球墨鑄鐵軋輥表面強化研究

盧 金

(攀枝花鋼城集團 協(xié)力分公司，四川 攀枝花 617000)

0 前言

激光技術(shù)是在20世紀60年代發(fā)展起來的一種高新技術(shù)，20世紀70年代以后激光技術(shù)用于金屬表面的強化處理。由于其自身的特性及其在表面強化處理方面的優(yōu)勢，近年來已在冶金備件表面改性、修復強化方面得到了廣泛應用[1]。激光表面強化處理的主要特點：激光束功率高，可在短時間（0.1 s）內(nèi)完成淬火處理，工作效率高，成本低；硬化層厚度和硬度可精確控制，工件變形小；工件硬度、耐磨性可大幅度提高；處理過程為自冷淬火，無需冷卻介質(zhì)；一般不需真空條件；易實現(xiàn)自動控制，可實現(xiàn)立體曲面自動處理[2-5]。在國內(nèi)外，當前應用較多的激光表面強化處理的工藝方法有激光相變硬化、熔凝、熔敷以及合金化等，它們共同的理論基礎(chǔ)是激光與材料相互作用的規(guī)律，對工件表面進行強化處理，硬度可高達800～1000 HV，在保證工件內(nèi)部組織性能不變的情況下，有效地增強了工件的耐磨性能。目前，在激光表面強化方面應用較多的是激光相變硬化（即激光淬火）技術(shù)，它是一種表面不熔化的強化技術(shù)。硬化層的組織是不同形態(tài)的馬氏體，比高頻淬火硬度高、強化層均勻；母材與硬化層之間的不完全淬火層比高頻淬火小，淬火變形小。硬化層內(nèi)殘余應力為壓應力，故經(jīng)相變強化的金屬表面耐磨性能好，疲勞強度高，強化層還具有很好的抗腐蝕性和耐熱性[6-7]。

目前國內(nèi)外采用激光加工軋輥方面主要是基于對鋼制軋輥的技術(shù)研究，在球墨鑄鐵軋輥上卻遇到了難以逾越的障礙，主要表現(xiàn)為：一是表面裂紋傾向嚴重，有時甚至剛處理完尚未開始服役就出現(xiàn)長裂紋；二是在激光束的掃描搭接區(qū)產(chǎn)生回火軟化，使軋輥表面出現(xiàn)“軟硬帶”；三是強化層深度不夠，很難滿足重載熱精軋輥，特別是大型孔型軋輥的要求。這些問題往往與軋輥的鑄造質(zhì)量密切相關(guān)，即使是同樣的工藝用于同一批軋輥，有時也會出現(xiàn)好壞兩種效果。因此，激光表面強化球墨鑄鐵軋輥技術(shù)還不夠穩(wěn)定，無法有效保證大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。為此，如何提高現(xiàn)有軋輥的表面質(zhì)量，進一步改善軋輥的耐磨性，降低軋輥的消耗量是擺在企業(yè)和科技工作者面前十分艱巨和現(xiàn)實的重大課題。

1 技術(shù)要求

在攀鋼，球墨鑄鐵軋輥主要用于軌梁廠萬能生產(chǎn)線開坯區(qū)軋制型鋼，是軋制生產(chǎn)的關(guān)鍵部件，工作時受到較大的工作壓力和沖擊作用，同時孔型表面直接與高溫(1050～1100℃)軋材接觸，受到較大的磨損和熱疲勞作用。根據(jù)上述要求，對球墨鑄鐵軋輥要求如下：①合金強化層金屬硬度在HRC45～53范圍（基體原始硬度為HRC29～39），輥面合金硬化層厚度 1～1.1 mm；②側(cè)壁及圓角的硬度為HRC48～53，底槽硬度為HRC45～50；③軋輥過鋼量達到新輥的1～1.5 倍。

2 試驗材料和設(shè)備

2.1 試驗材料

（1）用于工藝試驗用的基材為球墨鑄鐵軋輥，具體選用軌梁廠萬能軋機生產(chǎn)線報廢的球墨鑄鐵軋輥。試件材質(zhì)及化學成分如表1所示[1]。

表1 球磨鑄鐵軋輥化學成分%

（2）試塊尺寸：300 mm×150 mm×40 mm。

（3）孔型示意如圖1所示，軋輥的上輥包括五個孔：從左至右依次為上輥第一孔1、上輥第二孔2、上輥第三孔3、上輥第四孔4、上輥第五孔5；BD2軋輥的下輥包括五個孔，并且分別與上輥的孔相對應，從左至右依次為下輥第一孔1a、下輥第二孔2a、下輥第三孔3a、下輥第四孔4a、下輥第五孔5a。

