專利名稱：鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末及其制法和應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬激光表面合金化用合金粉末材料及其制備方法和應用，特別是應用于鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末及其制法以及它的應用，屬于冶金技術領域。
背景技術：
軋輥是一般軋鋼廠耗量最大的配件之一。目前我國噸鋼輥耗3kg/t，其中軋制帶鋼的熱軋輥輥耗最高，一個中型的帶鋼廠一年的輥耗約占年利潤的10%。因此，降低輥耗是鋼鐵企業急需解決的重要課題。提高軋輥的硬度、耐磨性和抗腐蝕性是降低軋鋼輥耗研究的重要方向。目前在軋制棒材和高速線材上，國內外先后采用高速鋼軋輥和硬質合金復合軋輥，其使用效果良好。但在鑄鐵系熱軋帶材上還未見到成功使用的報導。鑄鐵系熱軋的工況條件較差，它既要同1000 1100°C的紅熱鋼胚直接接觸，還要承受室溫冷水的強制冷卻，同時還要承受約300t/m2以上的軋制力，在這種熱力交變的工況條件下，軋輥需要很高的硬度、耐磨性和抗腐蝕性能，以及耐冷熱沖擊強度。傳統的軋輥表面修復與強化技術主要包括軋輥表面的堆焊技術、熱噴涂技術、熱噴焊技術和激光熔覆技術等。前三者主要屬于機械結合，結合強度不夠，不能有效的提高軋輥表面高溫磨損和抗開裂的能力；而后者(即激光熔覆技術)一般用鐵粉用作骨料，添加一定比例的Mo、W、Co等合金元素，容易在硬化層產生裂紋。因此開發新的技術來進行軋輥表面的強化與修復意義十分重大。目前為止，還沒有一種理想的專門用于鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末，因此，研發專用于鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末材料成為亟待解決的關鍵問題。

發明內容
本發明的目的在于提供一種鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末及其制法和應用。本發明所提供的合金粉末均勻性好，用于鑄鐵軋輥激光表面合金化后形成的合金化層組織細小、無孔洞和裂紋，合金化層與基材呈冶金結合，結合強度高，且所形成的合金化層具有硬度高、耐磨性強、耐腐蝕及耐冷熱沖擊強度高等特點。本發明是這樣構成的一種鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末，按照重量份計算，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。按照重量份計算，前述合金粉末優選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。前述鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末的制備方法為按配方及比例稱取粒度不大于140目且不小于觀0目的各種原料粉末，然后在研缽中研磨使之充分混合，即得產
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ΡΠ O前述原料粉末在研缽中的研磨時間為6 8小時。若研磨時間過長則生產成本增加、降低效益，若研磨時間過短則這些原料粉末不能夠充分地混合均勻，達不到最佳的使用效果。本發明所述鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末的應用將所述合金粉末用于鑄鐵軋輥的激光表面合金化。具體的應用方法為將所述合金粉末用粘接劑涂覆于需要進行合金化的鑄鐵軋輥表面，在激光輸出功率P = 1. 7 2. 5KW，掃描速度V = 3 8mm/s，光斑尺寸D = 2 4mm 的條件下，進行激光合金化。優選的應用方法為將所述合金粉末用粘接劑涂覆于需要進行合金化的鑄鐵軋輥表面，在激光輸出功率P = 2. 2KW，掃描速度V = 5mm/s，光斑尺寸D = 3mm的條件下，進行激光合金化。前述激光合金化的工藝參數是發明人經過多次試驗篩選出來的如在光斑直徑為3. 0mm、焦距為320mm的設定值下，先選定4mm/s的掃描速度，分別用1. 7kw、2. Okw, 2. 2kw、2. 5kw的功率進行激光合金化，然后觀察分析不同功率下的合金化層的組織性能，進行對比，得到最佳功率參數；再選定2. 2KW的最佳功率，分別用不同的速度3mm/S、5mm/S、 6mm/s,7mm/s進行掃描，然后觀察分析不同掃描速度下的合金化層的組織性能，進行對比， 得到最佳的掃描速度。前述的粘接劑是由重量比例為2 5 0. 5 1 0. 5 1 90 95的聚乙酸乙烯酯、膨潤土、Y2O3和無水乙醇混合溶解構成的溶液。本發明合金粉末是根據鑄鐵軋輥的工作條件，為了改善它的表面性能而專門配制的。