本發(fā)明涉及一種制造熱軋帶鋼卷曲前導(dǎo)尺襯板的材料設(shè)計(jì)工藝,特別是涉及一種采用激光熔覆的方式制造熱軋帶鋼卷曲前導(dǎo)尺襯板的梯度材料設(shè)計(jì)工藝，屬于IPC國(guó)際專利分類表中的C23C24/10(2006.01)I技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著鋼鐵行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，近年來，卷材的高標(biāo)準(zhǔn)卷形要求指標(biāo)已然成為鋼卷成品合格率的重要指標(biāo)，直接影響產(chǎn)品的等級(jí)。而作為重要備件的導(dǎo)尺襯板，特別是卷取前導(dǎo)尺襯板更是熱軋生產(chǎn)線的重要組成部分，對(duì)鋼卷的最后成型有著決定性的影響作用。導(dǎo)尺襯板是將高速運(yùn)行的帶鋼準(zhǔn)確的導(dǎo)入卷取機(jī)的夾送輥中，由于實(shí)際生產(chǎn)中普遍使用的導(dǎo)尺襯板的磨損性能較差，而磨損嚴(yán)重的導(dǎo)尺襯板失去了原有的精準(zhǔn)夾持精度以后就可能會(huì)對(duì)帶鋼邊部質(zhì)量造成影響，進(jìn)而導(dǎo)致質(zhì)量降級(jí)損失效益，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)唁摰仁鹿实陌l(fā)生。而頻繁的更換不僅浪費(fèi)了人力物力，更加影響了整條熱軋生產(chǎn)線的作業(yè)率。
由于導(dǎo)尺襯板的工作環(huán)境溫度較高，并且?guī)т摳咚偻ㄟ^導(dǎo)尺襯板時(shí)，會(huì)猛烈的撞擊導(dǎo)尺襯板并且產(chǎn)生強(qiáng)力機(jī)械磨損，所以在帶鋼高速通過的工況條件下，不僅要耐高溫磨損，還要兼顧考慮到高溫氧化以及摩擦系統(tǒng)劇烈升溫等影響。
傳統(tǒng)的導(dǎo)尺襯板制造方式主要采用堆焊方式進(jìn)行，并且其焊材也是已被普遍采用的普通焊絲。首先，這種制造方式由于高的熱輸入及焊接應(yīng)力原因，必然要導(dǎo)致導(dǎo)尺襯板變形，導(dǎo)尺襯板變形對(duì)帶鋼的導(dǎo)入和夾持會(huì)造成消極影響，很可能致使帶鋼卷曲塔型或者“邊損”等質(zhì)量事故發(fā)生，存在很大的安全隱患；更重要的是，傳統(tǒng)焊材在應(yīng)用于卷曲機(jī)前導(dǎo)尺襯板的工作環(huán)境中，其使用壽命短，堆焊材料的耐高溫磨損性能遠(yuǎn)不能滿足正常生產(chǎn)需求，由于更換導(dǎo)尺襯板的時(shí)間成本會(huì)直接造成人力及財(cái)力的成本浪費(fèi)。
近年來，激光熔覆技術(shù)作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)得到了廣泛的推廣應(yīng)用——利用高能量激光束瞬間將在基材表面具有特殊指定性能的合金粉末完全熔化，同時(shí)與基材部分形成致密的冶金結(jié)合層，以達(dá)到表面強(qiáng)化的目的，可以最大程度保證到導(dǎo)尺襯板的平直度合格。
目前，關(guān)于利用激光熔覆工藝進(jìn)行設(shè)備部件制造的專利和報(bào)道很多，雖然現(xiàn)有技術(shù)給出的技術(shù)方案能利用激光熔覆工藝對(duì)部分設(shè)備部件進(jìn)行制造，但對(duì)其他特定的設(shè)備部件，尤其是在像導(dǎo)尺襯板這種應(yīng)用于特殊工況條件下的部件，能否采用常規(guī)的激光熔覆成型工藝進(jìn)行無裂紋和氣孔缺陷、均質(zhì)的制造并且使其使用壽命達(dá)到大幅度提升至原始使用壽命的5-6倍以上，經(jīng)本申請(qǐng)人檢索查證：國(guó)內(nèi)以及國(guó)外沒有見到相關(guān)報(bào)道，絕大多數(shù)情況下均為對(duì)導(dǎo)尺襯板服役結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究，尋找出適當(dāng)?shù)牟捎眉す馊鄹驳姆绞街圃鞂?dǎo)尺襯板的工藝方法仍需所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步作出創(chuàng)造性的研究工作。
