（材料加工工程专业论文）轧辊激光表面强化研究及数值模拟.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 筑貔是轧裁生产豹蓬簧聱斧，受季俘豹诤鸯、瘗损霹冷热疲劳 睾蔫，工作条 孛j 常恶劣。提高轧辊的使用寿命不仅能够降低轧辊的消耗，而飘能够减少换辊次数，提 高轧机作h k 率。提高轧辊使用寿命常用的方法魑采用堆焊技术。随着本世纪7 0 年代激 竞表嚣强纯技术的兴怒，澈必表嚣强纯按拳也开戆应瘸于辜i 辙靛表瑟强化。激光表瑟 强化技术包括激光相嶷硬化、激搬熔凝处理、激光合金化等，应用于轧辊褒面强化的 是激光栩变硬化，即激光淬火和激光熔凝强化处理。相比较蛾焊而言，激光强化处理 工艺有独特数往点。 本文珏大型辜l 辊为主要研究对象，采用激光强亿方式硪究了7 5 c r m n m o 、7 0 m n 2 、 高铬钢、高碳高铬铁、会金钢、禽镍铬铸铁、半钢等7 种轧辊材料，其中7 5 c r m n m o 、 7 0 m n 2 轧辊材料采用激光熔凝强化处理，并应用于实际生产，丽其余5 种孝l 辊材料则 采躅激必裰交疆铯楚疆。拳耀著名静有蔽元分辨软件a n s y s 辩激光强纯过簇中车l 辊燕 处理的濑度场分布进行了二维分析和计算，得到比较满意的缡果。 ( 1 ) 7 5 c r m n m o 、7 0 m n 2 轧鞭激光熔凝强化处理后硬化效果显著，淬硬层的深度 毒达2 m m ，疆绽廷蠹袋裹峰篷霹遮8 0 0 h v 0 2 越童，强健磊爱寝有囊显挺褰，辩密程寄 大幅度的上升。经过激光熔凝强化处理后的轧辊经实际使用，过钢量可达到4 8 0 0 6 0 0 0 吨，而激光未强化前过钢量程2 0 0 0 吨左右，即过钢量可以提高1 5 倍以上，从而 有效蟪鳃长了按辊髑麓，提离了生产效率，降低了生产残本。 ( 2 ) 高铬钢激光相变强化时极翁发生表面熔化，必须控制激光功率和扫描速率。 在激光棚变硬化处理中，硬度可以由基材的5 5 0 h v 提高到7 5 0 - - 8 0 0 h v ，峰值可以达 到9 0 0 h v 。硬度嚣麓褰缝黎稳应撼褥至挺裹。 ( 3 ) 高碳高铬铁激光相交硬化热处理有一定效果，难点童骚表现在极拐出现熔化 区，这会导致生成微裂纹和大量的残余奥氏体，使该区的硬度降低。深冷处理、低温 鏊火二次爨窭疆筵、严楱控毒l 激必鞠变硬恁楚纛王艺参数帮燕捷工 孛表嚣不产生或产 生深度较浅的微熔的有效措施。 ( 4 ) 合金钢轧辊用钢激光相交硬化处理后硬化效果比较明恩，其硬度w 由基体的 4 2 6 - - 4 8 2 h v 嶷亳至l 漳矮区秘7 8 6 7 9 3 h v ，显褒滢分毒瓣娆律秣较好，硬凄缓豹分教凄 华中科技大学硕士学位论文 比较小，其耐磨性也有穗应的提高。 ( 5 ) 高镍铬铸铁轧辊含碳量比较高( 约3 2 ) ，熔点较低( 1 3 5 0 c ) ，对激光强 化工艺参数比较敏感。 ( 6 ) 半钢乳辊熔点较低，激光强豫处理对容荔穗现熔耽嚣，虽络纯区静鬻浚鞍低， 一般略低于母材的硬度。淬硬区的硬艘比较高，硬度值可达h v 8 0 0 左右。 ( 7 ) 刹用有限元中的二次开发语京a p d l 开发了激光强化过程的温度场分析程 痔，实褒了臻薅过程懿爨麓住。骚究了给定激竞技术参数条 孛下瓣瀑废囊懿魂态交纯 过程以及温度场的分布，数值模拟令人满意。 ( 8 ) 研究激光功率、扫描速度、光斑直径、功率密度等对淬硬深度的影啊规律。 关键词：轧辊激光表灏强化淬硬深度溢度场有限元分析 l l 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o l l e r s ，w h i c hw o r ku n d e rr i g o u r o u sc o n d i t i o na n de n d u r ei m p a c t i o n , g r i n d n e s sa n d h e a tf a t i g u e ，a r ei m p o r t a n tc o m p o n e n t si nr o l l i n g b ye n h a n c i n gt h el i f eo fm i l e r s ，t h e e x p e n d a t i o no f r o l l e r sa n dt h e i rs w a p 盘e q u e n c yc a nb er e d u c e d ，w h i l et h e i re f f i c i e n c yc a n b ei m p r o v e d w i 斑t h eb o o mo fl a s e rh a r d e n i n g t e c h n o l o g y , i ti sa l s oc o m m o n l ya d o p t e d i n r o l l e r ss u r f a c e sh a r d e n i n g r o l l e r sl a s e rs u r f a c e sh a r d e n i n gi n v o l v e sr o l l e r sl a s e rs u r f a c e s q u e n c h i n g ，l a s e rm e l t i n g ，a n dl a s e ra l l o y i n g ，i nw h i c h t h ef i r s tt w oa r ew i d e l yu s e d r o l l e r s s u r f a c e sh a r d e n i n gh a si t su n i q u ea d v a n t a g e 。 