2.2 試驗設(shè)備

采用華中理工大學制造的HGL-895型5 kW衡流CO2激光器，模式為多模。

2.3 試驗用合金

（1）純Cr合金粉末，粒度200目。

圖1 軋輥孔型示意

（2）根據(jù)華中科技大學的建議選用 NiCr-Cr3C2粉末[w(NiCr)=25%，w(Cr3C2)=75%]，粒度 200目。

3 試驗方法

根據(jù)已給的試驗條件，具體確定激光合金化的工藝參數(shù)，主要有：光斑大小（d）、激光束功率（p）、激光掃描速度（v）、ab值(試樣離聚焦透鏡的距離與透鏡焦距之比)和搭接量（s）；并對已處理的試塊進行分析、檢驗。

3.1 光斑大小

在相同光斑尺寸情況下，工件表面處于焦點之上或焦點之下對淬火質(zhì)量有影響，選擇φ4.0 mm、φ4.5 mm、φ5.0 mm 進行掃描實驗。

3.2 搭接量

由于試驗材質(zhì)為球磨鑄鐵，w(C)=3.2%～3.2%，選擇的搭接量為s=1/5。

3.3 激光掃描速度

激光掃描速度v=1000 mm/min、1200 mm/min、1500 mm/min、1800 mm/min、2000 mm/min，對試樣進行激光表面合金化。

3.4 ab值

ab 值選擇為 1.2、1.3、1.4、1.5、1.6，對試樣進行激光表面合金化。

3.5 激光功率

根據(jù)確定的ab值、移動速度，激光束的功率p=3.2 kW、3.4 kW、3.6 kW、3.8 kW、4.0 kW 對試樣進行激光表面合金化。

3.6 表面質(zhì)量、淬硬層檢測

在最佳激光淬火工藝參數(shù)條件下對試樣進行激光表面合金化處理，檢測表面質(zhì)量，測量硬化層的寬度、深度和硬度，每次均勻測量5個點，取其平均值為最后值。

4 試驗結(jié)果和分析

采用純Cr合金粉時，根據(jù)上述試驗條件和方法所確定的參數(shù)，經(jīng)硬度測試，其值都在HRC55以上，高于用戶要求值，不便于軋輥的后續(xù)加工。因此，下述的試驗結(jié)果和分析是采用NiCr-Cr3C2粉末的相關(guān)情況。

4.1 激光工藝參數(shù)對激光合金化的影響

4.1.1 光斑大小對激光合金化的影響

激光光斑大小是激光表面處理過程中的一個重要參數(shù)，既由設(shè)備的穩(wěn)定性決定，也關(guān)系到激光處理的效率。在試驗過程中借助了以前激光處理軋輥的情況和激光基礎(chǔ)實驗光斑分析后選用光斑大小為 φ4.0 mm、φ4.5 mm、φ5.0 mm 進行掃描實驗，選用功率為3.6 kW，速度2000 mm/min。經(jīng)過掃描后對其分析，在對 φ4.0mm、φ4.5mm、φ5.0mm 進行掃描實驗后，φ4.5 mm的表面質(zhì)量最好。光斑小，能量集中，對表面成型影響大；光斑大，照射面積大，不能充分熔合表面合金和輥面。

4.1.2 ab 值對激光合金化的影響

ab值的試驗結(jié)果如表2所示。

表2 ab值選擇試驗結(jié)果

從表2可看出：隨著ab值的增加，淬硬層深度呈下降趨勢，當ab值小于或等于1.3時，試樣表面被照射區(qū)域出現(xiàn)熔化；當ab值為1.6時，淬硬層的寬度最大，硬度也達到飽和值；再增加ab值，由于散焦射束的能量密度與距離的平方成反比，所以硬度有所降低。綜合起來，ab值應取1.6。

4.1.3 激光功率對激光合金化的影響

當光斑大小為φ4.5 mm，速度為2000 mm/min時，分別選用激光功率 p=3.2 kW、3.4 kW、3.6 kW、3.8 kW、4.0 kW 進行激光掃描，相關(guān)硬度、表面質(zhì)量、設(shè)備狀況的試驗結(jié)果如表3所示。

由表3可知，激光功率p=4.0 kW時，硬度相對較高，但設(shè)備穩(wěn)定性差，主要是功率波動大，且表面不平整，因此不適合進行激光合金化表面處理；激光功率p=3.2 kW時硬度提高不夠，與目標值不符；而當 p=3.4 kW、3.6 kW、3.8 kW 時，表面質(zhì)量和設(shè)備穩(wěn)定性都較好，但考慮到設(shè)備穩(wěn)定性，通常選擇p=3.6 kW。但在實際工作中，考慮到軋輥的磨損曲線問題和工藝要求等，也會選擇3.4 kW、3.8 kW兩種功率進行工作。

