一种提高高速钢轧辊表层耐磨性的脉冲电沉积方法

摘要

本专利涉及一种提高轧辊表层耐磨性的新方法，属于冶金和新材料制备领域。是通过脉冲电沉积的方法，在轧辊表面沉积一层W-V-Cr/HCP，即合金-硬质纳米颗粒沉积层。用高能超声多点处理电解液确保纳米颗粒分散，调控电沉积参数，控制沉积速度。沉积层与轧辊界面接触好，不脱落，一定厚度的沉积层提高了轧辊表层耐磨性和毫米过钢量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高轧辊表层耐磨性的电沉积方法，属于冶金和材料制备领域。

背景技术

轧辊是冶金轧钢行业的重要耗材，其质量好坏不仅影响轧钢产品的质量，同时对生产流程和轧机运行成本都有重要影响；轧辊质量的重要指标有：合格的钢材成分和组织、复合辊的牢固界面、达标的使用性能等；众所周知，轧辊的易损部位主要是与钢材大压力咬合接触时的表面工作层；工作层工作负荷高，损耗大，对工作层耐磨性要求很高；为适应现代轧钢流程和产品对轧辊的要求，不断研发出新的轧辊工作层材质，目前常用的是高速钢轧辊；与常规轧辊相比，高速钢轧辊具有碳化物硬度高、较好的热稳定性、良好的淬透性、优良的强韧性、良好的形成氧化膜的能力、良好的抗热裂性和良好的耐磨性；而从轧辊服役环境看，进一步提高轧辊耐磨性是一项长久的工作。

从目前耐磨材料的发展趋势来看，进行金属材料的表面纳米化是一种有效的方法，能明显提高金属材料的力学性能和化学性能，而且不损害材料的韧性；目前应用于轧辊表层纳米化的方法有表层喷丸和激光熔覆等。

本发明提供一种脉冲电沉积方法，根据目前高速钢轧辊的组分，通过调配电解液组分、浓度和电沉积参数，在轧辊表层沉积一层硬质纳米颗粒，起到改善轧辊工作层耐磨性的目的；与表层喷丸和激光熔覆工艺相比，具有能耗成本低、界面结合层牢固、操作工艺简单、耐磨性提高明显等优势。

发明内容

本发明的内容：提供一种脉冲电沉积方法，通过调配电解液组分、浓度和电沉积参数，在轧辊表层沉积一层硬质纳米颗粒，起到改善轧辊工作层耐磨性的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一步，设计纳米复合层成分。

依据高速钢工作层的成分，设计为W-Cr-V/HNP（HNP是指硬质纳米颗粒，Hard Nano Particles），适宜的硬质纳米颗粒有：六种氧化物（Al₂O₃、MgO、ZrO₂、SiO₂、CeO₂、ThO₂），七种碳化物（Mo₂C、SiC、WC、VC、TiC、B₄C、ZrC），两种氮化物（AlN、TiN），两种硼化物（TiB₂、ZrB₂）；合金成分设计时确保电沉积时合金基体与高速钢材质相同，参考高速钢轧辊合金成分，即W含量0.5-6wt.%，V含量4-6wt.%，Cr含量4.5-9wt.%，余量为Fe。

第二步，制备电解液

电解液组成为：

柠檬酸H₃C₆H₅O₇·H₂O，浓度范围为每升电解液含有100g-140 g H₃C₆H₅O₇·H₂O，该范围内浓度变化与电沉积效果关系不大；

钨酸钠Na₂WO₄、钨酸钾K₂WO₄或钨酸铵(NH₃)₂WO₄，钨盐的摩尔浓度范围为每升电解液0.025-0.3 mol，浓度数值高低对应高速钢中钨含量值，即0.5-6wt.%；

偏钒酸铵NH₄VO₃、偏钒酸钠NaVO₃、偏钒酸钾KVO₃或正钒酸钠Na₃VO₄，钒盐的摩尔浓度范围为：每升电解液0.8-1.2mol，对应高速钢中钒含量值，即4-6wt.%；

