硅钢连续退火炉陶瓷复合涂层炉底辊

摘要

本发明涉及一种硅钢连续退火炉陶瓷复合涂层炉底辊,在炉底辊辊基上喷涂有由底层,过渡层和表面层组成的陶瓷复合层,该炉底辊的生产方法是先将炉底辊辊基去油、粗化,然后用等离子喷涂技术在辊基上依次喷涂NiCr合金底层NiCr合金和y2O3－ZrO2陶瓷混合的过渡层和y2O3－ZrO2陶瓷表面层,最后将喷涂好的炉底辊打磨抛光。本发明所述炉底辊具耐950℃—1050℃高温、抗结瘤、长期连续运行、涂层不剥落优点,主要用于硅钢连续退火炉,取代目前普遍使用的进口石墨套辊。

说明书

本发明涉及一种炉底辊，具体地是一种主要用于硅钢连续退火炉的陶瓷复合涂层底辊。

硅钢连续退火炉是硅钢生产的主要设备之一，冷轧硅钢片热处理用连续退火炉中托着硅钢片运行的炉底辊，是在700-1050℃高温下，在还原气氛或弱氧化气氛中长期使用，因此要求炉底辊具有较高的高温强度，在还原气氛及弱氧化气氛中化学性质稳定、耐磨性好，表面不发生粘连结瘤，从而保证生产出高质量的硅钢片，为达到这一目的，目前一般采用石墨套辊，该套辊由辊基和套在辊基上的石墨套组成，这种套辊耐高温、润滑性好，但由于材质的限质，高温强度不高，表面不致密，硬度小。在实际生产应用中，这种石墨套辊的主要问题是：(1)使用温度底，限制了热处理温度高于900℃的高牌号硅钢片的生产；(2)当炉内通湿气，在弱氧化气氛下，石墨套辊则加速损坏，寿命只有一个月左右，影响生产，增大成本；(3)高温耐磨性差，寿命短；(4)高温结瘤。

目前一些国家如日、美、瑞士、法国等都在加紧高温热处理炉(退火炉)炉底辊的研制和应用，除了对上述的石墨套辊从原材料配比及成型工艺方面加以研究外，还有下述几个研究方向：1、耐热合金钢炉底辊(整体铸成)，以NiCr材料为主，其使用温度大多＜900℃，高温应用非常困难；2、全陶瓷炉底辊(整体成型)，表面密实，硬度高，但难以成型，成品率低，易损坏，抗热冲击性能不好，抗结瘤性能也不太理想；3、在芯体材料(C、SiC、Si₃N₄、Br、ZrB、ZrSi等)上喷涂各种氧化物陶瓷、合金材料所制成的炉底辊，能在温度不高于1200℃的退火炉中连续工作24个月，但其技术难点在于芯体材料的制作，与前述陶瓷辊类似；4、在耐热合金钢表面喷涂陶瓷材料所制成的炉底辊，这是目前国际上应用研究重点。如新日本制铁株式会社(以下简称新日铁公司)在一般耐热钢表面喷涂SiC+Si粉+W、Si₃N₄+Si粉或SiC+Si₃N₄+Si粉+W制成的炉底辊(见日本昭62-54016公开特许公报)，于750℃温度下使用寿命高于2000小时；又如新日铁公司在SCH₂上喷涂Y₂O₃-ZrO₂炉辊，在800下使用寿命为8个月(见日本昭61-124534公开特许公报)，在900℃时使用寿命为2个月(见日本昭64-11956公开特许公报)。综上所述，全陶瓷辊和在芯体材料上喷制陶瓷等制作的炉底辊使用温度高，不大于1200℃，但其制作、成本高，且易损坏；而上述几种在合金材料上喷涂陶瓷材料的炉底辊，由于材料选择和制备限制，导致其使用温度低，不高于900℃，使用寿命也不长。