表3 硬度、表面質(zhì)量、設(shè)備狀況的試驗結(jié)果

4.1.4 掃描速度對激光合金化的影響

工件掃描速度在激光表面處理過程中是一個主要參數(shù)。在光斑為φ4.5 mm、激光功率3.6 kW時，光斑移動速度分別選擇 1000、1200、1500、1800、2000 mm/min，硬度試驗結(jié)果如表4所示。

表4 硬度試驗結(jié)果

當速度為1000 mm/min時表面燒損嚴重，并出現(xiàn)嚴重的凹凸不平，硬度較低；速度為2000 mm/min時，由于淬火時間不夠，硬度降低；在速度為1200～1500mm/min 時，硬度呈上升趨勢；1500～1800mm/min時硬度穩(wěn)定，并且差距不大，但是由于速度不同，淬硬層深度會不一樣，其中速度低時其深度要深一些。但在實際工作中，考慮到軋輥的磨損曲線問題以及工藝要求、處理部位等，應具體調(diào)整。

4.2 合金對激光合金化的影響

以球墨鑄鐵代鋼，是20世紀材料科學重大的技術(shù)進展之一。在鋼鐵廠，鋼軋輥的強度較好，主要應用在粗軋架次上，但存在軋件與軋輥不耐磨、孔型易老化的問題，軋鋼量較低；鑄鐵軋輥的強度雖然較鋼軋輥低，但其耐磨性比鋼軋輥好，軋件比軋輥耐磨，軋鋼量比鋼軋輥高，主要應用在精軋架次上。正因如此，攀鋼鋼鐵研究院、軌梁廠等單位才決定將BD2軋輥由鍛鋼60CrNiMo改為球墨鑄鐵軋輥。

鑄鐵的組織由基體和石墨組成。石墨十分松軟而脆弱，抗拉強度在20 MPa以下，延伸率趨于零，就像金屬基體中的孔洞和裂縫。因此，鑄鐵的性能取決于金屬基體的性能和石墨的性質(zhì)及其數(shù)量、大小、形狀和分布。采用激光合金化的最大難點也在于鑄鐵中有石墨的存在。而用于鑄鐵軋輥的材料是球墨鑄鐵，石墨呈現(xiàn)球狀，組織為球光體，塑性和韌性相當高，延伸率為10%～20%，沖擊韌性可達50～150 J/cm，且耐磨性好，正因如此才用軋輥。同時，球墨鑄鐵還可通過熱處理使基體得到下貝氏體、回火馬氏體、回火索氏體等組織，從而使其具有更高的強度、塑性和斷裂韌性。這也正是課題組采用激光合金化方式對其進行表面強化的重要因素。

激光合金化時，其最終組織特征與激光合金化的工藝條件有關(guān)，即與激光功率密度、掃描速度、合金粉末層及其厚度等因素有關(guān)。它們決定了激光合金熔池中的溫度梯度、冷卻速度；而激光合金化的基材、合金元素類型以及合金濃度則決定了激光合金熔池的凝固速度，冷卻速度越大，凝固組織越細小。

按照合金元素與碳的相互作用情況，合金元素分為：碳化物形成元素和非碳化物形成元素。Cr是碳化物形成元素，屬于中強碳化物形成元素；Ni是非碳化物形成元素。在NiCr-Cr3C2粉末[w(NiCr)=25%，w(Cr3C2)=75%]中，主要含有 Cr、Ni、C 三種合金元素，在激光合金化過程中，它們都能溶入奧氏體中，都能推遲奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變，降低鋼的臨界冷卻速度，增加淬透性，并形成大量的（Fe，Cr）23C6碳化物，從而提高硬度。同時，Cr是鐵素體形成元素，是具有封閉奧氏體相區(qū)的元素，增大熔體粘度，從而增大熔體運動的內(nèi)摩擦阻力，這也正是不能直接采用純Cr合金粉的原因。而Ni是擴大奧氏體形成元素，是具有擴大奧氏體相區(qū)的元素，降低熔體粘度，使熔體的對流性變好，這有利于表面合金的成分趨于一致。因此，在激光合金化過程中，在熔池表面上存在表面張力梯度。正是這個表面張力梯度成為合金熔體在熔池對流的驅(qū)動力，使激光制備表面合金成分在宏觀上基本均勻。