铬酸钠Na₂CrO₄、铬酸钾K₂CrO₄、铬酸铵(NH₄)₂CrO₄、氯化铬CrCl₃或亚铬酸钠NaCr(OH)₄，铬盐的摩尔浓度范围为：每升电解液0.9-1.8 mol，浓度数值高低对应高速钢中铬含量值，即4.5-9 wt.%；

阳离子表面活性剂：季铵盐型，浓度为每升电解液4-8mg；

将上述物质加入到去离子水中，搅拌均匀得到电解液；

电解液PH值适宜范围为5-6，电解液温度适宜范围为50-70℃，在此温度范围内不影响电沉积效果。

第三步，实施电脉冲沉积，在轧辊表面沉积W-V- Cr /HNP耐磨层。

具体操作方法为：以表面机加工后的高速钢轧辊材料为阴极材料；以不锈钢为阳极材料；配制好电解液后，在电解液内加入硬质纳米颗粒，硬质纳米颗粒为Al₂O₃、MgO、ZrO₂、SiO₂、CeO₂、ThO₂、Mo₂C、SiC、WC、VC、TiC、B₄C、ZrC、AlN、TiN、TiB₂或ZrB₂，硬质纳米颗粒的平均尺寸在10-30nm，颗粒浓度为每升电解液25-35g，对应沉积层中质量百分含量为8-10%；为确保颗粒的分散，采用高能超声处理含有纳米颗粒的电解液，并为确保超声作用效果，进行多点超声处理，并在电沉积过程中持续；高能超声场频率范围15-30kHz，强度2-60W/m²；电脉冲设备的主要参数的控制范围为：脉冲频率范围800-1200Hz，峰值电流密度40-45A/dm²，占空比40-50%； 电脉冲沉积的沉积速率（单位时间内沉积出的厚度）范围为50-60μm/h，电沉积时间设定为1-2h，根据沉积层厚度需要而定。

组织和性能结果显示：沉积层与轧辊界面接触好，不脱落；毫米过钢量较沉积前提高。

与其他文献相比，本发明的优点主要体现在以下几点：

1、沉积层组织致密；

2、纳米颗粒分散均匀；

3、沉积速率快，效率高；

4、镀层结合强度高，耐磨性高。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的阐述，实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。

实施例一电脉冲沉积W-Cr-V/ Al₂O₃耐磨层。

电解液组成为：

柠檬酸H₃C₆H₅O₇·H₂O，浓度是100g/L；

钨酸钠Na₂WO₄，摩尔浓度是0.16mol/L；

偏钒酸钠NaVO₃，摩尔浓度是0.8mol/L；

铬酸钠Na₂CrO₄，摩尔浓度是0.9 mol/L；

硬质纳米粒子为Al₂O₃，尺寸10nm，粒子浓度是25g/L；

阳离子表面活性剂浓度是4mg/L；

阳极材料为：不锈钢；

阴极材料为：CPC（15Co）高速钢轧辊；

脉冲波形：矩形波。

配制好电解液后，加入硬质纳米颗粒，为确保颗粒的分散，采用高能超声处理含有纳米颗粒的电解液，为确保超声作用效果，进行多点超声处理，并在电沉积过程中持续；高能超声场频率15kHz，强度2W/m²。

为提高电沉积效果，电沉积前，对机加工后的轧辊表面进行常规的闪镀处理，闪镀时间为1min；电沉积过程中，维持电解液中纳米颗粒的分散均匀性，用多点超声搅拌维持纳米颗粒的分散均匀性，电解液PH值是5，电解液温度是50℃。

电脉冲设备的主要参数为：脉冲频率800Hz，峰值电流密度40A/dm²，占空比40，电脉冲沉积的沉积速率为50μm/h；当实施1h电脉冲后，沉积层厚度50μm；沉积层成分为W-V- Cr/Al₂O₃，各组分质量百分含量为：W含量0.5%，V含量4%，Cr含量4.5%，Al₂O₃颗粒质量百分含量8%，其余组分是Fe；沉积层与轧辊界面接触好，不脱落。

