專利名稱：熱軋無縫鋼管軋機限動芯棒激光熔覆耐磨、抗熱疲勞合金涂層工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種冶金設備部件的耐磨抗蝕方法，特別是涉及一種采用激光熔覆技 術的制備熱軋無縫鋼管軋機限動芯棒耐磨、抗熱疲勞合金涂層的工藝，屬于IPC國際專利 分類表中的C23C24/10 (2006. 01)1技術領域。
背景技術：
我國無縫鋼管行業近幾年出現了有史以來最快發展，作為軋管機組中重要的工模 具-芯棒，其需求也隨之大幅增長。業內專家認為“十一五”期間隨著國內正在建設及新 建生產線的陸續投產，預計2010年我國芯棒的國內消耗量在1. 5 2. 0萬噸左右。在無縫鋼管的生產費用中，軋制工模具-芯棒的消耗達50-100元/噸。據統計 2008年我國熱軋無縫鋼管產量為2000多萬噸，芯棒消耗達10-20億元，且大口徑無縫鋼管 限動芯棒80%需要進口，鋼管企業因此付出高昂的購置費用。因而提高芯棒的使用壽命、降 低工具消耗是無縫鋼管企業迫切需要解決的技術難題。限動芯棒在軋制過程中反復急冷急熱，承受巨大的循環應力，其表面因此形成熱 疲勞裂紋及熱磨損而失效。目前提高限動芯棒使用壽命的主要途徑是采用高合金的熱作模 具鋼及超純凈鋼冶煉技術提高限動芯棒的耐磨、抗熱疲勞性能。顯然整體提高鋼的純凈度 會帶來制造難度的加大及成本的大幅上升，更重要的是芯棒的失效是因為表面裂紋及熱磨 損的原因而導致整體的報廢，無形中會造成社會成本及稀缺、貴重資源的巨大浪費。限動芯 棒鍍表面硬鉻也是目前采用的技術之一，但涂層結合強度差，易剝落且不環保，屬國家限制 采用的技術。因此，選擇適當的制備熱軋無縫鋼管軋機限動芯棒耐磨、抗熱疲勞合金涂層的工 藝，使熱軋無縫鋼管軋機限動芯棒耐磨、抗熱疲勞合金涂層與基體結合強度高、耐磨及抗熱 疲勞性能好、合金涂層的厚度均勻，是當前亟待解決的課題。激光熔覆技術作為一種先進的再制造技術，近年來得到了迅速推廣和廣泛應用。激光熔覆技術利用高能量激光束聚集能量極高的特點，瞬間將在基材表面預置或 與激光同步自動送置的、具有特殊物理、化學或力學性能的合金粉末完全熔化，同時基材部 分熔化，形成一種新的復合型材料，激光束掃描后快速凝固，獲得與基體冶金結合的致密覆 層，以達到恢復幾何尺寸和表面強化的目的。目前，關于利用激光熔覆工藝制備設備部件耐磨抗蝕合金涂層的專利和報道很 多例如，公開號為CN1202534的中國發明專利申請給出的《金屬表面等離子噴涂后激光熔 覆制備陶瓷涂層的方法》，該方法是先在金屬表面用等離子噴涂方法制備陶瓷涂層，然后在 激光照射的同時，將陶瓷粉末噴向涂層表面，對陶瓷涂層進行二次熔覆處理。公開號為CN1786272的中國發明專利申請給出的《激光熔覆鎳基納米WC/Co預涂 層的制備方法》，該制備方法包括下列步驟①按每克重的蟲膠與10 20克重的無水乙醇稱量蟲膠和無水乙醇，然后將所述的蟲膠加入無水乙醇中制成粘結劑；②根據需要按每克 鎳基納米WC/Co粉末與0. 1毫升 0. 25毫升的粘結劑的比例，稱量鎳基納米WC/Co粉末和 所述的粘結劑并混合，充分攪拌均勻制成預涂膠；③將上述預涂膠均勻地涂在待激光熔覆 處理的工件表面，制成預涂層；④烘干。采用自制的粘結劑制備鎳基納米WC/Co預涂層，然 后再采用激光熔覆工藝，制備出了表面較平整，較細密、基本消除了裂紋與孔隙并與基體呈 冶金結合的鎳基納米WC/Co復合涂層。公開號為CN101338427的中國發明專利申請給出的《液壓支架立柱缸筒、活塞桿 耐磨抗蝕涂層的激光熔覆工藝》，包括以下工藝過程首先立柱缸筒、活塞桿表面預處理室 溫下對立柱缸筒、活塞桿表面進行除油、除銹，并用酒精清洗干凈；然后合金粉末的選擇和 自動送粉裝置的調節選用具有優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 ；最后自動送粉裝置 的調節調節自動送粉裝置，使自動送粉頭出來的合金粉末正好落在激光熔池內，調節送粉 量，使合金粉末涂層的厚度達到0. 6-1. 2mm。公開號為CN101338425的中國發明專利申請給出的《鐵路道岔滑床板表面耐磨抗 蝕合金涂層激光熔覆工藝》，包括以下工藝過程首先滑床板表面預處理，即在室溫下對滑 床板表面進行除油除銹，并用酒精清洗干凈；然后是合金粉末的預置，即把待熔覆的鐵基、 鎳基或鈷基合金粉末預置于上述處理后的滑床板表面，并用帶有導軌的刮尺來調整預制合 金粉末，使之均勻分布在滑床板表面并具有適當的厚度，以滿足熔覆后涂層厚度的要求；最 后是光熔覆強化滑床板，選用氣體CO2激光器，工作臺為數控機床，在滑床板表面進行激光 熔覆強化。