本发明属于激光合金化技术领域，特别涉及一种小型型材初中轧轧辊激光复合制造耐磨抗热合金化材料及工艺方案。
背景技术：
小型型材生产线中，初中轧轧辊由于受力大，转速慢接触时间长温度高，对产品质量影响不大，所以选材主要是考虑安全性和抗热疲劳性，在单次寿命和车削量间进行均衡获得最佳性价比。传统初中轧轧辊材质主要是钢辊、半钢辊及球铁辊，主要问题体现在磨损量大，疲劳裂纹严重存在断辊风险。初中轧孔型为箱型孔和椭圆孔，磨损不均匀且由于有斜壁存在导致单次车削量非常大，初轧辊磨损量4mm时为能保证孔型需要车削28mm才能恢复孔型，使得轧辊的使用次数减少辊耗增加。初中轧轧辊接触时间长疲劳较严重，下线的初中轧轧辊局部出现脱落现象，辊面裂纹严重，一旦出现环状封闭裂纹便有断辊的风险。初轧辊体积大，一般由于轧机机架限制和强度需求辊径允许使用范围为70-100mm，报废后浪费严重。部分钢厂采用表面处理技术如堆焊和激光合金化处理，一定程度的降低了辊耗。但堆焊技术热影响区大，易引发断辊，且表面组织存在很大的不均匀性对轧辊寿命的提高未起到显著效果。传统激光合金化技术，在轧辊表面进行合金化处理，处理层深在0.2-0.3mm虽可显著提高轧辊的硬度，但对初中轧区3-5mm的磨损量来说，仍不能满足目前小型型材生产对成本控制的的迫切需求。如果采用激光熔覆技术在轧辊表面进行1-2mm的激光熔覆，虽可显著提高寿命但性价比并不高。所以，小型型材初中轧轧辊亟待开发一种新的技术，满足初中轧轧辊的工况需求，同时具有很高的性价比。
激光熔覆与激光合金化技术都是利用高能密度的激光束所产生的快速熔凝过程，在基材表面形成与基体相互熔合的、且具有不同成分与性能的合金覆层。它们的区别是激光熔覆中覆层材料完全熔化而基体熔化层极薄对熔覆层的成分影响极小；而激光合金化则是在基体的表面熔融层内加入合金元素，从而形成以基材为基的新的合金层。本发明则是创新一种大稀释率的介于激光熔覆和激光合金化之间的改性熔覆，常规激光熔覆的稀释率都在15%左右，而激光改性熔覆将稀释率放大到50%左右，利用光纤激光器短波长激光的穿透力和对熔池的搅拌效果，将基体与合金层共同熔融后获得改性熔覆的新的合金化层，材质介于合金材料和基体材质之间。
本申请人曾发明过一种冶金热轧辊表面激光纳米陶瓷合金化的涂料（CN200610047996.7）目前虽在包线运营中，合金化后轧辊表面的硬度可得到HS15-HS25的提高，但由于缺乏固溶强化的合金元素，合金化后轧辊的寿命提高了80%，对于目前冶金行业降本的迫切需求仍有不足。目前小型型材初中轧轧辊为满足安全性和热疲劳性能需求，轧辊的硬度一般在HS45左右耐磨性不足。初中轧轧辊工作温度高，耐磨性不足是由于硬度和高温强度两方面不足共同的作用结果。为满足小型型材初中轧轧辊的工况需求，利用激光改性熔覆技术在满足安全性和热疲劳性需求的基体上，制备一层与基体结合良好并具有耐磨性和高温强度的合金化熔覆层为当务之急。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对现有技术的不足，研发一种适用于目前小型型材初中轧轧辊铸钢、半钢及球铁材质，且满足小型型材初中轧轧辊工况需求的耐磨抗热合金化材料，并配置溶剂制备合金材料的涂料，失效异型轧辊孔型合金材料的涂覆预置。本发明能够在小型型材初中轧轧辊表面预置厚度为0.2-0.5mm厚度的合金粉末通过激光改性熔覆技术制造合金化层，合金化层硬度提高的同时，高温强度得到改善。
由于激光改性熔覆的稀释率达50%，基体的成分对合金化层的影响非常大。所以针对小型型材初中轧轧辊的材质种类进行一下分类，轧辊材质合金元素含量差别并不大，而且在激光改性熔覆的过程中影响合金化层的主要的因素是碳含量，所以将小型型材初中轧轧辊分为三个碳含量等级C%：0.7%、1.5%及3.2%。为灵活满足不同初中轧轧辊材质激光改性熔覆的需求，综合考虑进行合金化粉末的设计和工艺的设计。