耐磨性以毫米过钢量（吨钢/毫米）衡量，CPC（15Co）高速钢轧辊后部轧机的毫米过钢量为11725吨/毫米；实施脉冲电沉积后，毫米过钢量值增加3%。

实施例二电脉冲沉积W-Cr-V/ SiC耐磨层。

电解液组成为：

柠檬酸电解液H₃C₆H₅O₇·H₂O，浓度是120g/L；

钨酸钾K₂WO₄，摩尔浓度是0.24mol/L；

偏钒酸钾KVO₃，摩尔浓度是1.0mol/L；

铬酸钠K₂CrO₄，摩尔浓度是1.35 mol/L；

硬质纳米粒子SiC，尺寸20nm，粒子浓度30g/L；

阳离子表面活性剂浓度是6mg/L；

阳极材料为：不锈钢；

阴极材料为：CPC（15Co）高速钢轧辊；

脉冲波形为锯齿波。

配制好电解液后，加入硬质纳米颗粒，为确保颗粒的分散，采用高能超声处理含有纳米颗粒的电解液，为确保超声作用效果，进行多点超声处理，并在电沉积过程中持续；高能超声场频率22kHz，强度30W/m²。

电沉积前，对机加工后的轧辊表面进行一层闪镀，闪镀时间为2min，电沉积过程中，维持电解液中纳米颗粒的分散均匀性，用超声搅拌维持纳米颗粒的分散均匀性，电解液PH值控制范围为5.5，电解液温度范围为60℃。

电脉冲设备的主要参数的控制范围为：脉冲频率范围1000Hz，峰值电流密度42.5A/dm²，占空比45，电脉冲沉积的沉积速率为55μm/h；当实施1.5h电脉冲后，沉积层厚度为82μm；沉积层成分为W-V-Cr/SiC，各组分质量百分含量为： W含量3.2%，V含量5%，Cr含量6.7%，SiC颗粒质量百分含量8%，其余组分是Fe，沉积层与轧辊界面接触好，不脱落。

耐磨性以毫米过钢量（吨/毫米）衡量，CPC（15Co）高速钢轧辊后部轧机的毫米过钢量为11725吨/毫米；实施脉冲电沉积后，毫米过钢量值增加4%。

实施例三电脉冲沉积W-Cr-V/ TiN耐磨层。

可选择的电解液组成为：

柠檬酸电解液H₃C₆H₅O₇·H₂O，浓度是140g/L；

钨酸铵(NH₄)₂WO₄，摩尔浓度是0.3 mol/L；

偏钒酸铵NH₄VO₃，摩尔浓度是1.2mol/L；

铬酸铵(NH₄)₂CrO₄，摩尔浓度是1.8 mol/L；

硬质纳米粒子选择TiN等，尺寸30nm，粒子浓度是35g/L；

阳离子表面活性剂浓度是8mg/L；

阳极材料为：不锈钢；

阴极材料为：CPC（15Co）高速钢轧辊；

脉冲波形是阶梯波。

配制好电解液后，加入硬质纳米颗粒，为确保颗粒的分散，采用高能超声处理含有纳米颗粒的电解液，为确保超声作用效果，进行多点超声处理，并在电沉积过程中持续；高能超声场频率30kHz，强度60W/m²。

电沉积前，对机加工后的轧辊表面进行一层闪镀，闪镀时间为3min。电沉积过程中，为维持电解液中纳米颗粒的分散均匀性，用超声搅拌维持纳米颗粒的分散均匀性，电解液PH值控制范围为6，电解液温度范围为70℃。

电脉冲设备的主要参数的控制范围为：脉冲频率范围1200Hz，峰值电流密度45A/dm²，占空比50，电脉冲沉积的沉积速率为60μm/h；当实施2h电脉冲后，沉积层厚度120μm；沉积层成分为W-V-Cr/TiN，各组分质量百分含量为：W含量25%，V含量25%，Cr含量40%，TiN颗粒质量百分含量10%，其余组分是Fe。沉积层与轧辊界面接触好，不脱落。

耐磨性以毫米过钢量（吨/毫米）衡量。CPC（15Co）高速钢轧辊后部轧机的毫米过钢量为11725吨/毫米；实施脉冲电沉积后，毫米过钢量值增加5%。