盧 金

(攀枝花鋼城集團(tuán) 協(xié)力分公司，四川 攀枝花 617000)

0 前言

激光技術(shù)是在20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種高新技術(shù)，20世紀(jì)70年代以后激光技術(shù)用于金屬表面的強(qiáng)化處理。由于其自身的特性及其在表面強(qiáng)化處理方面的優(yōu)勢，近年來已在冶金備件表面改性、修復(fù)強(qiáng)化方面得到了廣泛應(yīng)用[1]。激光表面強(qiáng)化處理的主要特點(diǎn)：激光束功率高，可在短時間（0.1 s）內(nèi)完成淬火處理，工作效率高，成本低；硬化層厚度和硬度可精確控制，工件變形小；工件硬度、耐磨性可大幅度提高；處理過程為自冷淬火，無需冷卻介質(zhì)；一般不需真空條件；易實(shí)現(xiàn)自動控制，可實(shí)現(xiàn)立體曲面自動處理[2-5]。在國內(nèi)外，當(dāng)前應(yīng)用較多的激光表面強(qiáng)化處理的工藝方法有激光相變硬化、熔凝、熔敷以及合金化等，它們共同的理論基礎(chǔ)是激光與材料相互作用的規(guī)律，對工件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，硬度可高達(dá)800～1000 HV，在保證工件內(nèi)部組織性能不變的情況下，有效地增強(qiáng)了工件的耐磨性能。目前，在激光表面強(qiáng)化方面應(yīng)用較多的是激光相變硬化（即激光淬火）技術(shù)，它是一種表面不熔化的強(qiáng)化技術(shù)。硬化層的組織是不同形態(tài)的馬氏體，比高頻淬火硬度高、強(qiáng)化層均勻；母材與硬化層之間的不完全淬火層比高頻淬火小，淬火變形小。硬化層內(nèi)殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，故經(jīng)相變強(qiáng)化的金屬表面耐磨性能好，疲勞強(qiáng)度高，強(qiáng)化層還具有很好的抗腐蝕性和耐熱性[6-7]。

目前國內(nèi)外采用激光加工軋輥方面主要是基于對鋼制軋輥的技術(shù)研究，在球墨鑄鐵軋輥上卻遇到了難以逾越的障礙，主要表現(xiàn)為：一是表面裂紋傾向嚴(yán)重，有時甚至剛處理完尚未開始服役就出現(xiàn)長裂紋；二是在激光束的掃描搭接區(qū)產(chǎn)生回火軟化，使軋輥表面出現(xiàn)“軟硬帶”；三是強(qiáng)化層深度不夠，很難滿足重載熱精軋輥，特別是大型孔型軋輥的要求。這些問題往往與軋輥的鑄造質(zhì)量密切相關(guān)，即使是同樣的工藝用于同一批軋輥，有時也會出現(xiàn)好壞兩種效果。因此，激光表面強(qiáng)化球墨鑄鐵軋輥技術(shù)還不夠穩(wěn)定，無法有效保證大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。為此，如何提高現(xiàn)有軋輥的表面質(zhì)量，進(jìn)一步改善軋輥的耐磨性，降低軋輥的消耗量是擺在企業(yè)和科技工作者面前十分艱巨和現(xiàn)實(shí)的重大課題。

1 技術(shù)要求

在攀鋼，球墨鑄鐵軋輥主要用于軌梁廠萬能生產(chǎn)線開坯區(qū)軋制型鋼，是軋制生產(chǎn)的關(guān)鍵部件，工作時受到較大的工作壓力和沖擊作用，同時孔型表面直接與高溫(1050～1100℃)軋材接觸，受到較大的磨損和熱疲勞作用。根據(jù)上述要求，對球墨鑄鐵軋輥要求如下：①合金強(qiáng)化層金屬硬度在HRC45～53范圍（基體原始硬度為HRC29～39），輥面合金硬化層厚度 1～1.1 mm；②側(cè)壁及圓角的硬度為HRC48～53，底槽硬度為HRC45～50；③軋輥過鋼量達(dá)到新輥的1～1.5 倍。

