（材料学专业论文）轧辊表面激光合金化的研究.pdf

at h e s i si nm a t e r i a l ss c i e n c e l ；移 磅 9 j ；l q l u li ii iii i ii r1 1 1 iiil 18 4 213 2 r e s e a r c ho nl a s e rs u r f a c ea l l o y i n go fr o l l e r b yz h o uj u n h u a s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uc h a n g s h e n g p r o f e s s o rt a ox i n g q i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：同居年 e t期： 加寥年7 日l 国 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：同群 签字日期：砌吕。7 。7 导师繇铂搠 签字日期：y 口7 - d 7 _jj一 东北大学硕士学位论文摘要 轧辊表面激光合金化的研究 摘要 轧辊的质量和使用寿命，直接关系到轧制生产的效率、产品质量及牛产成本， 一旦轧辊表面磨损失效，整个轧辊将报废，造成巨大的材料浪费。因此提高轧辊的 耐磨性具有经济和社会效益。 近年来，广泛采用感应加热淬火、堆焊、热喷焊、热喷涂等方法提高轧辊表面 耐磨性，但制备的耐磨涂层与基体不能形成良好的冶金结合。激光表面合金化作为 一种新兴的表面技术，最大优点是可以制备完全致密的冶金结合涂层，从而改善基 体的耐磨性。本文旨在利用激光合金化技术在热轧辊表面制备具有冶金结合界面、 组织致密和耐磨性能优良的涂层，为激光合金化修复和强化轧辊表面提供有效的理 论指导，并为其今后发展应用提供一定的技术支持。 本文以7 0 m n v 铸钢、球墨铸铁热轧辊作为研究对象，采用大功率c 0 2 激光器对 其表面进行了激光合金化处理。通过激光工艺参数的优化，制备出具有良好冶金结 合的耐磨涂层。利用光学显微镜( o m ) 、扫描电镜( s e m ) 及附带的能谱仪( e d a x ) 、x 射线衍射仪( x r d ) 、高温摩擦磨损试验机以及显微硬度计等测试分析设备，对所制备 涂层的微观组织、成分、相组成、耐磨性能进行了系统的研究。 采用高功率c 0 2 激光器对预涂n i c r - c r 3 c 2 粉末的7 0 m n v 铸钢轧辊进行激光表面 合金化处理。优化工艺参数为：激光功率4 k w 、光斑直径1 5 m m 、搭接率3 3 3 ， 扫描速度2 2 m m i n 。此时，可得t t j 夕b 观致密、组织均匀，与基体形成良好的冶金结 合且无裂纹、气孔等缺陷的合金化层。此时激光合金化层的厚度为0 4 7 9 8 m m ，平均 显微硬度为8 5 8 h v ，是基体的2 6 倍。5 0 0 高温磨损实验结果表明，此合金化层的 耐磨性能是铸钢轧辊基体的8 4 倍。 在球墨铸铁轧辊上预涂c b w - c r 粉末，用高功率c 0 2 激光器进行合金化处理。 优化工艺参数为：激光功率4 k w 、扫描速度4 m m i n 、光斑直径1 5 m m 、搭接率3 6 7 。 此时得到的激光合金化层的厚度为0 3 6 7 0 m m ，平均硬度为1 2 0 1 h v ，是基体的2 4 倍。5 0 0 。c 高温磨损实验结果表明，此合金化层耐磨性能是球墨铸铁基体的1 6 倍。 耐磨性提高的原因是：合金化层组织细小，转变组织的缺陷密度较高，内应力 u 东北大学硕士学位论文 摘要 较大，故组织的显微硬度得到显著提高；存在合金化层内马氏体及一定数量弥散分 布的碳化物等硬质相的强化作用；存在合金层内合金元素的固溶强化作用；残余奥 氏体的存在。 关键词：轧辊；铸钢；球墨铸铁；激光合金化；激光比能量；耐磨性能 i i i i i 东北大学硕士学位论文hbstract r e s e a r c ho nl a s e rs u r f a c ea l l o y i n go fr o l l e r a bs t r a c t t h eq u a l i t ya n dl i v e so fr o l l sh a v ei m p o r t a n te f f e c to nt h ee f f i c i e n c yo fr o l l i n g p r o d u c t i o n ，p r o d u c tq u a l i t ya n dm a n u f a c t u r i n gc o s t s r o l lm a t e r i a l s a r ed e f i c i e n ti no u r c o u n t r ya n dt h e i rp r i c e sa r eh i g h ，s oi