激光表面工程技术在冶金轧辊及剪刃上的应用研究.docx

1、激光表面工程技术在冶金轧辊及剪刃上的应用研究激光表面工程技术在冶金轧辊及剪刃上的应用研究一、概述激光表面工程技术属光、机、电一体化科学范畴。现代材料科学和冶金工程应用表明，冶金工程的工件失效大都发生在表面。激光技术的出现，为冶金备件表面强化提供了又一新型技术手段。激光表面工程技术体现在激光的产品化研究方面，主要侧重于对工件进行表面淬火处理。此技术具备高性能表面改性，能达到零件成本与工作表面高性能的最佳结合的特点。表现在：快速的热处理速度和冷却速度，0.1s可完成淬火处理，效率高，成本低；淬硬层可精确控制，是一种精密的节能热处理工艺技术。变形小，且几乎无氧化脱碳现象；硬度、耐磨性、抗疲劳性能大幅

2、度提高，还可制备特殊的耐蚀性能表层；可实现自冷淬火，不需要冷却介质；一般不需真空条件，即使进行合金化处理时，也只需要吹保护气体即可有效防止氧化烧损；易实现自动化，可实现立体曲面自动处理，是一种先进的无污染的新型表面强化技术。所以，国内外近年来，在冶金备件表面改性、修复方面得到了广泛应用。激光表面工程技术应用到工件的金属表面强化，硬度可达到6370HRC，能有效地增强工件的耐磨、韧性，同时又能保证工件的内部组织性能不变。这就是为什么美国通用汽车公司1978年就规定其3EMD柴油机汽缸套必须经激光处理方可出厂的原因所在。正因如此，俄罗斯高温研究所与俄罗斯第二大钢铁联合企业-切内波菲茨钢铁联合体于1

3、986年合作，进行了1020kw激光表面硬化处理大型轧辊产品化研究，于1990年取得了成功，并已在切内波菲茨钢铁联合体安装了1台万瓦激光轧辊表面处理设备，经激光硬化处理后的轧辊表面硬度，由原来的51HRC上升到6570HRC，轧辊寿命也由原来的8小时更换一次提高到24小时更换一次，仅以减少轧辊换辊时间一项，每年该厂可提高钢产5以上，经济效益十分显著。近年来，日本、德国、法国、英国、意大利等国也在积极开展这方面的研究。我国激光淬火技术的研究始于二十世纪八十年代初期，近年来有不少大中型企业对此项目十分感兴趣，相继建成了数十条激光淬火生产线，取得了较好的经济效益。如长春第一汽车集团公司和北京吉普车公

4、司先后将激光技术用于汽车缸套内壁的强化；冶金行业的钢、钢、钢等已购置了23KW的CO2激光表面淬火设备，对工件进行表面处理，因功率低，限制了生产效率、处理工件的种类及表面处理质量；而钢铁公司、W钢、XJ八一钢厂用激光技术对轧辊进行表面淬火或熔凝处理，已取得较显著效果。如TJGG公司轧制钢管的无限冷硬球墨合金铸铁轧辊由处理前的8小时延长到24小时加工一次。PG集团公司XL公司于2001年5月建成一套6KW激光生产线，成立了研发机构，一直在从事激光产品化研究。目前，在轧辊、剪刃类等激光强化处理项目上取得了显著成效与成功。二、课题研究与试验装置1、研究课题的确立众所周知，轧辊是冶金行业应用量很大的大

5、型工具，剪刃是该行业的备件，它们的工作条件恶劣。钢材轧制压延工程中，需要大量的轧辊，钢材要剪切，须耗废大量剪刃。无论是钢制或球铁冷、热轧辊或高性能剪刃，失效的最根本的原因是其表面硬度不够，表面淬硬层和过度层硬度配合不当，内应力不均等，使用中产生了裂纹、剥落以致断裂。据冶金部门的统计资料表明，国内轧辊利用率平均在60，不正常报废率达50，其中：断辊率为15，剥落率30，其它损坏5。备件消耗构成了冶金行业生产成本的重要组成部分，一般占到产品成本的710。轧辊、剪刃这种不同程度的表面失效，造成吨钢备件消耗高，影响轧材成材率与质量。多年来，科研院所总是从材质方面进行研究，一直未能得到明显的效果。将激光

