一种金属轧辊表面电火花强化方法.pdf

一种金属轧辊表面电火花强化方法，涉及材料表面强化技术。本发明以铸钢轧辊为沉积对象，选用陶瓷硬质合金WC-Co电极在氩气保护气氛下进行沉积处理。其工艺参数为：输出功率为500～4000W，输出电压为60～180V，放电频率为1000～2000HZ，沉积速率为1～5min/cm2，保护气体氩气流量设定在5～15L/min。与热喷涂、等离子熔覆和真空烧结等工艺相比，本发明所需设备简单，易于操作，无需在沉积前对工作进行预热，沉积后无需退火处理，不对金属轧辊表面产生热损伤，并可以进行反复沉积。经过处理后的电火花沉积层形成纳米微米细晶结构，且这些细小颗粒呈弥散分布于沉积层中，沉积层的显微硬度、耐磨性和高温氧化性大大提高，延长了轧辊的寿命。

权利要求书
1、  一种金属轧辊表面电火花强化方法，对金属轧辊表面进行预处理，使用电火花沉积处理设备，其特征在于，采用WC-Co陶瓷硬质合金电极在金属轧辊上进行沉积处理，于氩气保护气氛下，以硬质合金WC-Co作为阳极，固定在电火花沉积枪内，以轧辊工件作为阴极，输出功率为500～4000W，输出电压为60～180V，放电频率为100～2000HZ，沉积速率为1～5min/cm2，保护气体氩气流量设定在5～15L/min。

