鋅鍋輥軸套和襯套保護涂層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋅鍋輥軸套和襯套保護涂層的制備方法，即本方法將軸套和襯套表面清潔并預熱，采用等離子堆焊設備進行多層粉末堆焊，堆焊結合底層選用硬度較低的單一鈷基合金，其余各層堆焊粉末材料為鈷基合金粉末和氮化硼粉末，等離子堆焊設備分別設有放置鈷基合金粉末和氮化硼粉末的兩臺送粉器，并分別設定送粉參數(shù)，實現(xiàn)兩種粉末獨立送粉；設定相應的堆焊參數(shù)，堆焊后爐內保溫并隨爐緩冷，堆焊層經機加工后保護涂層厚度為2.0～15mm。經本方法制備軸套和襯套的保護涂層，有效提高了軸套和襯套的使用壽命，提高了耐磨和潤滑性能，保證了帶鋼在鋅鍋的鋅液系統(tǒng)中順利進出，提高了熱鍍鋅板帶的生產效率。
【專利說明】 鋅鍋輥軸套和襯套保護涂層的制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋅鍋輥軸套和襯套保護涂層的制備方法。

【背景技術】
[0002]在冶金行業(yè)，鋅鍋用于熱鍍鋅板帶的熱浸鍍鋅處理，熱鍍鋅板帶大多應用于汽車、建筑以及家用電器行業(yè)，特別是各類轎車或家用電器的殼體。
[0003]由于是大工業(yè)生產，在大規(guī)模連續(xù)化生產工藝過程中，大多做為熱鍍鋅板基材的冷軋金屬板帶展開之前的板卷達到40噸，冷軋金屬板帶經過酸洗、連續(xù)退火、鋅鍋熱浸鍍鋅等生產處理工藝和化學處理后被重新卷曲。
[0004]通常鋅鍋輥軸由一根沉沒輥和兩根穩(wěn)定輥組成，其中沉沒輥是一個被動轉向輥，兩根穩(wěn)定輥在鋅鋼帶出鋅鍋前被動夾持帶鋼，避免其出鋅鍋后的抖動，輥子的軸承部分由軸套和襯套構成，依靠兩者之間的滑動摩擦實現(xiàn)輥體轉動，實現(xiàn)帶鋼在鋅鍋的鋅液系統(tǒng)中順利進出，其取決于鋅液中輥子的軸套和襯套系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。在液態(tài)鋅鍋中腐蝕、磨損、高溫和高機械力等的同時作用下，極易導致鋅鍋輥傳動部件的損傷，其主要表現(xiàn)為軸套和襯套的磨損、滑動性能變差，嚴重影響鋅鍋輥的正常運行。
[0005]基于鈷基合金的化學性質難溶于鋅液的特點，其被用于制作軸套和襯套的材料，但其物理性質特別是較差的潤滑性能不能滿足使用需求，為了增加軸套和襯套系統(tǒng)的潤滑性能，采用向鋅鍋中加入大約0.15 - 0.2被％鉛以滿足軸套和襯套潤滑性能的要求，但易導致環(huán)境污染，因此采用該方法已經大為減少。在現(xiàn)代化企業(yè)隨著產量的急劇增加，帶鋼速度達到200m/min，張力達到10噸，導致原有軸套和襯套的使用壽命大為降低。中國專利CN101596634A公開了采用人工焊條電弧焊在不銹鋼基體上堆焊鈷基合金制作軸套和襯套，該方法無法實現(xiàn)有效陶瓷成分的任意添加，整體軸套和襯套內孔堆焊難以實現(xiàn)。日本專利JP03094984A中采用等離子堆焊能夠實現(xiàn)耐蝕陶瓷材料的按比例添加和襯套內孔的整體堆焊，但堆焊材料沒有明顯改善摩擦副之間的潤滑性能，同時堆焊層的結構較為單一，導致工作性能存在缺陷。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種鋅鍋輥軸套和襯套保護涂層的制備方法，經本方法制備軸套和襯套的保護涂層，有效提高了軸套和襯套的使用壽命，提高了耐磨和潤滑性能，保證了帶鋼在鋅鍋的鋅液系統(tǒng)中順利進出，提高了熱鍍鋅板帶的生產效率。