6、技术的应用到PG的工艺备件的表面强化方面，如应用到热轧板厂剪刃（年耗130件/53万元），R1、R2轧辊（年耗40件/760万元，可处理403次），轨梁厂的950轧辊（年报废量12件/462万元，可处理123次），提高这类工件的均匀硬度，达到提高备件寿命，实现备件的长寿化的目的，是提高PG（集团）公司综合经济效益的一种有效途径。所以，我们确立了以轧辊、剪刃激光处理为研究对象的课题。具体研究对象为：PG厂的950轧辊，材质为60CrMnMo；PG板厂的R1、R2工作辊，材质为155CrNiMo；PG板厂的纵、横剪切机剪刃，材质为6CrW2Si。2、试验装置试验用的主体装置是利用PG集团公司XL公

7、司拥有的公司生产的GFT-C型激光多功能加工系统。主要设备配置6KW HJ3000型CO2激光发生器 一台JGXK-型激光功率计及显示控制仪 一台激光专用水冷机组 一套PLC数控台 一台六轴四联动激光数控加工机床 一套能源设施 一套辅助设施：硬度计、放大镜、天平、量筒等。主要技术参数 激光额定功率6KW，飞行光束，同轴定位；激光额定功率6.0KW，波长为10.6m，输出光束模式为多模，连续工作可达8小时以上，输出稳定性为2%。聚焦透镜用GaAs，聚距f=500mm，孔径D=50mm，激光束经铜反射镜转向90垂直投射在水平工作台上，调整离焦量可改变光斑直径d。枪头可精确调整和自动控制。 X轴（横

8、向）极限行程1000mm； Y轴（垂直）极限行程300mm； Z轴（纵向）极限行程3400mm； 主轴调速范围：两档调速，档：0.11rpm，档：0.66rpm； 主轴距工作台面距离（中心高）950mm；机床外型尺寸：800028002600。三、试验材料与方法1、试验材料试验材料从研究对象的报废备件上截取，化学成分见表13。将轧辊类试验材料分别制备成2004060的试块各12块，剪刃类备件取原规格作试块。分R1、R2、950、剪刃类各三组，每组3块，分别编上R1相1、2、3，R1微1、2、3，R1凝1、2、3，R1合1、2、3；R2相1、2、3，R2微1、2、3，R2熔1、2、3，R2合1、

9、2、3，以此类推。所使用的试块按原工件的生产工艺进行正火调质处理，调质处理工艺如图1、2所示，调质处理后制备金相试样，试块显微断面硬度在HRC5155范围，将试块表面磨平后以备激光处理。表1 试验材料（155CrNiMo）化学成分（质量分数）元素 C Mn Cr Ni Mo Si P S含量 1.56 0.98 0.83 0.79 0.19 0.56 0.02 0.015表2 试验材料（60CrMnMo）化学成分（质量分数）元素 C Mn Cr Ni Mo Si P S含量 0.550.65 0.71.0 0.81.2. 0.79 0.20.3 0.250.40 0.02 0.015表3 试验

10、材料（6CrW2Si）化学成分（质量分数）元素 C Mn Cr Ni W Si P S含量 1.56 0.98 0.83 0.79 0.26 0.65 0.02 0.015 850 550 3h 820 500 4h 2h 3h油冷 炉冷 油冷 炉冷 h h图1 轧辊钢热处理工艺曲线 图2 剪刃钢热处理工艺曲线2、试验方法分别将各类的相变组、微熔组、熔凝组、合金化组试块涂上黑（或白）涂料、合金粉，采用相变、微熔、熔凝、合金化工艺在6Kw CO2横流激光器上进行激光单道试验，具体试验方法为试块的现场试验与实验室实验结合进行，再对工件采用调质处理激光淬火激光回火工艺流程进行工业性试制，其中调质处理