本发明的目的旨在针对上述炉底辊存在的一些问题，切合国际研制新的动态，提供一种耐950-1050℃高温、抗结瘤、长期连续运行、涂层不削落的新型陶瓷复合涂层炉底辊。

本发明的目的是以下述方式实现的：一种陶瓷复合涂层炉底辊，在炉底辊辊基上喷涂有陶瓷复合涂层，该陶瓷复合涂层由炉底辊辊基表面上的底层，底层上的过渡层和过渡层上的表面层组成。该陶瓷复合涂层的底层厚度为0.10-0.20mm，材料是镍合金(NiCr)粉末，粉末粒度为180-40um；过渡层厚度为0.10-0.20m，采用的材料是镍合合金(NiCr)粉末与全稳定或部分稳定氧化锆(ZrO₂)陶瓷粉末混合粉末，粉末粒度为160-20um；表面层厚度为0.10-0.50m，采用的材料是全稳定或部分稳定氧化锆(ZrO₂)陶瓷粉末，粉末粒度为120-10μm。上述镍合金(NiCr)成分为Ni80％，Cr20％，ZrO₂的稳定剂可选用CaO、MgO、Y₂O₃，CeO₂或Y₂O₃-CeO₂，其组分分别为：ZrO₂-CaO系：CaO为5-30％，ZrO₂为70-95％；ZrO₂-MgO系：MgO为3-25％，ZrO₂为75-97％，ZrO₂-Y₂O₃系：Y₂O₃为3-20％，ZrO₂为80-97％；ZrO₂-CeO₂系：CeO₂为14-26％，ZrO₂为24-86％；ZrO₂-Y₂O₃-CeO₂系：Y₂O₃为1-5％，CeO₂为18-26％，ZrO₂为60-80％。生产这种陶瓷复合涂层炉底辊的生产方法是在耐热合金钢辊基上用等离子技术喷涂涂层，在喷涂前先将辊基作去油处理，因为辊基在切削中涂有机油保护，若不作去油处理，易影响质量；第二将辊基表面作粗糙化处理，主要是为了强化涂层及涂层与辊基间的结合；第三是在处理好的辊基面依次喷涂0.10-0.20mm厚的底层，0.10-0.20m厚的过渡层和0.10-0.50mm厚的表面层；最后将喷涂好的炉底辊精磨抛光，使之表面光洁度达到3.2-1.6μm。在喷涂底层，过渡层及表面层时，功率分别为15-30KW，45-60KW，基体温度＜200％℃。

本发明生产的陶瓷复合涂层炉底辊具有下述特点：

a、抗热震性能优良。陶瓷复合涂层与耐热钢辊基有好的热相容性，涂层能承受辊基升降温过程中，由于膨胀和收缩而产生的拉应力和压应力。

b、具有较强的高温耐磨性能，在不大于1050℃温度中能使用3-24个月。

c、涂层与辊基之间结合牢固，能够承受钢带对辊表面的剪切应力和更换调整材时所带来的一定机械冲力。

d、具有强的高温抗氧化性能和优良的抗还原性能，涂层在860℃-920℃高温不同露点的使用环境下，不与气氛发生反应，从而大大降低了换辊率，减少了停炉次数，降低生产成本，增加了生产产量。

e、由于炉内气氛、露点、辊表面的缺陷，有结瘤现象，但瘤细小、生根不牢、易磨辊(1-2小时)，磨辊时不用降温、停气，而石墨套辊结瘤较粗大、生根较牢、较难磨辊(6-8小时)，磨辊时要降温、停气。

f、使用寿命到后，将损坏涂层剥落，可对辊轴表面重新喷涂，反复使用，降低成本。

本发明可用作高牌号硅钢片连续退火炉用炉底辊及其他高温炉用炉底辊，替代目前使用的日本等国进口炉底辊。

下面参照附图进一步阐述本发明内容：

图1  为本发明结构示意图。

图2  为本发明结构示意图局部放大图

参照附图1为炉底辊辊基，2为喷涂在辊基上的陶瓷复合涂层，3、4、5分别为底层、过渡层和表层。

为了实现本发明的目的，涂层材料的选择，涂层结构的决定与喷涂工艺是关键。

首先是涂层材料的选择，我们从耐磨、抗腐蚀及抗热震等基本性能方面对Al₂O₃、Al₂O₃-TiO₂、Mg₄SiO₄、SiC、Y₂O₃(CaO、MgO、CeO₂)-ZrO₂和Al₂O₃-Cr₂O₃等氧化物、碳化物系列材料进行了研究，最后选定了全稳定或部分稳定氧化锆(ZrO₂)陶瓷粉末材料作为喷制表面涂层的原材料，研究表明这种陶瓷材料制备的涂层由T′相组成，具有较好的热稳定性，保证了涂层高温长期作可靠性。    

