卷取机前侧导板耐磨自润滑涂层研究与实践.pdf

冶金与材料第 44 卷卷取机前侧导板耐磨自润滑涂层研究与实践熊杰，樊建成（宝山钢铁股份公司设备部，上海201900）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 1 期2024 年 1 月Vol.44 No.1Jan.2024摘要：文章采用激光熔覆技术提高侧导板的耐磨性能，并对几种典型激光熔覆材料在不同的温度下进行高温磨损实验。结果表明，不同温度下镍基合金和钴基合金的耐磨性能均优于碳素结构钢。根据侧导板的实际工况条件，最终选择镍基合金作为激光熔覆涂层材料。上机试验结果表明，经表面处理后的侧导板的使用寿命提高了15 倍，热轧高硅带钢结疤发生率由 7%下降至 1%；提高侧导板的使用寿命的同时，大幅降低高硅带钢产品的结疤发生率。关键词：卷取机；侧导板；高温磨损；激光熔覆作者简介：熊杰（1970），男，福建龙岩人，主要研究方向：冶金机械装备。热轧带钢是通过热轧的方式生产的带材和板材。在热轧带钢卷取过程中，位于卷取机前的侧导板装置其作用主要为夹持带钢，避免带钢跑偏，材质通常为碳素结构钢，如 Q235 等。由于 Q235 材料的硬度较低，可有效避免由于侧导板硬度过高造成带钢边部损伤。然而在带钢卷取过程中，侧导板与带钢边部产生剧烈的高温高速摩擦（如图 1a），工作温度最高可达 550。需要指出的是，随着温度的升高 Q235 材料的耐磨性迅速变差，磨损速度大幅升高咱1暂，侧导板逐渐摩擦出深度为510mm 沟痕和积瘤，表现出高温磨损失效（如图 1b）。侧导板的磨损，一方面易在带钢边部形成滑丝、结疤等缺陷影响带钢边部质量，其中高硅带钢的结疤发生率约为 7%；另一方面，卷取后的带钢表面会产生结疤缺陷，影响后道冷轧工序的正常生产。因而，如何开发和研究侧导板表面处理技术，提高侧导板表面的高温耐磨性，延缓侧导板的磨损和积瘤，降低热轧带钢的缺陷发生率就显得尤为重要。激光熔覆技术是 20 世纪 70 年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，其主要以同轴或侧向送粉方式在被熔覆基体表面熔覆特定材料，经激光辐照使之和基体表面一同熔化，快速凝固后，形成稀释度极低、与基体呈冶金结合的表面覆层咱2暂。该技术作为表面处理或激光增材关键技术之一，已广泛用于机械零部件的表面处理。因此，文章拟开展两部分工作：分析两类典型的激光熔覆涂层与 Q235 耐磨损失性能；选取镍基合金作为侧导板激光熔覆处理的涂层材料，并在实际工况下验证其使用效果。1实验材料与方法1.1涂层材料的选择选取的基材为侧导板常用碳素结构钢 Q235，根据侧导板工况条件及失效分析的结果，结合材料学和摩擦学理论，侧导板的激光熔覆涂层应具备以下性质：（1）熔覆涂层表面硬度不宜过高，避免造成带钢边部损伤。图 1侧导板工况及磨损毛刺（a）（b）88第 1 期（2）熔覆材料应具有良好的自润滑性能和高温耐磨性，在高温高速摩擦条件下，保证熔覆涂层具有较长的使用寿命。（3）熔覆材料应具有良好的抗热震性，在温度急剧变化过程中，避免熔覆涂层发生剥落。（4）熔覆材料应具有良好的抗冲击性能，避免带钢头部撞击后造成熔覆涂层剥落。根据上述分析，选择如表 1 所示的镍基合金和钴基合金与 Q345 材料进行高温摩擦磨损性能的对照试验。表 1熔覆材料的化学成分符合国家标准GB/T 15912008成分%Q345钴基合金镍基合金C0.81.21.05.0Cr263010.013.0Si0.51.01.56.5W4.05.025.035.0Fe1.01.51.09.0Mo3.59.5Mn0.51.0Ni3.55.0其余Co其余4.56.8Cu7.010.0B0.51.01.07.01.2高温磨损试验采用高温磨损试验，通过测量体积磨损量，评价 3种材料在 500、750和 900条件下的高温摩擦磨损性能。针对 3 种材料各制备 6 块试样，试样尺寸为 椎38伊10mm。并在不同高温磨损试验条件进行磨损实验，具体如下：（1）试验气氛为大气。（2）试验仪器为 MMQ-02G 高温摩擦磨损试验机（济南益华）。（3）具体试验参数见表 2。（4）磨损体积测试仪器为 LEXTOLS 4100 型 3D 测量激光显微镜。由于高温磨损试验过程中，试样的温度会升高约50100，因此实际温度分别为 550600、800850和 9501000温度区间。