鑄鐵軋輥工作條件比較復雜，它要求其表面具有較高的硬度，較好的耐磨性、耐蝕性以及耐冷熱沖擊的能力。所以進行合金化的金屬粉末應顆粒細小、均勻，與基材中的碳、鐵元素形成MoC、Fe2MoC, WC及SiC等高硬度的硬質顆粒，從而提高其表面的硬度、耐磨性、耐蝕性以及耐冷熱沖擊強度，且制備的合金化層不會產生空洞、裂紋等缺陷。本發明所選用的合金粉末都是與基體在高溫液相可以互溶的，采用恰當的比例配制，且在配制過程中進行長時間的研磨，以保證合金化粉體充分混合均勻。用激光進行合金化時，在基體表面形成熔池，熔池內的液體元素通過擴散和對流進行均勻混合，且發生化學冶金反應，形成MoC、Fe2MoC, WC及SiC等高硬度的硬質顆粒。又由于激光合金化屬于超快速加熱和超快速冷卻的過程，形成的合金硬質顆粒來不及長大就被迅速地冷卻下來，因而形成的合金化層具有組織細小，無孔洞和裂紋，與基材呈冶金結合，結合強度高等優點。本發明人在閱讀了大量文獻的基礎上，并結合鑄鐵軋輥的工作條件，為了改善鑄鐵軋輥的表面性能，在基體表面添加由Cr、Si、W、Co、Mo、Ti02、Al203、SiA和Cr2O3組成的復合粉末。Cr、Mo、W加入的主要目的是為了獲得高硬度的耐磨碳化物；Co是非碳化物形成元素，主要溶于基體，能提高材料的韌性和抗疲勞性能；熔融態的Si具有很強的化學活性，幾乎能與各種元素發生高溫化學反應，能與石墨在高溫下形成碳化硅；而Cr2O3具有極好的化學穩定性，對基材有很好的潤濕性和粘接性；金紅石(較純的TiO2)有助于涂層與基體材料的粘接強度，并使其具有更好的韌性和較高的抗沖擊載荷強度；莫來石(3Al203-2Si02)的組織結構在高溫下使晶體相互交錯和嚙合，能承受連續的溫度變化而不產生裂紋及剝落。 即軋輥表面激光合金化后產生了顯著的固熔強化和彌散強作用；且由于組織高度細化，產生顯著的晶粒細化強韌化作用，在提高合金化層強度的同時，還提高了它的韌性和塑性；并且由于碳化物的彌散和均勻分布可以有效地阻止晶粒長大，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、抗冷熱疲勞強度，同時提高材料的抗腐蝕性能。各原料粉末(Cr、Si、W、Co、Mo、TiO2, A1203、SiO2, Cr2O3)之間的用量配比也是發明人結合鑄鐵軋輥的工作條件，根據鑄鐵軋輥的表面性能要求，經過反復的激光合金化試驗所篩選、確定的。用本發明合金粉末進行激光合金化后，鑄鐵軋輥的合金化層大體分為平面晶區、 胞狀晶區、樹枝晶區三個區域，合金化層的厚度為0. 35 0. 55mm，硬度HRC = 55 70。與現有技術相比，本發明所述合金粉末適用于鑄鐵軋輥激光表面合金化，合金化過程中不易產生熱裂紋，能有效地形成組織細小、無孔洞且結合強度高的合金化層，可以降低激光合金化過程中合金化層的組織應力和熱應力，且粉末與基材中的碳能原位生成碳化物以及硬質合金顆粒，因而用該粉末進行合金化后，激光合金化層具有組織細小、無孔洞和裂紋、合金化層與基材呈冶金結合、結合強度高的特點，且所形成的合金化層具有硬度高、 耐磨性強、耐腐蝕及耐冷熱沖擊強度高等特點。
具體實施例方式本發明的實施例1 鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末的制備稱取粒度不大于 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，然后在研缽中研磨7小時使之充分混合，即得合
金粉末產品。前述合金粉末產品的應用將制得的合金粉末用粘接劑(重量比例為 3 0.5 0.5 95的聚乙酸乙烯酯、膨潤土、AO3和無水乙醇混合溶解構成的溶液)涂覆于需要進行合金化的鑄鐵軋輥表面，在激光輸出功率P = 2. 2KW，掃描速度V = 5mm/s，光斑尺寸D = 3mm的條件下，進行激光合金化。合金化后，鑄鐵軋輥的合金化層大體分為平面晶區、胞狀晶區、樹枝晶區三個區域，合金化層的厚度為0. 40 0. 50mm，硬度HRC = 70。本發明的實施例2 鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末的制備稱取粒度不大于 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，然后在研缽中研磨6小時使之充分混合，即得合金粉末產品。前述合金粉末產品的應用將制得的合金粉末用粘接劑(重量比例為 4:1:1: 94的聚乙酸乙烯酯、膨潤土、Y2O3和無水乙醇混合溶解構成的溶液)涂覆于需要進行合金化的鑄鐵軋輥表面，在激光輸出功率P = 2. 0KW，掃描速度V = 4mm/s，光斑尺寸 D = 2mm的條件下，進行激光合金化。合金化后，鑄鐵軋輥的合金化層大體分為平面晶區、胞狀晶區、樹枝晶區三個區域，合金化層的厚度為0. 35 0. 45mm，硬度HRC = 60。