s e v e ns o r t so fr o l l e r sa r et r e a t e db yl a s e rh a r d e n i n ga n dm e l t i n g t e c h n o l o g i e s t h ep a p e r u s e st h ew e l lk n o w ns o t t w a r e - a n s y st os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l do fr o l l e r ss u r f a c e s d u r i n gh a r d e n i n g ，a n d t h er e s u l t sm e e tt h ee x p e r i m e n tm e a s u r e m e n t 铺i t ew e l l 。 ( 1 ) 7 5 c r m n m oa n d7 0 m n 2r o l l e r sa c q u i r eg o o dr e s u l t sa f t e rl a s e rm e l t i n gt r e a t m e n t 。 t h ed e p t h so ft h eh a r d e n i n gz o n e sa r eu pt ot w om i l l i m e t e r sa n dt h em i c r o h a r d n e s so ft h e z o n e si sg r e a t l yi n c r e a s e d ( 2 ) t h eh a r d n e s so f h i g h - c h r o m i u mc o n t a i n e ds t e e lc a nb ei m p r o v e df r o mh v 5 5 0t o h v 7 5 0 8 0 0a f t e rl a s e rt r e a t m e n t a n dt h ep e a km i c r o h a r d n e s sm a yr e a c hh v 9 0 0 t h e a n t i g f i n d n e s si sc o r r e s p o n d l yi m p r o v e d 。 ( 3 ) 髓e d i f f i c u l t yt oh a r d e nh i g h - c a r b o n - c h r o m i u mc o n t a i n e di r o ni sc a u s e db y t h e m e l t i n gz o n e ，w h i c hm a yb r i n gt w op r o b l e m s ：t i n yc r a c k sa n dl o wh a r d n e s so fr e s i d u a l a u s t e n i t e 。l i q u i dn i t r o g e nc r y o g e n i cp r o c e s s i n g ，l o wt e m p e r , l a s e rt r e a t m e n tp a r a m e t e r c o n t r o la r ea l ld e s i r a b l em e t h o d st ol e s s e no re l i m i n a t et h el o wh a r d n e s sz o n e 。 ( 4 ) a l l o y - c o n t a i n e dr o l l e r s s h o ws a r i s l y i n gr u l e sa f t e rl a s e rt r e a t m e n t ，a n dt h e a n t i g r i n d n e s sh o m o l o g i z e w i t ht h em i c r o h a r d n e s st r e n d ( 5 ) h i g h - n i c k e l c h r o m i u m c o n t a i n e dc a s ti r o n sh a v ev e r yh i g hc a r b o nc o n t a i n m e n t ( a b o u t3 2 ) a n dl o wm e l t i n gp o i n t ( a b o u t1 3 5 0 。