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1、轧辊表面激光合金化工艺研究专题?模具材料表面处理舞wwwmouldcnnet轧辊表面激光合金化工艺研究冯嘉(贵州大学蔡家关校区材料学院,贵州贵阳,550003)摘要:为r消除岛碳轧辊激光熔覆过程IlI引发的裂纹,没计r种微米级的合金化陶瓷粉术,采用c0激光器对冶金轧辊表面实施合金化处理利用会+H微镜,微硬度汁对合金化层的轻微组织和硬度进行r研究.结果表明,在激光输出功牢P=2.2KW,描速度V=5mm/s,光斑尺寸D=3mm的条件I:进i激光合金化,涂层体为冶金结合,涂层的显微组织细化,合金化层平均硬度为魑材Ix2.5倍以欠键词:冶金轧辊;激光合金化;J二艺参数;TechnologicalRe
2、searchonRollerAlloyedbyLaserFENGLiang(CollegeofMaterialsandMetallurgy,GuizhouUniversity,GuizhouGuiyang,550003)Abstract:TOeliminatecracksofrollerwithhighcarboncladdedbylaser.akindofalloyingceramicpowderwasdesigned,andtherollerwasalloyedbyCO2laser.Microstructurewasinvestigatedbyopticalmicroscope(OM),t
3、hecladdinglayerandthesubstratewasmeasuredusingmicro-hardnesstester.Theexperimentalresultsindicatethattheexcellentmetallurgicalbondingisobtainedbetweenalloyinglayerandsnbstrate.Microstructureofalloyinglayerisrefinedandtheaveragevalueofmicrohardnessofalloyinglayerisapproximately2.5timeslargerthanthato
4、fsubstrate.Theoptimizedtechnologicalparameteristhatlaseroutputpoweris2.2kW.thescanningspeedis5ram/S.beamdiameteris3.0mm.Keywords:metallurgicalroller,laseralloy,technicalparameter.激1前言光合金化是金属材料表面改性的种新方法,它是利用高能激光束将基体金属表面熔化,同时加入高性能合金化元素,以基体为溶剂,合金化元素为溶质基础上形成层硬度相当高,且合金元素分布相当均匀的合金层,然后在激光束移去时,金属表面快速冷却,凝固,从
5、而使基体金属表面具有所要求的耐磨损,耐腐蚀,耐高温等特殊性能.轧辊是冶金工业最重要的成形加设备,其人多在高温,高负荷,疲劳,磨损,腐蚀等极其恶劣的工,兄条件下操作.据资料介绍,钢铁工厂所有发备的损坏原因中,高温,磨损,腐蚀高达88%.目前,内报轧辊均采用激光熔覆进行修复,但是于轧辊的碳含量较高在激光熔覆过程巾易引发裂纹.针对这一问题本文设计了一种微米级的合金化陶瓷粉术.采用适当的激光合金化工艺参数获得了无裂纹的合金化涂层:埤对合金化组织与硬度进行了初步研究.2实验材料及方法2.1实验材料激光合金化基材采用的是145CrNiMoTiRe铸钢,化学成分见表1.将试样切割成804515(Inm)的毛