ft h er o l lf a i l sd u e i t ss u r f a c ew e a r , t h ew h o l er o l lw i l lb e d i s c a r d e d ，t h u sc a u s i n gh u g ew a s t eo fm a t e r i a l s h o wt oi m p r o v et h ew e a rr e s i s t a n c eo f r o l l s m a t t e r sal o ti ni m p r o v i n ge c o n o m i cb e n e f i t sa n dm a n u f a c t u r i n ge f f i c i e n c y i nr e c e n ty e a r s ，i n d u c t i o nh e a t i n gq u e n c h i n g ，p u d d l ew e l d i n g ，a n dt h e r m a ls p r a y i n ga r e w i d e l yu s e dt oi m p r o v et h es u r f a c ew e a rr e s i s t a n c eo fr o l l s b u tt h eb o n d i n gb e t w e e nt h e s u r f a c eo fr o l l e ra n dt h ec o a t i n g sm a n u f a c t u r e db yt h e s et e c h n i q u e si sn o tm e t a l l u r g i c a l l a s e r s u r f a c ea l l o y i n gc a nf a b r i c a t ed e n s ec o a t i n g sw i t hm e t a l l u r g i c a lb o n d i n gw i t hs u b s t r a t e s ，t h u s i m p r o v i n gt h ew e a rr e s i s t a n c eo fs u b s t r a t e s t h ea i mo ft h ep r e s e n tw o r ki s t og e td e n s e c o a t i n g so nh o tr o l l sb yl a s e rs u r f a c ea l l o y i n g ，w h i c hh a v eg o o d w e a rr e s i s t a n c ea n d m e t a l l u r g i c a lb o n d i n gw i t hs u b s t r a t e s i tc a no f f e rt h e o r e t i c a l i n s t r u c t i o n so nr e p a i ra n d s t r e n g t h e n i n go fr o l l sb yl a s e r s u r f a c e a l l o y i n ga n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o r i t sf u r t h e r a p p l i c a t i o n t h es u b s t r a t e sw e r e7 0 m n vc a s ts t e e la n dn o d u l a rc a s ti r o nr o l l s h i g hp o w e rl a s e rw a s u s e dt oc a r r yt h es u r f a c ea l l o y i n ge x p e r i m e n t c o a t i n g sw i t hg o o dm e t a l l u r g i c a lb o n d i n gw i t h s u b s t r a t e sw e r ef a b r i c a t e du n d e ro p t i m a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s o p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ， s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n da t t a c h e de n e r g yd i s p e r s i v ex r a ys p e c t r o m e t r y ( e d a x ) ，x r a yd i