专利名称：具高耐用性的炉辊的制作方法
技术领域：
本发明是涉及用于作为在热处理炉内推进钢带的炉辊。更具体地，本发明适用于在连续退火炉中作为炉辊，可减小炉辊表面的结垢(buildup)和增加炉辊的使用寿命。
在钢带退火中使用的热处理炉中装有炉辊(hearth rolls)，以实现连续退火过程。这炉辊在温度为600-1200℃范围内和弱氧化氛氖下操作。这些炉辊必须能在长时间连续操作中保持传输高温钢带的能力。由于苛刻的条件下。炉辊会产生几个潜在的问题，包括炉辊表面的磨损，和氧化物或铁尘型颗粒物在炉辊表面的粘附，这些颗粒物可能是在操作期间从钢带转移到炉辊上。这种粘附物称之为“结垢”(buildup)。
制止结垢现象最有效的手段是在炉辊表面加一陶瓷层。日本专利申请昭64-258已提出这一方法。带有这种层的辊子可有效地减少辊子表面的结垢，但这一层也是易脆的和在热处理循环中易于剥落。日本专利申请昭60-14186提出另一种复层，在辊子表面的耐热合金层可有效地防止剥落，但对于结垢仍是无效的。曾提出各种陶瓷材料来作为防止剥落的复层，同时也能减小在炉辊表面结垢的发生。这些建议包括如下1.日本专利申请平2-270955热喷涂材料为NiCrAlY和加入5-20％的Cr2O3-Al2O3。
2.美国专利4，822,689MCrAlY(其中M为Fe，Ni或Co)还加有51-95％(体积)Al2O3。
3.日本专利昭63-47379MCrAlY(其中M为Fe，Ni或Co)还加入30-80％(体积)的ZrSiO4；并经氧化铬致密化处理。
4.日本专利申请昭63-47379MCrAlY(其中M是Fe，Ni或Co)再加40％SiO2。
5.日本专利申请昭60-56058多层Al2O3-MgO4晶态金属，顶层是由Al2O3-MgO组成。
上述陶瓷材料都被引入和用作炉辊复层，在介决前面所提出的问题方面相当成功。但是近年来已看到，对于减少使用寿命的原由的研究结果以及介决这些问题所采取的措施，已导致具有优良抗结垢和抗磨损并同时能延长使用寿命的炉辊的出现。
本发明的目的是提供一种炉辊，通过对陶瓷材料的热喷涂复层的改进而防止结垢，保持优良的抗剥落和抗热冲击性能，和最终实现能在连续退火流水线上使用的长寿命的炉辊。
本发明人一开始所采取的步骤是确定为何炉辊使用寿命开始降低的原由。
在钢片退火过程中，钢组成中存在的锰会氧化成氧化锰。这氧化物浓集在钢片的表面，在退火过程中氧化锰则转移到炉辊表面。
由于氧化锰和耐热合金之间的固态反应，因而减少炉辊的使用寿命。上述的耐热合金构成辊子的复层材料。
已确定复层破裂的原因是由于氧化锰与耐热合金中存在的Al2O3的反应。因此，作出研究以确定在耐热合金中能安全存在的Al2O3的最小量。研究结果表明，在标准的MCrAlY合金(其中M是Fe，Ni或Co)中如果Al的原子百分含量低于10％和Al＋Cr总量的原子百分含量在13-31％之间，则可以是安全的。如果这类耐热合金和具有与氧化锰低反应性的陶瓷氧化物(占总量的5-90％(重量))联合使用，则可以实现与前述目的相适应的陶瓷复层材料。
本发明人发现必须用具有类似质量的不同氧化物取代陶瓷复层材料中的Al2O3。取代Al(第III族轻金属)最可能的入选者是这些元素它们的氧化物在高温下比较稳定，例如Mg(第二族，轻金属)和Y(第III族，希土)。通过对使用这些金属的氧化物(MgO，Y2O3)的效果的研究，而实现本发明。
