本發明涉及一種冶金部件表面制備耐磨抗熱復合涂層的的激光熔覆工藝，特別是涉及一種卷取機夾送棍表面制備耐磨層的工藝方法。
背景技術：
卷取機是熱軋生產線上的重要設備，用于將軋制的成品熱軋帶鋼卷成鋼卷。夾送輥擔負著將軋制好的鋼板導向、夾送的任務，利用異徑輥的錯位布置迫使帶鋼頭部產生大的彎曲，引導帶鋼頭部進入卷取機，在尾部卷曲階段對帶鋼施加穩定的張力。因此夾送輥對帶鋼的表面質量產生很大的影響，目前隨著各行各業的發展，用戶對帶鋼的表面質量的要求越來越高，解決好批量性的帶鋼的表面質量問題有著重要的意義。夾送輥的工作溫度在500~740℃，與鋼帶接觸且要承受很大的壓力，導致其自身產生的氧化物和鋼帶的氧化物壓入夾送輥的表面，影響鋼帶的表面質量。夾送輥主要的損壞形式是腐蝕產生的高硬度的氧化鐵皮壓入夾送輥表面，并在表面形成尺寸較大的積瘤，和鋼帶接觸形成劃痕，破壞鋼帶的表面質量。針對這個問題，傳統制造方式的解決方法有三種，一是采用工具鋼焊絲進行堆焊，由于鉻含量低夾送輥的表面會迅速的形成氧化物膜，氧化膜的脫落會有效防止氧化物在夾送輥表面的堆積，但是由于這種堆焊層氧化速度快，使用壽命較低15~20天后便會失效；一種是采用馬氏體不銹鋼進行表面的堆焊，提高涂層的抗氧化性在表面形成致密的氧化膜，但是由于氧化物的硬度高于涂層的硬度，會有氧化物的壓入，在使用8~12小時之后就會有氧化物壓入涂層表面導致帶鋼表面有劃痕；另一種是在夾送輥表面進行噴涂，但是由于噴涂層不夠致密抗沖擊性能較差，涂層壽命和質量均不好。根據夾送輥的使用現狀，迫切的需要新的制造技術提高夾送輥的質量和壽命。
近年，隨著激光技術的成熟和發展，激光熔覆可以獲得性能優良的表面涂層，介于激光的高方向性和高能量密度，激光加工具有很多可貴的優勢，如能量密度高熱影響區小、靈活、高效。因此利用激光熔覆的優勢提高卷曲機夾送棍表面的熱疲勞性能和耐磨性，提高夾送輥的表面質量是保證鋼帶的質量的重要途徑。同時也是可大幅度延長夾送輥的壽命提高經濟效益和生產效率的根本措施。
然而，尚缺乏針對卷取機夾送輥激光熔覆工藝的研究，特別是關于激光熔覆制備卷取機夾送輥的工藝方法缺乏深入研究。所以，利用激光制造的方式進行夾送輥表面激光熔覆仍需本領域技術人員創造性地解決存在的一系列的問題：制造高硬度無裂紋合金熔覆層是激光制造夾送輥的難題；裂紋的形成是由于熔覆層中存在大量的硬質相以及硬質相的不良分布，其高脆性難以承受熔覆過程產生的較大拉應力所致；要解決激光熔覆層出現的裂紋問題，一方面要優化合金粉末成分，提高粉末的強韌性；另一方面就是要設法降低熱應力影響，從工藝上降低熔覆過程的殘余拉應力。
技術實現要素：
本發明的目的在于解決現有技術存在的夾送輥使用壽命短，表面質量易惡化問題，通過反復研究改進，給出了一種采用高功率CO2激光器快速熔覆在夾送輥表面制備高硬度耐磨抗熱復合涂層的方法。該激光熔覆方法可制備與基體形成冶金結合的特殊功能涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及抗氧化特性。特制涂層的合金材料是在鎳基粉末中添加了一定量的鎢元素，采用激光熔覆會在涂層內原位生成硬質相，提高涂層的硬度，因此與夾送輥基材性能相差過大，需要在基材上首先熔覆一層打底層做為基體和功能層性能的過渡層。
本發明的目的是這樣實現的：在卷取機夾送輥表面制備耐磨抗熱復合涂層的方法，其特點是包括以下過程。
1、卷取機夾送輥表面預處理。
在室溫下采用200~300g/l的H2SO4與100~120g/l的HCl的混合液對卷取機夾送輥表面進行酸洗去銹，并采用酒精對卷取機夾送輥表面進行清洗，防止有污染物存在界面處，影響激光熔覆層與基體界面的質量。
2、激光器快速熔覆打底層鐵基合金。
選用高功率CO2激光器，以數控機床為工作臺，用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式（低階模），獲得穩定的等離子體弧狀態。在良好的保護氛圍中對卷取機夾送輥進行快速熔覆打底鐵基合金，具體工藝參數如下：
聚焦鏡f = 300~400
熔覆功率P=3000~5000W
光斑尺寸長×寬=（2~10）mm×（1~2）mm
熔覆掃描速度V=400~800mm/min
搭接率40~60%。
3、高功率激光器熔覆前預熱。
選用高功率電阻率爐對夾送輥進行熔覆前預熱，調整工件的裝卡精度后對其進行熔覆前預熱，預熱溫度在350~650℃，達到預熱溫度后在保溫的條件下進行激光熔覆。