试样材料Q345钴基合金镍基合金表 2高温磨损试验参数载荷/N100100100转速/rpm100500500摩擦半径/mm101010试验时间/min306060温度/益500、750、900500、750、900500、750、9002结果与讨论2.1宏观形貌高温磨损试验后，肉眼观察磨损后试样发现，所有试样的氧化程度均随试验温度增加而增大，但是不同合金在不同实验参数下其磨痕形式表现得各不相同。Q345 试样的氧化程度最为严重，磨痕最宽和最深，磨痕不规则，其中 900的磨痕最为严重，存在局部熔化迹象，显然随温度增加磨损情况加重。与之类似的是，镍基合金试样在 500益时的磨痕既浅又窄，磨损量非常小；但在较高温度（750和 900）下，磨痕宽度和深度均有明显增加，甚至出现明显的耐磨相与涂层基材界面脱落的现象。与之不同的是，钴基合金试样在 500时的磨痕宽且深，但 750益和 900益的磨痕则变得窄而浅，磨损量随温度增加，明显下降；且 750和 900的磨痕相差不明显。2.2磨损体积3 种材料试样的耐磨损性能如图 1 所示。在各试验温度点下，均以相应温度条件下 Q345 试样的磨损性为基准值 1。磨损体积越小，相对磨损性能越高。通过对 3 种材料在不同温度下的磨损体积测试，发现 3 种材料高温摩擦学性能差异明显。摩擦磨损试验结果显示，相对于 Q235，在 550600温度区间内，钴基合金试样耐磨性提高 36 倍，镍基合金试样耐磨性提高 1000 倍左右；而在 8001000温度区间内，钴基合金试样耐磨性提高约 1000 倍，镍基合金试样耐磨性提高约 200400 倍。在较低温度时（550600以下）镍基合金试样摩擦磨损性能较好，较高温度（8001000）图 2不同温度条件下 3 种材料试样的耐磨损性能对比（a）500益（b）750益（c）900益镍基合金Q235钴基合金镍基合金Q235钴基合金镍基合金Q235钴基合金160014001200100080060040020001000800600400200010008006004002000熊杰等：卷取机前侧导板耐磨自润滑涂层研究与实践89冶金与材料第 44 卷磨损条件下钴基合金试样性能较好，而 Q345 试样在5501000摩擦条件下摩擦学性能均很差。2.3上机试验结果根据侧导板的实际工况温度，结合表 3 中 500试验条件下试样的相对磨损性能数据，选取镍基合金作为侧导板熔覆处理的涂层材料。选取某热连轧带钢机组，进行了 2 次激光熔覆处理侧导板的上机试验。2 次在机试验期的概况如表 3 所示。表 3激光修复侧导板在机试验期间生产情况卷取机号1号机2号机1号机2号机总计长度/km607554484484.993742.56块数7863707154654594在机时间/天3330第1次试验第2次试验激光熔覆处理的侧导板分别在机连续使用了 33天和 30 天，且 2 次试验结束后，侧导板表面均未发现有熔覆涂层剥落现象。第 1 次试验结束后，侧导板表面的磨损深度约 4mm，最大磨损深度约 7mm，见图 3（a）。第2 次试验结束后，侧导板表面的磨损深度约 45mm。最大磨损深度约 7mm，见图 3（b）。2.4高硅带钢产品的结疤发生率2 次试验期期间，高硅带钢产品结疤发生率的统计结果如表 4 所示。根据表 4 统计的结果，采用激光熔覆处理侧导板，高硅带钢产品结疤的发生率大幅降低。表 4高硅带钢产品结疤发生率统计结果第1次试验第2次试验生产高硅带钢的卷数91240结疤发生率/%1.100.83发生结疤的卷数12图 3上机试验结束后侧导板的磨损状态（a）1次（b）2次3结论文章通过高温磨损试验分析比较 Q235、钴基合金和镍基合金在不同温度下的耐磨性能，并对激光熔覆镍基合金的侧导板进行 2 次上机试验，得到的结论如下：（1）镍基材料激光熔覆涂层具有良好的耐高温、抗氧化、耐磨损、抗疲劳和自润滑功能，能够满足侧导板的工况需求。（2）采用激光熔覆处理卷取机前侧导板，热轧高硅带钢结疤发生率由 7%下降至 1%，大幅降低高硅带钢产品的结疤发生率。（3）激光熔覆处理的侧导板的使用寿命超过了 30天，提高了 15 倍，大幅提高侧导板的使用寿命。参考文献1 黄敏，马联华，何泽平.表面热处理工艺对建筑结构钢耐磨损性能的影响 J.热加工工艺，2017，46（8）：199-201+206.2 李嘉宁.激光熔覆技术及应用 M.北京：化学工业出版社，2016.90