11、如图1、2所示。、试验相变处理工艺轧辊类试块相变处理工艺激光处理前质量检验：探伤排除缺陷。检查表面平整度。对HRC65的试块，应进行退火处理。调质处理（见图1）工艺参数选择：功率P=30003500w，扫描速度F=15001800mm/min，光斑D=6，搭接Da=1。回火：P=3000，扫描速度F=2000mm/min，光斑D10，搭接Da=1。注意事项：对光角度的合理选择，尽量选择85度的角度。因为激光的反射光很强，如果角度太直的话，反射光线容易反在镜头上，有时还会按原光路反回，如是那样的话前腔镜及有被打烂的可能。检验入库。剪刃相变处理工艺除P=22002500w，调质处理（见图2）外，注

12、意事项同上。、试验微熔处理工艺轧辊类试块微熔处理工艺激光处理前质量检验：探伤排除缺陷。检查表面平整度。对HRC65的试块，应进行退火处理。调质处理（见图1）工艺参数选择：功率P=35003700w，扫描速度F=15001800mm/min，光斑D=5，搭接Da=1。回火：P=3500，扫描速度F=2000mm/min，光斑D10，搭接Da=1。注意事项。剪刃微熔处理工艺除P=250028000w，调质处理（见图2）外，其他条件同轧辊微熔工艺。、试验熔凝处理工艺轧辊类试块熔凝处理工艺激光功率P=35004000W，其它条件同。剪刃微熔处理工艺激光功率P=32003700W，其它条件同。、试验合金

13、化处理工艺轧辊类试块合金化处理工艺分两次合金化进行，第一次激光功率P=40004800W，搭接Da=2，光斑D=4，扫描速度F=10001500mm/min，黑涂料S157：A1=3：2：1；第二次P=4000W，搭接Da=2，光斑D=6，扫描速度F=1800mm/min，黑涂料S157=3：1，目的是进行激光回火消应。其它条件同。剪刃合金化处理工艺激光功率P=35004000W，搭接Da=2，光斑D=4，扫描速度F=10001500mm/min，黑涂料S157：A1=3：2：1；第二次P=4000W，搭接Da=2，光斑D=6，扫描速度F=1800mm/min，其它条件同。、实验室试验试块现场

14、试验处理后，用机加工方法制备金相试样，利用光学显微镜、扫描电子显微镜及显微硬度计进行微观组织观察分析及显微硬度测试。同时，为研究材料在激光处理状态下的的抗磨损性能，分别将相变组、微熔组、熔凝组、合金化组试样在不同温度下回火一定时间后进行磨损性能对比实验。四、试验结果与分析1、试块经调质处理后的金相显微组织试块经调质处理后的金相显微组织呈索氏体组织特征，由于基体碳含量较高，有较严重的成分偏析，因此，调质后的索氏体组织相当不均匀，局部区域可看到二次碳化物呈块状或条状分布，有些碳化物呈粒状沿原奥氏体晶界分布，具有较高的硬度（HRC5155）、耐磨性和一定的韧性，如图3所示。图3 200试块基体SEM

15、特征 图4 32 60CrMnMo淬硬组织特征2、激光表面强化处理后的组织分析与实验激光表面强化技术方式一般为：激光相变硬化、熔覆、熔凝、合金化。这种激光淬火形式是用聚焦的高能激光束照射金属工件表面，使被照射区域快速升温到相变温度以上，工件表面层转变为奥氏体组织；当激光从该加热区移走后，利用工件自身导热作用，加热区的热量立即被周围冷金属吸收而急速冷却，从而奥氏体转变为高硬度的马氏体组织。由于激光淬火加热和冷却速度极快，相变上凝界点可高至熔点，这是常规热处理所无法比拟的。因此，激光淬火能获得优异的组织结构，硬化层中的晶粒较细，马氏体区域尺寸较小，亚结构细化和未熔碳化物质点超细化，比常规淬火硬度高

16、，从而能提高其耐磨性。经调质处理又可以合理配置表面硬化层和过渡层的硬度分布。机理与金相分析实验发现，通过激光处理后的表层组织呈显著变化。在激光相变硬化、熔覆（暂未进行应用研究）、熔凝、合金化处理方式中，激光熔凝较具代表性，为了便于说明，下面将以激光熔凝处理为例进行分析说明。图4为采用激光快速熔凝处理技术后淬硬层的马氏体+残余奥氏体枝晶组织相。试块表面形成一层厚度为1.52mm细化、高强韧性、高耐磨金相组织的合金层。该组织存在一、二次枝晶，由于马氏体晶粒细化，合金元素含量及亚结构密度增加，组织具有较高的强韧性；同时，非连续地分布其中的碳化物的枝晶组织，晶粒也明显细化，提高了组织的韧性，组织具有较