本发明给出的技术方案是：一种用于小型型材轧辊激光合金化的耐磨抗热合金材料，其特点是该材料成分按重量百分比计的配比如下。
C：0.03-1.5%，Cr：3.1 -6.0%，Si：0.5-1.3%，Ni：0.6-3.2%，Mn：0.40-0.89%，W：3.5-8.5%，Mo 3.00-6.30%，V：2.10-5.20%，Nb：1.0-3.2%，余量为Fe。
这种材料粉末的特点是利用小型型材初中轧轧辊的基体提供的碳含量与合金材料的合金元素相互作用，节约成本的同时获得满足设计需求的耐磨抗热合金化层。合金材料中有大量强碳化物形成元素如钒和铌，在激光作用的过程中形成初生碳化物作为硬质点和晶界强化质点存在，提高合金化层的宏观硬度，钒和铌是强碳化物的形成元素形成的是一次碳化物，细化晶粒的同时有助于提高合金层的抗高温回火性能阻碍晶粒的长大，同时钒和铌消耗合金层内的碳元素使得大量的钨、钼和铬可以固溶到铁基体中；其余大量的合金元素除形成碳化物外会固溶在铁基体内进行基体的强化，增强铁素体的高温强度，防止轧辊在与高温轧材接触过程中的温升引起轧辊表面软化降低高温耐磨性能。双管齐下，提高小型型材初中轧轧辊的高温耐磨性。东莞理工学院李胜、韩立发等发明的激光熔覆高硬无裂铁基合金专用合金粉末（CN200810218548.8）获得了大量的客观的常温硬度，但是由于合金元素的质量分数较小，对于铁基体的强化效果不足，抗高温回火性能不足。武汉高斯激光技术有限公司蒋汉前和田为军发明的一种球墨铸铁轧辊表面合金化处理方式（CN201010125564.X）采用酚醛树脂调制的合金浆糊实现了0.1-0.15mm的涂层，激光合金化之后合金层的厚度是相对受限的。本发明采用树脂水溶液作为溶剂进行合金浆料的制备，采用4%-6%的树脂水溶液进行合金粉末的配置。用水进行60wt%-90wt%的合金粉末和40wt-10wt%树脂水溶液调制成浆料合金化涂料，涂覆在轧辊的表面0.3-0.5mm厚度，晾干后进行激光扫描。
本发明采用光纤激光器进行激光改性熔覆，短波长激光在熔融过程中会对熔池进行剧烈的搅拌，使合金粉末和基体的表层进行充分的混合。在实际操作过程中采用6KW光纤激光器，合金粉末和基体表面混合形成0.5-0.6mm合金化层，硬度达到HS90；同时会对基体的亚表层进行一次激光淬火，在合金化层的下面会有一层0.6mm左右的激光淬火层存在，硬度在HS60-HS80之间。在节约成本的同时对轧辊表面1mm范围内的组织进行了改性，提高了表面的高温强度和耐磨性，提高了初中轧轧辊的寿命和孔型保持能力。
激光改性熔覆的制造过程中，首先清理下线后的轧辊工作表面，将表面的裂纹采用车削加工的方式处理干净，用丙酮进行清洗去除油污和锈渍。熔覆条件具备后采用熔覆工艺参数：功率1800-3500W，扫描速度1000-3000mm/min，搭接率45-65%，采用树脂4%温水搅拌溶解合金化粉末后涂覆在轧辊表面厚度在0.3-0.5mm，待涂覆层干燥后进行激光改性熔覆。
与现有技术相比，本发明的有益效果是。
与现有整体辊子相比表层硬度提高了1倍，耐磨性大大提高，孔型保持能力增加。相比堆焊技术可适用更多的基体材料，不受基体材质的影响，同时组织更均匀稳定。与传统激光合金化工艺相比，激光改性熔覆的合金化层厚度大大提高，由原来的0.2-0.3mm提高了1倍达到0.5-0.6mm，且随硬度的提高的同时，大量固溶的合金元素提高铁素体的高温强度，进一步提高高温耐磨性；同时激光淬火层的存在也提高了耐磨性。新配置的树脂溶剂与合金材料调制而成的合金浆料可实现更宽厚度的合金粉末层预置。
具体实施方式
实施例1。
