轴瓦和轴套.pdf

本发明公开了一种轴瓦和轴套。该轴瓦和轴套均包括基体和工作面层，工作面层为钴基合金，该钴基合金按重量百分比由以下组分组成：10％～40％的Cr、0.1％～15％的Ni、0.1％～15％的W、0.1％～10％的Mo、0.01％～5.0％的V、0.01％～5.0％的Ti、0.01％～1.5％的C、0.01％～20％的Fe、0.01％～5.0％的Al、0.1％～3.0％的Mn、0.01％～5.0％的Nb、0.1％～3.0％的Si，其余为Co。本发明的轴瓦和轴套在热镀铝锌液、热镀锌液、热镀锌铝、热镀纯铝液等条件下工作，具有良好的耐用性、足够的强度、延伸率，较小的热膨胀系数、低的弹性模数等良好的耐热疲劳性能，从而提高了使用性能，延长了使用寿命。

1、  一种轴瓦，所述轴瓦包括基体和工作面层，其特征在于，所述工作面层为钴基合金，所述钴基合金按重量百分比由以下组分组成：10％～40％的Cr、0.1％～15％的Ni、0.1％～15％的W、0.1％～10％的Mo、0.01％～5.0％的V、0.01％～5.0％的Ti、0.01％～1.5％的C、0.01％～20％的Fe、0.01％～5.0％的Al、0.1％～3.0％的Mn、0.01％～5.0％的Nb、0.1％～3.0％的Si，其余为Co。

2、  如权利要求1所述的轴瓦，其特征在于，在所述钴基合金中，Cr的重量百分比为20％～30％，Ni的重量百分比为0.1％～10％，W的重量百分比为0.1％～10％，Mo的重量百分比为0.1％～5.5％，V的重量百分比为0.01％～3.0％，Ti的重量百分比为0.01％～3.0％，Fe的重量百分比为0.01％～15％，Al的重量百分比为0.01％～3.0％，Mn的重量百分比为0.1％～2.0％，Nb的重量百分比为0.01％～3.0％，Si的重量百分比为0.1％～2.0％。

3、  如权利要求1所述的轴瓦，其特征在于，所述工作面层的厚度为基体和工作面层总厚度的0.01％～60％。

4、  如权利要求1所述的轴瓦，其特征在于，所述基体为耐热铁基材料。

5、  如权利要求4所述的轴瓦，其特征在于，所述耐热铁基材料为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢或奥氏体-铁素体双相不锈钢。

6、  一种轴套，所述轴套包括基体和工作面层，其特征在于，所述工作面层为钴基合金，所述钴基合金按重量百分比由以下组分组成：10％～40％的Cr、0.1％～15％的Ni、0.1％～15％的W、0.1％～10％的Mo、0.01％～5.0％的V、0.01％～5.0％的Ti、0.01％～1.5％的C、0.01％～20％的Fe、0.01％～5.0％的Al、0.1％～3.0％的Mn、0.01％～5.0％的Nb、0.1％～3.0％的Si，其余为Co。

7、  如权利要求6所述的轴套，其特征在于，在所述钴基合金中，Cr的重量百分比为20％～30％，Ni的重量百分比为0.1％～10％，W的重量百分比为0.1％～10％，Mo的重量百分比为0.1％～5.5％，V的重量百分比为0.01％～3.0％，Ti的重量百分比为0.01％～3.0％，Fe的重量百分比为0.01％～15％，Al的重量百分比为0.01％～3.0％，Mn的重量百分比为0.1％～2.0％，Nb的重量百分比为0.01％～3.0％，Si的重量百分比为0.1％～2.0％。

8、  如权利要求6所述的轴套，其特征在于，所述工作面层的厚度为基体和工作面层总厚度的0.01％～60％。

9、  如权利要求6所述的轴套，其特征在于，所述基体为耐热铁基材料。

10、  如权利要求9所述的轴套，其特征在于，所述耐热铁基材料为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢或奥氏体-铁素体双相不锈钢。