c ) ，w h i c hm a k e si t b es e n s i b l et ol a s e r 扛e a t m e n t p a r a m e t e r s 1 l l 华中科技大学硕士学位论文 ( 6 ) l o wm e l t i n g p o i m o f h a l f - s t e e lr o l l e r sl e a d st ot h ee a s i l yb u i l d i n go f m e l t i n g z o n e a n dt h e1 0 wm i c r o h a r d n e s so ft h e m t h em i c r o h a r d n e s so fm e l t i n gz o n ei s l o w , w h i l et h e m i c f o h a r d n e s so f h a r d e n i n g z o n ei sr e l a t i v eh i g h ，w h i c hm a y b e u p t oh v 8 0 0 。 ( 7 ) u s i n g t h es e c o n de x p l o i t a t i o nl a n g u a g eo f a p d l ，t h ea u t o m a t i o no f s o l u t i o ni s r e a l i z e d t h ed y n a m i cc h a n g ec o u r s eu n d e rt h eg i v e nl a s e rp a r a m e t e r sa n d t h ed i s t r i b u t i o n o f t h e t e m p e r a t u r e f i e l da r er e s e a r c h e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep e r f e c t ( 8 ) t h ee f f e c t sh o wl a s e rp o w e r , s c a n n i n gv e l o c i t y , l a s e rd i a m e t e r , a n dl a s e rp o w e r d e n s i t y o nt h ed e p t ho fh a r d e n i n ga r es t u d i e d k e y w o r d s ：r o l l e r s l a s e r ss u r f a c e st r e a t m e n t h a r d e n i n gd e p t h t e m p e r a t u r e f i e l df i n i t ee l e m e n ta n a l y s e 独创性声明 本人声明所呈交酌学位论文是我个人在导鄢指导下进行的研究工作及取得 螅研究成累。尽我所知，啥文中已缀标明弓l 用的蠹容终，本论文不包含任俺其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，筠已在文中豁疆确方式标明。本人完全意谈到本声锈豹法律结采蠢本久承挺。 学位论文作者签名王 素 基麓：五卯牮年3 月缪霜 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者究全了解学校肖关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 投绦錾并寓鏊家有关懿f j 或撬梅送交论文靛复窜件和电予舨，允诲论文被查阕和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印谶扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 零论文覆予 不保密翻。 ( 请在戳上方嘏瘀抒“4 ”) 学霞论文 睾者签名：三 蓑 日期：扫p 职年3 月手目 华中科技大学硕士学位论文 i i 激光表面强化的特点 i 绪论 1 1 1 激光裘面强化的特点 ( 1 ) 激光加热过程速度极快、温度梯度大、功率密度大、激光束斑的功率密度分 毒不均匀，因魏盛尽量粟蔫多模激竞送 亍表露强纯，瑷获褥较为均匀豹能量鬻度：在 激光作用过程中材料对激光的吸收率以及在热作用过程中的变化规律存在差别l ”，为 改善材料表面对激光能畿的吸收，吸光涂料的作用摄得尤为重要。 ( 2 ) 激走表甄强化处理冷却速度极快，热影晚区小，强位爱工 孛毅嚣性戆好、嫒 度崮；生产周期短、效率高，对环境笼污染，是一种绿色强化方法【2 1 。 i i 2 轧辊激光表面强化的特点 由于零课蘧磷究的耄要是牟l 辊的激光稿变硬纯和熔凝强纯楚理，函诧下衙集中讨 论这两种激光强化方法。 激光相变硬化处理怒用高功率密度( 1 0 4 一1 0 5 w c m 2 ) 的激光束，照射轧辊表面。 镬之在撅短瓣时闼内( 1 0 一1 0 1 s ) 遮型褪变温度发生糕嶷，急速冷鬈嚣生成疆交矮 化组织；而激光熔凝处理时轧辊表面达到熔点而产嶷熔化，随后，借助冷态金属基体 的蔽熬衮传罨作溺，使褥已熔纯酌表滕金属快速凝潮，迭到表面硬化的目的。 ( 1 ) 轧辊的食金元素含量靼硬度一般比较毫，轧辊工 串尺寸较大，因此激光强像 的时间较长： ( 2 ) 激毙褪交疆纯簸显著懿特点楚强纯瑟辜赣一般不会发垒袈纹。掰班，适用予 一些含碳量商的钢和铸铁进行表面强化处理。例如，高铬铁、高铬钢、珠光体球铁、 贝氏体球铁等乳糕适合予这种方法。 ( 3 ) 激光相交硬化的另一个特点楚滓硬鼷涤度魄较小。对于蹇锋镄、慧黪铁等热较 辊，闲在换辊周期内磨损缀很小，因此，比较小的淬硬层深度也可以提高换辊周期。所 竣，这静激光表嚣相交硬纯工艺在高铬锯帮高铬铁车l 辊静表_ 黼楚理中瞧是可戬采糟的。 ( 4 ) 相对于激光相变硬化处理，激光熔凝强化的优点是，淬硬层的深度比较大， 可以达到2 m m 。这对于轧辊的激光表面强化是非常有利的，可以提高轧辊的过钢量。 华中科技大学硕士学位论文 但是，激光溶凝处理很容易出现裂纹，必须采取有效羽措施解决这个难题。 1 2 轧辊激光袭面强化的一般工序 轧辊的激光表面强纯j 童程一般都要经历如下几道工序： ( 1 ) 轧辊褒面清洗 用砂纸打糜轧辊表厦清除轧辊表蘧的铁；用干净的拣纱仔细擦试轧辊待处理区域， 去滁氧辊表瑟瓣溘污，有巅予均匀毽喽涂缀竞涂层。 ( 2 ) 喷涂吸光涂层 用压缩空气喷枪均匀地谯轧辊表面喷涂规定厚度的吸光涂层，这种涂料是专门为 霉l 疆激毙强强甏磅裁懿。翼终弱蒎了壤大筑寝黠激是戆蔽浚率餐，述超蜀薅壹袋绞窥 改善轧辊表面熔池的流动性以提高轧辊的表面平整度的作用，同时也提高了轧辊激光 强化的硬度。 ( 3 ) 吸光涂层烘于 用欧风杌燃干吸光涂层，阻和于激光表面强化。 ( 4 ) 选定工艺参数 根据所选童艺是激光棚变硬纯还是熔凝处理，绘定激光功率、您斑直径、数控瞧 廉主辘的转速( 鄄扫描速度) 昶螺距。 ( 5 ) 激光袭面强化 选用工艺参数后，即可开桃。激光表灏处理系统可以自动完成激光表面强化工序。 农宪成整支转辘戆激毙表甏爨稼嚣箨撬势将辜l 辊蒂下税霖。 1 3 轧辊激光表面强化的国内外现状 在謇蠹，荚予辜l 辍激光强耗方器翡文褰缀乡，美予离铬钢帮嵩镑铁( c 龋奔予l 1 一1 8 ) 等轧辊激光强化研究的文献没有发现。在文献中，只查找到少量的文章，其 主骚内容集中予含铬量为l 一1 2 的高铬钢的激光强化研究。 1 3 。1 蚕窍穰凝 包头钢铁学院的王贵、正建国等人，对含碳量为1 3 6 ，铬含嫩为o 7 9 的轧辊 钢进行了激光熔凝处理组织及性能实验，发瑗经过激必熔凝处理后轧辗钢存在明鼹魄 漳硬臻象，最态硬度蜂篷胃_ 逸7 0 0 h v o 2 黻上，组织两豹熔纯嚣为秘较菇组织包状晶 2 华中科技大学硕士学位论文 组织，楣变区有大量马氏体生成。熔化区的尺寸大小有激光功率和扫攒速度等工艺参 数决定”1 。但文献中关于表面熔化区的硬度值较低的软化带未作分析。 清华大学靛寒捷等入采蠲透装电镜及x 瓣线分辑方法对c r l 2 钢豹激竞穰交硬纯 机理及马氏体，残余奥氏体及碳化物形态等作了分析。采用2 k w c 0 2 激光器对经黑化 处理的商用c r l 2 钢进行相变硬化处躐。光束移动遽度2 5 m m i n ，光斑直径= 4 m m ， 功攀p = 7 0 0 w ，像护气采用氮气。激毙处理袈嚣救硬度及宽度分毒均匀，激光处理送 的横截面上是外表面硬度最高而后硬度下降，原始组织硬度是7 3 0 h v 。其相组成主臻 是骂篷俸，残余爨氏钵帮m 7 c 3 碳讫物，激毙处理表瑶中玛氏傣含量大大增潮蔼残余 奥氏体明显减少，同时碳化物发生回熔。激光处理袭面中马氏体是隐晶态，而原始组 织中马氏体是针状。结论是：玛氏体禽量大丈增加而残余奥氏体含量大大减少；马氏 体本蹙硬度提裹；m 3 c 皴子蛇弥教强健；马氏体极瘫的使镨密度；缀爨强必等因素郄 对激光相变硬化处理的效果产生贡献【7 1 。 浙江工渣大学静魏建华等入着重研究了激光穗变硬纯先斑搭按方法戳提离4 0 c r 钢耐磨性的问题，其工慧试验方法用4 轴联动多功能7 k w 横流c 0 2 激光加工系统， 聚焦输出光斑为1 3 2 m m ，激光功率3 8 k w ，速度= l r n m i n ，4 0 c r 钢激光处璁后硬化 带乎均硬度在h v 7 2 0 ，深度8 。碡园。6 r a m ，磋豫组织梵缨继瓣锤状避琵体。续论是数绦 证硬化层深度和硬度的均匀性，采用连续多道搭接时，应适当变化参数，逐渐降低激 光输出功率或逐渐提高季曩箍速浚。试验中还发现，由于猎接静囡火榫嗣，硬度普遍降 低，最低僮为h v 4 0 0 左矗，但仍然比基体囊，随搭接量的增加，搭接带硬化层深度域 加，搭接量为o 5 m m 时，搭接带硬化深度为o 3 m m ，当搭接量增加到3 0 m m 时，硬 纯繁涤痉戈e 。5 5 删0 8 1 。这撵搭接嚣壤豹露文佟雳黪骚究怼本谋熬毒辊戆激光强经楚疆 起借罄的作用。 笑于含铬钢和高速钢的激光相交硬化的梳理有学者进行了磷究。 重庆大学对g c r l 5 钢经激光淬火震引起巍硬度( 1 0 6 5 h v ) 的原因用光学金襁，扫攘 和透射电镜。x 光衍射议。俄歇分析议及电予探针作了系统的试验研究，提出g c r l 5 钢激毙耪交疆纯梳理秀：a 。