本發明的實施例3 鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末的制備稱取粒度不大于220目且不小于觀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，然后在研缽中研磨7小時使之充分混合，即得合金粉末產品。前述合金粉末產品的應用將制得的合金粉末用粘接劑(重量比例為 5 0.7 0.8 90的聚乙酸乙烯酯、膨潤土、AO3和無水乙醇混合溶解構成的溶液)涂覆于需要進行合金化的鑄鐵軋輥表面，在激光輸出功率P = 1. 7KW，掃描速度V = 3mm/s，光斑尺寸D = 3mm的條件下，進行激光合金化。合金化后，鑄鐵軋輥的合金化層大體分為平面晶區、胞狀晶區、樹枝晶區三個區域，合金化層的厚度為0. 45 0. 55mm，硬度HRC = 65。
本發明的實施例4 鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末的制備稱取粒度不大于 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，然后在研缽中研磨8小時使之充分混合，即得合
金粉末產品。前述合金粉末產品的應用將制得的合金粉末用粘接劑涂覆于需要進行合金化的鑄鐵軋輥表面，在激光輸出功率P = 2. 5KW，掃描速度V = 8mm/s，光斑尺寸D = 4mm的條件下，進行激光合金化。合金化后，鑄鐵軋輥的合金化層大體分為平面晶區、胞狀晶區、樹枝晶區三個區域，合金化層的厚度為0. 35 0. 55mm，硬度HRC = 55。
權利要求
1.鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末，其特征在于按照重量份計算，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.根據權利要求1所述的鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末，其特征在于按照重量份計算，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.如權利要求1或2所述的鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末的制備方法，其特征在于按配方及比例稱取粒度不大于140目且不小于觀0目的各種原料粉末，然后在研缽中研磨使之充分混合，即得產品。
4.根據權利要求3所述的鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末的制備方法，其特征在于原料粉末在研缽中的研磨時間為6 8小時。
5.如權利要求1或2所述的鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末的應用，其特征在于 將所述合金粉末用于鑄鐵軋輥的激光表面合金化。
6.根據權利要求5所述的鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末的應用，其特征在于 將所述合金粉末用粘接劑涂覆于需要進行合金化的鑄鐵軋輥表面，在激光輸出功率P =1.7 2. 5KW，掃描速度V = 3 8mm/s，光斑尺寸D = 2 4mm的條件下，進行激光合金化。
7.根據權利要求6所述的鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末的應用，其特征在于 將所述合金粉末用粘接劑涂覆于需要進行合金化的鑄鐵軋輥表面，在激光輸出功率P =2.2KW，掃描速度V = 5mm/s，光斑尺寸D = 3mm的條件下，進行激光合金化。
8.根據權利要求6或7所述的鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末的應用，其特征在于所述的粘接劑是由重量比例為2 5 0.5 1 0.5 1 90 95的聚乙酸乙烯酯、膨潤土、Y2O3和無水乙醇混合溶解構成的溶液。
全文摘要
本發明公開了一種鑄鐵軋輥激光表面合金化用合金粉末及其制法和應用，按照重量份計算，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。與現有技術相比，本發明所述合金粉末適用于鑄鐵軋輥激光表面合金化，可以降低激光合金化過程中合金化層的組織應力和熱應力，因而用該粉末進行合金化后，激光合金化層具有組織細小、無孔洞和裂紋、合金化層與基材呈冶金結合、結合強度高的特點，且所形成的合金化層具有硬度高、耐磨性強、耐腐蝕及耐冷熱沖擊強度高等特點。
文檔編號B22F1/00GK102350500SQ20111030607
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月11日 優先權日2011年10月11日
發明者馮亮, 劉其斌 申請人:貴州光谷海泰激光技術有限公司