锌锅辊轴套和衬套保护涂层的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种锌锅辊轴套和衬套保护涂层的制备方法，即本方法将轴套和衬套表面清洁并预热，采用等离子堆焊设备进行多层粉末堆焊，堆焊结合底层选用硬度较低的单一钴基合金，其余各层堆焊粉末材料为钴基合金粉末和氮化硼粉末，等离子堆焊设备分别设有放置钴基合金粉末和氮化硼粉末的两台送粉器，并分别设定送粉参数，实现两种粉末独立送粉；设定相应的堆焊参数，堆焊后炉内保温并随炉缓冷，堆焊层经机加工后保护涂层厚度为2.0～15mm。经本方法制备轴套和衬套的保护涂层，有效提高了轴套和衬套的使用寿命，提高了耐磨和润滑性能，保证了带钢在锌锅的锌液系统中顺利进出，提高了热镀锌板带的生产效率。
【专利说明】 锌锅辊轴套和衬套保护涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种锌锅辊轴套和衬套保护涂层的制备方法。
【背景技术】
[0002]在冶金行业，锌锅用于热镀锌板带的热浸镀锌处理，热镀锌板带大多应用于汽车、建筑以及家用电器行业，特别是各类轿车或家用电器的壳体。
[0003]由于是大工业生产，在大规模连续化生产工艺过程中，大多做为热镀锌板基材的冷轧金属板带展开之前的板卷达到40吨，冷轧金属板带经过酸洗、连续退火、锌锅热浸镀锌等生产处理工艺和化学处理后被重新卷曲。
[0004]通常锌锅辊轴由一根沉没辊和两根稳定辊组成，其中沉没辊是一个被动转向辊，两根稳定辊在锌钢带出锌锅前被动夹持带钢，避免其出锌锅后的抖动，辊子的轴承部分由轴套和衬套构成，依靠两者之间的滑动摩擦实现辊体转动，实现带钢在锌锅的锌液系统中顺利进出，其取决于锌液中辊子的轴套和衬套系统的稳定工作。在液态锌锅中腐蚀、磨损、高温和高机械力等的同时作用下，极易导致锌锅辊传动部件的损伤，其主要表现为轴套和衬套的磨损、滑动性能变差，严重影响锌锅辊的正常运行。
[0005]基于钴基合金的化学性质难溶于锌液的特点，其被用于制作轴套和衬套的材料，但其物理性质特别是较差的润滑性能不能满足使用需求，为了增加轴套和衬套系统的润滑性能，采用向锌锅中加入大约0.15 - 0.2被％铅以满足轴套和衬套润滑性能的要求，但易导致环境污染，因此采用该方法已经大为减少。在现代化企业随着产量的急剧增加，带钢速度达到200m/min，张力达到10吨，导致原有轴套和衬套的使用寿命大为降低。中国专利CN101596634A公开了采用人工焊条电弧焊在不锈钢基体上堆焊钴基合金制作轴套和衬套，该方法无法实现有效陶瓷成分的任意添加，整体轴套和衬套内孔堆焊难以实现。日本专利JP03094984A中采用等离子堆焊能够实现耐蚀陶瓷材料的按比例添加和衬套内孔的整体堆焊，但堆焊材料没有明显改善摩擦副之间的润滑性能，同时堆焊层的结构较为单一，导致工作性能存在缺陷。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种锌锅辊轴套和衬套保护涂层的制备方法，经本方法制备轴套和衬套的保护涂层，有效提高了轴套和衬套的使用寿命，提高了耐磨和润滑性能，保证了带钢在锌锅的锌液系统中顺利进出，提高了热镀锌板带的生产效率。
[0007]为解决上述技术问题，本发明锌锅辊轴套和衬套保护涂层的制备方法包括如下步骤:
步骤一、轴套和衬套表面清洁，清除污垢并预热至200?300°C ；
步骤二、采用等离子堆焊设备对轴套和衬套进行多层粉末堆焊，堆焊与轴套和衬套结合的底层采用单一钴基合金粉末，其余各层的堆焊粉末材料为钴基合金粉末和氮化硼粉末，钴基合金粉末成分为0.06?2.6wt% C、8.0?32wt% Cr、1.0?3.5wt % Si,0.1?18wt% W、l.0 ?30wt% Μο、0.2 ?3.6wt% Fe、1.0 ?3.6wt% Ni，余量为 Co，氮化硼粉末含量为5?30wt% ；