f f r a c t ( x r d ) ，w e a rt e s t e ra n dm i c r o h a r d n e s st e s t e rw e r eu s e d t oa n a l y z et h e m i c r o s t r u c t u e ，c o m p o s i t i o n ，p h a s ea n d w e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o a t i n g s h i g hp o w e rl a s e rw a su s e dt oc a r r yo u tt h es u r f a c ea l l o y i n go n7 0 m n v c a s ts t e e lr o l l w 。i t hn i c r - c r 3 c 2p o w d e r sp r e d e p o s i t e do ni t t h eo p t i m a lp a r a m e t e r sw e r e l a s e rp o w e ro f 4 k w ：l a s e rs p o td i a m e t e ro f1 5 m m ，o v e r l a pr a t i oo f3 3 3 a n ds c a n n i n gs p e e do f2 2 m m i n ad e n s ea n dc r a c k sa n dp o r e sf r e ec o a t i n gw i t hu n i f o r mm i c r o s t r u c t u r ea n dm e t a l l u r g i c a l b o n d i n gw i t h s u b s t r a t ec o u l db ef a b r i c a t e dw i t ht h e s ep a r a m e t e r s t h et h i c k n e s sw a s 0 4 7 9 8 m ma n dt h ea v e r a g em i c r o h a r d n e s sw a s8 5 8 h v , a s2 6t i m e sh i g h e ra st h es u b s t r a t e h i g ht e m p e r a t u r ew e a rt e s ta t5 0 0 。cs h o w e dt h a tt h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h i sc o a t i n gw a s7 4 t i m e sh i g h e rt h a nt h ec a s ts t e e lr o l ls u b s t r a t e p o w d e rc b w - c rw e r ep r e d e p o s i t e do nn o d u l a rc a s ti r o nr o l l sb e f o r eh i g hp o w e rl a s e r s u r f a c ea l l o y i n g t h eo p t i m a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r e ：l a s e rp o w e ro f4 k w ：l a s e rs p o t i v i-，i- li童 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i a m e t e ro f1 5 m ma n do v e r l a pr a t i oo f3 6 7 t h et h i c k n e s so ft h i sc o a t i n gw a s0 3 6 7 0 m m a n da v e r a g em i c r o h a r d n e s sw a s12 01h v , w h i c hw a s1 4t i m e sh i g h e rt h a nt h es u b s t r a t e w e a r t e s tr e s u l t sa t5 0 0 。