6、坯,使用前用金相砂纸打磨表面,再片j尤水乙醇清洗吹下备用.合金粉末使用微米级的金属陶瓷粉末2011年第7期(总第122期)wwwMOULDCNNET模具I:稃49穗专题?模具材料表面处理wwwmouldcnnet以金红石,A1203,硅微粉等陶瓷粉末为骨料,添加钨粉,钻粉,硅粉,钔粉等以一定的比例混合,使用前用玛瑙研钵研磨均匀,然后将合金化粉末调好后用粘接剂均匀涂敷在试样的表面,涂层厚度大约为0.15mmO.25mm,晾干后待用.表1基材化学成分(w%)3实验结果与分析3.1宏观观察用c0,激光对各试样进行表面合金化后观察其外观,除1号试样表面不够均匀之外,其余各试样形成熔2.2试验方法激光合
7、金化试验采用窄带TJHL一5000型连续cO激光器,焦IE3OOmm,光斑直径3.Omm.激光预置涂层上进行多道扫描如图1,搭接量为50%,激光表面合金化工艺参数见表2.分析试样采用钼丝线切割,试样尺寸为lOmm1Omm2mm,将试样进行镶嵌,经磨制和抛光后用特殊的腐蚀剂进行腐蚀,用带有数码相机的OLYMPUSPMG3型金相显微镜对合金化层进行显微组织观察,并用HVS一1000维氏硬度计进行显微硬度的测试.图1激光合金亿示意图表2激光表面合金I艺参数试样编号功率(kW)扫描速度(mm/s)11.7522O532.2542.5550模其丁程WWWMOULDCNNET2011年第7期(总第122期
8、池较好,试样表面合金化层均匀,光滑,无明显裂纹产生,无严重烧蚀现象.3.2工艺参数对合金化层厚度的影响表3为工艺参数对合金化厚度的影响,由表看出,4号样品厚度最大.文献4指llfj,当扫描速度一定时,功率密度与合金化层深度存在定关系.涂层厚度对合金化层深度的影响很小,可以忽略不计.随着功率密度的增加,合金化层的深度也增加.表2中的数据证实了这一结论,即当扫描速度为5mm/S,激光功率从1.7kw增加到2.5kw时.合金化层的厚度由0.34mm增加到0.48mm.这是因为当激光扫描速度不变时,激光束辐照试样表面功率越人,激光合金化时的线能量就越大,因而合金化层的深度越深.但是,当扫描速度不变,激
9、光功率从2.OkW增加到2.5kw时,合金化层的厚度增加较为缓慢.这可能主要是由r随着照射能量增加,导致熔化温度过高,将有相当部分能量凶合金元素的挥发以及热辐射而损火等原因造成的.表3表面合金化层的厚度试样编号1234合金化层厚(nm)0.340.430460.483.3合金化层显微组织分析图2a为合金化层的整体形貌.由圈可见,合金化层的整体形貌呈月牙形,这是由于激光束能量密度为高斯分布,中心能量高,边缘低,从而造成中间合金化层比边缘稍厚些.另一原因则是在巾问位置光束与工件作用时间比边缘域长所致.a.未腐蚀合金化层整体形貌50b.腐蚀后合金化区周围组织500Xc.合金化区金相显微形貌500X图
10、2功率P=22kW,扫描速度V=5mm/s时显微组织形貌图2b合金化区周围的显微组织形貌,从图可看出,从激光力lJ上衣面剑基材人致可分为合金化区,结合区,热影响区和綦体这网部分.且合金化区组织大多为细小的胞状品少量的树枝晶,它是通过基材表专题?模具材料表面处理癌w,ouIdcnnet层的微量溶解和合金化层合金元素向基体扩散形成的:结合区是合金化区的品粒伸出许多细尖针状的品须嵌入热影响区形成的,成啮合状态,使合金化和基体紧密结合在一起E5:热影响区组织以I氏体为主,是为当激光束移去之后热量被基体迅速吸收从而急剧冷却,在高温时形成的舆氏体转变为马氏体.而又由于碳原予在溶化时扩散能力比较强,使热影响
11、含碳量升高,在冷却过程中,除转变为马氏体外还会有部分残余奥氏体生成.图2c为合金化1)<胞状品的组织,可矢,在品粒内和晶界上弥散分布着高硬度的合金颗粒和碳化物,这些硬质颗粒是W,Si,MO与基体中的C及Fe元素或互相之间通过原位合成形成.而合金化层组织细小,这是由f激光合金化属于快速加热和快速冷却的过程,形成的合金碳化物等硬质相米不及长大就被迅速地冷却下米,所以就形成了细小的合金约1织,对合金化层硬度和耐磨性的提高非常有利.再者,激光陶瓷合金化后产牛了显着的I直I熔强化和弥散强化作用:且由j:组织高度细化产生显着的品粒细化强韧作用,红提高合金化层强度的同时,还提高了它的韧性和性:并且由j