步骤三、等离子堆焊设备分别设有放置钴基合金粉末和氮化硼粉末的两台送粉器，堆焊中两台送粉器经焊枪送粉或两台送粉器分别经焊枪和外部管道送粉，并分别设定各自的送粉参数，实现钴基合金粉末和氮化硼粉末的各自独立送粉；
步骤四、等离子堆焊设备的堆焊参数为喷距8?10mm、送粉量60?100g/min、转移弧电流200?300 A、电压20?40V、焊枪移动速度100?160mm/min、相邻焊道搭接面积30?60%、离子气200?300L/h、保护气800?1200L/h、送粉气150?250L/h，堆焊单层厚度L 5 ?2.5mm ；
步骤五、轴套和衬套焊后炉内300?400°C保温2h并随炉缓冷；
步骤六、轴套和衬套堆焊层经机械加工后成品保护涂层厚度为2.0?15mm。
[0008]进一步，轴套表面粉末堆焊涂层为两层并且底层硬度小于面层硬度，衬套内孔表面粉末堆焊涂层为三层并且底层材料与轴套表面涂层的底层材料相同、面层硬度小于或等于中间层硬度。
由于本发明锌锅辊轴套和衬套保护涂层的制备方法采用了上述技术方案，即本方法将轴套和衬套表面清洁并预热，采用等离子堆焊设备进行多层粉末堆焊，堆焊粉末材料为钴基合金粉末和氮化硼粉末，等离子堆焊设备分别设有放置钴基合金粉末和氮化硼粉末的两台送粉器，并分别设定送粉参数，实现两种粉末独立送粉；设定相应的堆焊参数，堆焊后炉内保温并随炉缓冷，堆焊层经机加工后保护涂层厚度为2.0?15_。经本方法制备轴套和衬套的保护涂层，有效提高了轴套和衬套的使用寿命，提高了耐磨和润滑性能，保证了带钢在锌锅的锌液系统中顺利进出，提高了热镀锌板带的生产效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明:
图1为本方法中堆焊粉末两台送粉器经焊枪送粉的示意图；
图2为本方法中堆焊粉末两台送粉器分别经焊枪和外部管道送粉的示意图。
【具体实施方式】
[0010]本发明锌锅辊轴套和衬套保护涂层的制备方法包括如下步骤:
步骤一、轴套和衬套表面清洁，清除污垢并预热至200?300°C ；
步骤二、采用等离子堆焊设备对轴套和衬套进行多层粉末堆焊，堆焊与轴套和衬套结合的底层采用硬度较低的单一钴基合金粉末，以保证与不锈钢基材的良好结合，其余各层的堆焊粉末材料为钴基合金粉末和氮化硼粉末，钴基合金粉末成分为0.06?2.6wt% C、8.0 ?32wt% Cr、1.0 ?3.5wt% Si,0.1 ?18wt% W、1.0 ?30wt% Mo,0.2 ?3.6wt% Fe、
1.0?3.6wt% Ni，余量为Co，氮化硼粉末含量为5?30wt% ；
步骤三、如图1和图2所示，等离子堆焊设备分别设有放置钴基合金粉末和氮化硼粉末的两台送粉器1，堆焊中两台送粉器I经焊枪2送粉或两台送粉器分I别经焊枪I和外部管道3送粉，并分别设定各自的送粉参数，实现钴基合金粉末和氮化硼粉末的各自独立送粉；步骤四、等离子堆焊设备的堆焊参数为喷距8?10mm、送粉量60?100g/min、转移弧电流200?300 A、电压20?40V、焊枪移动速度100?160mm/min、相邻焊道搭接面积30?60%、离子气200?300L/h、保护气800?1200L/h、送粉气150?250L/h，堆焊单层厚度L 5 ?2.5mm ；
步骤五、轴套和衬套焊后炉内300?400°C保温2h并随炉缓冷；
步骤六、轴套和衬套堆焊层经机械加工后成品保护涂层厚度为2.0?15mm。
[0011]进一步，轴套表面粉末堆焊涂层为两层并且底层硬度小于面层硬度，衬套内孔表面粉末堆焊涂层为三层并且底层材料与轴套表面涂层的底层材料相同、面层硬度小于或等于中间层硬度。