公開號為CN101338428的中國發明專利申請給出的《鎬形截齒齒體頭部激光熔覆 耐磨涂層強化工藝》，包括以下工藝過程首先是截齒齒體頭部表面預處理；然后是合金粉 末的選擇和自動送粉裝置的調整；最后是截齒頭部激光熔覆耐磨合金涂層。現有技術給出的上述技術方案雖能利用激光熔覆工藝對部分設備部件進行防腐 耐磨涂層處理，并通過配制適當的熔覆材料克服了激光熔層存在的裂紋、氣孔和微觀結構 不均勻性的問題，取得一定的技術效果。但對其他特定的設備部件，例如像熱軋無縫鋼管軋 機限動芯棒這樣的特殊結構，現有的激光熔覆工藝已明顯不能適應。經本申請人檢索查證采用激光熔覆工藝完成熱軋無縫鋼管軋機限動芯棒耐磨、 抗熱疲勞合金涂層，國內尚無先例，國外也沒有見到相關報道。因此，尋找出適當的采用激 光熔覆完成熱軋無縫鋼管軋機限動芯棒耐磨、抗熱疲勞合金涂層的工藝方法，仍需所屬領 域的技術人員進一步作出創造性的研究工作。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術對熱軋無縫鋼管軋機限動芯棒耐磨、抗熱疲勞合 金涂層處理難的課題，通過反復研究改進，給出了一種新的熱軋無縫鋼管軋機限動芯棒激 光熔覆耐磨、抗熱疲勞合金涂層工藝。該激光熔覆工藝采用高功率激光設備和同步自動送 粉裝置，在高功率激光束輻照限動芯棒表面形成激光熔池的同時將性能優異的鈷基合金粉 末材料同步送入熔池，激光束移開后熔池快速凝固形成0. 2--2mm左右的抗高溫氧化、抗熱 疲勞、抗熱磨損的涂層，從而提高芯棒使用壽命1倍或數倍以上。
本發明給出的技術方案是這種熱軋無縫鋼管軋機限動芯棒激光熔覆耐磨、抗熱 疲勞合金涂層工藝，采用激光設備和自動送粉裝置，在激光束輻照限動芯棒表面形成激光 熔池的同時將合金粉末材料送入熔池，激光束移開后熔池快速凝固形成0. 2-2mm的抗高 溫氧化、抗熱疲勞、抗熱磨損的涂層，其特點是包括有以下步驟1、工作層機械加工及表面清理為了預留激光熔覆所需的工作層厚度，用溶劑或清洗劑清除限動芯棒油污，對限 動芯棒銹層用打磨或噴砂清除；2、激光熔覆加工1)合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調整根據限動芯棒工況，采用鈷基合金粉末，其化學成份按重量百分比為C: 0. 2-0. 3%,Cr :25-30%,Ni 2-4%,Mo 4. 5-6. 5%,Si 0. 7-1. 5%、余量為 Co。調節自動送 粉裝置送粉速率，以滿足涂層厚度所需送粉速率，送粉速率為5-20g/min ；2)圓形光束激光熔覆工藝參數聚焦鏡f = 300 400mm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%矩形光束激光熔覆熔覆功率P = 3000 10000W矩形光斑長X寬=(8 10)mmX (1 2)mm熔覆掃描速度V = 100 800mm/min搭接率40 60%;3、后續熱處理在熱處理爐中對激光熔覆后的限動芯棒進行高溫回火處理溫度為550-600°C， 去應力退火5 7個小時，以減少激光熔覆后涂層及基體組織轉變后的殘余應力。本發明選用鈷基合金粉末具有優良的抗高溫氧化性、抗熱疲勞性和抗熱磨損性； 合金熱膨脹系數熔與基體十分相近，這樣可以抑制激光熔覆過程中由于基材與熔覆材料熱 物性之間的差異導致產生的組織應力。本發明的原理是通過采用高溫性能極好的鈷基合金粉末，利用激光熔覆先進的 工藝手段，在基體上形成0. 2-2mm左右的抗高溫氧化、熱疲勞、抗熱磨損的涂層，從而提高 芯棒使用壽命，實現高性價比的激光芯棒的制造和在制造。與現有技術相比，本發明的有益效果是1、激光熔覆鈷基合金涂層均勻、致密，與基體形成牢固的冶金結合。2、采用合金結構鋼(35CrMoV、40CrNiMo等)復合激光熔覆鈷基合金可取代傳統 限動芯棒的超純鋼制造技術及昂貴的Hll、H13等熱作模具鋼材料，實現限動芯棒的激光制造。3、本發明技術具有對環境無污染、無輻射、低噪聲，還具有生產率高、能耗低、熔覆 層加工余量小、成品率高以及綜合成本低等特點。
4、本發明可用于限動芯棒的修復與再制造。