17、高的硬度及耐磨性。这种超细化、过饱和、高度弥散、非连续较均匀分布的碳化物强化相颗粒是较典型的金相组织特征，此强化层组织与基材相比发生了根本性的变化具体可归纳为：由于熔化层瞬间快速加热和冷却，原始组织发生完全熔化和超快速凝固，因此形成了均匀、致密、高度细化的过饱和高碳、高合金度马氏体固熔体，产生了显著的固熔强化作用；由于快速熔固碳化物强化相来不及长大而极其细小、弥散、均匀地分布在固熔体晶体及晶间，产生了显著的弥散强化作用；由于组织高度细化，产生了显著的晶粒细化强韧化作用，因此在提高合金强度的同时，显著提高了它的塑性和韧性；由于组织均匀化和致密化，原始组织中的应力、偏析、微裂纹、气孔、夹渣等缺陷得

18、到了根本性的消除和愈合，因此产生了显著的均匀化和致密化作用；由于碳化物的弥散和均匀分布可以有效地阻止晶粒长大，因此均匀细化的合金相组织具有高度的热稳定性。从而确保了诸如轧辊在高温轧制过程中不会产生由于退火而软化的现象，保证了轧辊表面在高温轧制后，仍具有高的强度；对于一般合金铸铁类金属，由于快速凝固过程中的冷却速度抑制了石墨相在凝固过程中的产生，从而形成过饱和的高碳马氏体及弥散碳化物，显著提高合金表面硬度和耐磨性；对球墨铸铁，快速熔化及凝固可以部分甚至完全使球状石墨熔解至熔体，并以碳化物和过饱和、固熔体方式凝固及析出，因此可以显著提高这类金属表面硬度和耐磨性；对高镍铬无限冷硬合金铸铁类轧辊金属，

19、由于离心浇铸硬化层合金组织本身即为十分细小的白口铸铁组织（组织相为马氏体+细小碳化物），因此其原始组织一般具有较高的硬度（HRC60以上）及耐磨性。采用激光快速熔凝处理要求轧辊表面达到超过离心浇铸时的冷却速度。一般采用高能密度、快速扫描速度及较小的叠带宽度，并保证达到上述冷却速度及熔凝厚度，以避免叠带处的碳石墨化。国内、外理论分析与实践均表明采用适当的熔凝参数可以进一步明显提高轧辊表面的耐磨性。对通过激光熔凝（微熔）后的试块剖面组织进行低倍显微组织观察发现存在分布界限不很明显的四个区域。即表面白亮带为熔化区、白亮带下为相变区、其次为热影响区、基体区。此区域的分布，是激光淬火在金属表面温度的分布

20、造成。对这四个区在高倍放大镜下观察各区域的显微组织特征情况如下：熔化区：沿表层向里依次为树枝状结晶区和胞状结晶区，其中胞状结晶区和相变区界面构成熔合线（可称半熔化区），在固液界面处熔凝区侧存在难以腐蚀的白亮带，经深腐蚀后可显胞状晶特征，如图5所示。胞状晶上部为树枝状结晶态，经深蚀后看到，组织为粗大的片状马氏体和残余奥氏体，马氏体长度在1020um，呈“闪电状”分布，内部可明显看到“中脊面”存在，如图6所示。随扫描速度的增加，激光作用于试样的时间愈短，致使温度梯度和冷却速度增大，凝固组织特征由纯粹的树枝状晶长大为胞状树枝晶，在随后的冷却过程中，发生马氏体相变，因C元素较高，沿一次晶轴方向形成粗大