[0007]為解決上述技術問題，本發(fā)明鋅鍋輥軸套和襯套保護涂層的制備方法包括如下步驟:
步驟一、軸套和襯套表面清潔，清除污垢并預熱至200?300°C ；
步驟二、采用等離子堆焊設備對軸套和襯套進行多層粉末堆焊，堆焊與軸套和襯套結合的底層采用單一鈷基合金粉末，其余各層的堆焊粉末材料為鈷基合金粉末和氮化硼粉末，鈷基合金粉末成分為0.06?2.6wt% C、8.0?32wt% Cr、1.0?3.5wt % Si,0.1?18wt% W、l.0 ?30wt% Μο、0.2 ?3.6wt% Fe、1.0 ?3.6wt% Ni，余量為 Co，氮化硼粉末含量為5?30wt% ；
步驟三、等離子堆焊設備分別設有放置鈷基合金粉末和氮化硼粉末的兩臺送粉器，堆焊中兩臺送粉器經焊槍送粉或兩臺送粉器分別經焊槍和外部管道送粉，并分別設定各自的送粉參數(shù)，實現(xiàn)鈷基合金粉末和氮化硼粉末的各自獨立送粉；
步驟四、等離子堆焊設備的堆焊參數(shù)為噴距8?10mm、送粉量60?100g/min、轉移弧電流200?300 A、電壓20?40V、焊槍移動速度100?160mm/min、相鄰焊道搭接面積30?60%、離子氣200?300L/h、保護氣800?1200L/h、送粉氣150?250L/h，堆焊單層厚度L 5 ?2.5mm ；
步驟五、軸套和襯套焊后爐內300?400°C保溫2h并隨爐緩冷；
步驟六、軸套和襯套堆焊層經機械加工后成品保護涂層厚度為2.0?15mm。
[0008]進一步，軸套表面粉末堆焊涂層為兩層并且底層硬度小于面層硬度，襯套內孔表面粉末堆焊涂層為三層并且底層材料與軸套表面涂層的底層材料相同、面層硬度小于或等于中間層硬度。
由于本發(fā)明鋅鍋輥軸套和襯套保護涂層的制備方法采用了上述技術方案，即本方法將軸套和襯套表面清潔并預熱，采用等離子堆焊設備進行多層粉末堆焊，堆焊粉末材料為鈷基合金粉末和氮化硼粉末，等離子堆焊設備分別設有放置鈷基合金粉末和氮化硼粉末的兩臺送粉器，并分別設定送粉參數(shù)，實現(xiàn)兩種粉末獨立送粉；設定相應的堆焊參數(shù)，堆焊后爐內保溫并隨爐緩冷，堆焊層經機加工后保護涂層厚度為2.0?15_。經本方法制備軸套和襯套的保護涂層，有效提高了軸套和襯套的使用壽命，提高了耐磨和潤滑性能，保證了帶鋼在鋅鍋的鋅液系統(tǒng)中順利進出，提高了熱鍍鋅板帶的生產效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]下面結合附圖和實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細說明:
圖1為本方法中堆焊粉末兩臺送粉器經焊槍送粉的示意圖；
圖2為本方法中堆焊粉末兩臺送粉器分別經焊槍和外部管道送粉的示意圖。

【具體實施方式】
[0010]本發(fā)明鋅鍋輥軸套和襯套保護涂層的制備方法包括如下步驟:
步驟一、軸套和襯套表面清潔，清除污垢并預熱至200?300°C ；
步驟二、采用等離子堆焊設備對軸套和襯套進行多層粉末堆焊，堆焊與軸套和襯套結合的底層采用硬度較低的單一鈷基合金粉末，以保證與不銹鋼基材的良好結合，其余各層的堆焊粉末材料為鈷基合金粉末和氮化硼粉末，鈷基合金粉末成分為0.06?2.6wt% C、8.0 ?32wt% Cr、1.0 ?3.5wt% Si,0.1 ?18wt% W、1.0 ?30wt% Mo,0.2 ?3.6wt% Fe、
