高鉻鑄鋼軋輥激光熔凝改性研究.pdf

1、高鉻鑄鋼由于碳及合金元素的含量較高，具有較高的強(qiáng)度及耐磨性，廣泛用作熱軋輥。然而其組織中含有大量的一次碳化物，呈網(wǎng)狀沿晶界分布，致使軋制過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋極易沿晶界擴(kuò)展。另外，軋制過(guò)程中高鉻鑄鋼中碳化物與基體的氧化協(xié)同性較差，高溫條件下發(fā)生氧化磨損，惡化了熱軋輥的高溫耐磨性能，導(dǎo)致軋輥過(guò)早失效。本文在高鉻鑄鋼表面進(jìn)行激光熔凝處理，對(duì)熔凝層的微觀組織特征進(jìn)行分析，探討搭接參數(shù)對(duì)組織和性能的影響，深入研究激光熔凝處理后的高溫氧化行為、高溫磨損

2、性能及二者之間的內(nèi)在聯(lián)系。
　　 高鉻鑄鋼組織由回火馬氏體和大量網(wǎng)狀的M7C3碳化物組成。當(dāng)采用P=2700W、v=300mm/min、搭接率為33.3％的工藝參數(shù)進(jìn)行激光熔凝處理，可獲得表面平整、無(wú)氣孔、表面硬度高且水平分布均勻的硬化層。激光熔凝處理后組織發(fā)生顯著變化，高鉻鑄鋼中的網(wǎng)狀碳化物完全溶解，熔凝層內(nèi)組織細(xì)化，組織形態(tài)由表及里依次為等軸晶—樹(shù)枝晶—胞狀晶，顯微組織為奧氏體和顆粒狀的M23C6碳化物。熔凝層內(nèi)碳和合金元素

3、的分布相對(duì)均勻，奧氏體組織受到固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化及細(xì)晶強(qiáng)化的共同作用，硬度可達(dá)到473.1HM0.2。熱影響區(qū)顯微組織由隱晶馬氏體、殘余奧氏體和彌散碳化物組成，硬度達(dá)到759HV02。
　　 采用SYSWELD軟件建立與實(shí)際光斑符合較好的熱源模型，對(duì)激光熔凝過(guò)程中的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，激光熔凝過(guò)程中，光斑中心瞬時(shí)加熱速度可達(dá)3.2×104℃/s，瞬時(shí)冷卻速度可達(dá)1.5×104℃/s。單道激光熔凝處理后，熔凝層承受拉

4、應(yīng)力，距光斑中心2.5mm處的熱影響區(qū)，Mises應(yīng)力達(dá)最大值713MPa。激光熔凝層由于組織具有較高的強(qiáng)韌性，未發(fā)生開(kāi)裂，熱影響區(qū)的組織韌性較差，且該區(qū)殘余拉應(yīng)力較大，沿碳化物與基體界面產(chǎn)生裂紋。預(yù)熱和搭接處理可有效降低熔凝層殘余拉應(yīng)力和裂紋敏感性，預(yù)熱150℃保溫1h可預(yù)防熱影響區(qū)開(kāi)裂。
　　 激光熔凝層在低于400℃回火后，硬度基本保持在430HV0.2左右，低于未經(jīng)回火處理的激光熔凝層硬度(473.1HV0.2)?；鼗疬^(guò)

5、程中二次硬化始于450℃，此時(shí)熔凝層內(nèi)仍存在孿晶及位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，細(xì)小M23C6碳化物的析出及少量馬氏體的生成使熔凝層硬度略有增加(456HV0.2)。560℃回火后由于二次碳化物的析出、大量馬氏體的生成及位錯(cuò)強(qiáng)化的共同作用，熔凝層硬度高達(dá)672HV0.2。經(jīng)650℃回火基體完全轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，析出的二次碳化物聚集長(zhǎng)大、呈網(wǎng)狀分布，硬度降低至400HV0.2。
　　 高溫氧化試驗(yàn)表明，激光熔凝前后高鉻鑄鋼在650℃時(shí)氧化緩慢，氧化動(dòng)力

6、學(xué)曲線近似呈對(duì)數(shù)規(guī)律，800℃時(shí)氧化速率劇增，氧化動(dòng)力學(xué)曲線遵循拋物線規(guī)律。高鉻鑄鋼基體的氧化膜由Fe和Fe2O3組成，高溫下高鉻鑄鋼氧化核心在基體與碳化物界面處優(yōu)先生長(zhǎng)，發(fā)生不均勻氧化，基體氧化嚴(yán)重，800℃時(shí)基體氧化膜開(kāi)裂。激光熔凝層表面氧化膜由Fe、Fe2O3和(Fe0.6Cr0.4)2O3組成，由于熔凝層的組織細(xì)小，氧化初期表面近似均勻氧化，隨后通過(guò)擴(kuò)散控制氧化膜逐漸增厚。與未處理試樣相比，激光熔凝試樣的氧化膜較厚。
　　

7、 高溫磨損試驗(yàn)表明，激光熔凝處理后560℃和650℃的耐高溫磨損性能明顯提高，800℃時(shí)試樣增重但增重量小于未處理試樣。高鉻鑄鋼560℃時(shí)發(fā)生磨粒磨損，磨損面出現(xiàn)大量細(xì)小的犁溝和碳化物顆粒。650℃時(shí)以粘著磨損為主，并伴隨微觀犁削。溫度升高至800℃時(shí)，粘著嚴(yán)重，磨損面存在較深犁溝。激光熔凝處理后熔凝層具有較高的強(qiáng)韌性，560℃和650℃時(shí)的耐磨性明顯提高，560℃的磨損機(jī)制為輕微的磨粒磨損，650℃時(shí)發(fā)生粘著磨損。激光熔凝試樣高溫下

8、表面發(fā)生均勻氧化而形成連續(xù)致密的氧化膜，有效降低了激光熔凝層800℃時(shí)的粘著磨損傾向。
　　 1.激光熔凝處理顯著改善高鉻鑄鋼中網(wǎng)狀碳化物的分布形態(tài)，熔凝層內(nèi)組織明顯細(xì)化，由細(xì)小的奧氏體和顆粒狀M23C6碳化物組成。受細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化的共同作用，熔凝層內(nèi)奧氏體組織硬度達(dá)到473.1HV0.2，具有較高的強(qiáng)韌性。
　　 2.采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究激光熔凝處理高鉻鑄鋼的開(kāi)裂原因。在靠近基體的熱影響區(qū)含

9、有大量的網(wǎng)狀碳化物，激光熔凝處理后受拉應(yīng)力，沿基體和碳化物界面處開(kāi)裂。通過(guò)預(yù)熱處理可有效降低激光熔凝層的裂紋敏感性。
　　 3.高鉻鑄鋼激光熔凝層組織具有較高的回火穩(wěn)定性。低于560℃回火，二次硬化主要是由于二次碳化物的析出、大量馬氏體的生成及位錯(cuò)強(qiáng)化的共同作用。650℃回火后固溶強(qiáng)化及碳化物的彌散強(qiáng)化作用減弱，熔凝層硬度顯著降低。
　　 4.采用高溫磨損性能評(píng)價(jià)高鉻鑄鋼激光熔凝層的耐磨性。激光熔凝處理明顯提高了高鉻鑄鋼