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退火鋼板的表面必須沒有劃痕、污點或輕微傷痕。同時，在冷熱加工工藝中得到的鋼板原始表面質(zhì)量，也必須在退火中得到維持。為了提高連續(xù)退火鋼板的表面質(zhì)量，提高傳送鋼板的爐輥表面狀態(tài)至關(guān)重要。
上世紀70年代，日本鋼鐵公司開始對連續(xù)退火爐輥表面實施熱噴涂處理；80年代中期，幾乎日本所有的現(xiàn)代連續(xù)退火線都使用了噴涂涂層。由于這種方法具有極高的性價比，在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛使用。
近年來，為了提高連續(xù)退火生產(chǎn)線的生產(chǎn)率和適應(yīng)多品種鋼板的生產(chǎn)，爐輥表面熱噴涂涂層必須能夠承受更高的退火溫度、更高錳含量和更高強度的鋼板，以滿足現(xiàn)代高品質(zhì)、***生產(chǎn)的要求。
2爐輥熱噴涂涂層主要失效形式
2．1涂層表面積瘤
爐輥表面積瘤如圖l所示，即爐輥表面粘附金屬或化合物形成的較大顆粒，表面積瘤是爐輥涂層失效的***主要形式，其失效原因很復(fù)雜，與爐輥涂層材料成分及連退生產(chǎn)線工況環(huán)境有很大關(guān)聯(lián)性。其產(chǎn)生的主要原因有：①爐輥表面微粒的界面氧化，氧化部位附著氧化物、金屬粉；②爐輥表面高溫硬度下降，產(chǎn)生劃痕并氧化，或附著金屬粉；③爐輥表面和鋼板表面的氧化物發(fā)生化合反應(yīng)；④爐輥表面局部被鋼板滑動產(chǎn)生的摩擦熱灼傷；⑤還原氣氛下氧化物的還原和活化。
可見，氧化物和金屬粉是引起積瘤的主要原因。大量的文獻資料和實踐經(jīng)驗也表明，錳氧化物和鐵氧化物等對爐輥涂層積瘤失效影響非常大。
2．2涂層脫落失效
爐輥表面熱噴涂涂層的脫落(圖2)通常表現(xiàn)為以下三種形式。
(1)爐輥涂層表面積瘤物的脫落。當表面積瘤物為很小的幾微米，且脫落速度很慢時，這種脫落現(xiàn)象會減輕積瘤形成，故能夠減少退火鋼板表面印痕，保證鋼板表面質(zhì)量，連續(xù)退火爐輥表面自清理涂層(5．5BN／Ni一14Cr-8Fe-3．5A1)的應(yīng)用原理即基于此。反之，當表面積瘤物面積較大，或者脫落速度較快時，則會加重積瘤形成和造成鋼板表面缺陷。
(2)爐輥涂層熱震脫落。很多爐輥表面涂層不容易發(fā)生化合反應(yīng)而形成積瘤物，其具有足夠的抗堆積性能。但往往因其熱性能(尤其是熱膨脹系數(shù))或機械物理性質(zhì)與爐輥的材質(zhì)差別很大，實際工作溫度變化時匹配性較差，在涂層／輥基材結(jié)合處產(chǎn)生剪切應(yīng)力，這種應(yīng)力因涂層在爐內(nèi)高溫下承受表面載荷時晶體結(jié)構(gòu)的改變(發(fā)生相變)或涂層蠕變，會造成涂層熱震，開裂脫落。當然，如涂層制備選擇的手段不當或工藝參數(shù)欠妥，也容易引起涂層剝落現(xiàn)象。