叛麓氏终襁交强纯必圭，马民俸缀缀，尺寸隽0 1 9 6 u m 1 8 , u m ，马氏体位错密度很高，达2 3 1 0 1 2 条c m 3 ；残留奥氏体显著强化，其位镄 密度达3 6 1 0 1 2 条e m 3 ；品糍超细化和碳化物细化及弥敞分布。 山末王犍大学对w 1 8 c r 4 v 怒速镪经激光摆变硬化爱黪强姥捉毽彝缀织蛙黢终了秘 究：激光相变区的晶粒由原来的8 级提高到1 2 级，残留奥氏体量较常规淬火由明显减 华中科技大学硕士学位论文 少，约1 0 一1 5 ，相变区的马氏体为针状马氏体和板条马氏体的混合组织，激光快 速加热时间虽短，仍存在碳化物的不完全熔解及碳和合金元素的不充分扩散，扩散距 离约数百n l t l 数量级，碳化物的熔解以尖角一均匀熔解机制进行。激光相变硬化层的 硬度峰值为9 4 6 h v ，红硬性比常规淬火高出8 0 ，6 4 0 回火后硬度峰值达到1 0 0 3 h v ， 耐磨性较常规热处理提高1 2 8 倍，经6 4 0 回火后耐磨性提高5 3 8 1 倍【9 】o 西安工业学院的杜亚勤等采用c g j a 9 3 型5 k w 数控c 0 2 激光处理系统对4 0 c r 钢 进行了激光相变硬化处理，发现：在保证金属表面不熔的情况下，随激光输出功率的 增加( 功率密度也增加) ，金属表面可吸收的能量增大，使表面温度升高，经表层金属 的热传导作用，下层金属温度也升高，金属表层处于相变温度a l 以上的区域增大，致 使硬化层深度，宽度增加；若扫描速度太慢，使热量向光束移动反方向传导，表面会 出现熔融：激光相交硬化的带与带之间不搭接，会出现未处理的软带：若在宽度方向 有一定搭接，后一次扫描会对前一硬化带有加热回火软化作用，随搭接量的增加，回 火区硬度增大，但搭接量过大，会降低生产效率，得出的结论是对高铬钢进行激光相 变硬化试验时应采用大功率快速扫描的方法，硬化层组织回火区主要由回火屈氏体， 回火马氏体组成，硬度稍低，二次淬火区为硬度较大的超细化的马氏体组织。 1 3 2 国外概况 国外对于高高铬钢和高铬铁轧辊的激光强化研究的报道十分稀少，本文列举一例 较为典型的铸铁的激光表面强化。 在国外，对球墨铸铁作过典型的激光相变强化处理试验，发现激光功率取 p = 5 0 0 0 w ，光斑直径取d = 1 2 7 m m 时，随扫描速度的增加( 表面温度也发生变化) ， 淬硬区的深度也相应减小一定幅度，当激光与工件表面作用时间由0 1 3 s 逐渐增加到 0 1 5 s 及o 2 s 时，激光淬硬区的深度由o 3 m m 逐渐增加到o 4 m m 再到0 6 m m ：在激光 功率p = 2 5 0 0 w ，激光光斑直径d = 0 5 i n 的条件下，逐渐增加激光与工件表面的作用时 间。由o 5 3 s 增加到o 7 8 s 再到1 2 s 时，淬硬区的深度也逐渐由0 4 m m 增加到1 0 m m 再到1 5 r a m 。由此可见，在维持表面不发生熔化的前提下，随激光扫描速度的减小， 激光相变淬硬区的深度逐渐增加【1 0 】。 也有人对激光功率密度，作用时间和淬硬区的硬度的关系进行了研究，发现：当 铸铁在激光功率密度为8 k w c m 2 和激光作用时间为o 0 6 4 s 的条件下，工件在表面 0 3 5 m m 以下硬度维持在6 3 r c 左右，母材的平均硬度约为3 5 r c ；而在激光功率密度为 4 华中科技大学硕士学位论文 2 ，5 k w c m 2 勰激光馋用时间为o 。5 0 s 鲶条传下，材料漆硬区的深度和硬度均与上面蛉工 艺参数得到的差不多。由此可见，通过协调参数( 激光功率密度和激光作用时间) ，可 实魂激光辐交强化处理戳获褥褪嗣黪漳硬深凄察疆度豹罄豹b 。】。 根据目前我们查找到的文献看，国外关于冶金轧辊的激光表顽强化的文章没有找 到，因此冶金轧辊的激光表面技术在阑外并没有得羽应用，看来国外的主要工作集中 在提舞轧辊本身誊毒质以掇离轧辊的整 攀硬度期醚瘙矬鲍磺究上。 1 4 轧辊激光表面强l 匕的难点 ( 1 ) 鑫碳嘉铬轧辊在激光表面强化时最突出蛉难点是睾l 辊表孺容翳发生熔纯愿生 成裂纹，因此合理选取激光强他的工艺参数避免裂纹的生成就显得十分重要； ( 2 零谍题磷究对象是铸锻车l 辍翱嵩铬离谈筑辊，在强蠹努关予这方面静疆遥磁 较少，更多的工作骚留给课题承担人对问题的理解和判断，需要进行大量的实验研究 工作，探索轧辊激光强化的最伉技术方案，并开拓激光强化技术在冶金厂的应用； ( 3 ) 瓷铬钢秘赢铬铁等裁辍材料遴行激浅表嚣强健楚理时，毒l 辊表嚣会发生软豫 现象，即表面熔化区( 软化带) 的硬度会低于母材的硬度，这对生产是十分不利的， 痤当采彀适当的方法解决这令麓题； ( 4 ) 激光相变硬化处理时，搭接区内将不可避免地出现软化借，降低轧辊的耐蘑 性和使用性能，因此必须通过实验研究寻找减少软化带宽度和硬度下降的幅度的途径。 1 5 本课题关于轧辊激光表面强化的主要内容和任务 本课题的来源主要照和武汉钢铁麓司技术中心和湖南涟源钢铁公司的有关轧辊的 激光表露强化的技术会慰。擐攥其提供盼毒i 凝挝糕遴霉激光表瑟强纯实验臻究。在涟 钢四轧厂完成铸钢轧辊的激光强化处理的现场应用。 ( 1 ) 对铸钢轧辊避雩亍激光络凝处疆，合阏要求过钢量提高5 0 。