专利名称：铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末及其制法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属激光表面合金化用合金粉末材料及其制备方法和应用，特别是应用于铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末及其制法以及它的应用，属于冶金技术领域。
背景技术：
轧辊是一般轧钢厂耗量最大的配件之一。目前我国吨钢辊耗3kg/t，其中轧制带钢的热轧辊辊耗最高，一个中型的带钢厂一年的辊耗约占年利润的10%。因此，降低辊耗是钢铁企业急需解决的重要课题。提高轧辊的硬度、耐磨性和抗腐蚀性是降低轧钢辊耗研究的重要方向。目前在轧制棒材和高速线材上，国内外先后采用高速钢轧辊和硬质合金复合轧辊，其使用效果良好。但在铸铁系热轧带材上还未见到成功使用的报导。铸铁系热轧的工况条件较差，它既要同1000 1100°C的红热钢胚直接接触，还要承受室温冷水的强制冷却，同时还要承受约300t/m2以上的轧制力，在这种热力交变的工况条件下，轧辊需要很高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性能，以及耐冷热冲击强度。传统的轧辊表面修复与强化技术主要包括轧辊表面的堆焊技术、热喷涂技术、热喷焊技术和激光熔覆技术等。前三者主要属于机械结合，结合强度不够，不能有效的提高轧辊表面高温磨损和抗开裂的能力；而后者(即激光熔覆技术)一般用铁粉用作骨料，添加一定比例的Mo、W、Co等合金元素，容易在硬化层产生裂纹。因此开发新的技术来进行轧辊表面的强化与修复意义十分重大。目前为止，还没有一种理想的专门用于铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末，因此，研发专用于铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末材料成为亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末及其制法和应用。本发明所提供的合金粉末均勻性好，用于铸铁轧辊激光表面合金化后形成的合金化层组织细小、无孔洞和裂纹，合金化层与基材呈冶金结合，结合强度高，且所形成的合金化层具有硬度高、耐磨性强、耐腐蚀及耐冷热冲击强度高等特点。本发明是这样构成的一种铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末，按照重量份计算，它是由下述原料粉末混合而成的=TiA 22 28份、Al2O3 12 18份、SW2 3 6份、 Cr2O3 8 12份、Cr 4 7份、Si 10 16份、W 10 14份、Co 3 6份和Mo 6 10份。按照重量份计算，前述合金粉末优选由下述原料粉末混合而成TiA 25份、Al2O3 15 份、SiA 5 份、Cr2O3 10 份、Cr 5 份、Si 15 份、W 12 份、Co 5 份禾口 Mo 8 份。前述铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末的制备方法为按配方及比例称取粒度不大于140目且不小于观0目的各种原料粉末，然后在研钵中研磨使之充分混合，即得产
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ΡΠ O前述原料粉末在研钵中的研磨时间为6 8小时。若研磨时间过长则生产成本增加、降低效益，若研磨时间过短则这些原料粉末不能够充分地混合均勻，达不到最佳的使用效果。本发明所述铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末的应用将所述合金粉末用于铸铁轧辊的激光表面合金化。具体的应用方法为将所述合金粉末用粘接剂涂覆于需要进行合金化的铸铁轧辊表面，在激光输出功率P = 1. 7 2. 5KW，扫描速度V = 3 8mm/s，光斑尺寸D = 2 4mm 的条件下，进行激光合金化。优选的应用方法为将所述合金粉末用粘接剂涂覆于需要进行合金化的铸铁轧辊表面，在激光输出功率P = 2. 2KW，扫描速度V = 5mm/s，光斑尺寸D = 3mm的条件下，进行激光合金化。前述激光合金化的工艺参数是发明人经过多次试验筛选出来的如在光斑直径为3. 0mm、焦距为320mm的设定值下，先选定4mm/s的扫描速度，分别用1. 7kw、2. Okw, 2. 2kw、2. 5kw的功率进行激光合金化，然后观察分析不同功率下的合金化层的组织性能，进行对比，得到最佳功率参数；再选定2. 2KW的最佳功率，分别用不同的速度3mm/S、5mm/S、 6mm/s,7mm/s进行扫描，然后观察分析不同扫描速度下的合金化层的组织性能，进行对比， 得到最佳的扫描速度。前述的粘接剂是由重量比例为2 5 0. 5 1 0. 5 1 90 95的聚乙酸乙烯酯、膨润土、Y2O3和无水乙醇混合溶解构成的溶液。本发明合金粉末是根据铸铁轧辊的工作条件，为了改善它的表面性能而专门配制的。铸铁轧辊工作条件比较复杂，它要求其表面具有较高的硬度，较好的耐磨性、耐蚀性以及耐冷热冲击的能力。