激光熔覆技術在軋機襯板的應用研究

閆超

（北京首鋼機電有限公司遷安機械修理分公司，河北 遷安 064400）

耐磨復合鋼板是一種采用復合技術生產的耐磨復合材料，在設計上綜合了耐磨合金和基體材料的優點，并彌補了各自的不足，具有單一金屬或合金無法比擬的優異綜合性能，因此被廣泛應用于許多工業領域。耐磨復合鋼板一般是在普通低碳鋼板表面復合一層耐磨性比普通碳鋼高數倍的耐磨材料，復材提供較高的硬度和優良的耐磨性，基材提供良好的韌性和可焊性，具有良好的綜合性能。耐磨復合鋼板的使用除了能顯著提高零件的使用壽命之外，還可顯著減少合金材料的消耗，使各種裝備的材料成本大為降低。

熱軋軋機設備所采用的襯板主要在軋機機架與軋輥軸承座之間起到導向的作用。機架襯板的硬度范圍通常為HRC58～62。襯板的硬度不僅提高了材料的耐磨性能，同時也提高了材料的抗拉強度，可有效防止由于摩擦而產生的劃傷或硌痕。由于襯板在工作過程中要經受軸承座滑動副的滑動摩擦、來自軋制過程中的巨大沖擊力以及來自高壓噴水的腐蝕和氣蝕影響，磨損及碎裂趨勢非常嚴重，用單一材料已無法滿足襯板苛刻的使用要求。就目前國內軋機所使用的襯板來看，主要有幾種類型，即表面感應淬火襯板、表面氮化襯板和復合襯板，目前，生產耐磨復合襯板的方法主要有表面淬火、鑄造、堆焊和爆炸等。耐磨復合襯板的結構相對簡單，但其制造方法卻有很多問題難以攻克，生產難度較大，成品率不高。

1 激光熔覆技術的原理和特點

1.1 激光熔覆原理

激光熔覆技術是以不同的填料方式，在被涂覆基體表面上增加已選擇的涂層材料，經激光輻射使之和基體表面同時熔化，并快速凝固形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結合的表面涂層，具有熱影響區小、稀釋率低、熔覆層晶粒度細、表面硬度高、耐磨性能好等優點。可有效改善基體材料表面的耐磨、耐腐蝕和抗氧化等性能。

1.2 激光熔覆技術主要應用范圍

（1）熱軋層流冷卻區域的層流冷卻輥、精軋活套輥等。

（2）熱軋卷曲區域的助卷輥、機架輥、卸卷小車托卷輥等。

（3）熱軋軋機牌坊、牌坊襯板、軋機的激光熔覆制作。

（4）電機、風機轉子軸承位等的激光熔覆補償尺寸。

（5）階梯墊、碾壓輪、去毛刺機及碎邊剪刃等關鍵部件的激光熔覆補償焊接。

2 軋機襯板的激光熔覆應用

2.1 軋機襯板基本情況

軋機襯板一般長方薄板結構，厚度尺寸25～50mm。工作表面硬度為HRC 56～62，工作表面粗糙度Ra 0.8，平面度≤0.05mm。

2.2 軋機襯板試驗過程

以規格750×670×30mm軋機襯板為例，圖紙要求材質為C45+N，表面硬度HRC50～56，硬化層深度2～4mm。針對此種襯板，前期無自主制作能力，主要采購爆破板制作的成品。

為進一步開發軋機襯板制作能力，公司計劃試驗開發自主化制作軋機襯板。在襯板制作試驗中，首先采用表面淬火技術進行試驗制作。首次試驗襯板，厚度方向留1mm余量進行單面表面淬火，但是工件淬火后變形嚴重，變形量超過4mm，在硬度和平面度方面均不能達到圖紙要求，校平之后為提升硬度對工件進行二次表面淬火，淬火之后在螺紋孔位置產生裂紋，首次試驗失敗。

二次試驗時總結第一次失敗經驗，越厚的鋼板在淬火之后的變形量越小，制定工藝流程為使用60mm鋼板下料，采用激光表面淬火，淬火完成后工件變形量為4mm，隨后進行厚度尺寸加工，并在銑削過程中多次校平防止變形，留1mm磨削余量，校平之后磨削最后成品，計劃對襯板淬火面精磨一刀見光，滿足粗糙度要求即可，背面磨削下量保證厚度。磨削之前最后一次校平，塞尺檢測變形量小于0.3mm，但是此襯板變形形式為4個角翹起，平面中心與四角之間存在高度差，此種變形形式恰好為塞尺檢測盲點，淬火面磨平見光之后將淬火層磨掉，造成硬度不夠，二次試驗依然失敗。