本發(fā)明關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)于激光熔覆材料的梯度設(shè)計(jì)工藝方法。由于導(dǎo)尺襯板這種應(yīng)用于特殊工況條件下的部件，常規(guī)的激光熔覆成型工藝及材料設(shè)計(jì)工藝方法無法達(dá)到導(dǎo)尺襯板的無缺陷均質(zhì)制造。原因是由于這種特定耐高溫磨損材料，即兼具耐高溫氧化及耐磨損性能材料在常規(guī)激光熔覆中只可以實(shí)現(xiàn)單層熔覆，一旦進(jìn)行多層熔覆極易造成熔覆多道次激光焊接過程中細(xì)小熱裂紋的累積，嚴(yán)重時(shí)甚至造成熔覆層強(qiáng)烈起層開裂情況發(fā)生，甚至導(dǎo)致熔覆層脫落掉塊，根本無法應(yīng)用于生產(chǎn)。通過分析制約其多層熔覆原因，篩選出適當(dāng)?shù)牟牧显O(shè)計(jì)工藝方案，尋找出準(zhǔn)確的激光熔覆的材料設(shè)計(jì)工藝方式制造高使用壽命的導(dǎo)尺襯板，是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，由于該耐高溫氧化磨損材料不可進(jìn)行多層熔覆，通過大量試驗(yàn)和反復(fù)研究得知制約其多層熔覆的原因在于該材料的熱膨脹系數(shù)在反復(fù)熔覆過程中由于受到熱影響區(qū)成分?jǐn)U散影響，導(dǎo)致合金材料的成分出現(xiàn)較大變化，并且每層合金材料的熱影響區(qū)厚度不同，所以每層材料的熱膨脹系數(shù)變化均不相同，呈現(xiàn)出梯度變化趨勢(shì)，熱膨脹系數(shù)存在梯度差異的激光熔覆層在冷卻過程中會(huì)致使結(jié)合界面處產(chǎn)生巨大拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于界面結(jié)合力，最終會(huì)導(dǎo)致熔覆層起層開裂。為此，本發(fā)明給出了一種卷曲機(jī)前導(dǎo)尺襯板的梯度材料的設(shè)計(jì)方法，該梯度材料的設(shè)計(jì)方法使得該耐高溫氧化磨損材料實(shí)現(xiàn)多層均質(zhì)無缺陷熔覆，可以獲得熔覆質(zhì)量良好的合金組織，導(dǎo)尺襯板尺寸完好，表面平整，同時(shí)使用壽命提高至原導(dǎo)尺襯板使用壽命的5-6倍。
本發(fā)明給出的技術(shù)方案是：由于上述熱影響區(qū)對(duì)每層材料合金元素成分的稀釋作用，會(huì)導(dǎo)致材料的整體熱膨脹系數(shù)改變，界面結(jié)合力減弱，界面拉應(yīng)力加強(qiáng)，極易引起界面層開裂，甚至起層脫落。所以需要研制一種針對(duì)這種激光制造熱軋帶鋼卷曲前導(dǎo)尺襯板的梯度材料設(shè)計(jì)工藝方法，其材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成分組成包括有Cr、Mn、Si；其特點(diǎn)是還包括有N、W、B；其中梯度設(shè)計(jì)分為三個(gè)梯度成分，分別為打底層、過渡層、功能層，其中。
打底層熔覆材料的成分為Cr：3.6~18%；Mn：5~16%；Si:0.2~0.7%；N：3~8%；W：4~18%；B；8~19%；Ni：余量。
過渡層熔覆材料的成分為Cr：3~18%；Mn：4~15%；Si:0.1~0.6%；N：3~8%；W：6~16%；B；8~15%；Ni：余量。
功能層熔覆材料的成分為Cr：3~16%；Mn：5~15%；Si:0.1~0.5%；N：3~6%；W：8~18%；B；8~12%；Ni：余量。
導(dǎo)尺襯板梯度材料設(shè)計(jì)工藝方法實(shí)施過程中所涉及使用的激光熔覆工藝參數(shù)基本如下。
功率：800～1500W，光斑直徑：1～5mm，置粉厚度：0.5～1.5mm。
掃描速度：20～50mm/s，搭接率：25%~75% 。
本發(fā)明是在原有的耐高溫氧化磨損的自潤(rùn)滑涂層的合金材料基礎(chǔ)上，通過反復(fù)激光工藝試驗(yàn)研究得出多層熔覆結(jié)構(gòu)中合金材料熱影響區(qū)的變化趨勢(shì)，由于在進(jìn)行多層激光熔覆過程中，由于激光多次熱輸入所形成的熱影響區(qū)對(duì)合金材料成分具有稀釋作用，其作用規(guī)律呈梯度趨勢(shì)，所以在材料結(jié)構(gòu)方面，需要研究人員適當(dāng)對(duì)每層待熔覆材料的合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行調(diào)整，使熔覆后的每層耐高溫氧化磨損材料的熱膨脹系數(shù)相匹配，保證界面冶金結(jié)合穩(wěn)定性，獲得具有一定設(shè)計(jì)尺寸厚度的良好的激光熔覆組織。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是。