所以进行合金化的金属粉末应颗粒细小、均勻，与基材中的碳、铁元素形成MoC、Fe2MoC, WC及SiC等高硬度的硬质颗粒，从而提高其表面的硬度、耐磨性、耐蚀性以及耐冷热冲击强度，且制备的合金化层不会产生空洞、裂纹等缺陷。本发明所选用的合金粉末都是与基体在高温液相可以互溶的，采用恰当的比例配制，且在配制过程中进行长时间的研磨，以保证合金化粉体充分混合均勻。用激光进行合金化时，在基体表面形成熔池，熔池内的液体元素通过扩散和对流进行均勻混合，且发生化学冶金反应，形成MoC、Fe2MoC, WC及SiC等高硬度的硬质颗粒。又由于激光合金化属于超快速加热和超快速冷却的过程，形成的合金硬质颗粒来不及长大就被迅速地冷却下来，因而形成的合金化层具有组织细小，无孔洞和裂纹，与基材呈冶金结合，结合强度高等优点。本发明人在阅读了大量文献的基础上，并结合铸铁轧辊的工作条件，为了改善铸铁轧辊的表面性能，在基体表面添加由Cr、Si、W、Co、Mo、Ti02、Al203、SiA和Cr2O3组成的复合粉末。Cr、Mo、W加入的主要目的是为了获得高硬度的耐磨碳化物；Co是非碳化物形成元素，主要溶于基体，能提高材料的韧性和抗疲劳性能；熔融态的Si具有很强的化学活性，几乎能与各种元素发生高温化学反应，能与石墨在高温下形成碳化硅；而Cr2O3具有极好的化学稳定性，对基材有很好的润湿性和粘接性；金红石(较纯的TiO2)有助于涂层与基体材料的粘接强度，并使其具有更好的韧性和较高的抗冲击载荷强度；莫来石(3Al203-2Si02)的组织结构在高温下使晶体相互交错和啮合，能承受连续的温度变化而不产生裂纹及剥落。 即轧辊表面激光合金化后产生了显著的固熔强化和弥散强作用；且由于组织高度细化，产生显著的晶粒细化强韧化作用，在提高合金化层强度的同时，还提高了它的韧性和塑性；并且由于碳化物的弥散和均勻分布可以有效地阻止晶粒长大，因此激光合金化后可在很大程度上提高材料的耐磨性、硬度、抗冷热疲劳强度，同时提高材料的抗腐蚀性能。各原料粉末(Cr、Si、W、Co、Mo、TiO2, A1203、SiO2, Cr2O3)之间的用量配比也是发明人结合铸铁轧辊的工作条件，根据铸铁轧辊的表面性能要求，经过反复的激光合金化试验所筛选、确定的。用本发明合金粉末进行激光合金化后，铸铁轧辊的合金化层大体分为平面晶区、 胞状晶区、树枝晶区三个区域，合金化层的厚度为0. 35 0. 55mm，硬度HRC = 55 70。与现有技术相比，本发明所述合金粉末适用于铸铁轧辊激光表面合金化，合金化过程中不易产生热裂纹，能有效地形成组织细小、无孔洞且结合强度高的合金化层，可以降低激光合金化过程中合金化层的组织应力和热应力，且粉末与基材中的碳能原位生成碳化物以及硬质合金颗粒，因而用该粉末进行合金化后，激光合金化层具有组织细小、无孔洞和裂纹、合金化层与基材呈冶金结合、结合强度高的特点，且所形成的合金化层具有硬度高、 耐磨性强、耐腐蚀及耐冷热冲击强度高等特点。
具体实施例方式本发明的实施例1 铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末的制备称取粒度不大于 180 目且不小于 240 目的下述原料粉末:Ti02 25kg、Al2O3 15kg、SiO2 5kg、Cr2O3 10kg、 Cr5kg, Si 15kg, W 12kg, Co 5kg, Mo ^g，然后在研钵中研磨7小时使之充分混合，即得合
金粉末产品。前述合金粉末产品的应用将制得的合金粉末用粘接剂(重量比例为 3 0.5 0.5 95的聚乙酸乙烯酯、膨润土、AO3和无水乙醇混合溶解构成的溶液)涂覆于需要进行合金化的铸铁轧辊表面，在激光输出功率P = 2. 2KW，扫描速度V = 5mm/s，光斑尺寸D = 3mm的条件下，进行激光合金化。合金化后，铸铁轧辊的合金化层大体分为平面晶区、胞状晶区、树枝晶区三个区域，合金化层的厚度为0. 40 0. 50mm，硬度HRC = 70。本发明的实施例2 铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末的制备称取粒度不大于 140 目且不小于 200 目的下述原料粉末:Ti02 22kg、Al2O3 14kg、SiO2 4kg、Cr2O3 12kg、 Cr6kg, Si 10kg、W 12kg, Co 4kg、Mo ^g，然后在研钵中研磨6小时使之充分混合，即得合金粉末产品。前述合金粉末产品的应用将制得的合金粉末用粘接剂(重量比例为 4:1:1: 94的聚乙酸乙烯酯、膨润土、Y2O3和无水乙醇混合溶解构成的溶液)涂覆于需要进行合金化的铸铁轧辊表面，在激光输出功率P = 2. 0KW，扫描速度V = 4mm/s，光斑尺寸 D = 2mm的条件下，进行激光合金化。合金化后，铸铁轧辊的合金化层大体分为平面晶区、胞状晶区、树枝晶区三个区域，合金化层的厚度为0. 35 0. 45mm，硬度HRC = 60。本发明的实施例3 铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末的制备称取粒度不大于220目且不小于观0目的下述原料粉末TiO2 26kg、Al2O3 18kg、SiO2 3kg、Cr2O3 8kg、 Cr4kg, Si 12kg、W 10kg,Co 3kg,Mo 10kg，然后在研钵中研磨7小时使之充分混合，即得合金粉末产品。前述合金粉末产品的应用将制得的合金粉末用粘接剂(重量比例为 5 0.7 0.8 90的聚乙酸乙烯酯、膨润土、AO3和无水乙醇混合溶解构成的溶液)涂覆于需要进行合金化的铸铁轧辊表面，在激光输出功率P = 1. 7KW，扫描速度V = 3mm/s，光斑尺寸D = 3mm的条件下，进行激光合金化。合金化后，铸铁轧辊的合金化层大体分为平面晶区、胞状晶区、树枝晶区三个区域，合金化层的厚度为0. 45 0. 55mm，硬度HRC = 65。