1.0?3.6wt% Ni，余量為Co，氮化硼粉末含量為5?30wt% ；
步驟三、如圖1和圖2所示，等離子堆焊設備分別設有放置鈷基合金粉末和氮化硼粉末的兩臺送粉器1，堆焊中兩臺送粉器I經焊槍2送粉或兩臺送粉器分I別經焊槍I和外部管道3送粉，并分別設定各自的送粉參數(shù)，實現(xiàn)鈷基合金粉末和氮化硼粉末的各自獨立送粉；步驟四、等離子堆焊設備的堆焊參數(shù)為噴距8?10mm、送粉量60?100g/min、轉移弧電流200?300 A、電壓20?40V、焊槍移動速度100?160mm/min、相鄰焊道搭接面積30?60%、離子氣200?300L/h、保護氣800?1200L/h、送粉氣150?250L/h，堆焊單層厚度L 5 ?2.5mm ；
步驟五、軸套和襯套焊后爐內300?400°C保溫2h并隨爐緩冷；
步驟六、軸套和襯套堆焊層經機械加工后成品保護涂層厚度為2.0?15mm。
[0011]進一步，軸套表面粉末堆焊涂層為兩層并且底層硬度小于面層硬度，襯套內孔表面粉末堆焊涂層為三層并且底層材料與軸套表面涂層的底層材料相同、面層硬度小于或等于中間層硬度。
[0012]本方法中軸套和襯套基材與輥體及輥架不銹鋼材料相一致，均為316L等不銹鋼材料，以降低或消除在裝配和使用過程中產生的應力，方便兩者之間的結合。鈷基合金不是依靠與基體牢固結合的有序沉淀相來強化，而是由已被固溶強化的奧氏體面心立方(fee)晶體結構與基體中分布少量碳化物組成，在很大程度上依靠碳化物強化，純鈷晶體在417°C以下是密排六方(hep)晶體結構，在更高溫度下轉變?yōu)閵W氏體面心立方(fee)晶體結構。為了避免鈷基合金在使用時發(fā)生這種轉變，實際上鈷基合金由鎳合金化，以便在室溫到熔點溫度范圍內使組織穩(wěn)定化，同時添加鎳和鐵還可以提高碳化物形成元素在基體中的溶解度。鈷基合金堆焊中隨著含碳量的增加，其金相組織從亞共晶的奧氏體+M7C3型共晶變成過共晶的M7C3型初生碳化物和+ M7C3型共晶。含碳越多，初生M7C3越多，宏觀硬度加大，抗磨料磨損性能提高，但耐沖擊能力，焊接性，機加工性能都會下降。被鉻和鎢合金化的鈷基合金具有很好的抗氧化性，抗腐蝕性和耐熱性，在較高的使用溫度仍能保持較高的硬度和強度。鈷基合金機加工后表面光潔度高，具有良好的抗擦傷能力，也適用于粘著磨損。用鉻和高含量鑰合金化的鈷基合金形成Laves相，由于Laves相的存在，當合金中不含鎢元素時硬度仍有較大幅度的提高。鈷基合金中硅的存在能夠改善堆焊過程中金屬的流動性能。此外，鈷基合金的第二相如碳化物的含量、形態(tài)和分布對耐磨性也有影響。由于鉻、鎢和鑰的合金碳化物分布于富鈷的基體中以及部分鉻、鎢和鑰原子固溶于基體，使鈷基合金得到強化，從而改善耐磨性，而粗大的碳化物更有利于改善抗磨料磨損能力。
[0013]氮化硼是由氮原子和硼原子構成的晶體，六方氮化硼與石墨是等電子體。它有白色石墨之稱，具有類似石墨的層狀結構，有良好的潤滑性、電絕緣性、導熱性和耐化學腐蝕性。化學性質穩(wěn)定，對所有熔融金屬化學呈惰性，抗氧化性好，具有高的耐熱性能和耐沖擊性能。適宜作高溫潤滑劑及減摩材料。