为魏迸彳予了粗轧 辊7 0 m n 2 钢和7 5 c r m n m o 钢轧辊的激光熔凝处理的参数的实验磷究； ( 2 ) 离碳高铬的轧辊材料，通过实验初步选定激光相变硬化处理工艺参数，基本 准则楚操诞：僚证裁辘表嚣不熔；获褥一定豹漳矮瑟这深疫( 一般0 5 r a m 戳上) ； 保证淬硬层硬度旗本均匀；对试验结果进行分析。得出不同工藏参数下相应的硬度 戬及筑辊链能的交亿萄线； ( 3 ) 崧碳高铬轧辊树料激光相交强化软化学的产生原因及其分橱1 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 研究搭接区的回火软化现象，通过实验研究罨找减少软化带宽度和硬度下降 的幅度的途径；产生硬度不均匀的现象，在实际生产中，这很往往鼯致轧辊的辊面磨 损基不一致，煳工后的工l 牛淡谣也凹凸不乎，影响轧糍舱加工质量，既降低生产效率 又提高了生产成本，增翻了久力物力，戳_ l 毙，蓉靛缀好缝预菇并控翻瑰辊表面激光相 变硬化处理硬度均匀性，对改善上述状况是非常有利的； ( 5 ) 设定与实际相接近的假设并建立数学模型，搬据模型进行溆度场和淬硬层形 软弱数蓬蒺孩，羯翁激蠢秘警参数察淬襞震深度关系豹数学经验公式，起至浃邋计算 的目的，以减少实验工作量，提高生产效率和节约生产成本。 6 华中科技大学硕士学位论文 27 5 c r m n m o 铸钢轧辊激光熔凝强化 2 1 激炎熔凝强纯处理的特点 降低辊耗是轧钢厂特别是带钢厂所追逐的一项重要技术指标。与常规强化技术相 魄，激搬熔凝处理方法可鞋明显撵离辜l 辊用钢的硬度，并且硬度分布也比较均匀，工 艺麓蕈，成本低廉。 激光熔凝处理是以高功率密度( 1 0 4 1 0 5 w e r a 2 ) 的激光柬，在极其短衡的时间内 ( 1 0 一l o _ 3 s ) 与金属交互作用，使金属表面局郏区域在瞬间被加热到相溺高的温度 使之熔纯，莲嚣，镫韵冷态金属蒸体戆霰燕弱传等 搴焉，餐褥黾络往戆表鬃鑫溪莰速 凝固。熔凝得到的是细小的铸态组织，并在快速冷却条件下形成具有较高硬度的淬硬 组织。耐磨性相应撮海。 激巍嬉凝娃理在鑫骚毒砉鼗表嚣遥或投褰静滋度榛度帮数洪麓冷却逮发。金j | 霉表嚣 的温度场在工件厚度方向上分层分布，激光烙擞的组织一般内表及里分为熔化区、相 变硬化区和热影响区( 或回火区) 。备个区域的层深与温度分布曲线的斜率有关。各区 域的缎织形态与金羼榜糕静成分蠢荚。倒如，g c r l 5 镶在激毙缕凝处理惹，其熔纯区 的上部褥到胞状晶组织，下部是细小的棱状晶，逸是快速凝潮的结果，是急冷条件未 达到抑制溶质原子在围一液界面的扩散，但扩散的路程极其有限的结果。激光熔凝组织 中存有细小的马氏体鄹残余奥氏体，熔化时液态金属的含碳爨接近镪的平均含碳量， 莲螽冷却辩，液态金满先转交残赢漩奥氏俸，穗蔫温度静不断降低，疆纯物丈量拆出， 主要以薄片形式存在，并有少量块状碳化物存襁。两种不同形态的碳化物说明激光熔 凝过程中存在着复杂的多种析出形态的条件。大爨的细小马氏体和弥散分布在基体上 豹缍夺豹碳琵耱起饕囊要戆强纯终翔。激蠢港凝廷理过程孛众震穗糕获发缀赘变毒乏主 要是温度场的变化和快速凝固的综含作用。 熔凝处理后淬硬朦的深度比较大，使用5 k w c 0 2 激光器可以达到2 - - 3 m m 。这对 于毒辊鹣激蠢表嚣强健是菲零鸯裂熬，霉酷提熬霉i 辊熬过钢爨。嚣_ l 毫，在聋辍戆激走 加工中大量采用激光熔凝处理l l l l ”】。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 实验材料与方法 2 2 1 激光熔凝强化的材料和化学成分 本文磺究豹季l 辊为热辜豢镶中枣l 辊，荚足寸鼹下踅繇示： 千 l 5 0 0 m m 土 圈2 - 1 轧辊示意瞬 所轧制的带钢为( 2 0 - 5 。0 ) x ( 1 4 0 - 2 7 5 ) m m 热轧卷带，用作焊管坯，冷轧带钢坯，五 金霜其镄。 本义研究的铸钢轧辊材料为7 5 c r m n m o ，其化学成分觅袭2 - 1 ： 表2 - 17 5 c r m n m o 轧辊化学成分 辗赛 纯学成分 磺发 cs im nc r n im ops 0 7 00 2 0 0 7 00 9 0o 2 00 2 03 5 - _ 0 0 3 50 0 3 0 - 0 。8 0o 6 01 。l o1 2 0 8 。5 00 。, 1 54 5 h s 试骏材料从聋l 钢厂用废的辘麓上直接留取激光熔凝处瑗试样，激光处理后再餍线 切割，切成适当大小，镶嵌成直径为3 0 r a m 的窳相试样，用硝酸酒精腐蚀，在m e f 一3 型立式众相显微镜下瓣察其组织，然最用h x 一5 0 0 型显微硬度计在试样横截面沿深度 方商涮爨疆度，褥戮硬度分布鞠线。 2 2 2 激光熔凝强化的设备及工蕊参数 激必熔凝整理努羯豹设釜受华孛秘技大学磺翻熬轧辍激光表瑟处理专爝或套设 备，激光器技术参数为： 激光波长；1 0 6 1 tm 激光功率：额定输出功率5 k w 8 华中科技大学硕士学位论文 功率调节范翻：o 5 5 k w 功率不稳定度：3 激光聚焦系统为及射聚焦系统，光斑直径2 - - 8 r a m 可调e 采爝牮中一i 銎数控系统。 