2 試驗(yàn)材料和設(shè)備

2.1 試驗(yàn)材料

（1）用于工藝試驗(yàn)用的基材為球墨鑄鐵軋輥，具體選用軌梁廠萬能軋機(jī)生產(chǎn)線報廢的球墨鑄鐵軋輥。試件材質(zhì)及化學(xué)成分如表1所示[1]。

表1 球磨鑄鐵軋輥化學(xué)成分%

（2）試塊尺寸：300 mm×150 mm×40 mm。

（3）孔型示意如圖1所示，軋輥的上輥包括五個孔：從左至右依次為上輥第一孔1、上輥第二孔2、上輥第三孔3、上輥第四孔4、上輥第五孔5；BD2軋輥的下輥包括五個孔，并且分別與上輥的孔相對應(yīng)，從左至右依次為下輥第一孔1a、下輥第二孔2a、下輥第三孔3a、下輥第四孔4a、下輥第五孔5a。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用華中理工大學(xué)制造的HGL-895型5 kW衡流CO2激光器，模式為多模。

2.3 試驗(yàn)用合金

（1）純Cr合金粉末，粒度200目。

圖1 軋輥孔型示意

（2）根據(jù)華中科技大學(xué)的建議選用 NiCr-Cr3C2粉末[w(NiCr)=25%，w(Cr3C2)=75%]，粒度 200目。

3 試驗(yàn)方法

根據(jù)已給的試驗(yàn)條件，具體確定激光合金化的工藝參數(shù)，主要有：光斑大小（d）、激光束功率（p）、激光掃描速度（v）、ab值(試樣離聚焦透鏡的距離與透鏡焦距之比)和搭接量（s）；并對已處理的試塊進(jìn)行分析、檢驗(yàn)。

3.1 光斑大小

在相同光斑尺寸情況下，工件表面處于焦點(diǎn)之上或焦點(diǎn)之下對淬火質(zhì)量有影響，選擇φ4.0 mm、φ4.5 mm、φ5.0 mm 進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)。

3.2 搭接量

由于試驗(yàn)材質(zhì)為球磨鑄鐵，w(C)=3.2%～3.2%，選擇的搭接量為s=1/5。

3.3 激光掃描速度

激光掃描速度v=1000 mm/min、1200 mm/min、1500 mm/min、1800 mm/min、2000 mm/min，對試樣進(jìn)行激光表面合金化。

3.4 ab值

ab 值選擇為 1.2、1.3、1.4、1.5、1.6，對試樣進(jìn)行激光表面合金化。

3.5 激光功率

根據(jù)確定的ab值、移動速度，激光束的功率p=3.2 kW、3.4 kW、3.6 kW、3.8 kW、4.0 kW 對試樣進(jìn)行激光表面合金化。

3.6 表面質(zhì)量、淬硬層檢測

在最佳激光淬火工藝參數(shù)條件下對試樣進(jìn)行激光表面合金化處理，檢測表面質(zhì)量，測量硬化層的寬度、深度和硬度，每次均勻測量5個點(diǎn)，取其平均值為最后值。

4 試驗(yàn)結(jié)果和分析

采用純Cr合金粉時，根據(jù)上述試驗(yàn)條件和方法所確定的參數(shù)，經(jīng)硬度測試，其值都在HRC55以上，高于用戶要求值，不便于軋輥的后續(xù)加工。因此，下述的試驗(yàn)結(jié)果和分析是采用NiCr-Cr3C2粉末的相關(guān)情況。