轴瓦和轴套
技术领域
本发明涉及一种用于热浸镀的设备，更具体地讲，涉及一种沉没辊和稳定辊的轴瓦和轴套。
背景技术
热浸镀工艺由于生产效率高，所以其在冶金和镀层钢板行业得到了较为广泛的应用。热浸镀工艺包括热镀铝锌(GL)、热镀纯锌(GI)、热镀锌铝、热镀纯铝等几种。
以热镀铝锌工艺为例，铝锌锅内热镀铝锌镀辊组件由沉没辊、前稳定辊和后稳定辊组成，分别安装在相对独立的拐臂上，均浸没在熔融的铝锌液(610±5℃)中，对钢带起着导向、保持和调节气刀之间钢带的间距及稳定作用。轴套通过焊接分别安装在前稳定辊、沉没辊和后稳定辊两端的轴颈处，是轴颈的外衬，起替代保护作用；轴瓦安装在支撑架拐臂内，是其内衬。轴瓦和轴套在热浸镀工艺过程中起支撑沉没辊和稳定辊高速旋转的滑动作用，会经受高速大载荷的滑动磨损。此外，镀液的腐蚀加速了轴瓦和轴套的磨损。
目前沉没辊和稳定辊所用的轴瓦和轴套大都采用铁基材质、陶瓷材质、表面喷涂材质。铁基材质不耐磨损，使用寿命较短，磨损面粗糙，有深沟槽；陶瓷材质在使用过程中易于因冲击而造成开裂，使用不稳定；表面喷涂材质的喷涂层厚度有限，不耐磨损。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的上述问题。因此，本发明提供了一种轴瓦和轴套，它在热镀铝锌液、热镀锌液、热镀锌铝、热镀纯铝液等的工作条件下，具有良好的耐腐蚀性、不粘渣、导热性能、足够的强度、延伸率、较小的热膨胀系数、低的弹性模数等良好的耐热疲劳参数；与现有技术的轴瓦和轴套相比，寿命和稳定可靠程度大大提高。
本发明的轴瓦和轴套均包括基体和工作面层，其中，基体为不锈钢等耐热铁基材料，工作面层为钴基合金，所述钴基合金按重量百分比由以下组分组成：10％～40％的Cr、0.1％～15％的Ni、0.1％～15％的W、0.1％～10％的Mo、0.01％～5.0％的V、0.01％～5.0％的Ti、0.01％～1.5％的C、0.01％～20％的Fe、0.01％～5.0％的Al、0.1％～3.0％的Mn、0.01％～5.0％的Nb、0.1％～3.0％的Si，其余为Co。
根据本发明，在钴基合金中，Cr的重量百分比为20％～30％，Ni的重量百分比为0.1％～10％，W的重量百分比为0.1％～10％，Mo的重量百分比为0.1％～5.5％，V的重量百分比为0.01％～3.0％，Ti的重量百分比为0.01％～3.0％，Fe的重量百分比为0.01％～15％，Al的重量百分比为0.01％～3.0％，Mn的重量百分比为0.1％～2.0％，Nb的重量百分比为0.01％～3.0％，Si的重量百分比为0.1％～2.0％。工作面层的厚度可为基体和工作面层总厚度的0.01％～60％。基体可为耐热铁基材料，耐热铁基材料可为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢或奥氏体-铁素体双相不锈钢。
本发明的有益效果是，轴瓦和轴套表层工作面采用钴基合金，在液态金属的腐蚀和磨损条件下，具有耐腐蚀、强度好、较好的延伸率、热膨胀系数较低、耐热疲劳性能好、耐磨损、使用寿命长等优点，比现有轴瓦和轴套使用寿命有较大提高。
附图说明
图1是根据本发明的轴瓦或轴套沿轴向截取的结构示意图。
图2是根据本发明的轴瓦或轴套沿轴向截取的金相组织示意图。
图3是根据本发明的轴瓦或轴套沿垂直于轴向的方向剖成半圆形的结构示意图。
图4是根据本发明的轴套端部添加法兰的结构示意图。