21、的马氏体可达20um左右，和一次晶轴的尺寸相吻合，且Cr、Ni、Mo、Mn等含量较高，存在大量的残余奥氏体，致使组织的硬度相对变化不大。 图5 500熔化区组织特征（胞状组织） 图6 800熔凝区组织特征相变区：在熔凝区以下是相变区，如图7、8所示。在图 图7 500粗相变区组织特征 图8 500细相变区组织特征7中，组织为针状马氏体+残余奥氏体+碳化物，其中残余奥氏体量较多，主要因为在熔凝层以下，温度较高，过热度较大，虽然奥氏体形核率很大，但奥氏体生长快而得到的奥氏体晶粒相对粗大。同时，合金碳化物溶解量较大，碳元素高温下扩散快，奥氏体后相对含碳量较大，固熔在奥氏体中的Cr、Ni、Mo、Mn或

22、W等元素较多，使Ms点降低，快速冷却中，得到的马氏体较大，残余奥氏体较多，但比熔凝层中的马氏体小得多，残余奥氏体也少得多，随着层深的增加，马氏体明显变细，碳化物增多，并且粒度增大，圆整度较小。图8中，存在残余碳化物，马氏体更细小，组织为“隐晶”马氏体，其中，白色组织为碳化物，它们的粒度均较细小。热影响区：该区域范围较窄，组织特征与基体相似。相变、合金化处理的金相相变处理金相与熔凝处理的相变区相似，合金化处理中，合金元素与基体间实现了原子结合，组织特征金相与熔凝处理的金相类似。（略述）硬度对比分析对比分析发现，经激光处理的试块存在明显的硬化现象。微熔处理硬度略低于熔凝，熔凝后的硬度略低于合金化。

23、这说明基体金属合金化后，合金固溶量及亚结构密度增加形成了强韧相，耐磨性较熔凝更优良。试块在不同的温度下回火2h，硬度值变化不大。表3结果表明激光处理的试块抗回火性能稳定。在下面的试制中，具体采取哪种激光处理技术方式，还须结合工件的工况及技术要求而定。表3 激光处理后显微硬度对比HRC处理方式 相变 微熔 熔凝 合金化试块1在450 5355 5861 6166 6570试块2在500 5354 5659 5965 6468试块3在550 53 5560 5864 6466为了理清工艺参数对硬度的影响，做了以下实验：以熔凝为例，当功率P一定，扫描速度u越大，实验表明峰值硬度越低，淬硬层深度H越小

24、。反之亦然；而当扫描速度u一定，P越大，峰值硬度越高，H越深，反之亦然；当P、U一定，光斑D越大，峰值硬度越低，H越浅。所以，淬火区显微硬度与淬硬层深度的关系式可表示为HP/（D*u）（H-淬硬层深度、P-激光功率、D-光斑直径、-扫描速度），一般情况H可达到0.52mm。工艺参数的匹配，可以参照在同一工艺条件下能量密度E（KW.mm-2）一定来进行设置。磨损性能对比实验为研究材料在受热状态下的抗磨损性能，将激光处理的试样分别在不同温度下回火2小时，利用销盘式磨料磨损试验机进行磨损性能对比实验，实验表明：试样在高温回火过程中有不同程度析出碳化物的弥散现象，同时由于晶粒细化使组织具有较高的抗回火

25、稳定性（见图3）。与常规处理相比（见图4），经激光处理后的残余奥氏体在含碳量、硬化分布及合金固溶含量、亚结构密度等方面均具有较大变化，形成强韧相。对材料的表层的力学性能产生了特殊的影响，尤其是在超细晶区的耐磨性能最好。 HRC 磨损失重10-1g 65 70 6060 50 4055 302050 合金化类 熔凝类 10 规处理相 微熔类 相变类 激光处理相10 20 30 40 50 60 70 80 450 500 550 磨损时间 h 图9 显微硬度与回火温度关系 图10 磨损性能比较3、工业试制根据试块试验分析，我们确立了950轧辊、R1、R2、剪刃的工业试制方案。对950轧辊用合金化

26、处理，对R1用微熔处理，R2用相变处理，剪刃类备件用相变处理。为了严肃工艺纪律，课题组制定了工业试制工序。激光试制工序工件进厂检测 、表面擦洗、除锈、去油污； 、表面观察有无缺陷、裂纹、粗糙度情况； 、硬度测量，测量基体硬度。工件图纸审视 、明确工件材质，化学成分，物理性能； 、明确工件的安装和使用情况； 、明确工件的处理要求，处理部位、处理范围、处理形状。制定加工工艺 、确定激光功率，光斑形状和大小，离焦量，光束入射角度； 、确定激光扫描方式，扫描轨迹； 、确定激光扫描速度，主轴转速，搭接量，进给量； 、根据处理部位编制数控程序； 、确定涂料牌号，涂刷厚度，涂刷方式； 、确定保护气体； 、确

