一種廢舊軋輥熔鑄包覆層修復工藝及設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬壓力加工技術領域，特別涉及一種廢舊乳輥熔鑄包覆層修復工藝及設備，適用于乳鋼行業中廢舊乳輥循環利用再制造。
【背景技術】
[0002]再制造是以廢舊產品或退役零部件為坯料，采用現代復合材料制造技術，批量地恢復零部件尺寸、形位公差和性能，最終生產出合格產品的制造過程，是回收利用的最佳形式。再制造可以最大限度地挖掘廢舊零部件中蘊含的附加值，避免回爐和再成形等一系列加工中的資源能源消耗和環境污染。再制造后的產品質量和性能達到或超過新品，而成本只是新品的50%，可實現節能60%，節材70%，大氣污染物排放量可降低80%以上[2]。因此，再制造行業的發展對我國實行可持續發展戰略，建設節約型社會具有非常重要意義。
[0003]乳輥被譽為“鋼材之母”，是鋼、鋁、銅等金屬壓延生產中使金屬材料產生塑性變形的工具，是決定乳機生產效率和乳材質量及經濟性的重要的大型部件，是乳機乳制不可或缺的關鍵性部件和最主要的大宗消耗部件，其消耗成本約為乳鋼生產成本的5%?15%。如果考慮因乳輥消耗而帶來的生產停機、降產和設備維護增加等因素，則其所占生產成本的比重會更高。
[0004]乳機是金屬壓力加工生產中的重要設備，是衡量一個國家鋼鐵發展技術水平的顯著標志。而乳輥又是乳機的主要組成部分，是乳鋼生產中大量消耗的關鍵部件，是決定一個國家乳制技術發展水平的基本保證，是一個國家金屬材料設計、材料成型技術、加工制造和熱處理等基礎工業綜合技術水平的直觀體現。在乳鋼工業生產中，每一種乳材無一不是依靠乳輥的乳制而成形，這就是說“無輥不成材”，所以，乳輥的質量和作用至關重要。
[0005]據來自中國鋼鐵協會的最新統計，2014年我國鋼材產量已經達到112557萬噸，占全球鋼產量40%以上，按照噸鋼消耗乳輥1.0?1.2 kg/t鋼計算，年消耗乳輥110?130多萬噸，年消耗乳輥資金200億元以上。為了滿足乳鋼生產的實際需要，我國每年都需要花費大量外匯進口乳輥，僅2010年進口優質乳輥約3.0萬多噸，消耗外匯約2億多美元。我國乳輥的大量消耗，造成了資源和能源的巨大浪費。另外，國外乳輥年消耗量也超過百萬噸，市場需求量大。如此大的報廢量無論從乳鋼廠的乳制成本，還是從我國的能源和資源消耗方面來看都是一項巨大的浪費，對環境和資源造成巨大壓力。
[0006]廢舊乳輥是一種寶貴的資源，對其進行再制造修復具有良好的經濟效益和社會效益。尤其在當前國內經濟下滑，鋼鐵行業趨于飽和的大環境下，乳鋼企業為了降低生產成本更希望最大限度地降低乳輥的消耗。而先進的再制造技術可以最大限度地延長乳輥使用的壽命，能夠將乳輥由消耗品變為可循環使用的耐用品，僅將乳輥工作層作為消耗品。通過再制造技術對廢舊乳輥進行修復，既可以節約用于乳輥制造的材料消耗、能源消耗并減少環境污染，又可以大大降低乳制企業的生產成本，有著重要的社會效益和經濟價值。
[0007]乳輥的再制造修復主要是針對磨損來進行的，使報廢乳輥能夠恢復性能甚至獲取新的性能，延長使用壽命，國內外研究開發了各種再制造工藝。目前應用比較廣泛的廢舊乳輥再制造修復工藝主要有:
堆焊再制造。堆焊再制造是乳輥修復領域里研究最多和普遍采用的技術。它是在報廢乳輥表面堆焊熔覆上一層耐磨、耐蝕、耐熱等具有特殊性能合金層，堆焊層與母材能實現冶金結合，且能獲得較大厚度的表面層。采用堆焊方法對廢舊乳輥再制造，不僅提高了乳使用壽命，而且使乳輥獲得了循環利用，已成為乳鋼企業降低成本提高效益的重要舉措。
[0008]堆焊再制造技術雖能保證耐磨性，但工藝復雜，生產率低，目前僅用于鋼質和小型乳輥的堆焊，對大型乳輥和合金鑄鐵等材質的乳輥少有報導。目前所存在的主要問題:(I)堆焊乳輥工作層硬度低，基體內殘余應力大，要求焊前預熱、中間熱處理以及焊后緩冷來消除或減少焊接殘余應力，防止堆焊層開裂和剝落；(2)焊接過程需層間保溫處理，惡化了勞動條件；(3)堆焊層晶粒較粗大，易產生氣孔、裂紋、剝落、夾渣、焊瘤和脫落等質量問題；(4)焊速、焊溫和焊層厚度等堆焊工藝參數主要靠經驗來操作，很難控制的完好；(5)合金鑄鐵因含碳量高，可焊性差，而大型乳輥工作層的堆焊往往需要幾百小時連續工作。因此需要研究針對大型乳輥和合金鑄鐵等材質乳輥的堆焊工藝、焊材、焊接自動化設備、多道堆焊質量控制等。另外，由于堆焊需要將焊料做成焊條，限制了堆焊焊料的選擇，局限了堆焊技術的推廣和發展。