图5是根据本发明的轴套端部添加法兰和端盖的结构示意图。
图6A是示出根据本发明的轴瓦或轴套的耐蚀性的照片。
图6B是示出根据现有技术的轴瓦或轴套的耐蚀性的照片。
图7A和图7B是根据本发明的轴套的耐磨性的照片。
图8是根据现有技术的铁基材质的轴瓦和轴套的耐磨性的照片。
图9是根据现有技术的表面喷涂的轴套的耐磨性的照片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细描述。在下文中，除非特别说明，否则各种物质的含量均以重量百分比计。在图中示出的区域实际上是示意性的，它们的形状并不意图示出装置的区域的实际形状，也不意图限制本发明的范围。
在本发明中，热浸镀用的沉没辊和稳定辊的轴瓦和轴套在材质和结构方面可以相同，因此，在下文中将以沉没辊和稳定辊的轴瓦为例来详细解释本发明。
根据本发明的轴瓦包括基体和位于基体上的工作面层。根据本发明，轴瓦的基体可为铁基材料，例如，铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢等耐热不锈钢。基体起支撑结构的作用，同时基体采用铁基材料也降低了成本。
根据本发明的轴瓦的工作面层的材质为钴基合金。工作面层的厚度为基体和工作面层总厚度的0.01％～60％，以满足工作面层磨损等消耗使用的要求。按重量百分比，钴基合金由以下组分组成：10％～40％的Cr、0.1％～15％的Ni、0.1％～15％的W、0.1％～10％的Mo、0.01％～5.0％的V、0.01％～5.0％的Ti、0.01％～1.5％的C、0.01％～20％的Fe、0.01％～5.0％的Al、0.1％～3.0％的Mn、0.01％～5.0％的Nb、0.1％～3.0％的Si，其余为Co。下面，将详细解释各组分的具体作用。
铬(Cr)是钴基合金的重要合金元素，高的Cr含量保证合金的抗氧化性和耐腐蚀性。Cr与Co能形成一系列不同组织结构的相和金属间化合物，同时Cr与C容易形成Cr₇C₃、Cr₂₃C₆碳化物强化相和固溶强化基体，Cr能显著提高钴基合金的室温和高温力学性能。Cr含量过低将降低钴基合金的抗高温腐蚀性能，Cr含量过高将降低钴基合金的高温持久强度。在本发明中，优选地，钴基合金中Cr的含量按重量计为10％～40％。更加优选地，兼顾耐腐蚀性、抗高温腐蚀性能、高温持久强度等室温和高温力学性能，将Cr含量定为20％～30％。
镍(Ni)在Co基体中能很好地固溶，在钴基合金中是作为稳定α-Co及层错数量的主要元素，并且在钴基合金中有可能形成Co₃Ni和CoNi₃有序相。Ni能提高钴基合金的韧性，但不能提高钴基合金的强度，无强化作用。在本发明中，优选地，钴基合金中Ni的含量按重量计为0.1％～15％。如果Ni的含量小于0.1％，则起不到其应有的作用；如果Ni的含量超过15％，则在一定程度上降低钴基合金的强度。更加优选地，Ni含量按重量计为0.1％～10％。
钨(W)既能促进碳化物形成加强第二相强化作用，本身又能固溶强化基体，是固溶强化元素。Co和W可形成WCo₃、W₆Co₇两种中间相。随着温度的变化，W的溶解度发生变化。在本发明中，优选地，W的含量按重量计为0.1％～15％。如果W含量＜0.1％，则不能起到W的促进碳化物形成加强第二相的强化作用；如果W含量＞15％，则有增加脆性的不利情况。更加优选地，W含量为0.1％～10％。