4、高功率激光器寬帶熔覆鎳基合金。
在保溫條件下，采取預置送粉方式喂入合金粉末，采用寬帶熔覆方法在鐵基合金打底層表面熔覆鎳基合金，具體工藝參數如下：
聚焦鏡f = 300~400
熔覆功率P=5000～10000W
矩形光斑長×寬=（2～10）mm×（1～2）mm
熔覆掃描速度V=400～800mm/min
搭接率40～60%。
5、后續熱處理。
激光寬帶熔覆鎳基合金后要隨爐緩慢冷卻，經過24小時的緩慢冷卻后，再對卷取機夾送輥在熱處理爐中進行去應力退火處理，加熱到 250～350℃去應力退火5～7個小時后緩慢冷卻至室溫。
本發明工藝特點在于激光器類型是高功率CO2氣體激光器，其最高功率是10000W，波長10.6微米，可采用窄帶低階模快速掃描以及寬帶矩形掃描進行熔覆，實現無裂紋高硬度的夾送輥功能涂層。
本發明的合金材料的特點是在Ni-Cr-Fe鎳基粉末中添加了30%的W提高粉末的硬度，提高涂層中硬質相的體積比，從而大幅度的提高涂層的硬度和耐磨性，鎳基粉末的化學成分為（%）：3.05~4.35C，8.02~8.99Cr，2.80~3.00Fe，1.00~1.55Si，0.55~0.89Mn，0.38~0.80Al，28.50~30.00W，余量為Ni。制備硬度高于氧化物的涂層，從而解決有余氧化物的壓入影響夾送輥的壽命和表面質量的問題。
本發明選用與卷取機夾送輥基材成分相近的鐵基粉末作為打底層，鐵基粉末的化學成分為（%）：0.15~0.25C，15.00~16.80Cr，1.00~1.50Si，1.00~2.00Ni，0.30~0.50Mn，0.80~2.00Mo，1.00~1.50B，余量為鐵。這是因為一方面，夾送輥基材是一種鋼材，與鎳基合金的物理性能相差較大，將鎳基粉末熔覆于夾送輥基體上，熱膨脹系數和硬度的巨大差異會導致大量裂紋和殘余應力產生，這種鐵基合金粉末具有優良的韌性及較好的耐磨性，鐵基粉末和夾送輥基體的熱膨脹系數和熔點均十分相近，這樣可以抑制激光熔覆過程中由于基材與熔覆材料熱物理性能之間的差異產生的組織應力，實現熔覆層與基材的良好過渡；另一方面，打底層為后期寬帶激光熔覆鎳基合金熔覆層提供了良好的“隔熱”屏障作用，降低對基材性能的影響。
本發明的原理是通過選取與卷曲夾送輥基材成分和熱物理性能相近的最佳隔熱鐵基合金粉末作為打底層，合理設計并優化工藝參數，在高功率低階模起弧條件下進行激光快速熔覆，與夾送輥形成牢固的冶金結合，實現和基體材料良好的韌性過渡；然后選取耐熱、耐磨、耐蝕性能都很好的鎳基合金形成均勻致密的功能涂層，鎳基粉末是在傳統鎳基粉末中添加一定含量的鎢元素，增加涂層原位生成的硬質相，提高涂層的硬度和耐磨性。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：激光束的功率、位置和形狀等能夠精確控制，易實現選區甚至微區熔覆，且涂層成分不受基體成分干擾和影響，涂層厚度也可準確控制，屬于無接觸型處理，以及整個過程很容易實現自動控制；另外，激光熔覆工藝對環境無污染、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得到廣泛的應用。因此采用激光熔覆技術將產生顯著的經濟效益和社會效益。
具體實施方式
實施例1。
本發明給出的在卷取機夾送輥表面激光快速熔覆制備耐磨抗熱復合涂層工藝，包括以下過程。
1、卷取機夾送輥表面預處理。
在室溫下采用200g/l的H2SO4與100g/l的HCl的混合液對卷取機夾送輥表面進行酸洗去銹，除凈為止；再用工業酒精對卷取機夾送輥進行進一步的清洗，保證激光熔覆表面的清潔度。
2、激光熔覆打底層鐵基合金。
選用DL-HL-T10000 型CO2激光器，打開SIEMENS數控機床。用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式（低階模），獲得穩定的等離子體弧狀態。然后在良好的保護氛圍下，在清潔的夾送輥表面進行打底鐵基粉末激光熔覆，具體工藝參數如下：
聚焦鏡f = 300
熔覆功率P=4000W
光斑尺寸長×寬=10mm×1mm
掃描速度V=450mm/min
搭接率50%。
3、高功率激光器寬帶熔覆前預熱。
選用高功率電阻率爐對夾送輥進行熔覆前預熱，調整工件的裝卡精度后對其進行熔覆前預熱，預熱溫度在500℃，達到預熱溫度后保溫，進行功能層激光熔覆。
4、高功率激光器寬帶熔覆鎳基合金。
采取預置送粉方式喂入合金粉末，采用寬帶熔覆方法在鐵基合金表面熔覆鎳基合金，其工藝參數為：
