冶金熱軋輥材料的激光表面合金化與直接沉積成型.pdf

1、冶金軋輥是使金屬產(chǎn)生塑性變形的工具，是決定軋機(jī)效率和軋材質(zhì)量的重要大型消耗性部件。其質(zhì)量和使用壽命，直接關(guān)系到軋制生產(chǎn)的效率、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本及鋼材品種結(jié)構(gòu)。因此，提高軋輥耐磨性、延長軋輥的使用壽命對降低輥耗至關(guān)重要。除了改進(jìn)軋輥制造技術(shù)和優(yōu)化軋輥材質(zhì)外，近年來，鋼鐵公司廣泛采用感應(yīng)加熱淬火、堆焊、熱噴焊、熱噴涂等方法提高軋輥表面耐磨性，但制備的耐磨涂層存在一定的不足。激光表面合金化和激光直接金屬沉積作為一種新興的表面技術(shù)，最大優(yōu)點(diǎn)是

2、可以制備致密的冶金結(jié)合涂層，從而改善基體的耐磨性。本文旨在利用激光合金化和激光直接金屬沉積技術(shù)在軋輥表面制備具有冶金結(jié)合界面、組織致密和耐磨性能優(yōu)良的涂層，為利用激光合金化技術(shù)修復(fù)和強(qiáng)化軋輥表面，利用直接金屬沉積技術(shù)制備軋輥工作層提供有效的理論指導(dǎo)，并為其今后發(fā)展應(yīng)用提供一定的技術(shù)支持。本文以高鎳鉻無限冷硬鑄鐵、球墨鑄鐵和70MnV鑄鋼熱軋輥?zhàn)鳛檠芯繉ο?，探索利用激光表面合金化技術(shù)對其表面進(jìn)行強(qiáng)化處理的可行性；以1018低碳鋼為基體，探

3、索采用激光直接金屬沉積的方法沉積熱軋輥工作層材料的可行性。通過激光工藝參數(shù)的優(yōu)化，制備出具有良好冶金結(jié)合的耐磨涂層。利用光學(xué)顯微鏡(OM)、附帶能譜儀(EDAX)的掃描電鏡(SEM)、X-射線衍射儀(XRD)、表面光度儀、顯微硬度計(jì)以及常溫和高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等測試分析設(shè)備，對所制備涂層的微觀組織、成分、裂紋分布及擴(kuò)展、相組成、硬度和磨損行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。主要研究內(nèi)容包括：
　　 ⑴采用高功率C02激光器對預(yù)涂C-B-W-C

4、r粉末的高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥進(jìn)行激光表面合金化處理。結(jié)果表明，合金化層與基體形成了冶金結(jié)合，部分區(qū)域存在裂紋。在激光功率、光斑直徑、搭接率一定的條件下，合金化層厚度隨掃描速度變化不大；裂紋率隨掃描速度增加而增加；合金化層硬度隨掃描速度的增加先增加后降低。當(dāng)激光功率為7.2kW，光斑直徑為0.8-3mm，搭接率為33.3％時(shí)，最佳掃描速度為11m/min。此時(shí)，合金化層平均厚度為0.29mm，平均顯微硬度為1001HV0.05，是基體材

5、料(656HV)的1.53倍。
　　 ⑵球墨鑄鐵軋輥表面激光合金化C-B-W-Cr后，得到和基體呈冶金結(jié)合的合金化層；合金化層厚度為0.33,-0.37mm；隨著激光比能量的增加，氣孔數(shù)減少、裂紋率降低，合金化層硬度提高；優(yōu)化工藝參數(shù)為：激光功率4kW、掃描速度4m/min、光斑直徑1.5mm、搭接率33.3％；此時(shí)得到的激光合金化層的厚度為0.37mm，平均硬度為1201HV0.05，是基體(500HV0.05)的2.4倍；合

6、金化層組織為先共晶碳化物+枝晶間分布的細(xì)小片層狀萊氏體(M+AR+Fe3C)；500℃空氣中磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合金化層耐磨性是球墨鑄鐵基體的1.6倍；合金化層的磨損機(jī)制是粘著磨損、磨粒磨損和氧化磨損的混合磨損。
　　 ⑶在70MnV鑄鋼軋輥上進(jìn)行激光表面合金化NiCr-Cr3C2粉末得到與基體呈冶金結(jié)合的合金化層；合金化層結(jié)構(gòu)致密、無孔洞和裂紋；隨著掃描速度的增加，合金化層和熱影響區(qū)厚度減小，殘余奧氏體含量增加，合金化層硬度和耐

