连续退火炉辊热喷涂涂层失效方式与涂层材料使用.doc

连续退火炉辊热喷涂涂层失效方式与涂层材料使用时间：2012-10-2121:47:23来源：重型机械作者：姚舜,毕刚,郝荣亮,张跃钢
连续退火炉辊热喷涂涂层失效方式与涂层材料使用姚舜,毕刚,郝荣亮,张跃钢重型机械HYPERLINK"http://www.sunspraying.com/"http://www.sunspraying.com/摘要:阐述了连续退火炉辊表面热喷涂涂层的研究发展现状及热喷涂保护涂层的主要失效方式,着重分析了炉辊用热喷涂涂层材料的发展、使用、分类及其各自特点,列举了世界三大知名热喷涂制造厂商炉辊涂层的生产与应用情况。关键词:连续退火;炉辊;热喷涂;表面涂层1引言退火钢板的表面必须没有划痕、污点或轻微伤痕。同时,在冷热加工工艺中得到的钢板原始表面质量,也必须在退火中得到维持。为了提高连续退火钢板的表面质量,提高传送钢板的炉辊表面状态至关重要。上世纪70年代,日本钢铁公司开始对连续退火炉辊表面实施热喷涂处理;80年代中期,几乎日本所有的现代连续退火线都使用了喷涂涂层。由于这种方法具有极高的性价比,在全世界范围内得到了广泛使用。近年来,为了提高连续退火生产线的生产率和适应多品种钢板的生产,炉辊表面热喷涂涂层必须能够承受更高的退火温度、更高锰含量和更高强度的钢板,以满足现代高品质、高效生产的要求。2炉辊热喷涂涂层主要失效形式2·1涂层表面积瘤炉辊表面积瘤如图1所示,即炉辊表面粘附金属或化合物形成的较大颗粒,表面积瘤是炉辊涂层失效的最主要形式,其失效原因很复杂,与炉辊涂层材料成分及连退生产线工况环境有很大关联性。其产生的主要原因有:①炉辊表面微粒的界面氧化,氧化部位附着氧化物、金属粉;②炉辊表面高温硬度下降,产生划痕并氧化,或附着金属粉;③炉辊表面和钢板表面的氧化物发生化合反应;④炉辊表面局部被钢板滑动产生的摩擦热灼伤;⑤还原气氛下氧化物的还原和活化。可见,氧化物和金属粉是引起积瘤的主要原因。大量的文献资料和实践经验也表明,锰氧化物和铁氧化物等对炉辊涂层积瘤失效影响非常大。2·2涂层脱落失效炉辊表面热喷涂涂层的脱落(图2)通常表现为以下三种形式。(1)炉辊涂层表面积瘤物的脱落。当表面积瘤物为很小的几微米,且脱落速度很慢时,这种脱落现象会减轻积瘤形成,故能够减少退火钢板表面印痕,保证钢板表面质量,连续退火炉辊表面自清理涂层(5·5BN/N-i14Cr-8Fe-3·5Al)的应用原理即基于此。反之,当表面积瘤物面积较大,或者脱落速度较快时,则会加重积瘤形成和造成钢板表面缺陷。(2)炉辊涂层热震脱落。很多炉辊表面涂层不容易发生化合反应而形成积瘤物,其具有足够的抗堆积性能。但往往因其热性能(尤其是热膨胀系数)或机械物理性质与炉辊的材质差别很大,实际工作温度变化时匹配性较差,在涂层/辊基材结合处产生剪切应力,这种应力因涂层在炉内高温下承受表面载荷时晶体结构的改变(发生相变)或涂层蠕变,会造成涂层热震,开裂脱落。当然,如涂层制备选择的手段不当或工艺参数欠妥,也容易引起涂层剥落现象。(3)炉辊涂层稳定性差,导致涂层脆化脱落。涂层材料稳定性差,一方面指涂层材料的化学稳定性不够,工况条件下涂层材料会与外来物质发生化合反应。这不仅会改变涂层自身原有属性,而且可能还会形成新的化学生成相,进而使得涂层原有性能削弱或消失。如NiCr-Cr3C2涂层在较高温度下由于脱碳Cr3C2会向脆性的Cr7C3或Cr23C6相转变。同时,铬和碳化铬生成的致密氧化铬Cr2O3会向不稳定的CrO3相转变;故高温下涂层会产生膨胀,而温度下降时的压应力会导致涂层脱落。另一方面是涂层材料的物理稳定性不够,在实际工况条件(温度、载荷、触媒物质)发生波动时,涂层材料的物理或机械性能会随之改变,也会造成涂层性能恶化。例如对于ZrO228Y2O3涂层,当温度出现大的波动时,ZrO2会由立方相向斜方相转变,引起体积膨胀,温变时导致涂层开裂脱落;此外,当存在氧化锰和氧化铁物质时,也会促进ZrO2由立方相向斜方相转变,引起体积膨胀,导致涂层开裂脱落。2·3涂层摩擦磨损失效在现代连续退火生产线上,尤其是高温段,炉辊表面热喷涂涂层还需要有很高的抗磨损抗划伤特性。因为在工况条件下,炉辊钢材会因高温而被软化,并在表面生成氧化铁鳞,加之炉辊基材此时的高温硬度也显著降低,故当高温钢制品在炉辊上运动甚至轻微滑动时,钢铁制品与辊子之间的摩擦磨损率增大,不仅非常容易发生高温粘着磨损,也非常容易产生划痕和划伤。炉辊的磨损和划伤也是导致涂层材料积瘤失效的重要诱因之一。3炉辊热喷涂涂层材质大量的研究和实践表明,炉辊表面热喷涂涂层尚难完全同时解决前述的失效问题,在连续退火高温段更是难以解决涂层失效问题。为了能够尽量满足炉辊的综合性能要求,热喷涂工作涂层设计与材料选择就成为炉辊表面涂层的关键技术