2、  如权利要求1所述的金属轧辊表面电火花强方法，其特征在于，所述电极采用自身旋转方式，电极的夹持方式为机械方式，电极的伸长长度为2～6mm。

3、  如权利要求1所述的金属轧辊表面电火花强化方法，其特征在于，所述WC-Co陶瓷硬质合金为WC-4Co、WC-8Co或WC-15Co。

说明书一种金属轧辊表面电火花强化方法
技术领域
本发明属于材料表面强化技术，特别提供一种在金属轧辊表面形成耐磨耐高温氧化涂层的电火花沉积方法。采用电火花沉积方法在铸钢轧辊表面形成纳米微米结构耐磨涂层，该技术可广泛应用于钢铁冶金行业。
背景技术
在冶金钢铁行业，随着我国已成为世界上最大的制造业国家，而轧钢又是钢铁生产中的一个重要领域，轧辊是钢铁厂轧制钢板(钢带)或钢筋的重要工具，也是轧制生产中的主要消耗备件之一。轧辊的工作条件一般十分恶劣，它要承受十分复杂的交变载荷与冲击，以及急冷急热的工作条件，除要求它具有足够的强韧性外，还要求它具有较高的耐磨性、耐热性以及抗冲击性能。因此，提高轧辊表面的硬度，可以减少轧辊使用的磨损量，采用轧辊表面修复与强化技术来提高轧辊表面硬度，已成为延长轧辊寿命的一个主要发展方向和途径，这方面的研究应用已经取得了一些进展。
金属轧辊一般由球墨铸铁、高铬镍铸铁、优质碳素结构钢、合金结构钢经铸造或锻造而成，加工成型后直接安装使用或再经表面硬化处理后安装使用，用于轧辊表面强化的方法主要有激光表面淬火、表面中频淬火、电阻炉整体加热淬火、差温淬火、表面堆焊耐磨材料、表面热喷涂(包括火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂和超音速喷涂)耐磨耐热材料、激光熔覆合金层、等离子熔覆合金层等。激光表面淬火硬化层且设备投资大、维护费用高；表面中频淬火、电阻炉整体加热淬火、差温淬火方法适用于碳素结构钢及合金结构钢，但淬火硬化层耐热性差，不能用于热轧；表面堆焊耐磨材料成本高，而且也存在表面加工困难的问题；表面热喷涂前处理一般采用喷砂，有环境污染，涂层加工困难，涂层与基体结合差，涂层易疲劳剥落；激光熔覆合金层所需要的大型激光器造价昂贵，激光熔覆束搭接处缺陷多，熔覆层后加工也较困难；等离子熔覆工艺不好控制，生产成本较高，从工业实用化的角度来看，尚需要作进一步的深入研究。
发明内容
本发明的目的在于克服上述方法所制造轧辊表面强化的不足，提供一种金属轧辊电火花表面强化处理方法，对金属轧辊进行沉积处理，从而使轧辊的表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性得到提高，从而延长金属轧辊的使用寿命。
本发明的技术方案为：采用WC-Co陶瓷硬质合金电极在金属轧辊上进行沉积处理，使用电火花沉积处理设备，于氩气保护气氛中，把电极材料(硬质合金WC-Co)作为工作电极(阳极)，固定在电火花沉积枪内，氩气中使之与被沉积的金属工件(阴极)之间产生火花放电，输出功率为500～4000W，输出电压为60～180V，放电频率为100～2000HZ，沉积速率为1～5min/cm2。保护气体氩气流量设定在5～15L/min。在10-5～10-6s内电极与工件接触的部位达到8000～25000℃的高温，电极与工件间火花放电的能量，使电极材料与工件表面材料熔融，构成沉积层。
所述电极采用自身旋转方式，电极的夹持方式为机械方式，电极的伸长长度为2～6mm。
所述的WC-Co陶瓷硬质合金为WC-4Co、WC-8Co或WC-15Co。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过采用铸钢铸铁轧辊为沉积对象，使用DZ4000电火花沉积设备，在大气条件下，使用氩气作为保护气体，用WC-CO电极材料对铸钢球磨铸铁轧辊材料进行沉积处理，提高了金属轧辊材料的表面质量，进而提高了轧辊的使用寿命。
2、本发明是在金属轧辊上用高能量束的方法使具有高强度、高耐磨性的WC-Co陶瓷电极材料熔覆在金属轧辊材料的表面，形成了一层与基体冶金结合的合金层，本发明所采用的大参数工艺的快速加热快速冷却的特点使沉积层易产生具有纳米尺寸的细小颗粒，提高了沉积层性能。
3、本发明不需要特殊、复杂的处理装置和设施，如热喷涂、激光强化等复杂的设备，因此工艺设备简单。
4、本发明所采用的工艺方法不会使轧辊材料退火或热变形。电火花沉积时虽然在放电瞬时能使材料熔化，以至形成汽化的高温。但是，由于放电时间很短，放电点的面积又很小，因此放电的热作用只发生在工件表面的微小区域。就整个工件来说，仍处于常温状态或温升较低，工件不会退火或热变形。
5、在金属轧辊上沉积WC-Co电极材料后的沉积层厚度、沉积层质量与沉积参数电压、功率、频率、时间等操作因素有关，因此可通过对沉积参数的调节和沉积时间的控制来获得不同的工艺效果。
6、本发明不仅使用于普通铸钢轧辊、球磨铸铁轧辊，同样适用于普通冷硬铸铁轧辊、无限冷硬合金铸铁轧辊、高铬铸铁轧辊、高铬铸钢轧辊、优质碳素结构钢轧辊、合金结构钢轧辊。
附图说明
图1为本发明铸钢轧辊表面电火花沉积WC-Co电极工作原理图。图1所示，用螺钉把电极棒夹持在沉积枪内，工作时沉积枪内的电极棒以围着轴心高速旋转的方式进行。
图2为本发明铸钢轧辊表面电火花沉积WC-Co电极沉积层的表面形貌FESEM照片。
图3为本发明铸钢轧辊表面电火花沉积WC-Co电极沉积层截面形貌FESEM照片。
图4为本发明中铸钢轧辊表面电火花沉积WC-Co电极后沉积层的物相分析图。
图5为本发明中铸钢轧辊沉积WC-Co电极后沉积层的硬度变化曲线图。
图6为本发明铸钢轧辊和铸钢轧辊沉积后沉积层的室温摩擦系数变化图。
图7为本发明铸钢轧辊和铸钢轧辊沉积后沉积层的高温摩擦系数变化图。
图8为本发明铸钢轧辊沉积后在800℃恒温氧化100h氧化膜形貌。