[0014]等離子粉末堆焊技術作為材料表面強化手段之一，具有熔敷率高，稀釋率低，堆焊用粉末使用范圍廣，易于實現(xiàn)自動化操作等突出優(yōu)點。已越來越廣泛地應用于制備各種耐磨耐蝕、耐高溫氧化的熔敷層，這些特殊用途的熔敷層中往往需添加一些特殊性能的元素或硬質顆粒，這些特殊性能的顆粒與基體粘結相粉末通常進行機械混合來制備涂層，否則成本將會很高。同時單一送粉器中機械混合的粉末由于各種顆粒比重不同可能分層或分布不均，最終造成制備熔敷層性能的不均勻，采用單一送粉器送粉還會出現(xiàn)堵粉現(xiàn)象，設備無法正常工作。因此，本方法中等離子堆焊設備具有兩個獨立送粉器，每個送粉器連接一個或兩個送粉孔道，獨立向焊槍供粉或由外部供粉，這樣配合送粉就可以得到均勻的復合涂層。等離子堆焊設備可配置內孔焊槍，以完成小口徑軸套和襯套內孔硬質層的整體堆焊。
[0015]堆焊硬質層根據(jù)使用需求，軸套外表焊層通常由兩層結構組成，其中底層材料含有較少的硬質相，硬度較低，以利于與不銹鋼基材的良好結合，面層材料要求硬度較高，并含有自潤滑成分，以降低摩擦系數(shù)。襯套內孔焊層通常由三層結構組成，底層材料與軸套相同滿足與不銹鋼基材結合性能要求，中間層材料要求硬度較高，而面層材料硬度應低于或等于中間層硬度。
[0016]本方法采用的粉末堆焊材料易于靈活調配涂層成分配比，在堆焊工藝過程中實現(xiàn)原位生成硬質相，優(yōu)化涂層結構及摩擦副之間的匹配性能；氮化硼材料的引入，使涂層具備了一定的自潤滑性能，降低軸套與襯套之間工作時的摩擦系數(shù)，延長部件使用壽命；等離子堆焊設備配備獨立送分功能的雙送粉系統(tǒng)還可實現(xiàn)焊槍內外同時送粉，即一個送粉器進行槍內送粉，另一送粉器經由送粉管道從電弧外側向電弧及熔池之中送粉，這種送粉方式解決了制備耐磨復合涂層時氮化硼顆粒容易在電弧中燒損的問題，基體粉末粘結相可經由焊槍送粉受到高溫電弧的充分熔化，保證了涂層的性能；堆焊操作可自動進行，減少了手工堆焊人為因素的干擾，保證了產品質量。
[0017]本方法制得的保護涂層的堆焊硬質層由多層結構優(yōu)化組成，堆焊層與基材結合良好，襯套內孔硬質層便于加工，同時，軸套與襯套之間摩擦性能相互匹配，運行平穩(wěn)，明顯地減輕了在使用過程中遇到的摩擦阻力不斷增大的問題。
[0018]下列為本方法的多個【具體實施方式】:
實施方式I
將軸套316L不銹鋼基材加工到堆焊前要求尺寸并清潔表面，爐內預熱至250°C，底層鈷基合金粉末成分為:1.0wt % C、29wt % Cr、2.0wt % S1、4.5wt % ff> 1.0wt % Mo>2.0wt %Fe、2.0wt % Ni,底層送粉量80g/min。面層鈷基合金粉末成分為:2.0wt % C、29wt % Cr、2.0wt % S1、12wt % ff> 1.0wt % Mo>2.0wt % Fe、2.0wt % Ni,面層送粉量 68g/min,同時氮化硼粉末采用外部管道送粉，送粉量20g/min。
[0019]堆焊參數(shù)為:噴距8mm，轉移弧電流240 A，電壓約28 V，按移動速度130mm/min旋轉軸套工件，按焊道搭接40 %速度平移焊槍，離子氣250L/h，保護氣1000L/h，送粉氣200L/h，氣體均為氬氣。底層堆焊單層厚度2.4mm，面層堆焊四層厚度8mm。焊后爐內300°C保溫2h隨爐緩冷，機械加工至設計尺寸。
[0020]實施方式2
