激光熔覆技術提高軋輥表面硬度的應用經驗

摘要:萊鋼型鋼生產線根據軋輥孔型的磨損情況，采用激光熔覆技術，對開坯軋輥的孔型表面進行激光硬化處理，形成高硬度的表面強化層，大大提高了開坯軋輥的使用壽命。

關鍵詞:開坯軋輥激光熔覆過鋼量

中圖分類號:TH117.1文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)03(a)-0043-01

萊鋼型鋼生產線軋鋼車間產品品種有:H型鋼、工字鋼、槽鋼，年產量30萬噸，布置了兩架開坯軋機和三架萬能軋機，大部分的壓下量集中在兩架開坯軋機區域。開坯軋輥的材料一般為鑄鋼或鍛鋼，軋輥輥身硬度低，耐磨性不能很好的滿足生產線需要。在使用過程中一般是孔型開口腿內側壁磨損最嚴重，其次是孔型的外側壁、槽底，給軋輥的使用及修車帶來了極大的難度。同時，因軋輥耐磨性低而造成的負面影響也較大，如成品腿外側出現粘鋼、裂紋;軋輥頻繁更換，工人勞動強度大，日歷作業低，輥耗、氣耗、電耗大幅升高。

在軋輥孔型表面進行激光熔覆以提高硬度的技術，是目前國內較為先進的工藝方法?？梢蕴娲吆辖痂T鋼軋輥，節約資源。由于降低了磨損，減少了車削量，提高了軋輥壽命，具有良好的社會效益。

1 激光熔覆技術在開坯軋輥上的試驗

1.1 激光熔覆技術原理

激光熔覆技術是在激光淬火基礎上發展起來的，激光淬火技術是指在材料表面通過激光束的高溫加熱，在材料表面形成一層淬火層，不能補給材料的磨損部分。激光熔覆技術指在材料表面通過噴涂或其他方式將涂層合金預置于基材表面，然后利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝，達到好的冶金結合。它可以在低成本材料上制成高性能表面，代替大量的高級合金，以節約貴重、稀有金屬材料。決定激光熔覆宏觀、微觀質量的因素主要是激光參數、材料特性、加工工藝和環境條件、激光束、粉末和基體之間的相互作用時間等。激光硬化層正比與激光功率，反比與光斑尺寸和掃描速度。作用與材料表面的功率密度和照射時間是影響激光硬化質量的決定因素，三者可以互相補償，經適當的選擇和調整可獲得相近的硬化效果。目前應用廣泛的激光熔覆材料主要有鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化鎢復合材料，其中又以鎳基材料應用最多。激光熔覆按熔覆材料的供給方式大概可分為預置式激光熔覆和同步式激光熔覆，預置式激光熔覆是將熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照掃描熔化，熔覆材料以粉、絲、板的形式加入，其中以粉末的形式最為常用。一個良好的熔覆層應該無開裂、氣孔和夾渣，使用時無脫落;熔覆層與基體冶金結合，性能均勻，外觀平整，能滿足預定的使用性能，有良好的耐磨、耐腐蝕性能，具有較高的抗拉、抗疲勞性能，及較好的抗高溫性能等。

1.2 激光熔覆的軋輥適用情況

開坯軋輥在過鋼量達到2000噸以后，開口腿孔型外側壁的磨損量平均可以達到3.5mm左右。特別是凹凸部分易在軋件表面形成缺陷，如后期焊合不好，極易影響表面質量。

1.3 軋輥表面激光硬化試驗

1.3.1 軋輥表面激光淬火的試驗

根據現場情況，H200×100mm規格的開坯軋輥生產2500噸，下線后測得K5孔的開口腿側壁磨損量為3.3mm。直徑修車量為16mm，將軋輥修復，對K5孔的開口腿側壁測得硬度值為:HSD43，然后對K5孔的開口腿側壁進行激光淬火硬化，硬度值為:HSD54。

1.3.2 軋輥表面激光熔覆的試驗

仍對H200×100mm規格的開坯軋輥，在同樣磨損條件下，直徑只車削10mm，在K5孔的開口腿側壁處孔型沒有修復起來。將疲勞層車凈后，用孔型樣板卡量，軋輥側壁與樣板的間隙為1.6mm。為保證孔型的正確性，對K5孔的開口腿側壁進行激光熔覆，采用預置式激光熔覆技術，在孔型處熔覆一層鎳粉，熔覆層厚度為1.6mm，測得熔覆后硬度值為:HSD56。熔覆后在孔型表面形成了一層硬度較高的合金層，可以提高軋輥的耐磨性和耐腐蝕性。

1.4 激光熔覆使用效果比較

1.4.1 軋輥表面激光淬火的使用效果

將激光淬火的H200×100mm規格開坯軋輥上機使用后，在軋制前1000噸時，與未淬火相比，軋輥表面磨損較輕。但是在過鋼量達到2000噸以后，K5開口腿內側磨損量逐漸增大，甚至出現輕微的剝落;而外側大部分都磨損較輕，但是在腿尖位置出現凹槽。這些現象均影響了軋輥的修車。

1.4.2 軋輥激光熔覆的使用效果

針對上述現象出現的問題，我們修改了軋輥的處理方法，對軋輥表面進行激光熔覆處理。將激光激光熔覆的H200×100mm規格開坯軋輥上機使用后，效果明顯改善，在過鋼量達到3000噸時，激光熔覆層有輕微磨損，超過4000噸以后，激光熔覆層才有明顯磨損。根據使用情況，我們把軋輥激光熔覆技術擴展到其他規格，如:H175×90、H150×150規格的R1或R2軋輥，都收到了預期的效果。圖1為軋輥激光熔覆后的表面。

2 工業應用結果

萊鋼型鋼廠小型車間將激光熔覆后的軋輥應用于工業生產，取得了較好效果，激光處理前后軋制量、磨損量和修車量對比如表1所示。

與激光處理前比較，激光熔覆后的軋輥軋制量提高了1.5倍，磨損量和修車量都減少了一倍。大大降低了成本，年創效益50萬元。

3 激光熔覆應用結論

經過一年多的應用，我們對于軋輥的激光熔覆積累了一定的使用經驗。

(1)軋輥的疲勞層必須車削干凈，否則與合金粉不能達到良好的冶金結合，在使用中容易出現脫落現象;

(2)激光熔覆層的厚度最好在3mm以內，超過3mm，熔覆層有可能產生裂紋;

(3)對于H型鋼孔型閉口腿及槽底部位磨損較輕，采用激光淬火，以提高軋輥的耐磨性，既方便又經濟;

(4)對于孔型磨損較重的開口腿，應采用激光熔覆，提高軋輥的耐磨性非常明顯;

(5)軋輥冷卻水的壓力及流量必須達到要求。

4 存在問題

(1)熔覆層與基體之間要良好過渡，緊密結合，避免使用過程中的剝落、裂紋等現象。

(2)軋輥熔覆后軋輥表面硬度提高，車削過程中刀具阻力增大，需不斷優化刀具材質。

參考文獻

[1]陳歲元.材料的激光制備與處理技術.冶金工業出版社.2006，12.

[2]周炳琨，高以智，陳倜嶸.激光原理.國防工業出版社.2009，1.