无缝连轧管机限动芯棒表面激光陶瓷合金化方法技术

本发明专利技术提供一种无缝连轧管机限动芯棒表面激光陶瓷合金化方法，陶瓷合金化粉末由六方氮化硼、氧化铝和氧化铈组成。将芯棒表面进行喷砂毛化处理，将聚乙烯吡咯烷酮水溶液作为粘结剂，将所述陶瓷粉末与粘结剂溶液混合均匀，喷涂于芯棒表面，涂层厚度为80μm～150μm；将喷涂后的芯棒于150℃烘干后进行激光合金化处理，激光功率为2800～8000W，激光扫描线速度为5～15mm/s，激光扫描道间搭接量为1～3mm，激光光斑为2.5mm

Laser ceramic alloying method for the surface of limiting mandrel of seamless continuous pipe mill

【技术实现步骤摘要】
无缝连轧管机限动芯棒表面激光陶瓷合金化方法


[0001]本专利技术涉及一种无缝连轧管机限动芯棒表面激光陶瓷合金化方法，属于材料加工的表面工程领域。

技术介绍

[0002]芯棒是钢管行业轧制生产无缝钢管定径的重要部件，也是钢管连轧机组中的易损件。芯棒在服役过程中的工况条件非常恶劣，在轧制过程中反复急冷急热，承受轧制过程中高温管坯和非轧制过程中的喷淋冷却水施加的交替冷热循环，同时还要承受径向轧制力和管坯与芯棒之间相对运动产生的摩擦力。芯棒的主要破坏形式为疲劳裂纹、大面积碰伤、划伤等。下线的芯棒采用先堆焊恢复尺寸后镀铬的方式进行修复，提高芯棒的使用寿命、降低吨钢管损耗一直受到钢管行业的关注，但目前关注的重点多为通过堆焊材料的调整或镀铬工艺的优化提高芯棒的使用寿命，如CN109226935B中采用0Cr13NiMoV系马氏体不锈钢药芯焊丝堆焊修复芯棒，CN104499017B采用由活化处理、镀铬基去氢处理组成的镀铬工艺改善镀铬层质量。由于芯棒表面传统铬层与芯棒基体是化学键结合，结合力较低(不足100MPa)，在芯棒苛刻的服役条件下，镀铬层易大面积脱落，使芯棒和管坯之间的摩擦系数大幅度提升(＞0.10)，导致芯棒表面和钢管内表面损伤，芯棒只能下线处理，难以满足芯棒服役的长寿命化要求。因此需要突破传统镀铬工艺专利技术新型的芯棒表面处理方法。
[0003]激光表面处理是新型的表面加工方法，可以在零部件表面获得性能优异的、与母材冶金结合的表面改性层，可替代无缝连轧管机限动芯棒传统镀铬工艺。但目前激光表面处理技术在钢铁冶金行业的应用较少，主要是采用高合金钢的粉末或高温合金+碳化钨粉末，用激光熔覆的方法改善零部件的表面性能，如CN104250802B在热轧无缝钢管张力辊表面激光熔覆高速钢合金粉末，如CN102453902B在高速线材辊环表面激光熔覆镍基合金和碳化钨粉末的混合粉等。但这些激光熔覆层因其耐冷热疲劳性能较低、与钢管管坯的摩擦系数较大，并不适用于无缝连轧管机限动芯棒。
[0004]本专利技术提供了一种无缝连轧管机限动芯棒表面激光陶瓷合金化方法，在芯棒表面采用激光合金化制备陶瓷层，其综合性能高于传统镀铬层，解决了芯棒表面传统镀铬层易脱落的问题，显著提高了芯棒的使用寿命。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种无缝连轧管机限动芯棒表面激光陶瓷合金化方法，陶瓷合金化粉末由六方氮化硼、氧化铝和氧化铈组成。将芯棒表面进行喷砂毛化处理，将聚乙烯吡咯烷酮水溶液作为粘结剂，将所述陶瓷粉末与粘结剂溶液混合均匀，喷涂于芯棒表面，涂层厚度为80μm～150μm；将喷涂后的芯棒于150℃烘干后进行激光合金化处理，在芯棒表面形成深度为0.6mm～0.8mm的激光合金化层。激光陶瓷合金化层与芯棒本体为冶金结合，结合强度大于400MPa，预涂水基石墨润滑剂的陶瓷合金化层与钢管管坯间的摩擦系数为0.03～0.08，合金化层的硬度为HRC63～HRC65，且抗冷热 (700℃～100℃)疲劳裂纹性能高于传统镀铬
层，解决了芯棒表面传统镀铬层易脱落和性能不足问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]采用一种用于无缝连轧管机限动芯棒表面激光合金化的粉末，其特征在于，所述合金化粉末由氧化物陶瓷组成，其成分组成为1％～2％六方氮化硼，0％～10％氧化铝，其余氧化铈。
[0008]采用如上所述陶瓷粉末的无缝连轧管机限动芯棒表面激光合金化方法，其特征在于方法包括以下步骤：
[0009](1)将芯棒表面用粒度30目以上的棕刚玉或白刚玉喷砂毛化，表面粗糙度在 Ra6.3
