層流冷卻輥激光熔覆修復(fù)及再制造技術(shù)

裘偉峰，呂艷春

（北京首鋼機(jī)電有限公司遷安機(jī)械修理分公司，河北 遷安 064400）

層流冷卻輥在熱軋過程中位于精軋和卷取之間，作用是對(duì)成品板帶進(jìn)行輸送和層流冷卻。每條產(chǎn)線大約需要300多根層流冷卻輥，其工況條件惡劣，長(zhǎng)期承受400~600℃高溫鋼板的滑動(dòng)摩擦，同時(shí)，在冷卻水的工況下，還要承受交變負(fù)荷（冷熱疲勞）和局部壓入負(fù)荷，接觸的主要介質(zhì)是水和水蒸氣。其工況要求輥道涂層具有較強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度、耐沖擊載荷、防腐蝕性和耐磨性能等。本文選擇目前最先進(jìn)的激光熔覆修復(fù)及再制造技術(shù)，較之前的噴焊技術(shù)相比，主要解決了原工藝出現(xiàn)的裂紋、氣孔、沙眼等問題。

1 激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)是在金屬材料表面添加熔覆粉末，利用高能密度激光束輻照迅速加熱，使熔覆粉末和金屬基材表面發(fā)生熔化，激光束移開快速凝固，從而在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的高性能激光熔覆層。修復(fù)或提高基體所缺少的高性能，能顯著改善金屬材料表面的耐磨性能、耐蝕性能、抗氧化性能等，是激光表面改性技術(shù)的一種重要方法。

由于激光技術(shù)會(huì)產(chǎn)生近似絕熱的快速加熱過程，激光熔覆對(duì)基材的熱影響效應(yīng)較小，因熱膨脹引起的變形也小。運(yùn)用激光熔覆技術(shù)制備出的涂層組織致密均勻，微觀缺陷較少，能夠得到完全緊密的冶金結(jié)合涂層。

與其它表面改性技術(shù)相比，表面激光溶覆技術(shù)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，冷卻速度極快，所得的組織具有典型的快速凝固特征；第二，熱輸入少，工件變形小，涂層稀釋率低；第三，激光熔覆層與基體的結(jié)合性能優(yōu)良，結(jié)合層為冶金結(jié)合；第四，激光熔覆層成分可控，質(zhì)量穩(wěn)定，制備過程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可對(duì)失效工件進(jìn)行修復(fù)處理。

表1 不同粉末工藝評(píng)定成分及硬度檢測(cè)結(jié)果

2 激光熔覆技術(shù)在層流冷卻輥修復(fù)中的應(yīng)用

通過查找相關(guān)資料，層流冷卻輥較為常見的修復(fù)工藝為噴涂Ni60自熔性合金粉末，噴涂后再進(jìn)行重熔處理。經(jīng)生產(chǎn)試驗(yàn)表明，該方法存在以下弊端：（1）成品率低，主要表現(xiàn)在軸端筋板焊接位置容易出現(xiàn)氣孔、夾渣、未熔透等缺陷，原因?yàn)樵撐恢迷谥厝谶^程中不易控制溫度，重熔鏡面難以觀察；（2）成本較高，噴涂的合金粉末得粉率低（約70%），且粉末價(jià)格相對(duì)較高；（3）自動(dòng)化程度低，主要為手工操作，靠員工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行質(zhì)量的控制。

為了進(jìn)一步降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量，經(jīng)大量調(diào)研及廠內(nèi)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，我單位采用了激光熔覆手段進(jìn)行修復(fù)層流冷卻輥。

2．1 材料選用及工藝評(píng)定

為了確保熔覆層具有較強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度、耐沖擊載荷、防腐蝕性和耐磨性能，結(jié)合使用工況，與原材料廠家共同進(jìn)行了粉末的研制，并提供小樣進(jìn)行試驗(yàn)工藝評(píng)定。不同粉末形貌特征如圖1～4所示。

圖1 SY-01粉末形貌

圖2 SY-02粉末形貌

圖3 SY-03粉末形貌

圖4 SY-04粉末形貌

圖5 激光熔覆試驗(yàn)過程

圖6 激光熔覆試塊

為了降低生產(chǎn)成本，采用鐵基粉末進(jìn)行試驗(yàn)。針對(duì)每種粉末，進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn)工藝評(píng)定，如圖5和圖6，熔覆功率2400W，熔覆后進(jìn)行機(jī)加工處理，并對(duì)成分和硬度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

經(jīng)工藝評(píng)定，SY 04粉末的熔覆效果較好，且硬度符合圖紙技術(shù)要求（55~60HRC）。同時(shí)，對(duì)SY 04粉末基體與熔覆層的冶金結(jié)合效果進(jìn)行檢測(cè)，如圖7和圖8所示，結(jié)合效果較好，不存在熔覆層剝落的隱患。

圖7 界面冶金結(jié)合（200X）

圖8 界面冶金結(jié)合（500X）

2．2 工藝流程及參數(shù)設(shè)置

主要工藝流程如下：回廠輥道的拆卸→輥道表面機(jī)加工（去除疲勞層）→輥道表面毛化→輥道表面預(yù)熱→輥到表面激光熔覆→熔覆層的加工→輥道動(dòng)平衡→輥道檢驗(yàn)合裝。

激光熔覆工序參數(shù)設(shè)置。激光功率：P=2400W；送粉速度：1.5~2.0L/min；工藝速度：15~18mm/s（轉(zhuǎn)速：9.25~11.11mm/s）；激光平移速度：0.003~0.004mm/s。

圖9 激光熔覆修復(fù)層流冷卻輥

圖10 機(jī)加工后形成成品

激光熔覆后，按照?qǐng)D紙要求尺寸，對(duì)熔覆層進(jìn)行機(jī)加工，最終形成成品尺寸（300+0.1mm），硬度值范圍為57~60HRC，表面無氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。

2．3 產(chǎn)品在線跟蹤效果評(píng)定

經(jīng)廠內(nèi)質(zhì)檢人員檢測(cè)，激光熔覆修復(fù)的層流輥各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合圖紙技術(shù)要求，試驗(yàn)的兩根輥?zhàn)佑?016年5月16日在首鋼京唐公司2250mm熱軋產(chǎn)線進(jìn)行上線試驗(yàn)，為了重點(diǎn)跟蹤在線使用效果，每次利用停機(jī)檢修時(shí)間對(duì)輥面進(jìn)行查看，未出現(xiàn)異常磨損情況，且輥面無凹坑、剝落、點(diǎn)蝕等缺陷，在線使用周期已超過原噴焊工藝2年使用周期的要求。

3 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)室工藝評(píng)定及產(chǎn)品的上線試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用鐵基粉末激光熔覆修復(fù)的層流輥在線使用穩(wěn)定，能夠達(dá)到使用要求。較原噴焊工藝修復(fù)的輥?zhàn)映善仿拭黠@提高，一次校驗(yàn)合格率達(dá)到100%，能夠得到高質(zhì)量的涂層，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高了自動(dòng)化程度，產(chǎn)品質(zhì)量得到了有效控制。