聚焦鏡f = 300
熔覆功率P=5000W
矩形光斑長×寬=10mm×1mm
熔覆掃描速度V=500mm/min
搭接率40%。
5、后續熱處理。
激光寬帶熔覆鎳基合金后要慢速緩冷，在熱處理爐中對夾送輥進行300℃去應力退火6個小時。
所述鐵基合金的組分以重量%計為。
C 0.15，Cr 15.40，Si 1.20，Ni 1.20，Mn 0.30，Mo 0.85，B 1.10，余量為鐵。
所述鎳基合金的組分以重量%計為。
C 3.05，Cr 8.02，Fe 2.85，Si 1.10，Mn 0.55，Al 0.38，W 28.50，余量為Ni。
實施例2。
本發明是在卷取機夾送輥表面激光快速熔覆制備耐磨抗熱復合涂層工藝，包括以下過程。
1、卷取機夾送輥表面預處理。
在室溫下采用250g/l的H2SO4與110g/l的HCl的混合液對卷取機夾送輥表面進行酸洗去銹，除凈為止；再用工業酒精對卷取機夾送輥進行進一步的清洗，保證激光熔覆表面的清潔度。
2、激光熔覆打底層鐵基合金。
選用DL-HL-T10000 型CO2激光器，打開SIEMENS數控機床。用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式（低階模），獲得穩定的等離子體弧狀態。然后利用激光器，以450mm/min掃描速度在清潔后的夾送輥表面進行打底層激光熔覆，具體工藝參數如下：
聚焦鏡f = 300
熔覆功率P=4000W
光斑尺寸長×寬=6.5mm×1.5mm
掃描速度V=450mm/min
搭接率50%。
3、高功率激光器寬帶熔覆前預熱。
選用高功率電阻率爐對夾送輥進行熔覆前預熱，調整工件的裝卡精度后對其進行熔覆前預熱，預熱溫度在550℃，達到預熱溫度后保溫，進行功能層激光熔覆。
4、高功率激光器寬帶熔覆鎳基合金。
采取預置送粉方式喂入合金粉末，采用寬帶熔覆方法在鐵基合金表面熔覆鎳基合金，其工藝參數為：
聚焦鏡f = 400
熔覆功率P=8000W
矩形光斑長×寬=10mm×1.5mm
熔覆掃描速度V=700mm/min
搭接率50%。
4、后續熱處理。
5、激光寬帶熔覆鎳基合金后要慢速緩冷，在熱處理爐中對夾送輥進行350℃去應力退火7個小時。
所述鐵基合金的組分以重量%計為。
C 0.20，Cr 16.00，Si 1.30，Ni 1.50，Mn 0.40，Mo 1.50，B 1.30，余量為鐵。
所述鎳基合金的組分以重量%計為。
C 3.85，Cr 8.45，Fe 2.90，Si 1.35，Mn 0.65，Al 0.55，W 29.30，余量為Ni。
實施例3。
1、卷取機夾送輥表面預處理。
在室溫下采用250g/l的H2SO4與110g/l的HCl的混合液對卷取機夾送輥表面進行酸洗去銹，除凈為止；再將卷取機夾送輥用工業酒精進行進一步的清洗，保證激光熔覆表面的清潔度。
2、激光熔覆打底層合金。
選用DL-HL-T10000 型CO2激光器，打開SIEMENS數控機床。用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式（低階模），獲得穩定的等離子體弧狀態。然后利用激光器，以400mm/min掃描速度在清潔后的夾送輥表面進行打底層激光熔覆，具體工藝參數如下：
聚焦鏡f = 300
熔覆功率P=5000W
光斑尺寸長×寬=10mm×1mm
掃描速度V=400mm/min
搭接率60%。
3、高功率激光器寬帶熔覆前預熱。
選用高功率電阻率爐對夾送輥進行熔覆前預熱，調整工件的裝卡精度后對其進行熔覆前預熱，預熱溫度在550℃，達到預熱溫度后保溫，進行功能層激光熔覆。
4、高功率激光器寬帶熔覆鎳基合金。
采取預置送粉方式喂入合金粉末，采用寬帶熔覆方法在鐵基合金表面熔覆鎳基合金。其參數為：
聚焦鏡f = 400
熔覆功率P=6000W
矩形光斑長×寬=6mm×1.5mm
熔覆掃描速度V=800mm/min
搭接率50%。
5、后續熱處理。
激光寬帶熔覆鎳基合金后要慢速緩冷，在熱處理爐中對夾送輥進行250℃去應力退火7個小時。
所述鐵基合金的組分以重量%計為。
C 0.25，Cr 16.80，Si 1.50，Ni 2.00，Mn 0.5，Mo 2.00，B 1.50，余量為鐵。
所述鎳基合金的組分以重量%計為。
C 4.35，Cr 8.99，Fe 3.00，Si 1.55，Mn 0.89，Al 0.80，W 30.00，余量為Ni。