將軸套316L不銹鋼基材加工到堆焊前要求尺寸并清潔表面，爐內預熱至240°C，底層鈷基合金粉末成分為:1.4wt % C、29wt % Cr>2.0wt % S1、8.5wt % ff> 1.0wt % Mo、2.0wt %Fe, 2.0wt % Ni，底層送粉量80g/min。面層鈷基合金粉末成分為:1.4wt% C,29wt% Cr、
2.0wt% S1、8.5wt% ff> 1.0wt% Mo、2.0wt% Fe、2.0wt% Ni,面層送粉量 70g/min,同時氮化硼粉末采用外部管道送粉，送粉量15g/min。
[0021]堆焊參數(shù)為:噴距8mm，轉移弧電流240 A，電壓約28 V，按移動速度120mm/min旋轉軸套工件，按焊道搭接50 %速度平移焊槍，離子氣250L/h，保護氣1000L/h，送粉氣200L/h，氣體均為氬氣。底層堆焊單層厚度2.0mm，面層堆焊四層厚度10mm。焊后爐內300°C保溫2h隨爐緩冷，機械加工至設計尺寸。
[0022]實施方式3
將軸套316L不銹鋼基材加工到堆焊前要求尺寸并清潔表面，爐內預熱至250°C，底層鈷基合金粉末成分為:1.0wt % C、29wt % Cr、2.0wt % S1、4.5wt % ff> 1.0wt % Mo>2.0wt %Fe、2.0wt% Ni,底層送粉量68g/min。面層鈷基合金粉末成分為:0.08wt% C、8.5wt% Cr、
2.6wt% Si>29wt% Mo、1.4wt% Fe、1.8wt% Ni,面層送粉量 72g/min,同時氮化硼粉末采用外部管道送粉，送粉量16g/min。
[0023]堆焊參數(shù)為:噴距10mm，轉移弧電流240 A，電壓約28 V，按移動速度150mm/min旋轉軸套工件，按焊道搭接60 %速度平移焊槍，離子氣250L/h，保護氣1000L/h，送粉氣200L/h，氣體均為氬氣。底層堆焊單層厚度1.5mm，面層堆焊兩層厚度4mm。焊后爐內300°C保溫2h隨爐緩冷，機械加工至設計尺寸。
[0024]實施方式4
將襯套316L不銹鋼基材內孔加工到堆焊前要求尺寸并清潔表面，爐內預熱至250°C，底層鈷基合金粉末成分為:1.0wt% C、29wt% Cr、2.0 wt% Si>4.5 wt% ff> 1.0 wt% Mo>2.0wt% Fe,2.0 wt% Ni，底層送粉量80g/min。面層鈷基合金粉末成分為:1.0wt% C、29wt%Cr>2.0wt % S1、4.5wt % ff> 1.0wt % Mo>2.0wt % Fe、2.0wt% Ni,面層送粉量 76g/min,同時氮化硼粉末采用外部管道送粉，送粉量20g/min。
[0025]堆焊參數(shù)為:噴距8mm，轉移弧電流240 A，電壓約28 V，按移動速度120mm/min旋轉軸套工件，按焊道搭接40 %速度平移焊槍，離子氣250L/h，保護氣1000L/h，送粉氣200L/h，氣體均為氬氣。底層堆焊單層厚度2.2_，面層堆焊五層厚度12_。焊后爐內300°C保溫2h隨爐緩冷，機械加工至設計尺寸。
[0026]實施方式5
將襯套316L不銹鋼基材內孔加工到堆焊前要求尺寸并清潔表面，爐內預熱至250°C，底層鈷基合金粉末成分為:1.0wt % C、29wt % Cr、2.0wt % S1、4.5wt % ff>1.0wt % Mo、