cs h o w e dt h a tt h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o a t i n gw a s0 6t i m e sh i g h e rt h a n t h en o d u l a rc a s ti r o ns u b s t r a t e t h er e a s o n sf o rt h ei m p r o v e m e n to ft h em i r c o h a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o a t i n g w e r ea sf o l l o w s ：t h e r ea r ef i n em i c r o s t r u c t u r e ，h i g hd e f e c tc o n c e n t r a t i o na n d h i g hi n n e rs t r e s s o fa l l o y i n gc o a t i n g t h e r ee x i s t ss t r e n g t h e n i n ge f f e c to fm a r t e n s i t ea n ds o m ed i s p e r s e d c a r b i d e s t h e r ee x i s t ss o l i ds o l u t i o ns t r e n g t h e n i n ge f f e c to f a l l o y i n ge l e m e n t si nt h ec o a t i n g f u r t h e r m o r e ，t h ee x i s to fr e s i d u a la u s t e n i t ec a nr e d u c et h ei m p a c tl o a dd u r i n gr o l l i n g k e yw o r d s ：r o l l ；c a s ts t e e l ；n o d u l a rc a s ti r o n ；l a s e ra l l o y i n g ；l a s e rs p e c i f i ce n e r g y ；w e a r r e s i s t a n c e v 1 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t l ? a c t i v 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 轧辊1 1 2 1 热轧辊使用工况及材料性能要求2 1 2 2 轧辊失效形式2 1 3 轧辊的表面处理技术4 1 3 1 堆焊技术4 1 3 2 感应加热淬火技术4 1 3 3 热喷涂技术4 1 3 4 热喷焊技术5 1 3 5 激光表面改性技术5 1 4 激光表面合金化一7 1 4 1 激光合金化概述7 1 4 2 影响激光合金化的因素9 1 4 3 激光纳米陶瓷合金化技术1 1 1 4 4 轧辊激光表面合金化的国内外研究现状及存在问题1 2 1 5 激光合金化裂纹的产牛及抑制1 3 1 6 本文研究内容及目的1 4 第2 章实验材料和研究方法1 5 2 1 实验材料j ：15 2 1 1 基体材料15 2 2 2 涂层材料1 6 2 2 试样制备l6 东北大学硕士学位论文目录 2 3 实验检测手段及设备1 7 2 3 1 涂层显微组织的表征1 7 2 3 2 涂层物相的检测1 7 2 3 3 涂层显微硬度的测量1 7 2 3 4 涂层耐磨性能的检测1 8 第3 章铸钢轧辊激光表面合金化试验结果与分析氘1 9 3 1 引言1 9 3 2 工艺参数对合金化层质量的影响1 9 3 2 1 扫描速度对合金化层显微组织的影响1 9 3 2 2 扫描速度对合金化层硬度的影响2 2 3 3x 射线衍射物相分析2 4 3 4 摩擦磨损试验2 6 3 5 分析与讨论31 3 6 本章小结3 2 第4 章球墨铸铁轧辊激光表面合金化实验结果与分析3 3 4 1 引言。3 3 4 2 工艺参数对合金化层质量的影响3 3 4 2 1 预涂合金化层厚度的影响3 4 4 2 2 综合工艺参数( 激光比能量) 对合金化层质量的影响3 5 4 2 3 综合工艺参数( 激光比能量) 对合金化层硬度的影响3 8 4 3 优化工艺参数下x 射线衍射物相分析4 0 4 4 摩擦磨损试验4 1 4 5 分析与讨论4 3 4 6 本章小结4 4 第5 章结论。4 5 参考文献4 6 致谢5 0 v l l 东北大学硕士学位论文第i 章绪论 1 i 研究背景 第1 章绪论 轧辊的质量和使用寿命，直接关系到轧制牛产的牛产效率、产品质量及牛产成本。 我围轧辊材料供应不足、价格较高，一旦轧辊表面磨损失效，整个轧辊将报废，造成巨 大的材料浪费。若将轧辊整体换为高速钢辊或硬质合金辊会大幅度增加成本，而且对于 轧辊芯部材料是极大的浪费，因此，轧辊的牛产迫切需要进行表面处理。如何修复失效 轧辊，一直是轧辊制造业面临的重大问题。轧辊失效的最普遍原因是早期磨损失效， 而轧辊的耐磨性决定于轧辊工作表面的硬度，通过合理的热处理方式可以满足轧辊的硬 度要求。近年来，很多钢铁公司广泛采用感应加热淬火、堆焊、热喷焊、热喷涂及激光 束表面改性等方法提高轧辊表面的耐磨性，但各种方法都存在自身的局限性。