分析第二次試驗失敗原因，加工之后應力變形導致襯板四角翹起，雖然塞尺檢測變形量符合工藝要求，但實際變形量較大，磨削過程磨掉了淬火層，造成硬度值不足。

2.3 為了解決前兩次試驗失敗問題，重新制定襯板試驗方案

綜合試驗加工過程中板面變形情況及現場使用情況，確定采用激光熔覆的方式來滿足工作面的使用要求。襯板基材使用42CrMo鋼板，基材調質處理，硬度HB214-255，考慮激光熔覆焊接變形問題，對圖紙有硬度要求的面進行激光焊接，熔覆層厚度2.4mm左右，機加工后有效層厚度大于1.5mm，可滿足現場使用要求。

2.4 激光熔覆焊粉選擇

2.4.1 襯板化學成分（如表1所示）

表1 襯板化學成分表

2.4.2 硬度檢測結果

硬度檢測結果為HB214～255。

2.4.3 碳當量計算

w(C)eq=(C)+1/6w(Mn)+1/5w(Cr)+1/5w(Mo)+1/5w(V)+1/15(Cu)+1/15w(Ni)

其中：w(X) 表示該元素在鋼中的質量分數（%）,計算碳當量時應取其上限。

根據上式和SNCM420化學成分含量表，得到碳當量：Ceq=1.32。

2.4.4 原材料選用

通過對母材元素成分和表面硬度要求進行分析，確定使用-11粉末進行熔覆。熔覆后表面硬度約 HRC50～53。-11粉末具體成分如下。

表2 -11焊粉成分

2.5 具體工藝流程

按圖紙規格下料鋼板，長寬留量10mm，厚度留量5mm，先粗銑鋼板上下表面，保證平行度要求，厚度留量2mm左右，再對鋼板工作面進行激光熔覆。激光熔覆過程將鋼板直立，使用壓板緊固到胎具上。同時鋼板按照1/6進行分區，分別進行單塊交叉激光熔覆以減少焊接變形，過程中隨時監測變形量，變形量大于2mm時使用矯平機進行矯平加工，矯平后再繼續激光焊接。激光焊接參數：窄光斑4.3mm，焊接速度18mm/s，步進1.6mm，送粉量2r/min，功率2800W。焊接厚度為2.4mm。激光焊接完畢進行退火處理，退火要求：溫升速度100℃/h，升至500℃保溫4h，隨爐冷卻至300℃，開爐門空冷至室溫出爐。將襯板上壓力機進行矯平，未焊接面變形量＜0.3mm，為加工做準備。

激光熔覆后加工不再采用磁臺吸附加工方式，改用螺栓安裝方式進行表面加工。根據襯板孔的尺寸及特點，對孔加工分粗精加工兩道序，前期將孔制作成雙面臺階孔，并制作安裝胎具，便于螺栓安裝。通過2～3遍的翻面加工，不僅保證了襯板工作面熔覆層厚度尺寸≥1.5mm，同時也能夠保證襯板的平行度要求。當襯板表面精銑完成后，再按照圖紙完成工藝孔位的擴孔加工，成品襯板表面使用拋光機打磨，提高粗糙度。

經過加工工藝的改進，配合熔覆面后的校平，能夠保證襯板圖紙尺寸及工藝要求。襯板試制成功，并安排上線使用。

3 軋機襯板上線使用效果評定

經過激光熔覆技術制作的軋機襯板，主要應用于熱軋1580精軋機F5牌坊，根據在線使用情況跟蹤統計，在線使用過鋼量30萬t后，測量襯板各部尺寸，最大磨損量小于0.1mm，滿足了實際生產需求，達到了預期目的。

4 結語

利用激光熔覆技術制作的軋機襯板，保證了襯板的尺寸精度要求，能夠達到耐磨損、防腐蝕的技術要求，較傳統的表面淬火襯板、爆破復合襯板等優勢明顯，既滿足了生產需求，又能夠降低備件費用。激光熔覆技術解決了傳統焊接過程中不可避免的熱變形嚴重等問題，在未來的冶金行業應用會越來越廣泛。