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卷取机前侧导板耐磨自润滑涂层研究与实践论文

理工论文 26℃ 0
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  关键词:卷取机;侧导板;高温磨损;激光熔覆

  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[1],侧导板逐渐摩擦出深度为5~10mm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。

卷取机前侧导板耐磨自润滑涂层研究与实践论文

  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[2]。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:①分析两类典型的激光熔覆涂层与Q235耐磨损失性能;②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。

  (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。

  1.2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Φ38×10mm。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50~100℃,因此实际温度分别为550~600℃、800~850℃和950~1000℃温度区间。

  2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℃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℃和900℃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2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550~600℃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800~1000℃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200~400倍。在较低温度时(550~600℃以下)镍基合金试样摩擦磨损性能较好,较高温度(800~1000℃)磨损条件下钴基合金试样性能较好,而Q345试样在550~1000℃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。

  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4~5mm。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。

  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.

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