例如：堆 焊修复技术由于工艺复杂、牛产率低、硬度不太高，在堆焊时容易产生裂缝、夹渣、焊 瘤和脱落等，这些限制了堆焊技术的发展；热喷涂制备的涂层与基体是机械结合，在一 定程度上降低了其强化效果；热喷焊材料要求必须与基材相匹配，喷焊材料和基材范围 很窄，也限制了它的应用；激光束表面改性技术存在基材对激光吸收率低，激光加工系 统投资大的问题，但相对于其它修复方法，从修复后轧辊使用寿命、轧材质量、生产成 本、效率、环保等角度考虑激光束表面改性技术还是拥有广泛的市场前景。 近年来，通过激光合金化技术制备功能合金涂层正成为表面处理方向的一大亮点。 激光合金化作为一种表面处理手段，最大的优点是：( 1 ) 可以使廉价基材表面获得具有 合金特性的表面功能层；( 2 ) 制备的功能层组织晶粒细小，结构致密，气孔率低，偏析 少，可以形成非平衡合金的组织结构；( 3 ) 热影响区小，工件变形小，无环境污染；( 4 ) 基体熔化量少，可以节约合金粉末，降低技术使用成本。另外，合金化元素添加方式很 多，工艺方式灵活，既可以是基材中固熔添加的硬质点，也可以是原位生成的，使得激 咣合金化技术更具有优势。 1 2 轧辊 轧辊是使( 轧材) 金属产生塑性变形的工具，是决定轧机效率和轧材质量的重要大 型消耗性部件。据统计，国内各类轧辊年消耗量达数百万吨，仅轧钢业每年就需求近两 百万吨。轧辊是冶金行业的第一大耗材，因此提高轧辊的耐磨性是提高经济效益和生产 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 效率的根本措施，具有很好的科学研究意义和实际应用价值。 1 2 1 热轧辊使用工况及材料性能要求 轧辊分冷轧辊和热轧辊。通常热轧作业，如开坯、轧制型钢、线材、板材、带钢等 均使用热轧辊。热轧辊常工作在7 0 0 8 0 0 。c ( 有时其接触的轧材高达1 2 0 0 。c ) 的高温环 境，与灼热的钢坯相接触，承受强大的轧制力，表面承受轧材的强力磨损，反复被热轧 材加热及冷却水冷却，经受温度变化幅度较大的热疲劳作用2 1 。所以要求热轧辊材料不 但有较好的强度和韧性，而且要有较高的抗磨性。热轧辊材料包括锻钢、无限冷硬铸铁、 普通冷硬铸铁、低n i c r m o 、中n i c r m o 、高n i c r m o 铸铁、铸钢、球墨复合铸铁、半钢 和高硬度特殊半钢、高铬铸铁、半高速钢和高速钢等。 基于工作环境和受力状况的分析，热轧辊材料应满足如下要求【3 】： ( 1 ) 高的耐磨性能：耐磨性能是热轧辊最关键的使用性能指标，对轧制效率和产品 表面质量产牛直接影响。热轧辊的磨损不仅与载荷状态、工作温度以及冷却条件有关， 更取决于热轧辊材料的成份、组织和性能。 ( 2 ) 材质均匀，表面硬度均匀。 ( 3 ) 高的淬透性。 ( 4 ) 低的热膨胀系数。低的热膨胀系数，意味着较小的体积膨胀，亦即较低的热应 力积累。 ( 5 ) 高的热传导性能。高的热传导性能降低了热温差，从而降低了热应力。 ( 6 ) 高的高温屈服强度。高的高温屈服强度有利于对抗龟裂。 ( 7 ) 优良的抗回火能力。如果钢材最初具有的高温屈服强度，会在高温状态长时间 使用下而降低，则意味着热龟裂破坏会加速形成，故轧辊材料具有良好的长时间高温抗 软化性能显得非常重要。 ( 8 ) 高的抗氧化性。 ( 9 ) 高的高温蠕变强度。蠕变强度是指金属在某一温度下，经过一定时间后，蠕变 量不超过一定限度时的最大允许应力。 1 2 2 轧辊失效形式 热轧辊主要失效形式有热疲劳【4 5 1 引起的热龟裂和剥落、辊身表面磨损、轧辊断裂、 过回火和蠕变、缠辊，失效面几乎覆盖整个工作面。其中辊面剥落和磨损是热轧辊最普 遍的失效形式，下面将分别介绍。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 1 ) 辊面剥落 生产中出现的辊面剥落，多数为辊面裂纹所致。当裂纹发展成与辊面成一定角度甚 至向与辊面平行的方向扩展时，则最终造成剥落。外层与芯部结合不良，结合层夹渣， 冷却系统不良或出现轧制事故等也会导致辊面剥落。热轧辊轧制时，裂纹的形成分为三 类。第一类，轧辊受冷热交替变化剧烈，从而在轧辊表面产生严重应变，逐渐导致热疲 劳裂纹的产生。典型的热疲劳损坏是热龟裂。第二类，在轧制过程中，带钢出现甩尾叠 轧时，轧件划伤轧辊，也可形成新的裂纹源。第三类，轧辊在工作中不断承受接触疲劳 和热疲劳，当循环应力超过轧辊的最大承受强度，辊身表层也将引发裂纹。 ( 2 ) 辊面磨损 大量生产实践证明，轧辊的磨损是导致其失效及使用寿命过短的最主要原因之一。 因此对于轧辊辊面磨损必须予以重视。由于轧辊的磨损破坏了工作辊的初始辊形，恶化 了辊面质量，给产品的质量控制带来了很大的网难【6 】。一般而言，不同类型轧机的轧辊 磨损形式也不相同。热轧辊由于工作条件较为恶劣，轧钢过程中交替与高温轧件和冷却 水发牛作用，同时变形时辊缝中夹杂大量氧化铁皮，因此热轧辊的疲劳磨损、磨粒磨损、 粘着磨损、腐蚀磨损、微动磨损等几种磨损形式同时存在，交替作用【7 1 。 