[發(fā)明專利]一種冶金熱軋輥工作層的激光直接沉積制備方法和裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910263062.0
• 申請日: 2009-12-15
• 公開（公告）號: CN101818342A
• 公開（公告）日: 2010-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫桂芳;張永康;錢曉明;劉常升;魯金忠;李鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 南京知識律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種冶金熱軋輥工作層材料的激光直接金屬沉積制造的方法和裝置。?

背景技術(shù)

為滿足對熱軋輥使用性能的要求，熱軋輥材質(zhì)的升級換代和制造技術(shù)的進(jìn)步是提高其耐磨性、延長使用壽命的重要途徑。熱軋輥材質(zhì)的發(fā)展經(jīng)歷了從冷硬鑄鐵到高Cr鑄鐵，從半高速鋼、高速鋼到硬質(zhì)合金的質(zhì)的飛躍。熱軋輥的制造技術(shù)也從傳統(tǒng)的鍛造法和向復(fù)合鑄造法發(fā)展。離心復(fù)合鑄造、連續(xù)澆鑄外層成形法、噴射沉積法、熱等靜壓、電渣重熔、表面堆焊法等復(fù)合方法都受到國內(nèi)外軋輥研究和制造部門的重視，并在提高使用壽命等方面取得實質(zhì)性的進(jìn)展。近年來在軋輥制造方面的專利也是局限于傳統(tǒng)鑄造方法的改進(jìn)(一種離心鑄造高速鋼軋輥制造方法，專利號：03114582.5；碳化鎢精軋輥制造工藝技術(shù)，申請?zhí)枺?9107615.8)和輥套與輥芯的裝配方面(超硬合金復(fù)合軋輥及使用它的熱軋鋼方法，申請?zhí)枺?1802062.3)。在制造工藝及生產(chǎn)成本等方面仍然存在一定的不足和局限性。?

為了提高工作層材料的利用率，降低軋輥報廢造成的材料浪費(fèi)，表面強(qiáng)化技術(shù)和再制造技術(shù)成為提高熱軋輥使用壽命的重要手段。軋輥表面感應(yīng)加熱淬火、堆焊、熱噴焊、激光淬火、激光熔凝、激光熔覆和激光合金化技術(shù)等都取得了比較顯著的效果。但是上述技術(shù)處理的強(qiáng)化層比較薄(0.3～2mm)，對使用壽命的貢獻(xiàn)有限。眾所周知，軋輥有效工作層的厚度是影響產(chǎn)品成本的重要因素之一，工作層越薄，單位成本越高。反之，單位成本越低。因此，增加熱軋輥的有效工作層厚度來延長其使用壽命是其表面強(qiáng)化的重要發(fā)展方向。?

激光輔助直接金屬沉積技術(shù)為制備具有一定厚度和性能的三維改性層或部件提供了可能。激光輔助直接金屬沉積技術(shù)是一種綜合了計算機(jī)輔助設(shè)計、激光涂覆和快速原型的新制造技術(shù)，是一種基于材料添加的制造工藝，可以實現(xiàn)沉積材料和基體的冶金結(jié)合。可在不加工(少加工)和無模具的情況下，從CAD設(shè)計的三維實體數(shù)據(jù)快速地制造出復(fù)雜的實體樣件，具有原材料選擇廣泛、多余材料易于清理、應(yīng)用范圍寬、對環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，可以制造硬金屬或者稀有金屬組件，修復(fù)難熔和貴重組件等等。近年來，隨著計算機(jī)和快速原型技術(shù)的快速發(fā)?展，通過該方法制備各種功能涂層正成為表面技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向之一。密歇根大學(xué)用該方法沉積制備了H13工具鋼零件；俄亥俄州立大學(xué)利用激光輔助近凈形制造法制備出Ti-V和Ti-Mo成分梯度合金；國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)用激光快速原型方法制備出Ti基合金-Rene88DT高溫合金的梯度材料。迄今，未見有關(guān)應(yīng)用激光輔助直接金屬沉積技術(shù)制備熱軋輥工作層的研究成果的報道。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種利用激光輔助直接金屬沉積方法制備冶金熱軋輥工作層的方法和裝置。它綜合了冶金軋輥的制造技術(shù)和材質(zhì)兩個方面，旨在利用激光輔助金屬直接沉積技術(shù)在特定的工藝條件下在廉價熱軋輥芯部材料表面上制備出強(qiáng)韌化、高耐磨工作層。在制造技術(shù)方面，利用現(xiàn)有的激光輔助直接金屬沉積技術(shù)自行發(fā)明了沉積設(shè)備并探索了沉積工藝；在材質(zhì)方面，在現(xiàn)有高速鋼和硬質(zhì)合金軋輥成分的基礎(chǔ)上，發(fā)明了新的性能優(yōu)良的沉積層粉末。?

激光輔助直接金屬沉積技術(shù)是材料添加工藝，可以得到形狀和尺寸較為精確的成形件，可以省去前后處理工序，節(jié)約材料，提高生產(chǎn)效率。由于可以增加沉積層數(shù)，故可得到所需厚度的沉積層。?

在沉積層設(shè)計中，采用高速鋼、Co基合金等作為基底材料并添加不同含量的增強(qiáng)、增韌微細(xì)顆粒來保證沉積層的高硬度和高耐磨性；通過添加稀土元素降低和抑制裂紋；通過成分設(shè)計和交錯沉積方式，改變成分和微結(jié)構(gòu)的梯度分布來調(diào)控沉積層的殘余應(yīng)力分布并實現(xiàn)其強(qiáng)韌化。?

實施本發(fā)明方法的裝置包括CO₂激光器及其控制系統(tǒng)、工作臺、電機(jī)系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)以及計算機(jī)編程系統(tǒng)。沉積粉末采用同軸同步送粉方式。其具體實施過程如下：?

(1)用汽油、酒精等去油、去污溶劑去除輥芯表面油污和銹，然后用砂紙打磨其表面進(jìn)一步去除污物。?

(2)將類高速鋼粉末或者將機(jī)械混合好的以Co基合金等作為基底材料并添加不同含量的增強(qiáng)、增韌微細(xì)顆粒的粉末放入送粉系統(tǒng)，在由工作臺控制行程的的輥芯表面開始激光輔助同步送粉直接金屬沉積制造軋輥工作層。沉積方法采用交錯沉積方式。根據(jù)工作層厚度要求沉積相應(yīng)的厚度。對于Co基合金添加硬質(zhì)相的粉末中硬質(zhì)相的含量采取逐層增加的方式，以得到梯度沉積層。?