(3)爐輥涂層穩(wěn)定性差，導致涂層脆化脫落。涂層材料穩(wěn)定性差，一方面指涂層材料的化學穩(wěn)定性不夠，工況條件下涂層材料會與外來物質(zhì)發(fā)生化合反應(yīng)。這不僅會改變涂層自身原有屬性，而且可能還會形成新的化學生成相，進而使得涂層原有性能削弱或消失。如NiC-Cr3C2涂層在較高溫度下由于脫碳Cr3C2會向脆性的Cr7C3或Cr23C6相轉(zhuǎn)變。同時，鉻和碳化鉻生成的致密氧化鉻Cr2O3會向不穩(wěn)定的C內(nèi)，相轉(zhuǎn)變；故高溫下涂層會產(chǎn)生膨脹，而溫度下降時的壓應(yīng)力會導致涂層脫落。另一方面是涂層材料的物理穩(wěn)定性不夠，在實際工況條件(溫度、載荷、觸媒物質(zhì))發(fā)生波動時，涂層材料的物理或機械性能會隨之改變，也會造成涂層性能惡化。例如對于ZrO2-8Y2O3涂層，當溫度出現(xiàn)大的波動時，ZrO2會由立方相向斜方相轉(zhuǎn)變，引起體積膨脹，溫變時導致涂層開裂脫落；此外，當存在氧化錳和氧化鐵物質(zhì)時，也會促進ZrO2由立方相向斜方相轉(zhuǎn)變，引起體積膨脹，導致涂層開裂脫落。
2．3涂層摩擦磨損失效
在現(xiàn)代連續(xù)退火生產(chǎn)線上，尤其是高溫段，爐輥表面熱噴涂涂層還需要有很高的抗磨損抗劃傷特性。因為在工況條件下，爐輥鋼材會因高溫而被軟化，并在表面生成氧化鐵鱗，加之爐輥基材此時的高溫硬度也顯著降低，故當高溫鋼制品在爐輥上運動甚至輕微滑動時，鋼鐵制品與輥子之間的摩擦磨損率增大，不僅非常容易發(fā)生高溫粘著磨損，也非常容易產(chǎn)生劃痕和劃傷。爐輥的磨損和劃傷也是導致涂層材料積瘤失效的重要誘因之一。
3爐輥熱噴涂涂層材質(zhì)
大量的研究和實踐表明，爐輥表面熱噴涂涂層尚難完全同時解決前述的失效問題，在連續(xù)退火高溫段更是難以解決涂層失效問題。為了能夠盡量滿足爐輥的綜合性能要求，熱噴涂工作涂層設(shè)計與材料選擇就成為爐輥表面涂層的關(guān)鍵技術(shù)。
3．1 涂層設(shè)計
爐輥表面工作涂層基本能夠解決連續(xù)退火生產(chǎn)中的抗積瘤失效與磨損失效問題。然而，為了能夠同時解決爐輥涂層的脫落失效，必須對涂層進行設(shè)計，從而形成物理性能和機械性質(zhì)均勻梯度過渡的涂層系統(tǒng)。通常爐輥涂層設(shè)計的基本體系形式為：爐輥基材／合金過渡層／金屬陶瓷過渡層／金屬陶瓷工作層。
一般情況下，合金過渡層與金屬陶瓷過渡層材料組分與金屬陶瓷工作層材料組分相同，僅僅是合金組分比例增多，陶瓷組分比例減少。
3．2涂層材質(zhì)
如表1所示，爐輥表面工作涂層使用的材料主要有三大類。其一為純陶瓷類材料，該類材料具有很好的抗積瘤性能，但因其熱膨脹系數(shù)與輥材相差太大，故抗熱震脫落性不好，必須進行嚴格的涂層設(shè)計與使用工況條件的界定，事實上可供選擇的品種較為有限；其二為金屬類材料，抗熱震脫落性好但抗積瘤性不佳，此類材料目前主要應(yīng)用于具有內(nèi)部冷卻裝置的爐輥表面涂層，極少應(yīng)用于高溫工況條件；其三為金屬陶瓷類材料，因其熱膨脹系數(shù)相對于輥基材可以進行調(diào)整，故抗熱震脫落性能較好，盡管涂層抗積瘤性可能略遜于陶瓷涂層材料，但通過合理調(diào)整化學成分以及組分比重，可以達到控制積瘤形成的化學反應(yīng)熱力學和動力學問題，進而達到減緩反應(yīng)速率的目的，確保在滿足使用性能的條件下延長爐輥涂層使用壽命。