钼(Mo)也能促进碳化物形成加强第二相强化作用，与W的作用类似，并且本身也能固溶强化基体，是固溶强化元素。在本发明中，优选地，Mo含量按重量计为0.1％～10％。如果Mo含量＜0.1％，则不能起到Mo的促进碳化物形成加强第二相的强化作用；如果Mo含量＞10％，则有增加脆性的不利情况。更加优选地，Mo含量为0.1％～5.5％。
钒(V)元素的固溶和析出强化了基体组织，并使钴基合金耐热性能显著地提高。同时V能在一定程度上减少合金在冷却到室温前即高温阶段的热裂纹的产生，即一定程度上避免开裂。在本发明中，V含量以重量计为0.01％～5.0％。如果V含量＜0.01％，则不能起到固溶和析出强化了基体组织等作用；如果V含量＞5.0％，则生成过多的V的碳化物等析出物，不利于综合性能的提高。更加优选地，V含量为0.01％～3.0％。
钛(Ti)元素的固溶和析出强化了基体组织，并使钴基合金的耐热性能显著地提高。在本发明中，Ti含量以重量计为0.01％～5.0％。如果Ti含量＜0.01％，则不能起到固溶和析出强化了基体组织等作用；如果Ti含量＞5.0％，则生成过多Ti的析出物，不利于综合性能的提高。更加优选地，Ti含量为0.01％～3.0％。
碳(C)与以上加入的合金元素如Cr、W、Mo等形成碳化物，使钴基合金获得一定的组织和强度。在本发明中，C含量按重量计为0.01％～1.5％。如果C含量＜0.01％，则不能形成碳化物，影响其组织和强度；如果C含量＞1.5％，则形成过多的碳化物，不利于其综合性能。
铁(Fe)是强烈稳定α-Co的元素，且γ-Fe与α-Co可无限固溶。随着含铁量增如，钴基合金的硬度下降、导磁性增加，并且Fe促进钴基合金中金属间化合物σ相及骨架状碳化物的生成。在本发明中，优选地，Fe的含量按重量计为0.01％～20％。如果Fe含量＜0.01％，则起不到其相应的作用；如果Fe含量＞20％，则促进钴基合金中生成过多的金属间化合物σ相及骨架状碳化物。更加优选地，Fe含量为0.01％～15％。
铝(Al)有脱氧、抗氧化、固溶强化作用。在本发明中，Al含量以重量计为0.01％～5.0％。如果Al含量＜0.01％，则起不到脱氧、抗氧化、固溶强化作用；如果Al含量＞5.0％，则不利于综合性能的提高。更加优选地，Al含量为0.01％～3.0％。
锰(Mn)改善钴基合金的流动性和铸造性能，可起脱氧、造渣的作用。在本发明中，Mn含量以重量计为0.1％～3.0％。如果Mn含量＜0.01％，则起不到Mn的作用；如果Mn含量＞3.0％，则降低综合性能。更加优选地，Mn含量为0.1％～2.0％。
铌(Nb)与金属中的C、N、O有极强的亲和力，能细化晶粒，提高金属的强度和改善塑韧性，同时明显地改善抗腐蚀能力。在本发明中，Nb含量以重量计为0.01％～5.0％。如果Nb含量＜0.01％，则起不到Nb的作用；如果Nb含量＞5.0％，则降低所需的综合性能，不利于使用。更加优选地，Nb含量为0.01％～3.0％。
硅(Si)也能改善钴基合金的流动性和铸造性能，可起脱氧、造渣的作用。在本发明中，Si含量以重量计为0.1％～3.0％。如果Si含量＜0.1％，则起不到Si的作用；如果Si含量＞3.0％，则降低了该合金的强度。更加优选地，Si含量为0.1％～2.0％。
钴基合金中上述各组分的含量范围是为了获得期望的性能而通过大量实验获得的。同时，要控制钴基合金中不可避免的杂质元素S和P的含量均不超过0.07％。