[0012]本方法中轴套和衬套基材与辊体及辊架不锈钢材料相一致，均为316L等不锈钢材料，以降低或消除在装配和使用过程中产生的应力，方便两者之间的结合。钴基合金不是依靠与基体牢固结合的有序沉淀相来强化，而是由已被固溶强化的奥氏体面心立方(fee)晶体结构与基体中分布少量碳化物组成，在很大程度上依靠碳化物强化，纯钴晶体在417°C以下是密排六方(hep)晶体结构，在更高温度下转变为奥氏体面心立方(fee)晶体结构。为了避免钴基合金在使用时发生这种转变，实际上钴基合金由镍合金化，以便在室温到熔点温度范围内使组织稳定化，同时添加镍和铁还可以提高碳化物形成元素在基体中的溶解度。钴基合金堆焊中随着含碳量的增加，其金相组织从亚共晶的奥氏体+M7C3型共晶变成过共晶的M7C3型初生碳化物和+ M7C3型共晶。含碳越多，初生M7C3越多，宏观硬度加大，抗磨料磨损性能提高，但耐冲击能力，焊接性，机加工性能都会下降。被铬和钨合金化的钴基合金具有很好的抗氧化性，抗腐蚀性和耐热性，在较高的使用温度仍能保持较高的硬度和强度。钴基合金机加工后表面光洁度高，具有良好的抗擦伤能力，也适用于粘着磨损。用铬和高含量钥合金化的钴基合金形成Laves相，由于Laves相的存在，当合金中不含钨元素时硬度仍有较大幅度的提高。钴基合金中硅的存在能够改善堆焊过程中金属的流动性能。此外，钴基合金的第二相如碳化物的含量、形态和分布对耐磨性也有影响。由于铬、钨和钥的合金碳化物分布于富钴的基体中以及部分铬、钨和钥原子固溶于基体，使钴基合金得到强化，从而改善耐磨性，而粗大的碳化物更有利于改善抗磨料磨损能力。
[0013]氮化硼是由氮原子和硼原子构成的晶体，六方氮化硼与石墨是等电子体。它有白色石墨之称，具有类似石墨的层状结构，有良好的润滑性、电绝缘性、导热性和耐化学腐蚀性。化学性质稳定，对所有熔融金属化学呈惰性，抗氧化性好，具有高的耐热性能和耐冲击性能。适宜作高温润滑剂及减摩材料。
[0014]等离子粉末堆焊技术作为材料表面强化手段之一，具有熔敷率高，稀释率低，堆焊用粉末使用范围广，易于实现自动化操作等突出优点。已越来越广泛地应用于制备各种耐磨耐蚀、耐高温氧化的熔敷层，这些特殊用途的熔敷层中往往需添加一些特殊性能的元素或硬质颗粒，这些特殊性能的颗粒与基体粘结相粉末通常进行机械混合来制备涂层，否则成本将会很高。同时单一送粉器中机械混合的粉末由于各种颗粒比重不同可能分层或分布不均，最终造成制备熔敷层性能的不均匀，采用单一送粉器送粉还会出现堵粉现象，设备无法正常工作。因此，本方法中等离子堆焊设备具有两个独立送粉器，每个送粉器连接一个或两个送粉孔道，独立向焊枪供粉或由外部供粉，这样配合送粉就可以得到均匀的复合涂层。等离子堆焊设备可配置内孔焊枪，以完成小口径轴套和衬套内孔硬质层的整体堆焊。
[0015]堆焊硬质层根据使用需求，轴套外表焊层通常由两层结构组成，其中底层材料含有较少的硬质相，硬度较低，以利于与不锈钢基材的良好结合，面层材料要求硬度较高，并含有自润滑成分，以降低摩擦系数。衬套内孔焊层通常由三层结构组成，底层材料与轴套相同满足与不锈钢基材结合性能要求，中间层材料要求硬度较高，而面层材料硬度应低于或等于中间层硬度。
[0016]本方法采用的粉末堆焊材料易于灵活调配涂层成分配比，在堆焊工艺过程中实现原位生成硬质相，优化涂层结构及摩擦副之间的匹配性能；氮化硼材料的引入，使涂层具备了一定的自润滑性能，降低轴套与衬套之间工作时的摩擦系数，延长部件使用寿命；等离子堆焊设备配备独立送分功能的双送粉系统还可实现焊枪内外同时送粉，即一个送粉器进行枪内送粉，另一送粉器经由送粉管道从电弧外侧向电弧及熔池之中送粉，这种送粉方式解决了制备耐磨复合涂层时氮化硼颗粒容易在电弧中烧损的问题，基体粉末粘结相可经由焊枪送粉受到高温电弧的充分熔化，保证了涂层的性能；堆焊操作可自动进行，减少了手工堆焊人为因素的干扰，保证了产品质量。
[0017]本方法制得的保护涂层的堆焊硬质层由多层结构优化组成，堆焊层与基材结合良好，衬套内孔硬质层便于加工，同时，轴套与衬套之间摩擦性能相互匹配，运行平稳，明显地减轻了在使用过程中遇到的摩擦阻力不断增大的问题。
[0018]下列为本方法的多个【具体实施方式】:
实施方式I