27、定试验部位，试验部位（如有必要）； 、确定工件定位装卡方式，设计制作卡具（如有必要）。工件喷刷涂料加工处理试验 、正确装卡工件； 、选定试验部位，定好聚焦镜光束方向、离焦量、作试验、测硬度、优选参数。实际处理工件 、定好工件扫描起始位置，调好光束方向、光斑大小，离焦量； 、调整程序参数； 、调好激光功率； 、加工处理工件。检测加工情况 、观测处理表面情况，有无裂纹，表面粗糙度状况； 、测量硬度。作好记录、填写加工记录；收集反馈信息，作好记录。工业性试验分析按既定的激光处理方案，我们分别950轧辊作了合金化处理，R1微熔处理，R2相变处理，剪刃类备件用相变处理。通过不断调整、优化参数，加强工序控

28、制与管理，截止2002年10月止，已试制950轧辊19根，热轧R1轧辊10根，R2轧辊14根，剪刃45块，经上机使用，激光研发产品试制成功率为75。跟踪使用发现，冶金轧辊采用激光表面快速熔凝强化处理可以产生十分明显的强韧化作用，经激光处理的轧辊，辊表及孔型龟裂现象减轻，龟裂深度由原25mm降低到0.51.5mm，孔型R处磨损情况明显减弱，辊子的耐磨性、韧性显著提高。轧辊的寿命显著提高了提高12倍以上，对高镍Cr无限冷硬合金铸铁轧辊，亦可提高0.41倍以上；而剪刃经激光处理后，刃口均匀硬度提高，缺口及崩刃现象降低。据统计，激光表面强化的剪刃使用寿命提高11.5倍。五、经济效益1、直接经济效益按提

29、高寿命1倍计效益，则按热轧板厂每年耗剪刃130件/53万元，耗R1、R2轧辊40件/760万元，轨梁厂耗950轧辊量12件/468万元，按少耗一半计算，共计节约备件费用支出1281万元2640万元。经激光处理的备件寿命提高1倍，则减少了换辊时间，提高了产量，据统计可提高年产量约5，以热轧板厂年产量120万吨，平均产品差价400元/吨，轨梁厂年产量100万吨，平均产品差价200元/吨计，每年可多创造效益（120万吨400元/吨+100万吨200元/吨）5=3400万元。提高产品质量的效益不计。2、间接经济效益XL公司每年可处理剪刃取费130件23件次，可处理R1、R2轧辊约40根次，950轧辊处

30、理24根次，即可满足热轧板厂、轨梁厂的生产需要。若按剪刃200元/件取费，R1、R2轧辊每根次处理取费6.5万元，950轧辊处理每根次取费14万元结算，则可实现年产值：65块0.02340根次6.524根次14600（万元）。所以，PG集团公司年创效益6403400600=3440万元，XL公司年创产值600万元。六、结论1、采用相变处理可得到组织为针状马氏体+残余奥氏体+碳化物，其中残余奥氏体量较多；采用熔凝处理可得到枝晶组织结构（马氏体+残余奥氏体+碳化物）；采用激光合金化后，残余奥氏体因晶粒细化、合金固熔含量及亚结构密度增加而成为强韧相。其中处理硬度、淬硬深度取决于激光工艺参数。2、按照调质处理激光淬火激光回火的激光处理工艺流程，较好地解决了冶金备件表面硬化层和内部过度层的硬度匹配，能使工件强度高韧性好，表面组织应力差异小，不易致裂、起皮、掉肉以致断裂现象发生。3、对950轧辊用激光合金化处理，对R1用微熔处理，R2用相变处理，剪刃类备件用相变处理，采用的激光工艺处理方式正确合理，符合工件的技术、工艺要求。4、激光表面强化处理与常规热处理相比，使用寿命提高11.5倍，综合经济效益显著。