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轨梁轧辊表面激光熔覆改性技术

作者:

关键词:

摘要：

GAN Wei, XU Ke, LIU Tao, et al. Laser cladding modification technology for cast steel BD1 roller surface[J]. Surface technology, 2020, 49(10): 205-213.

轨梁用钢（如高速钢轨、H 型钢等）是交通、建筑、国防等领域的重要基础材料，其表面质量、轧制效率已经成为产品质量的重要影响因素之一[1-3]。大型型钢生产线DB1 轧机轧辊，由于承受了较大的轧制压力，只能采用强度较高的铸钢轧辊[4-5]，但铸钢轧辊由于组织、性能的制约，比冷硬铸铁等耐磨材料的硬度低很多，耐磨性差[6-9]，且容易发生粘钢，严重制约了轧制效率和轧辊的使用寿命。

激光熔覆是现代表面改性制造技术中的一种极有发展前途的高新技术，通过激光熔覆技术，可显著改善钛合金的表面耐磨性[10]。蔡利芳等[11]介绍了激光表面重熔（LSM）、激光熔覆（LC）及激光表面合金化（LSA）3 种表面激光改性方法和其对铝合金表面组织的影响及改性效果。王东生等[12]为了解决激光表面改性裂纹及可重复性差的问题，分别从激光表面改性过程中工艺参量优化、裂纹产生机理及控制、纳米改性层及功能梯度改性层制备、激光原位合成及熔覆非晶涂层等方面进行了研究，以进一步提高钛合金激光表面改性层的性能。刘宇刚等[13]对普通刀具材料表面进行激光表面改性，不但可以减少贵金属的使用量，同时具有耐热、耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化等优越性能。韩彬等[14-15]采用激光熔覆-离子渗硫复合工艺分别对45 钢表面进行强化，得到了复合固体润滑渗硫层及镍基合金涂层，与熔覆层相比，复合改性层的摩擦系数和磨损量都显著降低，减摩和耐磨效果明显。李鹏飞等[16]采用粉末共渗法在镍基高温合金表面获得约为280 μm 厚的铝硅涂层，以纳米氧化铈含胶浆料作为中间体，在铝硅涂层表面形成透光预置层后进行激光熔注试验，获得稀土改性的铝硅涂层。徐泽洲、Zhang、Kusinski 等[17-19]分别采用激光熔覆改性技术对不锈钢及表面涂层的影响进行了分析。

综上可知，激光熔覆技术在表面改性方面得到了广泛的应用，但通过激光熔覆改性技术对铸钢轨梁BD1 轧辊表面的研究尚不多见。本研究中研究了激光功率、光斑形状和尺寸、焦距、线速度、搭接量和送粉量等熔覆工艺参数对轨梁BD1 轧辊表面的影响，通过激光熔覆工艺在孔型表面熔覆一层耐磨合金，该层耐磨合金与轧辊母材可以形成良好的冶金结合，较好地解决了轧辊粘钢问题，并使其耐磨性大幅提高。通过熔覆层一定的厚度补偿，还使得每次车削量大幅减少，使铸钢材质的DB1 轧辊的使用寿命成数倍提高。通过激光熔覆后的铸钢轧辊，完全克服了粘钢缺陷，使用寿命成倍提高，轧辊下机车削减径量大幅减少，提高了大型型钢生产效率，大幅降低了轧辊辊耗。

1 轨梁BD1 轧辊使用现状

1.1 材质及物理性能指标

轨梁BD1 轧辊材质为60CrNiMo，这种材质是在亚共析钢的基础上，加入一定量的Cr、Ni、Mo 合金元素，其化学成分如表1 所示。通过特殊的铸造工艺和热处理工艺，获得比普通共析钢更高的抗拉强度和韧性，并具有优良的抗冲击能力和抗热裂性能，其物理性能指标如表2 所示。

表1 轨梁BD1 轧辊的化学成分Tab.1 Chemical composition of BD1 roller of rail beam wt%C Si Mn P S Cr Ni Mo 0.55～0.65 0.2～0.6 0.5～1.0 ≤0.035 ≤0.03 0.8～1.2 0.2～1.5 0.2～0.6

表2 轨梁BD1 轧辊的物理性能指标Tab.2 Physical performance indexes of BD1 roller of rail beamElasticity modulus/ (×104 MPa) Friction coefficient 21～23 0.82～1.05 Density/(kg·m-3) Specific heat/(kJ·kg-1·℃-1)7700 0.54～0.67

1.2 使用情况分析

在使用中，轨梁BD1 轧辊孔型立面、倾斜面极易发生粘钢现象，如图1a 所示。轨梁BD1 轧辊的失效主要表现为早期局部粘钢严重，有些轧辊甚至轧制几十吨就需要修整，大大制约了轧辊的使用寿命。除了局部粘钢现象外，其主要失效方式表现为：孔型表面材料流失，粘钢面疲劳裂纹形成较早，一次上机过钢量始终难以超过3000 t，为去除立面的疲劳裂纹，直径方向每次车修量往往超过20 mm 以上，大大降低了轧辊的服役次数，一对BD 轧辊全程过钢量达不到2 万吨，有些甚至更少。

图1 轨梁BD1 轧辊粘钢及其影响Fig.1 Sticking steel phenomenon and its effects of BD1 roller of rail beam: (a) sticking steel phenomenon of hole fa?ade, (b) mixture of furrow wear sticking steel, (c) fatigue crack

BD1 轧辊粘钢的形成可分为三个过程：第一，孔型内表面凸点部位受轧制压力作用下的轧材强力挤压，形成两种材料的“焊合”，然后轧材与轧辊离开，焊点被撕裂，高温轧材的强度低于轧辊，焊点自轧材侧断裂，焊合点被留在轧辊表面形成粘钢；第二，滑差引起的粘钢材料位移，促进了粘着物的累积；第三，随着粘着物的移动，严重破环了表面光洁度，加重了轧辊表面的“凹凸不平”，出现了更多的“焊点”，粘钢进一步加剧。随着轧钢生产的连续进行，上述三个过程不断循环，虽然有一些粘着物脱落，但脱落量远不及新增加的“焊合”量，粘钢现象越来越严重，最终导致轧辊失效。造成粘钢现象严重的根本原因是60CrNiMo 的高温相与轧材的高温相组织相近。轧制过程中，轧辊与高温轧材接触部位的瞬间温度可以达到580 ℃左右，此时的金相组织为高温珠光体，而轧材的金相组织为高温奥氏体，高温珠光体片层中的铁素体与高温奥氏体的性能极为相近，根据粘着磨损理论中“相相近或相同的两种组织，凸点容易‘焊合’”的原理，粘钢就是必然的了。

文章来源：《中国表面工程》网址: http://www.zgbmgc.cn/qikandaodu/2021/0708/647.html