技术和表面强化技术不同程度地需要改进和完善。表面感应加热淬火由于工艺复杂、耗能较大等原因，其发展受到限制，目前已经出现了大型自动化感应淬火设备，工艺的改进将有助于进一步的研究。堆焊药芯焊丝需要进一步改进，借鉴国外的成功经验，研究性能更好的焊丝，同时运用激光重熔等焊后处理工艺减少焊层的开裂脱落是后续研究重点。热喷涂技术和激光表面改性技术未来还需要在新涂层材料的开发和复合材料的研究方面进行进一步的研究，通过对工艺过程与参数的优化和运用辅助技术来提高硬化层的均匀性，减少裂纹的形成，得到综合性能良好的涂层是未来的发展方向。

以上所揭露的仅为本发明一种提高轧钢轧辊耐磨性的方法较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。