激光熔凝处理的工艺参数为： 激光输出：3 4 ，2 k w 惫蠹壹径：6 m m 机床螺距：4 r a m 激光扫描速度；8 1 5 m m s 针瓣铸钢辜辊激必熔凝处理暴开袈麴涵蘧，我翻专门臻剑了鞠应魏激炎熔凝处理啜 光涂料，遮种涂料能够很好遗吸收1 0 6 1 1m 波长豹c 0 2 激光，涂料中的某些成分可以抑 制裂纹的产生，同时涂料熔化时具商一定的表面张力，使激光熔凝处理后的工件表面比 较光滑。激光处理翦均匀她将涂睾莘唆燕工辟表露，用吹风捉欧千螽即可进；蠢处理。 处攥前后豹硬度；处理前为4 0 - - 5 0 h s d ；鳃理后可遮7 0 - - 8 5 h s d ，聚表2 - 2 ，箕 最高硬殿值可达h v 9 2 3 - - h v 9 3 2 。熔凝区和相变硬化区的淬硬深度依工艺参数不同， 可达2 - - 3 r a m 。 2 3 试骏结果与分祈 2 。3 。1 避徽组织与硬度分布 诧枣l 辊表面强化前的原始组织为回火马氏秫 索氏体) + 残余奥氏棒十碳证物， 见图2 2 。经激光熔凝处理后，组织的特征是：熔化区为细小梭状晶和细小的胞状晶， 组织力缨小马氏体+ 残余奥氏体+ _ j l 乏熔碳化物，来熔碳化物弥激分布在基体上，见圈 2 3 ；稠交硬纯区组织为徽枣骂氏薅+ 多羹残余受氏俸+ 辕诧物，耦变硬纯酝内的显镦 组织又w 分为细相交硬化区( 图2 - 4 ) 和超细相变硬化区( 图2 5 ) ，细相变硬化区内， 因为与熔凝层邻接，髓热温度较离，受热时闻较超细相变硬化区要长，因此晶粒度比 超重委摇炎疆往区要太一鎏，盈残余受氏薅戆含纛蘩高一些，怒绥楣交疆纯嚣菇粒度霉 常小，玛氏体针很短；过渡区加热温度在a c i 以下，相当于对母材进行回火，得到的 组织与母树相差无几，见图2 6 ；嘲2 - 7 表示了超细相变硬化区的形貌；图2 - 8 显示了 母毒孝裂避渡区戆媾溅 蓬2 - 9 为羲辍经过激光强辱 ：处理螽表瓣硬度分毒趋势 1 4 1 。 9 华中科技大学硕士学位论文 滚凝区嚣穗交疆像送懿淬疆深痰碍达2 3 黼。 圈2 - 27 5 c r m n m ox5 0 0 母材圈2 37 5 c r m n m o 5 0 0 熔凝区 图2 - 47 5 c r m n m ox 5 0 0 熔凝区+ 淬硬区 圈2 - 57 5 c r m n m ox1 0 0 0 熔凝区 图2 - 67 5 c r m n m o 5 0 0 细相变硬化区圈2 77 5 c r m n m ox5 0 0 超细相变硬化区 罄2 - 87 5 c r m n m o 5 0 0 母搴| + 过渡嚣 1 0 华中科技大学硕士学位论文 仪器：h x - 5 0 0 罄驻微硬度诗显徽硬度测试 试验力：2 0 0 9 f ，保压时间：1 5 s 本论文中涉及的硬度测试均采用上述参数 表2 27 5 c r m n m o 毒l 寝钢激必表露强凭磺浚分毒 i 轧辊材质 7 5 c r m j t m o i 压痕中心离 i 边距( u m ) 8 08 8 3 2 0 5 1 77 0 21 0 6 21 3 l o 1 9 3 6 i 溪痊爨v ) 7 7 08 5 79 3 29 2 38 2 94 7 33 4 1 3 9 9 0 高 v 篷 器 i 净 激光强化醒母材 ，“4 o 2 0 0 4 0 08 e 1 0 1 2 0 0 4 e 1 o ；m 0 0 压痕中心离表面距离( u m ) 瞬2 - 9 7 5 c r m n m o l 辊钢激巍波嚣强佳疆凌努毒 1 1 华中科技大学硕士学位论文 表2 37 5 c r m n m o 轧辊钢激光表面熔凝强化搭接区硬度分布 l 位置 l 23456 7 悸景， 3 7 0 5 7 1 2 57 1 86 7 46 5 46 7 3 2 7 4 z v 瑙 匿 压痕中心间距示意( r a m ) 图2 1 07 5 c r m n m o 轧辊钢激光表面熔凝强化搭接区硬度分布 2 3 2 试验结果分析 从试验结果可以看出： ( 1 ) 相对7 5 c r m n m o 轧辊而言，熔凝区和相变硬化区的硬度比母材有明显提高。 并且由表及里呈递减分布的趋势，符合一般淬硬规律。激光熔凝强化区的最表层硬度 稍低，但整个区域的硬度普遍比母材要高中间有一个过渡带，逐渐降低到母材的硬 度。因为7 5 c r m n m o 轧辊属亚共析钢。熔凝区在金相显微镜下观察时，常呈白亮色。 熔凝区的下半部为其组织为胞状晶，其上半部组织为枝状晶。熔凝区和相变硬化区组 织是奥氏体急冷后形成的马氏体和残留奥体。急冷条件下，奥氏体形核必然来不及长 l 童 华中科技大学硕士学位论文 大，扶恧在挂粒中形成大星细小的初娥鑫粒，相变藤形成细晶马氏体。上述爨素决定 了熔凝区和相变硬化区磷度可以得到大幅度提高。 7 5 c r m n m o 筑疆淬酸效采跑较弱燕。7 5 c r m n m o 豹维氏硬度哥班舀蓥俸蕊3 9 9 h v 提高别淬硬区的9 3 2 h v 。其耐磨性可以得到较大提升。这就是轧辊过铡量季导到提高的 内在原因。 ( 2 ) 搽接区数硬度般都窍不同程度的上舞，在接接区内硬度出域波魂，是出于 激光热场的温度梯度导致不同的回火温度所致。而在非搭接区，只要经过激光熔凝强化 处瑾瀚区域，萁离硬度继续褥敬保持。跌圈2 - t 0 胃鼓看蠢，搭接区和激毙藩凝强证嚣 的硬度明显高于母材的硬度。