炉辊在短时间内变得不可用了的评估表明，在氧化锰和复层组分之间在辊子表面发生的固态反应产生了反应的副产物。产生含有大量氧化物的固态反应产物的机理将在下面叙述。
众所周知在连续退火炉中恒定地保持退火温度高于800℃，在钢带中存在的锰在炉中诸如小量水蒸汽压力的条件下可以被氧化，和在钢带表面上浓集。在连续退火过程中钢带中存在的锰在钢带表面形成稳定氧化物层。近年来，作为重要例子对于为汽车车体生产的钢带来说，已倾向于增加特别低碳钢的生产。这种低碳钢中锰的百分含量增加了。这锰因而在退火过程中从钢带转入炉辊表面，并积聚在炉辊表面。
本发明人进行的研究证实，当以前使用的复层材料放在与退火炉相同的环境中与氧化锰接触时固体反应就发生了，因而导致复层在短时间内变质。这就证明这一设想，即炉辊使用寿命降低的原由是由于辊子复层材料与氧化锰的固态反应，这反应是在连续退火流水线的加热与持续的高温环境的条件下发生的。
下一步骤则是评价如何防止各种MCrAlY耐热合金和各种氧化物对锰的反应。如实例1和2所示，当耐热合金中Al含量低于10％(原子)和(Al＋Cr)总量低于13-31％(原子)，同时分别或一起加入MgAl2O4，MgO或Y2O3，则在控制与氧化锰的固态反应中表现出显著的改善。
通过在连续退火流水线的条件下在氧化锰和Al2O3，Cr2O3和其它氧化物之间的反应的再现，发明人发现具有标准复层材料涂复的炉辊的使用寿命缩短的过程。这些反应产生诸如MnAl2O4和Cr1.5Mn1.5O4一类的易碎氧化物。因此，从减少与氧化锰反应而产生的复层易碎性的观点出发，减少复层中耐热合金组分中Al的含量是有利的。但是Al对于防止复层的过度氧化还是必要的。如果Al和Cr的总量保持较高，还是可以控制高温氧化的。正如实例1所述的试验结果所揭示的，发明人发现～含量保持在低于10％(原子)是对所提出问题的最好的介决。
如果Al的含量超过10％(原子)，试验表明在炉辊表面易于生成氧化铝层和由于氧化锰而造成易碎性。
另一方面，为使复层具有足够的抗磨损能力，必须找到一种与氧化锰有低反应性的可替代Al2O3的氧化物。研究结果表明，符合上述条件的氧化物确定为氧化镁(MgO)和氧化镁尖晶石(MgAl2O4)。
另外，使用氧化钇(Y2O3)也能实现如氧化镁粉末的相同效果和制成致密的复层。
结果表明使用MgAl2O4，MgO和Y2O3组成的组中的单一材料或这些材料的组合使用都可得到单独使用MgO的相同效果。
当上述氧化物材料与耐热合金结合时，加入量在5％(原子)以下因效果太小而没有什么用。但是加入量超过90％(原子)则会造成复层碎裂和易于剥落，因此，推荐陶瓷复层材料中向耐热合金加入5-90％(原子)的氧化物。
下面通过实施例详细介绍本发明的操作。
实例1表1中1-3号是几种MCrAl耐热合金粉末，它们与25％(重量)MnO混合，在2％H2＋N2气氛下在1000℃加热100小时。同样的复层材料也用于制备用爆燃枪方法在50×50×10mm的SUS304试块所做出的复层试样。在研磨完成后，这些试样与MnO接触，和在上述相同条件下试验。试验之后这些试样用环氧树脂固定，切割和制作标本供截面检验和EDX分析。为检验MnO腐蚀程度，进行了X-射线分析以确定腐蚀产物的组成。这些试验的累积结果示于表1。
结果清楚表明试样3和3a落入本发明范围，在防止MnO腐蚀方面比常规的耐热合金要有更优良的性能。