具體實施例方式實施案例1 熱軋無縫鋼管軋機限動芯棒激光熔覆制造過程1、工作層機械加工及表面清理機械加工的目的是為了預留激光熔覆所需的工作層厚度，表面清理是保證涂層與 基體結合強度的重要工序，限動芯棒油污等用溶劑或清洗劑清除，對限動芯棒銹層可用打 磨或噴砂清除。2、激光熔覆加工1)合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調整根據限動芯棒工況，選用鈷基合金粉末，鈷基合金粉末的化學成份按重量百分比 為C 0. 2-0. 3%, Cr :25-30%,Ni :2_4%、Mo 4. 5-6. 5%, Si 0. 7-1. 5%、余量為 Co。調節自動送粉裝置送粉速率，以滿足涂層厚度所需送粉速率。2)激光熔覆工藝參數聚焦鏡f = 400熔覆功率P = 4000W光斑直徑D = 4謹熔覆掃描速度V = 500mm/min搭接率50%3、后續熱處理在熱處理爐中對激光熔覆后的限動芯棒進行高溫回火處理溫度為580°C，去應 力退火6個小時，以減少激光熔覆后涂層及基體組織轉變后的殘余應力。實施例2本發明的熱軋無縫鋼管軋機限動芯棒激光熔覆制造過程1、工作層機械加工及表面清理機械加工的目的是為了預留激光熔覆所需的工作層厚度，表面清理是保證涂層與 基體結合強度的重要工序，限動芯棒的油污等用溶劑或清洗劑清除，對限動芯棒的銹層可 用打磨或噴砂清除。2、激光熔覆加工1)合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調整根據限動芯棒工況，選用鈷基合金粉末，鈷基合金粉末的化學成份按重量百分比 為C 0. 2-0. 3%, Cr :25-30%,Ni :2_4%、Mo 4. 5-6. 5%, Si 0. 7-1. 5%、余量為 Co。調節自動送粉裝置送粉速率，以滿足涂層厚度所需送粉速率。2)激光熔覆工藝參數熔覆功率P = 7000W矩形光斑長X寬=IOmmXlmm熔覆掃描速度V = 400mm/min搭接率40%
3、后續熱處理在熱處理爐中對激光熔覆后的限動芯棒進行高溫回火處理溫度為600°C，去應 力退火7個小時，以減少激光熔覆后涂層及基體組織轉變后的殘余應力。
權利要求
一種熱軋無縫鋼管軋機限動芯棒激光熔覆耐磨、抗熱疲勞合金涂層工藝，采用激光設備和自動送粉裝置，在激光束輻照限動芯棒表面形成激光熔池的同時將合金粉末材料送入熔池，激光束移開后熔池快速凝固形成0.2 2mm的抗高溫氧化、抗熱疲勞、抗熱磨損的涂層，其特征在于包括有以下步驟(1)工作層機械加工及表面清理為了預留激光熔覆所需的工作層厚度，用溶劑或清洗劑清除限動芯棒油污，對限動芯棒銹層用打磨或噴砂清除；(2)激光熔覆加工1)合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調整根據限動芯棒工況，采用鈷基合金粉末，其化學成份按重量百分比為C0.2 0.3％、Cr25 30％、Ni2 4％、Mo4.5 6.5％、Si0.7 1.5％、余量為Co。調節自動送粉裝置送粉速率，以滿足涂層厚度所需送粉速率，送粉速率為5 20g/min；2)圓形光束激光熔覆工藝參數聚焦鏡f＝300～400mm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％矩形光束激光熔覆熔覆功率P＝3000～10000W矩形光斑長×寬＝(8～10)mm×(1～2)mm熔覆掃描速度V＝100～800mm/min搭接率40～60％；(3)后續熱處理在熱處理爐中對激光熔覆后的限動芯棒進行高溫回火處理溫度為550 600℃，去應力退火5～7個小時，以減少激光熔覆后涂層及基體組織轉變后的殘余應力。
全文摘要
一種熱軋無縫鋼管軋機限動芯棒激光熔覆耐磨、抗熱疲勞合金涂層方法，其特點是首先對限動芯棒的油污及銹層進行表面清理；然后選擇鈷基合金粉末，采用激光設備和自動送粉裝置，在限動芯棒表面進行激光熔覆加工，使之形成0.2--2mm的抗高溫氧化、抗熱疲勞、抗熱磨損的涂層；最后在熱處理爐中對激光熔覆后的限動芯棒進行高溫回火處理，以減少激光熔覆后涂層及基體組織轉變后的殘余應力。本發明的激光熔覆合金涂層均勻、致密，具有生產率高、能耗低、熔覆層加工余量小、成品率高以及綜合成本低等特點。
文檔編號C23C24/10GK101994114SQ200910013328
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月24日 優先權日2009年8月24日
發明者陳海濤, 陶興啟 申請人:沈陽大陸激光成套設備有限公司