4.1 激光工藝參數(shù)對激光合金化的影響

4.1.1 光斑大小對激光合金化的影響

激光光斑大小是激光表面處理過程中的一個重要參數(shù)，既由設(shè)備的穩(wěn)定性決定，也關(guān)系到激光處理的效率。在試驗(yàn)過程中借助了以前激光處理軋輥的情況和激光基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)光斑分析后選用光斑大小為 φ4.0 mm、φ4.5 mm、φ5.0 mm 進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)，選用功率為3.6 kW，速度2000 mm/min。經(jīng)過掃描后對其分析，在對 φ4.0mm、φ4.5mm、φ5.0mm 進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)后，φ4.5 mm的表面質(zhì)量最好。光斑小，能量集中，對表面成型影響大；光斑大，照射面積大，不能充分熔合表面合金和輥面。

4.1.2 ab 值對激光合金化的影響

ab值的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 ab值選擇試驗(yàn)結(jié)果

從表2可看出：隨著ab值的增加，淬硬層深度呈下降趨勢，當(dāng)ab值小于或等于1.3時，試樣表面被照射區(qū)域出現(xiàn)熔化；當(dāng)ab值為1.6時，淬硬層的寬度最大，硬度也達(dá)到飽和值；再增加ab值，由于散焦射束的能量密度與距離的平方成反比，所以硬度有所降低。綜合起來，ab值應(yīng)取1.6。

4.1.3 激光功率對激光合金化的影響

當(dāng)光斑大小為φ4.5 mm，速度為2000 mm/min時，分別選用激光功率 p=3.2 kW、3.4 kW、3.6 kW、3.8 kW、4.0 kW 進(jìn)行激光掃描，相關(guān)硬度、表面質(zhì)量、設(shè)備狀況的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，激光功率p=4.0 kW時，硬度相對較高，但設(shè)備穩(wěn)定性差，主要是功率波動大，且表面不平整，因此不適合進(jìn)行激光合金化表面處理；激光功率p=3.2 kW時硬度提高不夠，與目標(biāo)值不符；而當(dāng) p=3.4 kW、3.6 kW、3.8 kW 時，表面質(zhì)量和設(shè)備穩(wěn)定性都較好，但考慮到設(shè)備穩(wěn)定性，通常選擇p=3.6 kW。但在實(shí)際工作中，考慮到軋輥的磨損曲線問題和工藝要求等，也會選擇3.4 kW、3.8 kW兩種功率進(jìn)行工作。

表3 硬度、表面質(zhì)量、設(shè)備狀況的試驗(yàn)結(jié)果

4.1.4 掃描速度對激光合金化的影響

工件掃描速度在激光表面處理過程中是一個主要參數(shù)。在光斑為φ4.5 mm、激光功率3.6 kW時，光斑移動速度分別選擇 1000、1200、1500、1800、2000 mm/min，硬度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 硬度試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)速度為1000 mm/min時表面燒損嚴(yán)重，并出現(xiàn)嚴(yán)重的凹凸不平，硬度較低；速度為2000 mm/min時，由于淬火時間不夠，硬度降低；在速度為1200～1500mm/min 時，硬度呈上升趨勢；1500～1800mm/min時硬度穩(wěn)定，并且差距不大，但是由于速度不同，淬硬層深度會不一樣，其中速度低時其深度要深一些。但在實(shí)際工作中，考慮到軋輥的磨損曲線問題以及工藝要求、處理部位等，應(yīng)具體調(diào)整。

4.2 合金對激光合金化的影響

以球墨鑄鐵代鋼，是20世紀(jì)材料科學(xué)重大的技術(shù)進(jìn)展之一。在鋼鐵廠，鋼軋輥的強(qiáng)度較好，主要應(yīng)用在粗軋架次上，但存在軋件與軋輥不耐磨、孔型易老化的問題，軋鋼量較低；鑄鐵軋輥的強(qiáng)度雖然較鋼軋輥低，但其耐磨性比鋼軋輥好，軋件比軋輥耐磨，軋鋼量比鋼軋輥高，主要應(yīng)用在精軋架次上。正因如此，攀鋼鋼鐵研究院、軌梁廠等單位才決定將BD2軋輥由鍛鋼60CrNiMo改為球墨鑄鐵軋輥。