表1几种耐热合金的MnO腐蚀的比较
实例2如实例1所述相同试验条件下评价了4-13号氧化物粉末复层材料，以确定它们对MnO腐蚀的抵抗力。评价标准也同实例1所述。表2列出试验结果。对于Al2O3(试样4号)，SiO2(试样5号)和具有大量Al2O3的混合材料(试样12号)这MnO腐蚀最大。对于Cr2O3(试样6号)，Al2O3-Cr2O3(试样7号)和ZrSiO4(试样8号)MnO腐蚀为中等。而最佳结果是列在本发明内的材料所取得，包括Y2O3(试样9号)，MgAl2O4(试样10号)，MgO(试样11号)；和NiCoCrAlY(Al为3％(重量))(试样3号)。这些本发明的材料表现出与MnO几乎无反应性。作为实验结果之一的在腐蚀产物中发现的大量的锰提供另一证据，证明炉辊的变坏是由于MnO的存在。在这些条件下显然本发明要求保护的氧化物是不与MnO反应的。
表2几种氧化物粉末的MnO腐蚀的比较
实例3为比较本发明与现有技术的复层材料的效果，复层性能的比较试验也作出了。
在表3列出了用爆燃枪技术制备的复层材料50×50×10mm的试件。在涂复后，试样与铁粉和MnO粉接触在2％H2＋N2气氛下加热至800-1000℃和保持，然后速冷。速冷之后试样在大气条件下进行曝露试验300小时。为评价复层对热冲击的耐受通过加热至950℃再在冷水中速冷来对试样进行循环试验。
试验结果示于表3。
表3对抗热冲击和抗MnO腐蚀的涂层材料的比较
Fe粉粘附1.几不粘附。
2.少量粘附；易于除去。
3.粘附材料不易于除去。
MnO腐蚀评价A.和预-试验测量相比没有变化的表面粗糙度。
B.在表面上形成含锰氧化物。
C.比预试验测量要粗糙得多的表面粗糙度。
如上面材料试验所示，与使用现有技术的复层材料相比使用本发明复层材料的炉辊，实质上无Fe的粘附，没有被MnO腐蚀和具有优良的抗热冲击性能。
权利要求
1.用于连续退火炉的炉辊，其特征在于此炉辊表面上的陶瓷热喷涂复层，其中热喷涂复层由(1)耐热合金MCrAlY，其中M是选自Fe，Ni和Co组中的至少一种金属元素，Al的含量低于10％(原子)和Al＋Cr的总量在13-31％(原子)之间，和(2)与之相结合的陶瓷氧化物组成，此陶瓷氧化物构成热喷涂复层的5-90％(重量)，而且此陶瓷氧化物对于氧化锰来说具有低反应性。
2.根据权利要求1的炉辊，其特征在于对氧化锰具有低反应性的陶瓷氧化物是氧化镁尖晶石(MgAl2O4)。
3.根据权利要求1的炉辊，其特征在于对氧化锰具有低反应性的陶瓷氧化物是氧化镁(MgO)。
4.根据权利要求1的炉辊，其特征在于对氧化锰具有低反应性的陶瓷氧化物是氧化钇(Y2O3)。
5.根据权利要求1的炉辊，其特征在于对氧化锰具有低反应的陶瓷氧化物是选自氧化镁尖晶石(MgAl2O4)、氧化镁(MgO)和氧化钇(Y2O3)组中至少两个氧化物的组合而成的材料。
全文摘要
表面上有陶瓷热喷涂覆层的炉辊。它是由耐热合金MCrAlY和与之相结合的陶瓷氧化物组成。MCrAlY中M是Fe、Ni或Co，Al的含量低于10％(原子)，(Al+Cr)总量介于13-31％(原子)之间，和陶瓷氧化物是选自MgO，MgAl
文档编号B21B39/00GK1125781SQ9511590
公开日1996年7月3日 申请日期1995年8月25日 优先权日1994年8月26日
发明者G·杨 申请人:普拉塞尔.S.T.技术有限公司