与轴瓦一样，本发明的热浸镀用沉没辊和稳定辊的轴套包括基体和位于基体上的工作面层。具体地讲，轴套的基体可为铁基材料，例如，铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢等耐热不锈钢。基体起支撑结构的作用，同时基体采用铁基材料也降低了成本。轴套的工作面层的材质为钴基合金，工作面层的厚度为基体和工作面层总厚度的0.01％～60％，以满足工作面层磨损等消耗使用的要求。如上所述，轴套工作面层所用的钴基合金按重量百分比由以下组分组成：10％～40％的Cr、0.1％～15％的Ni、0.1％～15％的W、0.1％～10％的Mo、0.01％～5.0％的V、0.01％～5.0％的Ti、0.01％～1.5％的C、0.01％～20％的Fe、0.01％～5.0％的Al、0.1％～3.0％的Mn、0.01％～5.0％的Nb、0.1％～3.0％的Si，其余为Co。
本发明通过将以上成分进行组合，得到最佳比例的工作面层的材料，从而钴基合金为轴瓦和轴套带来耐腐蚀、耐磨损和耐热的良好效果。因此，延长了轴瓦和轴套维修更换周期，减少了更换次数，减少了因更换轴瓦和轴套而恢复生产带来的大量的废品和残次品的损失，从而提高了效益。
图1至图5示出了根据本发明的轴瓦或轴套的结构。参照图1，轴瓦或轴套10包括基体和位于基体上的工作面层，基体为面向轴瓦或轴套内部的部分，工作面层为面向轴瓦或轴套外部的部分。
参照图2，层11为铁基基体层，层13为工作面层(钴基合金)，层12是合金过渡层，即不同成分的金属元素扩散形成的中间过渡合金层。
参照图4，在轴套10的端部添加了法兰20，便于安装、焊接和使用，从而提高轴套的使用性能。另外参照图5，在轴套10的两端部分别添加了法兰20和端盖30，从而有利于保护中心孔和防止轴向串动，提高轴套的使用性能。
下面，将结合具体的实施例来更充分地解释本发明。
实施例1
沉没辊和稳定辊的轴瓦和轴套基体为00Cr17Ni14Mo2不锈钢材质，其化学成分为C≤0.03wt％、Cr 16wt％～18wt％、Ni 10wt％～14wt％、Mo 2.00wt％～3.00wt％、Mn≤2.00wt％、Si≤1.00wt％；沉没辊和稳定辊的轴瓦和轴套工作面层为钴基合金，钴基合金的组成为：Cr 25wt％、Ni 5wt％、W 3wt％、Mo 3wt％、V 0.1wt％、Ti 0.1wt％、C 0.6wt％、Fe 6wt％、Si 0.5wt％、Mn 0.3wt％、Al 0.5wt％、Nb 1.5wt％、P＜0.07wt％、S＜0.07wt％，其余为Co。
将实施例1的轴瓦和轴套与已有技术的轴瓦和轴套(已有技术的轴瓦和轴套成分如下：C 0.119wt％、Si 0.52wt％、Co 0.10wt％、Cr 15wt％、Mn 0.94wt％、Ni 9.6wt％、Cu 0.23wt％、Mo 2.1wt％，其余为Fe和杂质元素)。在相同的机组使用，已有技术的轴瓦和轴套的可用时间为3天～5天，本实施例的轴瓦和轴套的可用时间是15天以上。由此可见，本实施例的轴瓦和轴套的可用时间是已有技术的轴瓦和轴套的可用时间的3倍以上，即本实施例的轴瓦和轴套的可用时间明显长于现有技术的轴瓦和轴套的可用时间。
实施例2
沉没辊和稳定辊的轴瓦和轴套基体为1Cr17Mo铁素体耐热不锈钢材质，其化学成分为C≤0.12wt％、Cr 16wt％～18wt％、Mo 0.75wt％～1.25wt％、Mn≤0.8wt％、Si≤0.8wt％；沉没辊和稳定辊的轴瓦和轴套工作面层为钴基合金，钴基合金的组成为：Cr 20wt％、Ni 3wt％、W 5wt％、Mo 2wt％、V 0.2wt％、Ti 0.2wt％、C 0.6wt％、Fe 12wt％、Al 0.5wt％、Mn 0.7wt％、Nb 1.0wt％、Si0.4wt％、P＜0.07wt％、S＜0.07wt％，其余为Co。