疲劳磨损( 热疲劳和接触疲劳) ：g l n 过程中轧辊不停旋转，其表面受到周期性的 热冲击和接触应力，导致轧辊表面材料疲劳剥落形成凹坑，导致疲劳磨损的发生。 磨粒磨损：轧制区高温轧件表面再生氧化皮在轧制力作用下破碎、脱落，其碎片残 留在轧辊表面，它混合着其它磨损形式的产物引起轧辊表面材料脱离或塑性变形，从而 产生磨粒磨损。 粘着磨损：轧制区轧辊与轧件在高温高压下紧密接触，从而使轧辊与轧件表面发生 粘着、剪切效应，从而使轧辊和轧件表面材料发牛脱落或向对偶表面转移，发生粘着磨 i i i 损。 腐蚀磨损：现代轧机普遍使用乳化液作为工艺润滑剂，在乳化液化学作用下，加剧 了轧辊的磨损过程，而轧制区的高温作用更可能使腐蚀磨损过程加剧。 微动磨损：轧辊与轧件接触表面处于边界或混合润滑状态下，也正处在摩擦特性曲 线的陡降阶段。此处，摩擦力具有明显的负阻尼特性，从而导致轧辊自激振动，轧辊和 轧件在这种微动小振幅的相对振动下产生微动磨损。其机理复杂，同时包括粘着、氧化、 疲劳和磨粒磨损作用。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 轧辊的表面处理技术 表面处理技术，即利用各种物理的、化学的或机械的工艺方法使材料表面获得特殊 的成分、组织结构与性能，以提高其耐磨抗蚀性能，延长其使用寿命的技术，也可称为 表面加工等。轧辊常用的表面修复技术有：堆焊技术、感应加热淬火技术、热喷涂技术、 热喷焊技术、激光表面改性技术等8 1 。 1 3 1 堆焊技术 。： 堆焊是在零件表面熔覆上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。轧 辊采用堆焊技术修复后，堆焊层与母材能实现冶金结合，堆焊获得的表面层厚度最大。 采用堆焊方法修复旧轧辊和制造新辊已成为我国轧钢企业降低成本提高效益的重要举 措【9 】。丁洁等对4 c r 5 m o s i v 中合金耐热钢轧辊进行堆焊修复，堆焊层硬度达到4 6 h r c t l o 】： 汪选国等对4 5 c r 4 n i m o v 钢轧辊采用打底焊过渡层的方法进行堆焊修复，可有效防止堆 焊裂纹的出现，且堆焊层平均硬度可达5 2 h r c 左右，耐磨性远高于轧辊材料【1 1 】；聂斌 英对z u b l4 0 n c r m o 半钢热轧辊进行堆焊修复，修复后轧辊的工作寿命与新辊相当【1 2 】。 堆焊修复技术由于工艺复杂、生产率低、硬度不太高，轧辊在堆焊时容易产牛裂缝、 夹渣、焊瘤和脱落；一般要求焊前预热，层间保温和焊后回火等，恶化了劳动条件，显 著提高了工艺成本。这些局限了堆焊技术的发展。 1 3 2 感应加热淬火技术 感应加热淬火技术是指将工件置于有足够功率输出的感应线圈中，在高频交流磁场 的作用下，工件表面被迅速加热到钢的相变临界温度之上后在冷却介质中快速冷却获得 马氏体。感应加热以及冷处理技术于2 0 世纪5 0 年代在轧辊制造中得到应用。对9 c r 2 m o 钢冷轧辊进行双频淬火后，有效淬硬层为1 7 5 m m ，硬度达6 2 h r c 以上。叶为德采用双 频淬火工艺对8 6 c r m o v 7 锻钢轧辊处理后，硬度为9 2 9 4 h s d p 3 】( 约6 4 6 5 h r c ) 。 由于感应加热局限于表层一定深度内；工艺设备的成本较高；不能保证所有淬火面 都能获得均匀的表面淬火层等使其发展受到一定限制。 1 3 3 热喷涂技术 热喷涂是指将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，用高速气流将其雾化、加速，使 其以高速喷射在工件表面，形成喷涂层的一种金属表面加工方法。根据热源来分，热喷 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 涂有四种基本方法：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和特种喷涂。 热喷涂技术处理轧辊基体变形小，热影响区浅；喷涂层硬度比堆焊要高( 7 0 h r c ) ， 采用火焰喷涂修复k m t b m n 5 w 3 合金抗磨铸铁轧辊，耐磨性比电弧堆焊提高了3 4 倍。 张枝捧等用氧乙炔火焰喷涂工艺修复失效的9 c r 2 m o 铝板轧辊辊颈；a n a k a j i m a 等采用 热喷涂工艺在感应加热淬火处理的碳钢轧辊上喷涂w c c r - n i 金属陶瓷，研究了其耐磨 性及抗剥落能力【1 4 1 。 但另一方面，热喷涂技术存在以下缺点：涂层与基体是以机械结合为主，结合不牢 是喷涂层最大的质量问题；而且由于热喷涂工艺所制备的涂层表面粗糙度大，耐应变性 差，从而影响高温工作时的热冲击性；此外，涂层中多孔疏松易产生裂纹的组织可导致 低温条件下涂层的失效，也影响其高温工作时的热障性、耐磨性和抗热腐蚀性；热喷涂 热效率低，材料利用率低，而且在操作过程中也存在一些危害因素。 