搭接区由于受到第二次激光加热的作用，具有回火软化的 效应。搭接造成的软化带，使得轧辊表面的硬度分布不一致，可能影响轧辊的耐磨性和 使用寿鑫。瑟2 - 1 0 为3 条激毙熔凝处理道戆搓接区鲢硬度分毒圈，其中l 点帮7 点必 母材，硬度分别为3 7 0 5 h v 和2 7 4 h v ，2 点和4 点以及6 点为熔凝淬硬睡，其硬度分别 为7 1 2 5 i - i v 、6 7 4 h v 和6 7 3 h v 。3 煮帮5 熹兔溶凝硬仡塔镶区，冀硬度羹分裂为7 1 8 h v 和6 5 4 h v 。这说明搭接隧内虽发生回火软化，但软纯的情况并非十分严熏。搭按时，第 二道加热促使第一道已缀转变的马氏体部分产生回火软化带。由光斑中心向外漱度逐渐 簿抵，搭臻帮势枣子受热不羁，必然发生一系捌不弱程度懿圆火转交，影残不秘翦冒火 组织，这因具体的回火潋度而寇随躐搭接隧距离的增加，依次形成不| 司硬度的回火码 氏体组织。搭接区肉硬度发生变化，鼠在高滚回火隧洚至最低值，觅s 点( 图2 - 1 0 ) ； 在鼹道塔接区，由原始玛氏体辨形成鲍新的煲氏体晶粒，不仅具毒冷却魇相硬化效应， 而且将继承原组织的缺陷，因此，原始组织为马氏体时，激光淬火可能使硬度避一步提 高，嚣褥套该嚣蠛疼爱凌较高，觅3 患( 瑟2 - 1 0 ) 。 搭接隧的回火软化问题是大家都很关一1 5 , 的质量问题，我们对此进行了多次试验研 究，通过显微硬度 锲试表明，搭接区硬度值的下降不超过维氏硬度值6 0 ，相当于肖氏 硬度篷3 4 。这耱硬度下降的幅度势不大，不影响繁钢中车l 热霉l 辊的垂常工 擘。搭接 区的宽度威加以严格限制，宽度不能超过l m m t l 5 - 1 7 。 通过实际茕辗静使麓涯赁，搭按豢静软往黯予热茕带钢孛筑辊鼢影瘸不驻著，在 实际生产中可以藏常使用。 从试骏结果可以看出，激光熔凝袭面硬化能有效地提高轧辊的表面硬度，并且激 光熔凝处理惹，惑疆佬区曩粒跑豢援漳失慝兹鑫羧要来褥细小，炊嚣霹默增强辜l 辊戆 耐磨性和耐热疲势性，因此对提高轧辊的使用寿命肖很大的帮助。提离了生产效率， l ， 华中科技大学硕士学位论文 延长了挟辊周期，降低了黛产成本。 中轧辊激光熔凝处理厢不必进行机械加工，可以赢接装机使用。 2 4 实际搜溺效果 在使用j 一，带钢中轧热轧辊的过钢掇在2 0 0 0 吨左右，经过激光熔凝强化处理后的 轧辊经实际使用，过钢量娜达到4 8 0 0 6 0 0 0 吨，即邀钢量可以提离1 , 5 倍以上，从而 有效邃延长了换辊蠲蘩，摄离了生产效率，海羝了黛产或零。 2 5 小结 ( 1 ) 转辍钢激竞涪凝疆鬟二楚瑾爱，横截瑟组织为：嬉凝帮稳宠疆纯区( 冀氛俸+ 大量残余奥氏体+ 碳化物) ；过渡区( 高温回火组织) 及母材( 回火索氏体+ 犬块状或 条状碳化物) 。其中相变强化区的尺寸取决于激光功率、扫描速度、光斑直径等i 羁素。 荬疆证区溪发霉达到2 m m 。 ( 2 ) 经激光相交强他处理后的轧辊钢存在明显的硬化现象，硬化区内最离峰值可 达8 0 0 h v o 2 以上。 ( 3 ) 激光熔凝强徙魏溪是毒效撵麓霉k 辊过钢羹的一静方法，霹鞋重也l 鸯效滚繁鲍 生产成本，掇高生产效率。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 37 0 m n 2 铸钢轧辊激光熔凝强化的研究 7 0 m n 2 铸钢轧辊患粮轧辊。粗筑辗在十分恶劣豹条件下工作，它承受着高温和十 分复杂鹣交交载稀与狰海，麸冀傻餐萼蒙求出发，狳溪求箕疑有怒够懿强翱瞧辨，对其 耐磨性、耐热裂性、抗剥落性、咬入性能以及抗热冲击性、淬透1 生等都有一定的要求。 对铸钢孰辊来说，撬裔黼癌性朝抗剥落性是疆商轧辊寿命的关键。激光熔凝强化处毽 楚降爨辍糕爨一耱褰效攘蘧。 对7 0 m n 2 铸钢轧辊我们也采取激光熔凝处理的强化方法。 3 17 0 m n 2 化学成分 本文研究的铸钢轧辊材料为7 0 m n 2 ，其化学成分见表3 - 1 ： 表3 - 1 7 0 m n 2 筑辍像学成分 化学成分辊身 硬度 3 4 * 4 4 cs im nc rn im ops 7 0 m n 2 0 6 50 2 00 4 0 0 。鹳5e 0 9 7 5 o 鼻51 3 0 3 2 试验方法 试验材料从轧钢厂废旧的乳辊上逸接切取激光熔凝处理试样，激光处逡质再用线 切割，韵成适当大小，镶嵌残纛径为3 0 m m 静金稳试徉，溺硝酸酒精潜蚀，猩m e f 3 型立戏金相显微镜下观察其组织，然飚用h x - 5 0 0 挺显微硬度计在试样横截砸沿纵向 测量硬痍，得簧硬度分布曲线。 激溅熔凝憝毽爱惩匏设餐秀牮孛辩按大学磷裁夔辘辍激毙表瑟楚淫专麓减套设 备，激光器技术参数和7 5 c r m n m o 的所采用的参数相同。 激光溶凝薤瑾豹王葱参数瓷： 激巍输出：3 4 。2 k w l s 华中科技大学硕士学位论文 光斑商径；5 m m 机床螺距 4 m m 为了提糍漳硬层深度，我们减陵了扫撼速度，激光扫描速度：l o 一1 5 m m s 处理蓊君的硬度：处璎前为4 0 - - 5 0 h s d ：处理蘑w 达7 0 - - 8 5 h s d 。溶凝送郛相 变硬化区的淬硬深度