2.0wt % Fe,2.0wt % Ni，底層送粉量80g/min。中間層鈷基合金粉末成分為:1.5wt% C、30wt% Cr>2.0wt% S1、8.5wt% ff>1.0wt% Mo、2.0wt% Fe、2.0wt% Ni,中間層送粉量 72g/min，同時氮化硼粉末采用外部管道送粉，送粉量15g/min。面層鈷基合金粉末成分為:1.0wt% C>29wt% Cr、2.0wt% S1、4.5wt% W、1.0wt% Mo>2.0wt% Fe、2.0wt% Ni,面層送粉量76g/min，同時氮化硼粉末采用外部管道送粉，送粉量20g/min。
[0027]堆焊參數(shù)為:噴距8mm，轉移弧電流240 A，電壓約28 V，按移動速度120mm/min旋轉軸套工件，按焊道搭接40 %速度平移焊槍，離子氣250L/h，保護氣1000L/h，送粉氣200L/h，氣體均為氬氣。底層堆焊單層厚度1.8mm，中間層堆焊三層厚度8mm，面層堆焊兩層厚度5_。焊后爐內300°C保溫2h隨爐緩冷，機械加工至設計尺寸。
[0028]本方法借助等離子堆焊設備，以在不銹鋼基體上形成帶有自潤滑性能的鈷基硬質合金工作層的方式加工制作軸套和襯套的保護涂層，通過鈷基合金粉末成分優(yōu)化、涂層結構設計和堆焊工藝完善，改進了摩擦副之間的匹配性能，在鋅液或鋁液中的工作壽命和穩(wěn)定性大為提高，并制造工藝簡便，生產成本較低，市場競爭能力強。
【權利要求】
1.一種鋅鍋輥軸套和襯套保護涂層的制備方法，其特征在于本方法包括如下步驟: 步驟一、軸套和襯套表面清潔，清除污垢并預熱至200?300°C ； 步驟二、采用等離子堆焊設備對軸套和襯套進行多層粉末堆焊，堆焊與軸套和襯套結合的底層采用單一鈷基合金粉末，其余各層的堆焊粉末材料為鈷基合金粉末和氮化硼粉末，鈷基合金粉末成分為0.06?2.6wt% C、8.0?32wt% Cr、1.0?3.5wt % Si,0.1?18wt% W、1.0 ?30wt% Mo,0.2 ?3.6wt% Fe、1.0 ?3.6wt% Ni，余量為 Co，氮化硼粉末含量為5?30wt% ； 步驟三、等離子堆焊設備分別設有放置鈷基合金粉末和氮化硼粉末的兩臺送粉器，堆焊中兩臺送粉器經焊槍送粉或兩臺送粉器分別經焊槍和外部管道送粉，并分別設定各自的送粉參數(shù)，實現(xiàn)鈷基合金粉末和氮化硼粉末的各自獨立送粉； 步驟四、等離子堆焊設備的堆焊參數(shù)為噴距8?10mm、送粉量60?100g/min、轉移弧電流200?300 A、電壓20?40V、焊槍移動速度100?160mm/min、相鄰焊道搭接面積30?60%、離子氣200?300L/h、保護氣800?1200L/h、送粉氣150?250L/h，堆焊單層厚度L 5 ?2.5mm ； 步驟五、軸套和襯套焊后爐內300?400°C保溫2h并隨爐緩冷； 步驟六、軸套和襯套堆焊層經機械加工后成品保護涂層厚度為2.0?15mm。
2.根據(jù)權利要求1所述的鋅鍋輥軸套和襯套保護涂層的制備方法，其特征在于:軸套表面粉末堆焊涂層為兩層并且底層硬度小于面層硬度，襯套內孔表面粉末堆焊涂層為三層并且底層材料與軸套表面涂層的底層材料相同、面層硬度小于或等于中間層硬度。
【文檔編號】B22F1/00GK104278268SQ201310287308
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月10日 優(yōu)先權日:2013年7月10日
【發(fā)明者】徐建明, 王樹保, 傅衛(wèi), 王倩 申請人:上海寶鋼工業(yè)技術服務有限公司