1 3 4 热喷焊技术 热喷焊技术是采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基 体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙。热喷焊技术修复轧辊时热喷焊层组织 致密，冶金缺陷少，喷焊层与基材为冶金结合，结合强度高，一般是热喷涂的1 0 1 倍。 蒋富惠等在轧辊表面热喷焊g 1 1 2 粉，所得喷焊层硬度为5 8 6 2 h r c 。罗伟中等在 3 5 c r n i 3 m o v 钢轧辊上等离子弧喷焊n i 3 5 + w c 粉末，喷焊层与基体结合良好，耐磨性 好。 该技术缺点是热喷焊材料必须与基材相匹配，喷焊材料和基材范围比热喷涂窄得 多，且热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多。 1 3 5 激光表面改性技术 0 激光表面处理技术，是在材料表面形成一定厚度的处理层，可以改善材料表面的力 学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性 能，以满足各种不同的使用要求，使廉价材料获得应用，从而大幅度降低成本。 激光热处理与常规热处理相比，具有下列一些特点： ( 1 ) 加热和冷却速度特别快，具有自淬火作用。激光的功率密度能达到1 0 6w c m 2 以上，能在百分之几秒到千分之几秒或者更短的时间内，使零件表面附近加热处的温度 上升到1 0 0 0 。c 以上。当激光束很快扫描金属表面时，激光束照射的金属表面因吸收光能 而被加热或熔化。由于加热区温度上升极快，其热量来不及传导到加热区周围冷的金属 - 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 上，致使周围冷的基体金属起到了超强冷却介质的作用，从而获得淬火效果。所以它不 需要其他冷却介质，无污染问题。 ( 2 ) 可进行局部及有选择性的表面处理。由于激光的可控性特别好，故激光可以精 确地按照任何复杂的几何图形局部地、有选择性地对金属表面进行热处理，且处理深度 和处理面积精密可控。为了使廉价的材料获得特殊的性能( 耐磨、耐蚀等) ，可在这些 要求零件具有特殊性能的部位进行激光合金化或熔覆处理。若用其它热处理方法就难以 达到目的，往往要进行整体处理，既浪费了能源，又增加了成本。采用激光合金化工艺 可以获得高的使用性能，降低牛产成本。 ( 3 ) 具有良好的可达性和工艺灵活性。激光热处理是一种无触点加工的方法，借助 于适宜偏转的反射镜，可使激光束指向工件的任何位置。原则上，只要是光束可以达到 的地方，特别是内表面的局部，都可以进行处理，如盲孔的内壁或底部、零件的拐角、 复杂的沟槽、深孔或齿轮牙等，这是感应或火焰等常规处理方法难以实现的。 ( 4 ) 变形小。激光热处理的工件变形小，处理后能保持工件原有的表面粗糙度( 激 光表面相变硬化) ，省去了处理后因变形而需要的校正或精加工工序，直接进行装配。 这是由于激光加热集中在工件表面，且加热区域小，时间短，热注入量少，因此无大量 余热扩散，所以应力及变形小，工件表面氧化及脱碳也很少。这一特点具有很高的经济 性。 ( 5 ) 适于自动化牛产。多工位、多自由度的激光加工系统在生产应用上是用计算机 控制的。在国外已实现高效率高精度的生产，国内也开始将微机用于激光加工。激光的 通用性好，一台激光器既可以作热处理用，也可以作焊接、切割用。由于激光可以用反 射镜进行远距离传输，故激光器不一定靠近工件，适合于自动化生产。 。 轧辊修复与强化常用的激光表面改性技术包括激光淬火技术、激光表面熔凝技术、 激光表面熔覆和激光表面合金化。目前，已有学者在轧辊上成功地进行了激光表面处理? 研究，如高速钢轧辊材料经激光淬火后表面硬度可高达6 8 5 h r c t l 5 】；华中科技大学应用 5 k w c 0 2 激光器对7 0 c r m n m o 铸钢轧辊进行激光熔凝强化处理，过钢量由原2 0 0 0 t 提高 到4 8 0 0 6 0 0 0 t ；李胜等利用自制f e 2 合金粉末修复一支大型德国制造的轧辊【l6 1 。济南钢 铁集团利用激光堆焊技术( 又称激光熔覆) 修复四辊破碎机报废工作辊，熔覆层厚度达 2 5 m m ，工作辊堆焊修复层表面硬度达6 2 h r c 以上，寿命提高了2 5 倍1 7 】。在常用于轧 辊材料的铸铁基体上进行富铌合金激光表面合金化处理后，硬度为11 0 0 1 6 0 0 h v ( 约为 7 0 7 7 h r c ) 。作为轧辊材料的球墨铸铁经纯铜粉末激光合金化后，抗蚀性能大大提高， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 从而延长铸铁使用寿命。 