将轴套316L不锈钢基材加工到堆焊前要求尺寸并清洁表面，炉内预热至250°C，底层钴基合金粉末成分为:1.0wt % C、29wt % Cr、2.0wt % S1、4.5wt % ff> 1.0wt % Mo>2.0wt %Fe、2.0wt % Ni,底层送粉量80g/min。面层钴基合金粉末成分为:2.0wt % C、29wt % Cr、2.0wt % S1、12wt % ff> 1.0wt % Mo>2.0wt % Fe、2.0wt % Ni,面层送粉量 68g/min,同时氮化硼粉末采用外部管道送粉，送粉量20g/min。
[0019]堆焊参数为:喷距8mm，转移弧电流240 A，电压约28 V，按移动速度130mm/min旋转轴套工件，按焊道搭接40 %速度平移焊枪，离子气250L/h，保护气1000L/h，送粉气200L/h，气体均为氩气。底层堆焊单层厚度2.4mm，面层堆焊四层厚度8mm。焊后炉内300°C保温2h随炉缓冷，机械加工至设计尺寸。
[0020]实施方式2
将轴套316L不锈钢基材加工到堆焊前要求尺寸并清洁表面，炉内预热至240°C，底层钴基合金粉末成分为:1.4wt % C、29wt % Cr>2.0wt % S1、8.5wt % ff> 1.0wt % Mo、2.0wt %Fe, 2.0wt % Ni，底层送粉量80g/min。面层钴基合金粉末成分为:1.4wt% C,29wt% Cr、
2.0wt% S1、8.5wt% ff> 1.0wt% Mo、2.0wt% Fe、2.0wt% Ni,面层送粉量 70g/min,同时氮化硼粉末采用外部管道送粉，送粉量15g/min。
[0021]堆焊参数为:喷距8mm，转移弧电流240 A，电压约28 V，按移动速度120mm/min旋转轴套工件，按焊道搭接50 %速度平移焊枪，离子气250L/h，保护气1000L/h，送粉气200L/h，气体均为氩气。底层堆焊单层厚度2.0mm，面层堆焊四层厚度10mm。焊后炉内300°C保温2h随炉缓冷，机械加工至设计尺寸。
[0022]实施方式3
将轴套316L不锈钢基材加工到堆焊前要求尺寸并清洁表面，炉内预热至250°C，底层钴基合金粉末成分为:1.0wt % C、29wt % Cr、2.0wt % S1、4.5wt % ff> 1.0wt % Mo>2.0wt %Fe、2.0wt% Ni,底层送粉量68g/min。面层钴基合金粉末成分为:0.08wt% C、8.5wt% Cr、
2.6wt% Si>29wt% Mo、1.4wt% Fe、1.8wt% Ni,面层送粉量 72g/min,同时氮化硼粉末采用外部管道送粉，送粉量16g/min。
[0023]堆焊参数为:喷距10mm，转移弧电流240 A，电压约28 V，按移动速度150mm/min旋转轴套工件，按焊道搭接60 %速度平移焊枪，离子气250L/h，保护气1000L/h，送粉气200L/h，气体均为氩气。底层堆焊单层厚度1.5mm，面层堆焊两层厚度4mm。焊后炉内300°C保温2h随炉缓冷，机械加工至设计尺寸。
[0024]实施方式4
将衬套316L不锈钢基材内孔加工到堆焊前要求尺寸并清洁表面，炉内预热至250°C，底层钴基合金粉末成分为:1.0wt% C、29wt% Cr、2.0 wt% Si>4.5 wt% ff> 1.0 wt% Mo>2.0wt% Fe,2.0 wt% Ni，底层送粉量80g/min。面层钴基合金粉末成分为:1.0wt% C、29wt%Cr>2.0wt % S1、4.5wt % ff> 1.0wt % Mo>2.0wt % Fe、2.0wt% Ni,面层送粉量 76g/min,同时氮化硼粉末采用外部管道送粉，送粉量20g/min。
[0025]堆焊参数为:喷距8mm，转移弧电流240 A，电压约28 V，按移动速度120mm/min旋转轴套工件，按焊道搭接40 %速度平移焊枪，离子气250L/h，保护气1000L/h，送粉气200L/h，气体均为氩气。底层堆焊单层厚度2.2_，面层堆焊五层厚度12_。焊后炉内300°C保温2h随炉缓冷，机械加工至设计尺寸。