在石墨钢初轧辊上进行激光改性熔覆。将下线的石墨钢初轧辊车削加工，将表面的裂纹采用车削加工的方式处理干净，用丙酮进行清洗去除油污。合金化材料的成分为：按重量百分比计，包含C：0.8%，Cr：3.25%，Si：0.8%，Ni：2.0%，Mn：0.6%，W：4.5%，Mo 5.5%，V：2.66%，Nb：1.8%，余量为Fe。制备合金化材料浆料，将合金材料与树脂配比溶于水制备改性熔覆浆料，涂覆在石墨钢轧辊表面，涂覆厚度为0.3mm，待2h干燥后进行激光改性熔覆。熔覆工艺参数：功率2600W，扫描速度2000mm/min，搭接率50%进行激光改性熔覆，改性熔覆后的轧辊取样进行高温回火热处理，结果如表1-1所示。经过600℃×4h一次热处理后，改性熔覆的合金层的硬度得到了小幅的升高，再次进行640℃×4h一次热处理，硬度依然保持优势。
表1-1石墨钢基体轧辊合金化层高温热处理的硬度。
与现有整体辊子相比，经本发明熔覆过的石墨钢轧辊表层硬度提高了1倍，耐磨性大大提高，孔型保持能力增加。与传统激光合金化工艺相比，激光改性熔覆的合金化层厚度大大提高，由原来的0.2-0.3mm提高了1倍达到0.5-0.6mm，且随硬度的提高的同时，大量固溶的合金元素提高铁素体的高温强度，进一步提高高温耐磨性；同时激光淬火层的存在也提高了耐磨性。
实施例2。
在球铁初轧辊上进行激光改性熔覆。将下线的球铁初轧辊车削加工，将表面的裂纹采用车削加工的方式处理干净，用丙酮进行清洗去除油污。合金化材料的成分为：按重量百分比计，包含C：0.03%，Cr：5%，Si：1.3%，Ni：1.6%，Mn：0.36%，W：5.3%，Mo 4.9%，V：3.0%，Nb：2.5%，余量为Fe。制备合金化材料浆料，将合金材料与树脂配比溶于水制备改性熔覆浆料，涂覆在石墨钢轧辊表面，涂覆厚度为0.35mm，待2.5h干燥后进行激光改性熔覆。熔覆工艺参数：功率3100W，扫描速度2200mm/min，搭接率59%进行激光改性熔覆,改性熔覆后的轧辊取样进行高温回火热处理，结果如表2-1所示。经过600℃×4h一次热处理后，改性熔覆的合金层的硬度得到了小幅的升高，再次进行640℃×4h一次热处理，硬度依然保持优势。
表2-1球铁基体轧辊合金化层高温热处理的硬度。
与现有整体辊子相比，经本发明熔覆过的石墨钢轧辊表层硬度提高了1倍，耐磨性大大提高，孔型保持能力增加。与传统激光合金化工艺相比，激光改性熔覆的合金化层厚度大大提高，由原来的0.2-0.3mm提高了1倍达到0.5-0.6mm，且随硬度的提高的同时，大量固溶的合金元素提高铁素体的高温强度，进一步提高高温耐磨性；同时激光淬火层的存在也提高了耐磨性。
实施例3。
在铸钢小型型材初轧辊上进行激光改性熔覆。将下线的铸钢小型型材初轧辊车削加工，将表面的裂纹采用车削加工的方式处理干净，用丙酮进行清洗去除油污。合金化材料的成分为：按重量百分比计，包含C：1.4%，Cr：3.5%，Si：0.9%，Ni：1.2%，Mn：0.55%，W：8.0%，Mo 5.2%，V：3.9%，Nb：2.9%，余量为Fe。制备合金化材料浆料，将合金材料与树脂配比溶于水制备改性熔覆浆料，涂覆在石墨钢轧辊表面，涂覆厚度为0.4mm，待2h干燥后进行激光改性熔覆。熔覆工艺参数：功率2100W，扫描速度1500mm/min，搭接率50%进行激光改性熔覆。改性熔覆后的轧辊取样进行高温回火热处理，结果如表3-1所示。经过600℃×4h一次热处理后，改性熔覆的合金层的硬度得到了小幅的升高，再次进行640℃×4h一次热处理，硬度依然保持优势。
表3-1铸钢基体轧辊合金化层高温热处理的硬度。
与现有整体辊子相比，经本发明熔覆过的石墨钢轧辊表层硬度提高了1倍，耐磨性大大提高，孔型保持能力增加。与传统激光合金化工艺相比，激光改性熔覆的合金化层厚度大大提高，由原来的0.2-0.3mm提高了1倍达到0.5-0.6mm，且随硬度的提高的同时，大量固溶的合金元素提高铁素体的高温强度，进一步提高高温耐磨性；同时激光淬火层的存在也提高了耐磨性。