激光束表面改性技术都存在基材对激光吸收率低，激光加工系统投资大的问题，但 相对于其它修复方法，从修复后轧辊使用寿命、轧材质量、生产成本、效率、环保等角 度考虑激光束表面改性技术还是拥有广泛市场前景的。 1 4 激光表面合金化 1 4 1 激光合金化概述 1 9 6 0 年梅曼t m a i m n a 在量子与电子学发展的成果基础上发明了第一台红宝石激光 器，人们对激光的特性进行了研究，并论证了激光的应用前景。在1 9 6 4 1 9 6 5 年相继发 明了c 0 2 激光器、y a g 激光器后，才进一步证实了激光加工材料的可行性，这是因为 这两种激光器可以产生较高的平均功率和峰值功率。经过物理学家对激光的特性和激光 与物质相互作用的机理的研究，激光技术的应用领域才不断明确和具体化，已在工业、 农业、国防、医学、科研等领域得到了广泛的应用，其中尤以激光技术在材料加工领域 中的应用发展最为迅速。 激光合金化的研究可以追溯到1 9 6 4 年，f e c m u n i n g h m a 首先采用红宝石激光器开 发了激光合金化技术，从此，伴随激光器件的性能完善和大功率激光器的开发，激光表 面合金化技术得到了迅速发展，尤其是8 0 年代以来，欧美各国对激光合金化技术寄予 蕾 很大的希望，投入了大量的人力、物力和财力，进行了较为广泛的研究。国内自8 0 年 代初开始从事这方面的研究，近几年才得到比较快的发展。在近几届全国激光热处理学 术年会以及1 9 9 4 年国际激光加工会议上有关激光合金化的论文显著增多，其深度和广 。度均表明我国在激光合金化方面己达到国际先进水平。为了这项技术的全面发展，人们 在基体金属材料的选择和合金化元素的配比方面已进行了大量深入而广泛的研究。基材 不仪涉及到碳钢、合金钢、高速钢、不锈钢、模具钢和铸铁等钢铁材料，而且还涉及到 a l 、t i 、n i 、c u 、m g 及其合金等有色金属材料。合金化元素有c r 、n i 、w 、t i 、m n 、 m o 、v 等金属元素和c 、n 、b 等非金属元素，以及它们的碳化物、氧化物、氮化物和 硼化物等 18 1 。激光表面合金化经过几十年的发展，现已成为材料表面工程领域的前沿和 热门课题，在众多行业有着非常广阔的应用前景。 激光表面合金化是指在高能量激光束的照射下，使基体材料表面的一薄层与根据需 要加入的合金元素同时快速熔化、混合，形成厚度为1 0 1 0 0 0 1 a m 的表面熔化层【l9 1 ，熔 h。 - - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 化层在凝固时获得的冷却速度可达到1 0 5 1 0 8 。c l s ，相当于急冷淬火技术所能达到的冷却 速度，又由于熔化层液体内存在扩散作用和表面张力效应等物理现象，使材料表面仅仅 在很短的时间内形成具有要求深度和化合成分的表面合金化层，快速熔化非平衡过程可 使合金元素在凝固后的组织达到很高的过饱和度，从而形成普通合金化方法不容易得到 的化合物、介稳相和新相，还能在化合元素消耗量很低的情况下获得具有特殊性能的表 面合金【2 0 】。这种合金化层由于具有优于基材的某些性能，所以能达到表面改性处理的目 的。这一工艺具有巨大应用前景。国外和国内的许多研究者对不同的基体和合金元素的 组合做了大量的研究【2 1 。2 6 1 。 激光合金化工艺依据材料的添加方式不同，分为预置涂层法和同步送粉法，实验装 置如图1 1 所示。预置粉末法是将要合金化的材料通过热喷涂、电镀、化学镀、等离子 喷涂或者手工粘结等方法预置于基材表面，然后经激光照射合金化；同步送粉法是将粉 末直接喷在激光辐射所形成的熔池上，使表层熔化和熔融的合金层实现冶金结合，涂层 一次性形成。 图1 1 激光合金化实验装置示意图 ( a ) 预制粉末法；( b ) 同步送粉法 f i g 1 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fl a s e ra l l o y i n g ( a ) p r e d e p o s i t i o m( b ) c o d e p o s i t i o n 激光表面合金化层与基体之间为冶金结合，具有很强的结合力。激光表面合金化工 艺的最大特点是仅在熔化区和很小的影响区内发生着成分、组织和性能的变化，对基体 的热效应可减少到最低限度，引起的变形也极小。它既可满足表面的使用需要，同时又 不牺牲结构的整体特性。由于合金元素是完全溶解于表层内，因此所获得的薄层成份是 很均匀的，对开裂和剥落等倾向不敏感【2 7 1 。它的另一显著特点是所用的激光功率密度很 高，熔化深度由激光功率和照射时间来控制。在基体金属表面可形成深度为o 0 1 2 m m 的合金层。由于冷却速度高，使偏析极小，并显著细化晶粒。另外，合金化元素添加方 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 式很多，工艺方式灵活，既可以是基材中固熔添加的硬质点，也可