鑄鐵的組織由基體和石墨組成。石墨十分松軟而脆弱，抗拉強(qiáng)度在20 MPa以下，延伸率趨于零，就像金屬基體中的孔洞和裂縫。因此，鑄鐵的性能取決于金屬基體的性能和石墨的性質(zhì)及其數(shù)量、大小、形狀和分布。采用激光合金化的最大難點(diǎn)也在于鑄鐵中有石墨的存在。而用于鑄鐵軋輥的材料是球墨鑄鐵，石墨呈現(xiàn)球狀，組織為球光體，塑性和韌性相當(dāng)高，延伸率為10%～20%，沖擊韌性可達(dá)50～150 J/cm，且耐磨性好，正因如此才用軋輥。同時，球墨鑄鐵還可通過熱處理使基體得到下貝氏體、回火馬氏體、回火索氏體等組織，從而使其具有更高的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性。這也正是課題組采用激光合金化方式對其進(jìn)行表面強(qiáng)化的重要因素。

激光合金化時，其最終組織特征與激光合金化的工藝條件有關(guān)，即與激光功率密度、掃描速度、合金粉末層及其厚度等因素有關(guān)。它們決定了激光合金熔池中的溫度梯度、冷卻速度；而激光合金化的基材、合金元素類型以及合金濃度則決定了激光合金熔池的凝固速度，冷卻速度越大，凝固組織越細(xì)小。

按照合金元素與碳的相互作用情況，合金元素分為：碳化物形成元素和非碳化物形成元素。Cr是碳化物形成元素，屬于中強(qiáng)碳化物形成元素；Ni是非碳化物形成元素。在NiCr-Cr3C2粉末[w(NiCr)=25%，w(Cr3C2)=75%]中，主要含有 Cr、Ni、C 三種合金元素，在激光合金化過程中，它們都能溶入奧氏體中，都能推遲奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變，降低鋼的臨界冷卻速度，增加淬透性，并形成大量的（Fe，Cr）23C6碳化物，從而提高硬度。同時，Cr是鐵素體形成元素，是具有封閉奧氏體相區(qū)的元素，增大熔體粘度，從而增大熔體運(yùn)動的內(nèi)摩擦阻力，這也正是不能直接采用純Cr合金粉的原因。而Ni是擴(kuò)大奧氏體形成元素，是具有擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，降低熔體粘度，使熔體的對流性變好，這有利于表面合金的成分趨于一致。因此，在激光合金化過程中，在熔池表面上存在表面張力梯度。正是這個表面張力梯度成為合金熔體在熔池對流的驅(qū)動力，使激光制備表面合金成分在宏觀上基本均勻。

因此，本研究采用NiCr-Cr3C2粉末[w(NiCr)=25%，w(Cr3C2)=75%]較為合理。

5 工業(yè)應(yīng)用

5.1 一孔、二孔激光合金化工藝和檢測結(jié)果

上輥第一孔1、上輥第二孔2、下輥第一孔1a以及下輥第二孔2a。合金化處理工藝及檢測結(jié)果如表5所示。底槽即為孔的底面，凸部為底面上的凸起，側(cè)壁即為孔的側(cè)面。

表5 孔1、2合金化處理工藝及檢測結(jié)果

凸部包括凸側(cè)和凸頂，軌頭側(cè)壁上30 mm和軌底上沿15 mm不處理，并且軌頭距孔頂60～120 mm處和軌底距孔底30～120 mm處按側(cè)壁處理，其余側(cè)壁處按速度1000 mm/min處理。

5.2 三孔、四孔激光合金化工藝及檢測結(jié)果

上輥第三孔3、上輥第四孔4、下輥第三孔3a以及下輥第四孔4a。合金化處理工藝及檢測結(jié)果見表6。底槽即為孔的底面，凸頂為底面上的凸起的頂面，凸部倒角即為凸部上的倒角，側(cè)壁即為孔的側(cè)面。