图9为本发明铸钢轧辊沉积后在800℃恒温氧化100小时后的氧化膜和涂层的界面形貌。
具体实施方式
金属轧辊选用在钢铁行业应用最为广泛的铸钢轧辊，电极采用WC-8Co陶瓷硬质合金电极材料(含量为WC92％～Co8％)，直径为Φ5mm。
具体工艺步骤如下：
工件预处理：在电火花沉积前，首先对金属轧辊表面进行去氧化皮、除锈去污等简单预处理；
沉积过程：选好合适的沉积参数，然后同氩气连接，最后合上电源开关，启动沉积枪的按钮，沉积时在氩气保护气氛中阴极与阳极之间发生火花放电，产生瞬间高温，电极材料熔化后渗进金属轧辊的表面，与母材形成冶金结合，形成致密的沉积层。
所述电极材料是WC-Co系硬质合金，具有高强度、高耐磨、高的热稳定性、低冲击韧性，它的导热系数和导电系数与钢及其合金接近。
根据下面的工艺加工方法，同样可在球墨铸铁、高铬镍铸铁、优质碳素结构钢、合金结构钢经铸造或锻造并加工成型后的轧辊外表面进行电火花放电沉积处理。
本发明在铸钢轧辊上进行了WC-CO(WC-8Co)电极材料的工艺试验研究，测量了沉积层的硬度，并分析了沉积层的物相组织结构、摩擦性能和抗高温氧化性能，得出如下结果。
实施例1
1.输出功率和输出电压决定电火花放电能量，从而对沉积层的厚度产生很大的影响。对于铸钢轧辊，从沉积层的硬度、厚度和质量状况来说，选择沉积功率为2000W，沉积电压为130V。保护气体氩气流量设定在10L/min，电极的伸长长度为3.5mm。
2.放电频率主要影响沉积层的质量和沉积效率，选择放电频率为1400Hz。
3.在一定时间内，电火花沉积时沉积层的厚度随着沉积时间的延长在不断的增厚，但当沉积到一定厚度时，随着沉积时间的增长沉积层的厚度不但不增长，而且会变薄，沉积层的质量也会变差。对于铸钢轧辊，选择沉积速率为2分钟/cm2。
4.在铸钢轧辊上，电火花沉积WC-8Co硬质合金时，快速冷却的方法能获得由Fe3W3C、Co3W3C、Si2W和Fe2C等相组成的沉积层；沉积层厚度大约为15～60μm；WC-8Co沉积层中强化颗粒相Si2W和Fe2C弥散分布于Fe3W3C和Co3W3C基体相上，提高了沉积层的硬度和耐磨性。过渡层组织主要呈显出细小的柱状晶结构、等轴晶结构和树枝状晶结构。
5.沉积层硬度分布不均匀，硬质相较多区域的硬度较高。铸钢轧辊沉积层显微硬度达到1454.8～1698.8HV，过渡层显微硬度为666.7HV，从沉积层到过渡层、基体，显微硬度逐渐下降。
6.铸钢轧辊沉积后沉积层的耐磨性较轧辊铸钢基体得到了很大的提高，室温下摩擦磨损性能提高3.9倍，500℃高温下摩擦性能提高3.3倍。
7.铸钢轧辊沉积后沉积层的抗高温氧化性能较轧辊铸钢基体得到了很大的提高，在800℃的高温下恒温氧化后100小时后，沉积层的抗高温氧化性能提高2.4倍。
实施例2：
下面结合附图进一步说明本发明。
使用电火花沉积处理设备，在沉积过程中通入氩气保护，电极采用自身旋转方式(轴向旋转)，电极转速2400r/min，电极的夹持方式为机械方式。电火花沉积参数为：输出功率2400W；输出电压为120V；放电频率为2000HZ；沉积速率为3min/cm2，保护气体氩气流量设定在7L/min，电极的伸长长度可为3mm。沉积时，先用汽油或丙酮清洗工件表面，去除油垢和氧化皮。
图1为铸钢轧辊表面沉积处理WC-Co电极的时的工作原理图，它直接利用电能的高密度能量对金属的表面进行沉积处理的工艺，高速旋转的电极材料(阳极)与工件材料(阴极)间发生火花放电，使电极材料与工件材料产生冶金结合形成沉积层。
图2和图3为轧辊表面电火花沉积WC-Co电极后具有纳米和微米结构的沉积层的表面和截面SEM照片，图中的超细颗粒以弥散形式分布在涂层中；图4为沉积后沉积层的XRD衍射图，经分析鉴定主要物相为Fe2C、Si2W、Fe3W3C和Co3W3C。
图5是采用HSV1000维氏显微硬度计对电火花沉积层的硬度进行测量的结果。结果表明，电火花沉积层具有较高的硬度，最高可达1698.8HV，平均硬度为1575.8HV，沉积层的硬度显著高于基体硬度。而从沉积层到过渡层、基体显微硬度逐渐下降。从上面可知，沉积层的组织中含有高硬度的复杂的碳化物等，而且这些具有粒状细小的高硬度的碳化物是以弥散形式分布的，由于电火花沉积是加热和冷却是瞬间完成的，存在着高密度的位错和较高的残余应力，这些都导致沉积层具有较高的显微硬度。
图6和图7为沉积试样和基体的室温高温摩擦系数随时间变化图，摩擦试验是采用HT-600型高温磨损试验机进行室温和高温500℃无润滑摩擦磨损试验，运动形式为圆圈循环运动。试样尺寸为30mm×30mm×10mm，对磨球试样为Φ6mm的WC-Co硬质合金球，试验载荷15N，频率1200Hz，时间30min。利用精确到1×10-4g的AEL-200型号的电子分析天平进行磨损失重测量。从图中可以看出，电火花沉积试样后摩擦系数相比来说比较小，主要是因为沉积层中细小晶粒的析出增强了沉积层耐磨性能，使得沉积层的摩擦系数有所降低。由摩擦磨损实验结果计算可知，当室温摩擦时，基体试样的磨损失重为4.7g，沉积试样失重为1.2g，磨损性能提高3.9倍；当高温500℃摩擦磨损试验时，基体试样磨损体积为0.828mm3，沉积试样磨损体积为0.248mm3，磨损性能提高了3.3倍。
图8为WC-8Co耐磨沉积层在800℃恒温氧化100h的氧化膜形貌，图中氧化物呈现出的多面体状，这些氧化膜颗粒细小，颗粒之间结合致密、连续，无空洞和裂纹，使涂层的高温抗氧化性得到较大的提高。
图9为WC-8Co沉积层在800℃氧化100h后沉积层与氧化膜结合区的截面形貌。从图中就可以看到有一层薄薄的氧化膜附着在涂层的表面，并且在涂层和氧化膜之间存在明显的界限。在800℃的氧化实验中，氧化膜与涂层的结合都非常好，可以有效阻止涂层的进一步氧化，因此可以认为WC-8Co沉积层具有优良的高温抗氧化性能。