因此，本研究采用NiCr-Cr3C2粉末[w(NiCr)=25%，w(Cr3C2)=75%]較為合理。

5 工業(yè)應用

5.1 一孔、二孔激光合金化工藝和檢測結(jié)果

上輥第一孔1、上輥第二孔2、下輥第一孔1a以及下輥第二孔2a。合金化處理工藝及檢測結(jié)果如表5所示。底槽即為孔的底面，凸部為底面上的凸起，側(cè)壁即為孔的側(cè)面。

表5 孔1、2合金化處理工藝及檢測結(jié)果

凸部包括凸側(cè)和凸頂，軌頭側(cè)壁上30 mm和軌底上沿15 mm不處理，并且軌頭距孔頂60～120 mm處和軌底距孔底30～120 mm處按側(cè)壁處理，其余側(cè)壁處按速度1000 mm/min處理。

5.2 三孔、四孔激光合金化工藝及檢測結(jié)果

上輥第三孔3、上輥第四孔4、下輥第三孔3a以及下輥第四孔4a。合金化處理工藝及檢測結(jié)果見表6。底槽即為孔的底面，凸頂為底面上的凸起的頂面，凸部倒角即為凸部上的倒角，側(cè)壁即為孔的側(cè)面。

軌頭側(cè)壁上沿20 mm和軌底上沿15 mm不處理，側(cè)壁上如果存在未車削掉的疲勞層用除銹砂輪除掉表面的銹蝕，并且在激光處理完畢后將疲勞表面打磨平，并且軌頭距孔頂50～95 mm處和軌底距孔底30～120 mm處按側(cè)壁處理，其余側(cè)壁處按速度900 mm/min處理。

5.3 五孔激光合金化工藝及檢測結(jié)果

上輥第五孔5以及下輥第五孔5a。合金化處理工藝及檢測結(jié)果見表7。如圖1所示，底槽即為孔的底面，凸頂為底面上的凸起的頂面，凸部倒角即為凸部上的倒角，側(cè)壁即為孔的側(cè)面。

由于5孔是最后的成型孔，所以表面要求高一些，并且其表面的磨損比4孔小，所以5孔的工藝與4孔不一樣，此處的側(cè)壁是指5孔的軌底，軌頭只處理圓角。凸部包括側(cè)壁和凸頂，側(cè)壁上沿30 mm不處理。

表6 孔3、4合金化處理工藝及檢測結(jié)果

表7 孔5合金化處理工藝及檢測結(jié)果

表8 激光合金化軋輥使用情況統(tǒng)計

5.4 工業(yè)應用結(jié)果

根據(jù)上述工藝，在試制期間采用激光淬火工藝技術(shù)分兩次對12組球墨鑄鐵軋輥進行了一次激光表面合金化試制，并于2012年9～10月陸續(xù)上機使用，具體情況如表8所示。

從工業(yè)試驗結(jié)果可看出，球磨鑄鐵軋輥經(jīng)激光激光表面合金化處理后經(jīng)上機試用，平均過鋼量達1.2萬t，這與軋制的鋼種有關(guān)，而新輥的過鋼量為5000～6000 t，即經(jīng)激光表面合金化后的輥上機使用的平均過鋼量為新輥的兩倍；同時，下架后其表面龜裂明顯少于以往未經(jīng)激光合金化處理的軋輥，經(jīng)量板測量結(jié)果顯示：未經(jīng)激光處理的軋輥其磨損量為6～8mm，經(jīng)激光處理后軋輥的磨損量為2～3mm，而且各孔的表面狀況和磨損量都顯示仍可繼續(xù)使用1～2個斑，達到了課題預期目標，使用效果良好。

6 結(jié)論

（1）采用激光合金化工藝對球磨鑄鐵軋輥進行表面強化處理的工藝路線正確，突破了長期以來在軋輥激光表面強化領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，開創(chuàng)了激光表面強化技術(shù)應用的新領(lǐng)域。

（2）球磨鑄鐵軋輥經(jīng)激光合金化處理后，合金化區(qū)硬度較高，提高了耐磨性，能有效減少表面龜裂，減少金屬粘著，激光合金化效果明顯。

（3）球磨鑄鐵軋輥經(jīng)激光合金化處理后，提高了單位軋輥的軋制量，并能減少軋輥的車削次數(shù)，大大延長軋輥的使用壽命，降低噸鋼軋輥消耗量，是降低企業(yè)生產(chǎn)成本的有效方法之一。

（4）激光合金化技術(shù)可采用靈活的工藝控制技術(shù)，可針對孔型軋輥不同部位的要求，制定多種工藝參數(shù)，最大限度地保證孔型磨損的均勻程度。

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