12、碳化物的弥散和均匀分布可以有效地附_lf品粒长大,因此合金组织具有高度的热稳定性.激光合化处理之后,在轧辊基材表面形成了一层合金化层.经宏观观察和激光合金化区不同截面的金十甘显微镜观察,合金化层表面成形良好.没有发现宏观或微观裂纹及气孔等缺陷.3.4显微硬度分析罔3是存扫描速度V=5mm/s时,合金化显微硬度随激光输功率变化曲线.由图可知,随着扫描功率的逐步增加,合金化层的硬度值有所增加,这是因为激光扫描速度一定时,合金化的线能量随着激光功牢的增加而增加,能量的增加有利于硬质合金颗粒的形成,这些硬质合金颗粒的存对合金化层的硬度贡献很大.另一方面,功率越人则存冷上J凝固过程中,合金元素扩散,偏析
13、的时间越短,r人J此奥氏体内同溶的冗素越多,稳定性越好,冷却后残余奥氏体的含量也就越多,硬度就越小.南图L1还可以看出,2号,3号,4号_l:艺相比,合金化层的硬度并没有太明显的提高,可知此时功率的增加对合金化层的硬度影响不人.弓对合金化层厚度的分析得出的结果致,即当扫描功率从2.0kw增加到2.5kw时,激光功率的增加对合金化层的性能影响小大.2011年第7期(总第122期)WWWMOULDCNNET模1:程51穗专题?模具材料表面处理www.mould?cnnec由图2可见,冶金轧辊表层的平均硬度为320HV左右,经过激光表面合金化后,合金化层的硬度最高为91OHV,平均硬度为788HV,
14、比基材提高了2.5倍多,合金化层显微硬度由表及里呈类抛物线状态,且激光合金化处理后,整体硬度大幅度提高,在结合处过渡较为平缓,避免了合金层和基体由于热物性的差别而造成热应力集中导致开裂的产生,大幅度的改善了表面的性能.从图2中还可看出,合金化层硬度最大值不在合金化层表面,而在表层以Fo.20.4(mm)的位置.这一现象与激光加热的温度场和冷却的速度场有关,在激光加热时,激光束直接照射在试样表面,表面温度迅速升高,而试样心部的热量是由表面通过热传导而得,因此,温度由表及里呈下降趋势.而冷却速度场则与此相反,试样表面距冷源(心部)最远,因此冷却速度相对试样其他部位最慢,表面奥氏体形核后有相对较多的
15、时间进行长大和合金元素的扩散,所以表层组织相对次表层要稍粗大些,对应的硬度也要低一止匕.ooo1o2o3o4o5o6o7o8o91oDistancefromthesurface(mm,图3为V=5mm/sE.合金化屡显微硬度曲线4结论(1)合金化层整体形貌”月牙状”,表面到基体可分为即合金化区,结合区,热影响区和基体四个部分,合金化区其组织为胞状晶,在晶粒内和晶界上弥散分布着高硬度的合金颗粒和碳化物,这些硬质颗粒是W,Si,Mo与基体中的C及Fe元素或互相之间通过原位合成形成.(2)轧辊经过激光表面合金化后,硬度最高可达到52模典工程wwwMOULDCNNET2011年第7期(总第122期91
16、OHV,平均硬度为788HV,合金化层的硬度比基材提高了2.5倍以上,大大提高了其表面硬度.(3)在本实验条件下,冶金轧辊激光表面合金化的最佳工艺参数为:P=2.2kW,V=5mm/s,D=3.Omm.国参考文献1刘其斌.激光加工技术及其应用M,北京:冶金1业出版社,2007.2邓世均.高性能陶瓷涂层M.北京:化学工业出版社,2003.8.3关振中.激光加工工艺手册(第二版)M.北京:中国计量出版社,2007.10.4高守义,蒋志等.高碳钢表面激光硼合金化工艺与组织J.大连理工大学,1990,30(5):541546.5王维杰,吴宝善.45钢表面铬粉涂层激光合金化J.兰州大学,1989,25(1):4888.6陈长军,张敏等.轧辊的失效及其激光修复与强化技术J.物理测试,2009.1,27(1):24.1r1Ji:_欢迎投耩一一一一【标签:快照
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