‑
3.2范围内；
[0010](2)将聚乙烯吡咯烷酮水溶液作为粘结剂，并将权利要求1所述陶瓷粉末与粘结剂溶液混合均匀，喷涂于芯棒表面，涂层厚度为80μm～150μm；
[0011](3)将喷涂后的芯棒于150℃烘干；
[0012](4)采用激光合金化方法将陶瓷粉末熔覆于芯棒表面，形成深度为 0.6mm～0.8mm的激光合金化层。
[0013]如上所述的无缝连轧管机限动芯棒表面激光合金化方法，其特征在于：激光功率为2800～8000W，激光扫描线速度为5～15mm/s，激光扫描道间搭接量为1～3mm，激光光斑为2.5mm
×
14mm的矩形光斑或直径为2.5～6mm的圆形光斑。
[0014]如上所述无缝连轧管机限动芯棒表面激光陶瓷合金化方法，激光陶瓷合金化层与芯棒本体为冶金结合，结合强度大于400MPa，预涂水基石墨润滑剂的陶瓷合金化层与钢管管坯间的摩擦系数为0.03～0.08，合金化层的硬度为HRC63～HRC65。
[0015]传统的芯棒堆焊复合制造是在芯棒堆焊恢复尺寸后表面镀铬，尽管镀铬层自身的硬度可以达到HRC60～HRC62，但由于镀铬层下芯棒堆焊材料的硬度较低，导致芯棒表面层的最终硬度低于HRC45。另外，镀铬层与芯棒母材表面为分子键结合，结合力较弱，在使用过程中易脱落，芯棒镀铬层与钢管管坯间的摩擦系数迅速增加(大于0.10)，导致芯棒只能下线处理。因此需要专利技术一种新的芯棒表面加工方法，不仅能得到与芯棒母材结合强度高的高硬度表面层，且能控制表面层与钢管管坯的摩擦系数不超过0.10。
[0016]本专利技术摒弃了芯棒表面传统的镀铬工艺，采用激光表面陶瓷合金化的方法制备芯棒表面层，提高无缝连轧管机限动芯棒的使用寿命。首先本专利技术采用激光表面合金化技术，在激光能量作用下，合金化材料和芯棒表面同时熔化，形成共同熔池，可实现合金化层与芯棒母材的冶金结合，结合强度显著提高(＞400MPa)，避免了合金化层在服役过程中剥落的现象。另外为了提高芯棒的使用寿命，需要提高表面层的硬度，采用传统电弧堆焊+表面镀铬的方法，芯棒表面的综合硬度一般不超过 HRC45，在保证堆焊层无裂纹的前提下堆焊层硬度很难达到HRC60以上。本专利技术通过大量的试验研究，采用由六方氮化硼、氧化铝和氧化铈组成的陶瓷粉末作为激光合金化的材料，经激光合金化后，在芯棒表面形成在马氏体基体上弥散分布陶瓷颗粒的显微组织(附图1和附图2)，硬度达到HRC63～HRC65，硬度显著提高，表面层的高硬度可进一步提高芯棒的使用寿命。再者，在服役过程芯棒表面预涂水基石墨润滑剂，在与钢管管坯的相对运动中产生摩擦力，控制两者间的摩擦系数是保证芯棒使用寿命的有效措施，本专利技术通过激光合金化工艺和合金化材料成分研究，控制激光功率为2800～8000W，激光扫描线速度为5～15mm/s，激光扫描道间搭接量为 1～3mm，激光光斑为
2.5mm
×
14mm的矩形光斑或直径为2.5～6mm的圆形光斑；控制陶瓷粉成分组成为(1％～2％)六方氮化硼+(0％～10％)氧化铝+氧化铈，实现陶瓷合金化层与钢管管坯间的摩擦系数在0.03～0.08范围内。最终本专利技术提供的表面激光陶瓷合金化方法，可将无缝连轧管机限动芯棒的使用寿命提高2～3倍以上。
[0017]本专利技术的有益效果为：
[0018]本专利技术提供的无缝连轧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于无缝连轧管机限动芯棒表面激光合金化的粉末，其特征在于，所述合金化粉末由氧化物陶瓷组成，其成分组成为1％～2％六方氮化硼，0％～10％氧化铝，其余氧化铈。2.一种采用权利要求1所述陶瓷粉末的无缝连轧管机限动芯棒表面激光合金化方法，其特征在于方法包括以下步骤：(1)将芯棒表面用粒度30目以上的棕刚玉或白刚玉喷砂毛化，表面粗糙度在Ra6.3
‑
3.2范围内；(2)将聚乙烯吡咯烷酮水溶液作为粘结剂，并将权利要求1所述陶瓷粉末与粘结剂溶液混合均匀，喷涂于芯棒表面，涂层厚度为80μm～150μm；(3)将喷涂后的芯棒于150℃烘干；(4)采用激光合金化方法将陶瓷粉末熔覆...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈风刚，
申请(专利权)人：北京晟鼎新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：