軌頭側(cè)壁上沿20 mm和軌底上沿15 mm不處理，側(cè)壁上如果存在未車削掉的疲勞層用除銹砂輪除掉表面的銹蝕，并且在激光處理完畢后將疲勞表面打磨平，并且軌頭距孔頂50～95 mm處和軌底距孔底30～120 mm處按側(cè)壁處理，其余側(cè)壁處按速度900 mm/min處理。

5.3 五孔激光合金化工藝及檢測結(jié)果

上輥第五孔5以及下輥第五孔5a。合金化處理工藝及檢測結(jié)果見表7。如圖1所示，底槽即為孔的底面，凸頂為底面上的凸起的頂面，凸部倒角即為凸部上的倒角，側(cè)壁即為孔的側(cè)面。

由于5孔是最后的成型孔，所以表面要求高一些，并且其表面的磨損比4孔小，所以5孔的工藝與4孔不一樣，此處的側(cè)壁是指5孔的軌底，軌頭只處理圓角。凸部包括側(cè)壁和凸頂，側(cè)壁上沿30 mm不處理。

表6 孔3、4合金化處理工藝及檢測結(jié)果

表7 孔5合金化處理工藝及檢測結(jié)果

表8 激光合金化軋輥使用情況統(tǒng)計(jì)

5.4 工業(yè)應(yīng)用結(jié)果

根據(jù)上述工藝，在試制期間采用激光淬火工藝技術(shù)分兩次對12組球墨鑄鐵軋輥進(jìn)行了一次激光表面合金化試制，并于2012年9～10月陸續(xù)上機(jī)使用，具體情況如表8所示。

從工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果可看出，球磨鑄鐵軋輥經(jīng)激光激光表面合金化處理后經(jīng)上機(jī)試用，平均過鋼量達(dá)1.2萬t，這與軋制的鋼種有關(guān)，而新輥的過鋼量為5000～6000 t，即經(jīng)激光表面合金化后的輥上機(jī)使用的平均過鋼量為新輥的兩倍；同時，下架后其表面龜裂明顯少于以往未經(jīng)激光合金化處理的軋輥，經(jīng)量板測量結(jié)果顯示：未經(jīng)激光處理的軋輥其磨損量為6～8mm，經(jīng)激光處理后軋輥的磨損量為2～3mm，而且各孔的表面狀況和磨損量都顯示仍可繼續(xù)使用1～2個斑，達(dá)到了課題預(yù)期目標(biāo)，使用效果良好。

6 結(jié)論

（1）采用激光合金化工藝對球磨鑄鐵軋輥進(jìn)行表面強(qiáng)化處理的工藝路線正確，突破了長期以來在軋輥激光表面強(qiáng)化領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，開創(chuàng)了激光表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域。

（2）球磨鑄鐵軋輥經(jīng)激光合金化處理后，合金化區(qū)硬度較高，提高了耐磨性，能有效減少表面龜裂，減少金屬粘著，激光合金化效果明顯。

（3）球磨鑄鐵軋輥經(jīng)激光合金化處理后，提高了單位軋輥的軋制量，并能減少軋輥的車削次數(shù)，大大延長軋輥的使用壽命，降低噸鋼軋輥消耗量，是降低企業(yè)生產(chǎn)成本的有效方法之一。

（4）激光合金化技術(shù)可采用靈活的工藝控制技術(shù)，可針對孔型軋輥不同部位的要求，制定多種工藝參數(shù)，最大限度地保證孔型磨損的均勻程度。

[1]崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]王家金.激光加工技術(shù)[M].北京：中國計(jì)量出版社，1992.

[3]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊：焊接方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[4]Malik S.焊接手冊：焊接方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[5]王大承，史曉強(qiáng)，張永康，等.激光加工技術(shù)及其在摩托車工業(yè)中的應(yīng)用[J].電加工與模具，2001(2)：11-15.

[6]董秀花，郭俊良.激光強(qiáng)化處理參數(shù)對軋輥表面性能的影響[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報，2003(3)：242-246.

[7]臧辰峰，劉常升，張小彬，等.軋輥表面激光處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報，2010，24(3)：6-10.