通過材料成分梯度設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)了一種適用于導(dǎo)尺襯板的耐高溫氧化磨損的材料的多層無缺陷熔覆。由于該種材料是利用激光復(fù)合方式向耐高溫氧化磨損材料基體中復(fù)合進(jìn)入一定比例的硼化物，其成分?jǐn)U散情況在多層熔覆過程中容易受到熱影響區(qū)稀釋作用影響。在進(jìn)行多層熔覆過程中，由于熱影響區(qū)的稀釋作用，會(huì)導(dǎo)致其合金熔覆層的熱膨脹系數(shù)差異較大，從而導(dǎo)致界面處產(chǎn)生巨大拉應(yīng)力，最終致使熔覆層起層開裂。本發(fā)明專利通過反復(fù)的試驗(yàn)研究，考慮到了熱影響區(qū)存在的客觀稀釋作用對(duì)該層材料的梯度影響趨勢(shì)，對(duì)多層熔覆過程中每層該合金材料的成分比例（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）進(jìn)行了梯度設(shè)計(jì)，從而使其熔覆后的熱膨脹系數(shù)相匹配，最大程度減少界面處的殘余拉應(yīng)力，保證多層熔覆組織無缺陷，熔覆層質(zhì)量良好，從而大幅度提高導(dǎo)尺襯板的使用壽命。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1。
唐山某熱軋生產(chǎn)線上卷取機(jī)前導(dǎo)尺襯板的梯度材料熔覆設(shè)計(jì)。
熱軋帶鋼卷曲前導(dǎo)尺襯板，進(jìn)行導(dǎo)尺襯板的長(zhǎng)壽化激光制造過程中，進(jìn)行材料梯度設(shè)計(jì)并且使用適當(dāng)?shù)募す馊鄹补に囘M(jìn)行熔覆，得到了熔覆質(zhì)量良好且無開裂缺陷的多層熔覆結(jié)構(gòu)，其中。
打底層熔覆材料的成分為Cr：16%；Mn：9.5%；Si:0.5%；N：6.5%；W：7.3%；B：:9.5%；Ni：余量。
過渡層熔覆材料的成分為Cr：15%；Mn：10.5%；Si:0.2%；N：4.5%；W：8.5%；B:10.2%；Ni：余量。
功能層熔覆材料的成分為Cr：14.6%；Mn：8.5%；Si:0.45%；N：3.8%；W：10.6%；B:10.5%；Ni：余量。
其中激光熔覆的工藝參數(shù)如下。
功率：1000W；光斑直徑：1.7mm；置粉厚度0.6mm；掃描速度：28mm/s搭接率：42%。
該導(dǎo)尺襯板激光熔覆經(jīng)梯度材料設(shè)計(jì)工藝進(jìn)行激光熔覆后，不僅獲得了該材料的多層熔覆結(jié)構(gòu)，并且熔覆質(zhì)量良好，最重要的是其使用壽命提高至原始使用壽命的5-6倍，不僅節(jié)約了成本，并且大幅度提高生產(chǎn)作業(yè)率。
實(shí)施例2。
上海某鋼廠熱軋線上卷取機(jī)前導(dǎo)尺襯板的梯度材料熔覆設(shè)計(jì)。
激光仿形熔覆功率：1200W；光斑直徑：1.9mm；置粉厚度0.5mm；其中
打底層熔覆材料的成分為Cr：16.2%；Mn：9.3%；Si:0.45%；N：6.3%；W：7.8%；B：:10.5%；Ni：余量。
過渡層熔覆材料的成分為Cr：15.5%；Mn：11.5%；Si:0.35%；N：5.5%；W：8.8%；B:10.2%；Ni：余量。
功能層熔覆材料的成分為Cr：14%；Mn：8.2%；Si:0.42%；N：4.5%；W：9.2%；B:10.2%；Ni：余量。
掃描速度：30mm/s，搭接率：60%；熔覆厚度：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)定熔覆厚度工藝，該材料進(jìn)行多層梯度設(shè)計(jì)激光熔覆后，獲得熔覆質(zhì)量良好的無缺陷多層熔覆組織，達(dá)到導(dǎo)尺襯板的設(shè)計(jì)尺寸標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，使導(dǎo)尺襯板使用壽命達(dá)到原始使用壽命的6倍，大大提高改善生產(chǎn)線的工作效率并節(jié)約了成本。