将实施例2的轴瓦和轴套与已有技术的轴瓦和轴套(已有技术的轴瓦和轴套成分如下：C 0.176wt％、Si 0.53wt％、Co 0.41wt％、Cr16wt％、Mn 0.87wt％、Ni10wt％、Cu 0.19wt％、Mo 1.8wt％，其余为Fe和杂质元素)。在相同的机组使用，本实施例的轴瓦和轴套的可用时间为15天以上，已有技术的轴瓦和轴套的可用时间是3天～5天。由此可见，本实施例的轴瓦和轴套的可用时间是已有技术的轴瓦和轴套的可用时间的3倍以上，即本实施例的轴瓦和轴套的可用时间明显长于现有技术的轴瓦和轴套的可用时间。
实施例3
沉没辊和稳定辊的轴瓦和轴套基体为奥氏体-铁素体双相不锈钢0Cr18Ni9Cu3，其化学成分为C≤0.08wt％、Si≤1.00wt％、Mn≤2.00wt％、P≤0.035wt％、S≤0.030wt％、Ni 8.50wt％～10.50wt％、Cr 17.00wt％～19.00wt％、Cu 3.00wt％～4.00wt％；沉没辊和稳定辊的轴瓦和轴套工作面层为钴基合金，钴基合金的组成为：Cr 26wt％、Ni 3wt％、W 5wt％、Mo 2wt％、V 0.2wt％、Ti 0.2wt％、C 1.5wt％、Fe 12wt％、Al 0.8wt％、Mn 0.7wt％、Nb 1.0wt％、Si1.0wt％、P＜0.07wt％、S＜0.07wt％，其余为Co。
将实施例3的轴瓦和轴套与已有技术的轴瓦和轴套(已有技术的轴瓦轴套成分如下：C 0.258wt％、Si 0.69wt％、W 0.92wt％、Co 0.26wt％、Cr 18wt％、Mn 1.0wt％、Ni 8.7wt％、Cu 0.37wt％、Mo 1.8wt％，其余为Fe和杂质元素)。在相同的机组使用，本实施例的轴瓦和轴套的可用时间为15天以上，已有技术的轴瓦和轴套的可用时间是3天～5天。由此可见，本实施例的轴瓦和轴套的可用时间是已有技术的轴瓦和轴套的可用时间的3倍以上，即本实施例的轴瓦和轴套的可用时间明显长于现有技术的轴瓦和轴套的可用时间。
图6A为根据本发明的钴基合金在热镀铝锌锅内浸泡58天后界面的形貌，其中，左边为钴基合金，右边为铝锌液。从图6A可以看出，加工刀痕仍然存在，界面清晰。图6B为铁基合金在热镀铝锌锅内浸泡1天后界面的形貌，其中，左边为铁基合金，右边为铝锌液。从图6B可以看出，界面因为严重腐蚀而难以区分。
图7A和图7B是根据本发明的沉没辊的轴套的耐磨性的照片。图7A和图7B示出了根据本发明的沉没辊的轴套使用8天后的磨损形貌。从图7A可以看出，工作面有轻微的磨损。从图7B可以看出，立面厚度没有减薄。
关于图8，照片的左边和中间示出了铁基材质使用4天后轴套磨损的形貌，照片的右边示出了铁基材质使用4天后轴瓦磨损的形貌。从图8可以看出，根据现有技术的使用铁基材质的轴瓦和轴套在短时间的使用后即出现严重的磨损。
图9示出了表面进行了喷涂之后的沉没辊的轴套在使用5天后的形貌的照片。从图9中可以看出，根据现有技术的轴套在短时间的使用后即出现严重的磨损。
通过以上比较可知，根据本发明的轴瓦轴套的工作面层采用钴基合金，在液态金属的腐蚀和磨损条件下，具有强度好，延伸率较好、热膨胀系数较低、耐热疲劳性能好、耐磨损、使用寿命长、磨损表面平滑等特点，比现有轴瓦轴套有较大改进。