7、磨性提高；相組成受掃描速度影響很小，含量稍微變化；當(dāng)激光功率為4kW、掃描速度為2.2 m/min、光斑直徑為1.5mm、搭接率為33.3％時(shí)，合金化層具有最高的硬度和耐磨性；合金化層平均厚度和硬度分別為0.48mm和858HV0.1；500℃空氣中干滑動(dòng)摩擦磨損904.32m后，合金化層的耐磨性是同條件下基體耐磨性的8.8倍；合金化層耐磨性的提高是細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化以及韌性γ-Fe基體、硬質(zhì)相Cr7C3、Fe3C和馬氏體，以及基體和硬

8、質(zhì)相之間良好的結(jié)合等綜合作用的結(jié)果。
　　 ⑷利用激光直接金屬沉積的方法，在1018低碳鋼基體上分別沉積了Co-285高溫合金粉末、Co-285+30wt％WC混合粉末和(Co-285+30wt％WC)+O.8wt％Y混合粉末。當(dāng)沉積粉末為Co-285高溫合金粉末時(shí)，優(yōu)化工藝參數(shù)為：激光功率為0.8kW，光斑直徑為0.5mm，搭接率50％，粉末質(zhì)量流率為8.6g/min，掃描速度為0.375m/min。優(yōu)化工藝參數(shù)下涂層的硬度為

9、420HV0.5。涂層中出現(xiàn)了α-Co固溶體，Cr23C6和Co3W。激光直接金屬沉積制得的大面積無裂紋沉積層，在室溫下空氣中與Al203剛玉球磨損60min后，涂層體積損失為1.4mm3，磨損機(jī)制為粘著磨損、塑性變形、磨料磨損和氧化磨損。當(dāng)沉積粉末為Co-285+30wt％WC和Co-285+30wt％WC+Y時(shí)，優(yōu)化工藝參數(shù)為：激光功率為lkW，光斑直徑為0.5mm，粉末質(zhì)量流率為8.5g/min，搭接率為50％，掃描速度為0.3m

10、/min。優(yōu)化工藝參數(shù)下沉積層中未熔WC除外的基體的平均硬度為751HV0.5，是Co-285涂層(420 HV0.5)的1.83倍。Co-285+30wt％WC涂層中出現(xiàn)了WC，NiCoCr固溶體，w2c，CoCx，Cr3Cz和Cr23C6相。Co-285+30wt％WC+Y涂層中存在WC、NiCoCr固溶體、W2C、CoCx、Cr7C3、Cr23C6和C06W6C。在和Co-285涂層相同的磨損實(shí)驗(yàn)條件下，Co-285+WC和Co-

11、285+WC+Y沉積層的磨損體積分別為O.18mm3和0.17mm3，Co-285沉積層磨損體積分別為它們的7.8倍和8.2倍。對Co-285+30wt％WC沉積層進(jìn)行激光重熔，重熔層組織更加均勻，無顯微缺陷，WC溶解更加充分，重熔層硬度平均硬度由重熔前的770HV0.5提高至963HV0.5;可見，激光重熔對改善沉積層綜合性能有益；添加的0.8wt％Y降低了Co-285+30wt％WC沉積層的殘余應(yīng)力、裂紋和氣孔率、硬度；增加了Co-

12、285+WC沉積層的韌性；稍微增加了Co-285+30wt％WC沉積層的耐磨性；并未改變其磨損機(jī)制。
　　 ⑸利用激光表面納米陶瓷合金化技術(shù)可顯著提高球墨鑄鐵和鑄鋼軋輥表面的磨損抗力，尤其對碳和合金含量低的軋輥強(qiáng)化效果更加明顯。利用激光輔助直接金屬沉積技術(shù)得到的Co-285沉積層致密、沉積性能很好，但是其硬度和耐磨性有待進(jìn)一步提高；添加WC顯著增加了Co-285沉積層的耐磨性；激光重熔提高了Co-285+WC沉積層顯微組織的分布