[0009]熱噴涂再制造。是采用火焰或電弧使涂層材料加熱熔化或半熔化，然后用高速氣體使涂層材料分散細化并高速撞擊到基體表面形成涂層的工藝過程。熱噴涂技術處理乳輥基體變形小，熱影響區淺;噴涂層硬度比堆焊要高O70HRC)，采用火焰噴涂修復合金抗磨鑄鐵乳輥，耐磨性比電弧堆焊提高了 3?4倍。
[0010]該技術的主要局限性是涂層與基材結合強度較低(25MPa左右，結合機理主要是機械結合)，且涂層存在孔隙和殘余應力，韌性差，切削加工性較差，效率低，材料利用率低，在操作過程中存在一些危害因素。
[0011]熱噴焊再制造技術。是采用熱源使涂層材料在基體表面重新熔化或部分熔化，實現涂層與基體之間的冶金結合，消除孔隙，噴焊層組織致密，冶金缺陷少，噴焊層與基材為冶金結合，結合強度一般是熱噴涂的10倍。
[0012]該技術缺點是熱噴焊材料必須與基材相匹配，噴焊材料和基材范圍比熱噴涂窄得多，且熱噴焊工藝中基材的變形比熱噴涂大得多。
[0013]等離子噴涂再制造。是用等離子電弧熔化金屬進行噴涂。由氣流將金屬粉末帶入噴槍，經等離子電弧熔化噴敷到乳輥表面一層耐磨性高、摩擦系數大的合金粉末，噴焊層與基體結合良好，乳輥的耐磨性能提高接近一倍。
[0014]該工藝的缺點為設備復雜，粉末貴，設備投資大，技術難度高，材料成本高，且所噴焊工作層厚度小，從而限制了該工藝的推廣。
[0015]激光表面熔覆再制造。采用激光做熱源，將通過同步送粉設備輸送的合金粉或將預先涂覆在乳輥表面的合金粉末涂層與乳輥基體表面一起熔化后迅速凝固，得到所需的熔覆層。激光表面熔覆由于具有輸入熱量少，工件變形小，可以改善整體鑄造粗糙度等優點在乳輥修復方面得到廣泛應用。
[0016]采用激光表面熔覆工藝再制造乳輥，熔覆層厚度達2.5mm，表面硬度HRC57?HRC62以上，高于原乳輥，采用激光熔覆再制造的乳輥經上機使用表明，過鋼量達到原乳輥1.5
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I 口 O
[0017]就利用激光進行乳輥修復工作而言，目前國內外主要集中在冷帶鋼乳輥方面。激光熔覆及合金化等工藝都在這方面得到應用。乳輥表面激光強化可以獲得一定深度的淬硬層。由于激光加熱時高溫保持時間短，晶粒不會長大，顯微組織均勻，熱穩定性較高，乳制時摩擦系數也較小。但是受工藝和設備的限制，目前在合金鑄鐵乳輥修復上的應用尚較少。
[0018]采用激光表面熔覆和激光表面合金化都存在基材對激光吸收率低、激光加工系統投資大、熔覆層和合金化層薄等問題，同時，激光熔覆處理后材料表層還普遍存在裂紋等缺陷，從而限制了該技術在乳輥修復上的應用。
[0019]鑲套再制造。復合鑲套乳輥是乳輥類型之一。通過鑲套再制造的乳輥，是將報廢的乳輥加工制造成輥芯，通過輥套制造工藝制造高耐磨輥套，采用熱裝過盈配合工藝將其組裝成一體，可以同時滿足耐磨性和抗斷裂性能要求。占總量60%以上的輥芯可以循環應用，而占整個乳輥重量在40%以下的輥套報廢后更換新的輥套。與傳統的整體乳輥相比，復合鑲套再制造乳輥不但質量好而且還能降低乳輥的成本。
[0020]鑲套乳輥存在的主要問題有:(I)乳制過程中，由于輥套和輥芯的材料、溫度不同導致熱膨脹量不同。最終輥芯與工作層真實過盈量會隨著乳制過程逐漸減小，最終導致工作層與基體滑移失效；(2)過盈配合結合面硬度分布不理想導致工作層與基體難以全部接觸，在工作層厚度下降的情況下可能出現局部軟點、表面不平整等問題；(3)在過盈配合的拉應力、輥套厚度減小以及乳輥表面交變應力的共同作用下，乳輥表面性能下降快，易出現輥套開裂問題。
[0021]目前，鑲套乳輥在高溫、高速沖擊等惡劣工況下的安全性無法得到保障，主要用在高線精乳機組、小部分棒材成品機架和H型鋼機。
[0022]上述各種工藝雖然各有優點，但所存在的共同缺點是僅能夠用于磨損量小于I?2mm(堆焊除外)和小于20噸以下的乳輥。而對于磨損量達幾十mm的大厚度及大于20噸以上的大型乳輥，上述方法無法滿足再制造要求。
[0023]到目前為止，國內外還沒有一項滿意的技術能實現乳輥低成本、高效率、厚深