[0026]实施方式5
将衬套316L不锈钢基材内孔加工到堆焊前要求尺寸并清洁表面，炉内预热至250°C，底层钴基合金粉末成分为:1.0wt % C、29wt % Cr、2.0wt % S1、4.5wt % ff>1.0wt % Mo、
2.0wt % Fe,2.0wt % Ni，底层送粉量80g/min。中间层钴基合金粉末成分为:1.5wt% C、30wt% Cr>2.0wt% S1、8.5wt% ff>1.0wt% Mo、2.0wt% Fe、2.0wt% Ni,中间层送粉量 72g/min，同时氮化硼粉末采用外部管道送粉，送粉量15g/min。面层钴基合金粉末成分为:1.0wt% C>29wt% Cr、2.0wt% S1、4.5wt% W、1.0wt% Mo>2.0wt% Fe、2.0wt% Ni,面层送粉量76g/min，同时氮化硼粉末采用外部管道送粉，送粉量20g/min。
[0027]堆焊参数为:喷距8mm，转移弧电流240 A，电压约28 V，按移动速度120mm/min旋转轴套工件，按焊道搭接40 %速度平移焊枪，离子气250L/h，保护气1000L/h，送粉气200L/h，气体均为氩气。底层堆焊单层厚度1.8mm，中间层堆焊三层厚度8mm，面层堆焊两层厚度5_。焊后炉内300°C保温2h随炉缓冷，机械加工至设计尺寸。
[0028]本方法借助等离子堆焊设备，以在不锈钢基体上形成带有自润滑性能的钴基硬质合金工作层的方式加工制作轴套和衬套的保护涂层，通过钴基合金粉末成分优化、涂层结构设计和堆焊工艺完善，改进了摩擦副之间的匹配性能，在锌液或铝液中的工作寿命和稳定性大为提高，并制造工艺简便，生产成本较低，市场竞争能力强。
【权利要求】
1.一种锌锅辊轴套和衬套保护涂层的制备方法，其特征在于本方法包括如下步骤: 步骤一、轴套和衬套表面清洁，清除污垢并预热至200?300°C ； 步骤二、采用等离子堆焊设备对轴套和衬套进行多层粉末堆焊，堆焊与轴套和衬套结合的底层采用单一钴基合金粉末，其余各层的堆焊粉末材料为钴基合金粉末和氮化硼粉末，钴基合金粉末成分为0.06?2.6wt% C、8.0?32wt% Cr、1.0?3.5wt % Si,0.1?18wt% W、1.0 ?30wt% Mo,0.2 ?3.6wt% Fe、1.0 ?3.6wt% Ni，余量为 Co，氮化硼粉末含量为5?30wt% ； 步骤三、等离子堆焊设备分别设有放置钴基合金粉末和氮化硼粉末的两台送粉器，堆焊中两台送粉器经焊枪送粉或两台送粉器分别经焊枪和外部管道送粉，并分别设定各自的送粉参数，实现钴基合金粉末和氮化硼粉末的各自独立送粉； 步骤四、等离子堆焊设备的堆焊参数为喷距8?10mm、送粉量60?100g/min、转移弧电流200?300 A、电压20?40V、焊枪移动速度100?160mm/min、相邻焊道搭接面积30?60%、离子气200?300L/h、保护气800?1200L/h、送粉气150?250L/h，堆焊单层厚度L 5 ?2.5mm ； 步骤五、轴套和衬套焊后炉内300?400°C保温2h并随炉缓冷； 步骤六、轴套和衬套堆焊层经机械加工后成品保护涂层厚度为2.0?15mm。
2.根据权利要求1所述的锌锅辊轴套和衬套保护涂层的制备方法，其特征在于:轴套表面粉末堆焊涂层为两层并且底层硬度小于面层硬度，衬套内孔表面粉末堆焊涂层为三层并且底层材料与轴套表面涂层的底层材料相同、面层硬度小于或等于中间层硬度。
【文档编号】B22F1/00GK104278268SQ201310287308
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月10日 优先权日:2013年7月10日
【发明者】徐建明, 王树保, 傅卫, 王倩 申请人:上海宝钢工业技术服务有限公司