从纯金属及合金材料的热稳定性、延展性、抗蠕变、抗氧化及其对陶瓷相的润湿、化学反应、膨胀系数匹配和成本等方面，对Ni、Cr、Ti、NiAl、NiCo、NiCrAl、CrAl、NiCrAly等进行研究，最后选定了NiCr基合金材料作为底层喷涂材料。

综合考虑整个涂层结构，并参照上述选取思路，选定了NiCr-NiCr复合材料作为涂层由金属向陶瓷过渡材料，该材料不用简单混合制备，而是将NiCr合金粉末与ZrO₂陶瓷粉末混合，通过球磨混合，造粒、熔烧、破碎制成复合粉末(粒径160-20μm)后使用。

有了合适的喷涂料，并不等于能够制备出适合硅钢连续退火炉工况条件的陶瓷复合涂层炉底辊，涂层的结构对于它的工作性能至关重要研究人员采用了先进的梯度涂层的热应力缓和设计方法，将底层NiCr合金材料与表面层PSZ陶瓷粉末按阶梯配比喷涂，使之逐渐过渡，从而解决了由于炉底辊表面涂层与辊基的热胀性系数不匹配而造成的热应力释放问题，使涂层达到了最佳的抗热震效果，保证了涂层在使用中不剥落。表面工作层的结构创造性采用了密度梯度设计，既尽量减小表面孔隙率以减少铁杂质生根结瘤的根源和保证涂层具有较高的耐磨性，同时在涂层内部形成一定的孔隙率以保证涂层有足够的抗热震性能。

喷涂工艺是实现涂层结构设计，保证涂层性能与质量的关键，在涂层的制备过层中采用了高能等离子喷涂设备，喷涂功率为45-60KW，以获得较密的涂层，最后还须抛光打磨。

用上述工艺，材料制备的涂层具有如表1所示的性能。

表1               喷涂层的基本性能

   涂层性能    测试值    备    注   气孔率(％)    1～4   表面光洁度(um)    3.2～1.6   硬度(Hv100g)    630-1030   结合性能(MPa)    ＞39   抗热震性(次)    ＞50按JISH8666-19903   膨胀系数(25-1000℃)    11×10-6/C    相结构    T′

实施例1：炉底辊辊基由Ni48Cr28W5高温耐热合金钢离心浇注而成，工作面尺寸为φ125×1200mm采用等离子技术对辊基进行涂层前，先用清洗剂除去辊基在车削过层中涂上的机油，再用粒度为3mm的棕刚玉对辊基表面进行喷砂处理，使其表面达到合适的粗造度，从而强化涂层及涂层与辊基间的结合，然后在辊基表面上喷涂0.1mm厚的金属低层(NiCr)和0.1mm厚的复合粉末(NiCr与Y₂O₃-ZrO₂)过渡层，最后喷涂0.4mm的8Wt％Y₂-ZrO₂陶瓷粉末，涂层喷涂完后，先用油石粗磨，再用金刚砂带打磨抛光，使表面光洁度达到3.2um。

将上述90根陶瓷复合涂层炉底辊先后装入武钢硅钢片厂的CA2、CA3线的不同段位、不同气氛长时间生产考核情况看，这种新型炉底辊具备下述总体性能。

(1)抗热震性性能优良，在使用中能承受计划中的停机检修所必须的正常升、降温及由于故障处理所必须的非正常升、降温而产生的热冲击，升降温每月6次左右。该炉底辊在炉运转时间短的3个月，长的近2年，陶瓷涂层均未发生剥落。

(2)涂层具有强的高温耐磨性能，磨耗率＜0.1mm/1000hr。

(3)涂层与辊基间结合牢固，过钢14500吨，更换调整材20次，辊表面的陶瓷涂层仍保持光滑完好。

(4)涂层具有强的高温抗氧化和良好的抗还原性能。

(5)在高温湿气下具有良好的抗结瘤性能。

从试用考核结果看，在退火炉中干气氛下运行一段时间后，涂层表面有细小结瘤，但瘤子生根不牢，磨辊时不需停炉降温，磨1-2小时后即可正常生产；在湿气氛下，该辊具有更强的抗结瘤性能，连续运行6个月以上也不发生结瘤。

(6)能生产出高牌号硅钢片，考核中56天生产了第一批DW1210A、DW121A、DW122A、DW102A、DW142A和Zn-0.48六种无取向硅片14500吨，全部为一级产品。