本发明的实施例4 铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末的制备称取粒度不大于 140 目且不小于 280 目的下述原料粉末:Ti02 28kg、Al2O3 12kg、SiO2 6kg、Cr2O3 8kg、 Cr7kg, Si 16kg, W 14kg、Co 6kg, Mo ^g，然后在研钵中研磨8小时使之充分混合，即得合
金粉末产品。前述合金粉末产品的应用将制得的合金粉末用粘接剂涂覆于需要进行合金化的铸铁轧辊表面，在激光输出功率P = 2. 5KW，扫描速度V = 8mm/s，光斑尺寸D = 4mm的条件下，进行激光合金化。合金化后，铸铁轧辊的合金化层大体分为平面晶区、胞状晶区、树枝晶区三个区域，合金化层的厚度为0. 35 0. 55mm，硬度HRC = 55。
权利要求
1.铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末，其特征在于按照重量份计算，它是由下述原料粉末混合而成的=TiA 22 28份、Al2O3 12 18份、SiR 3 6份、Cr2O3 8 12份、 Cr4 7份、Si 10 16份、W 10 14份、Co 3 6份和Mo 6 10份。
2.根据权利要求1所述的铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末，其特征在于按照重量份计算，它是由下述原料粉末混合而成的TW2 25份、Al2O3 15份、SW2 5份、Cr2O3 10 份、Cr 5 份、Si 15 份、W 12 份、Co 5 份禾口 Mo 8 份。
3.如权利要求1或2所述的铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末的制备方法，其特征在于按配方及比例称取粒度不大于140目且不小于观0目的各种原料粉末，然后在研钵中研磨使之充分混合，即得产品。
4.根据权利要求3所述的铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末的制备方法，其特征在于原料粉末在研钵中的研磨时间为6 8小时。
5.如权利要求1或2所述的铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末的应用，其特征在于 将所述合金粉末用于铸铁轧辊的激光表面合金化。
6.根据权利要求5所述的铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末的应用，其特征在于 将所述合金粉末用粘接剂涂覆于需要进行合金化的铸铁轧辊表面，在激光输出功率P =1.7 2. 5KW，扫描速度V = 3 8mm/s，光斑尺寸D = 2 4mm的条件下，进行激光合金化。
7.根据权利要求6所述的铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末的应用，其特征在于 将所述合金粉末用粘接剂涂覆于需要进行合金化的铸铁轧辊表面，在激光输出功率P =2.2KW，扫描速度V = 5mm/s，光斑尺寸D = 3mm的条件下，进行激光合金化。
8.根据权利要求6或7所述的铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末的应用，其特征在于所述的粘接剂是由重量比例为2 5 0.5 1 0.5 1 90 95的聚乙酸乙烯酯、膨润土、Y2O3和无水乙醇混合溶解构成的溶液。
全文摘要
本发明公开了一种铸铁轧辊激光表面合金化用合金粉末及其制法和应用，按照重量份计算，它是由下述原料粉末混合而成的TiO2 22～28份、Al2O3 12～18份、SiO2 3～6份、Cr2O3 8～12份、Cr4～7份、Si10～16份、W10～14份、Co3～6份和Mo6～10份。与现有技术相比，本发明所述合金粉末适用于铸铁轧辊激光表面合金化，可以降低激光合金化过程中合金化层的组织应力和热应力，因而用该粉末进行合金化后，激光合金化层具有组织细小、无孔洞和裂纹、合金化层与基材呈冶金结合、结合强度高的特点，且所形成的合金化层具有硬度高、耐磨性强、耐腐蚀及耐冷热冲击强度高等特点。
文档编号B22F1/00GK102350500SQ20111030607
公开日2012年2月15日 申请日期2011年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者冯亮, 刘其斌 申请人:贵州光谷海泰激光技术有限公司