其中，McrAlY超合金材料基本能夠滿足高溫、高氧化等惡劣工況條件，能夠保持長時間穩(wěn)定工作并具有綜合性能的保護涂層材料。而在其中混合或復(fù)合以一定比例的陶瓷粉體，將會進一步提高涂層的抗高溫、抗氧化和抗腐蝕等能力。
3．2．1氧化物系列
(1)添加Al203陶瓷。McrAlY超合金中添加l0％Al203涂層材料LCO—17(為普萊可斯公司
保密材料配方，并只能配合普萊可斯壟斷的爆炸噴涂技術(shù)進行噴涂)是***早(1970年代)使用的爐輥涂層材料，因在當時使用效果良好而被大量使用，對現(xiàn)代爐輥涂層材料發(fā)展起到很大的推動作用。但隨連續(xù)退火技術(shù)發(fā)展，LCO-17越來越難以滿足實際生產(chǎn)使用要求。因此，很多新型爐輥涂層材料，都以其為基礎(chǔ)體系進行改良，如普萊可斯的LcO-56、托卡洛的TSl037中的氧化物Al203達到30％左右，使得爐輥涂層能夠適應(yīng)更高溫度、抗積瘤等使用要求。甚至將McrAlY超合金中Al203的添加量達到50％以上，以提高和增強爐輥涂層的使用性能和使用壽命。
此外，當鋼板材質(zhì)中含錳量較高或鋼板材質(zhì)強度較大時，使用該類材料會顯著降低爐輥涂層的使用壽命，特別是低Al203含量的Lc0一17涂層。這是由于粉體中的Al203容易與Mn發(fā)生化學反應(yīng)而產(chǎn)生MnAl203積瘤缺陷。
(2)添加Cr2O3陶瓷。盡管在McrAlY超合金中添加Al203有較好的耐積瘤性能，但其耐磨性略差。因此，有制造廠商采用Cr2O3陶瓷粉體。在McrAlY超合金中添加Cr2O3陶瓷可以提高爐輥涂層的硬度、結(jié)合強度和耐磨性能以及抗高溫性能，但爐輥涂層的抗積瘤性和抗錳性略差，容易生成Mn1.5Cr1.5O4化合積瘤而導致失效。
(3)添加混合氧化物陶瓷。鑒于單獨添加某種氧化物陶瓷的不足，往往還在McrAlY超合金中同時添加兩種或兩種以上的氧化物陶瓷，例如在McrAlY超合金中混合添加Cr203與A12O3陶瓷，或在McrAlY超合金中混合添加Al203與MgO陶瓷。
***新實踐和研究表明，添加復(fù)合氧化物體系陶瓷具有更好的抗積瘤、抗氧化、抗錳性等優(yōu)良性能，可作為高溫鋼、高強鋼、高錳鋼的連續(xù)退火用爐輥涂層，效果良好。
3．2．2硼化物和碳化物系列
鑒于A12O3類陶瓷容易產(chǎn)生積瘤的缺點，硼化物陶瓷因其較Al203陶瓷具有更高的抗高溫性能以及與錳、氧的化學反應(yīng)惰性而得以發(fā)展。如在McrAlY超合金中配合以crB2、TiB、zrB2等硼化物陶瓷，含量一般在5％～50％范圍。由于在使用中還必須考慮涂層材料的熱物理性能及機械性能等因素，僅僅單獨使用硼化物陶瓷也不完善，故通常與其他氧化物類、硼化物類陶瓷配合使用。
MCrAlY一碳化物(TiC、NbC、Tac等)爐輥涂層材料。由于碳化物陶瓷在高溫下可能會發(fā)生脫碳現(xiàn)象，削弱其增強效果，所以很少單獨進行添加處理，通常會與其他的氧化物類、硼化物類陶瓷配合使用。
3．2．3硼(碳)化物+氧化物系列
目前，McrAlY超合金中混合添加10％～30％的CrB2和Y2O3陶瓷也是一種常用的涂層材料。該高溫爐輥涂層材料中，當CrB2和Y2O3陶瓷的含量為10％～20％時，爐輥涂層的抗積瘤、抗錳性略差；當CrB2和Y2O3陶瓷的含量提高到20％一30％時，爐輥涂層的抗積瘤與抗錳性則會有一定的提高。
有研究表明，當粉體材料中同時含有硼化物與碳化物，以及稀土氧化物時，爐輥涂層能較好的適用于高錳鋼和高強鋼連續(xù)退火生產(chǎn)。
此外，也有純粹使用硼化物與氧化物陶瓷作為連退爐輥涂層的。
3．3 制造廠及其使用的涂層材料
由于爐輥涂層通常為金屬陶瓷類和陶瓷類材料，故其粉粒熔化區(qū)間相對較高。而等離子噴涂、爆炸噴涂和超音速火焰噴涂是三個優(yōu)選工藝。表2為三種爐輥涂層工藝對比。
由于爐輥涂層工藝的不同，由此也分化出爐輥涂層三大主要流派制造技術(shù)美國普萊可斯公司的爆炸噴涂技術(shù)、日本托卡洛株式會社的等離子噴涂與超音速噴涂技術(shù)以及日本日鐵哈德株式會社的超音速噴涂技術(shù)，其制造的熱噴涂涂層爐輥目前在世界各大鋼鐵企業(yè)均已廣泛應(yīng)用。普萊可斯公司于60年代發(fā)明爆炸噴涂技術(shù)，并于70年代***早使用爆炸噴涂制備爐輥表面涂層，并始終保持先進水平。普萊可斯公司一直對其技術(shù)、設(shè)備、噴涂熱噴涂粉末進行保密封鎖，只進行來料加工；甚至當有其他廠家的爆炸噴涂接近其現(xiàn)有技術(shù)時，則會立即對其收購?fù)滩?，以確保普萊可斯爆炸噴涂的壟斷地位。但需要特別指出的還有：其一，鑒于爆炸噴涂是集設(shè)備、工藝、噴涂熱噴涂粉末為一體的復(fù)雜綜合的系統(tǒng)技術(shù)，因此其他廠商仿制的爆炸噴涂技術(shù)制作的爐輥涂層遠遜于普萊可斯公司；其二，由于爆炸噴涂是斷續(xù)斑狀噴涂，因此表面涂層遍布凹坑，經(jīng)研磨拋光也難以去除，故無法制造特殊需要的爐輥輥型涂層，并且非常容易在鋼板表面上形成“POPMARK”缺陷。
為避免普萊可斯公司爆炸噴涂的弱點，日本托卡洛株式會社采用具有高火焰溫度的等離子噴涂技術(shù)，配合以自主研發(fā)的McrAlY基金屬陶瓷混合熱噴涂粉末、以及獨有的低溫表面封孔技術(shù)，所制造的爐輥表面涂層在眾多鋼鐵公司有著良好的應(yīng)用實績，而被用戶廣為接受。
日本托卡洛和日鐵哈德株式會社的超音速噴涂技術(shù)，則是充分利用該技術(shù)高的熱噴涂粉末噴涂速度以及噴涂涂層具有壓應(yīng)力的顯著特點，并配合以MCrAlY基金屬和陶瓷團聚燒結(jié)熱噴涂粉末或經(jīng)過特殊處理的金屬陶瓷熱噴涂粉末，得到了綜合性能良好的爐輥表面熱噴涂涂層。
