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，呈網狀沿晶界分布，致使軋制過程中產生的裂紋極易沿晶界擴展。另外，軋制過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，導致軋輥過早失效。本文在高鉻鑄鋼表面進行激光熔凝處理，對熔凝層的微觀組織特征進行分析，探討搭接參數對組織和性能的影響，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在聯(lián)系。
　　 高鉻鑄鋼組織由回火馬氏體和大量網狀的M7C3碳化物組成。當采用P=2700W、v=300mm/min、搭接率為33.3％的工藝參數進行激光熔凝處理，可獲得表面平整、無氣孔、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，高鉻鑄鋼中的網狀碳化物完全溶解，熔凝層內組織細化，組織形態(tài)由表及里依次為等軸晶—樹枝晶—胞狀晶，顯微組織為奧氏體和顆粒狀的M23C6碳化物。熔凝層內碳和合金元素

3、的分布相對均勻，奧氏體組織受到固溶強化、位錯強化及細晶強化的共同作用，硬度可達到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，硬度達到759HV02。
　　 采用SYSWELD軟件建立與實際光斑符合較好的熱源模型，對激光熔凝過程中的溫度場及應力場進行分析。結果表明，激光熔凝過程中，光斑中心瞬時加熱速度可達3.2×104℃/s，瞬時冷卻速度可達1.5×104℃/s。單道激光熔凝處理后，熔凝層承受拉

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

5、程中二次硬化始于450℃，此時熔凝層內仍存在孿晶及位錯亞結構，細小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強化的共同作用，熔凝層硬度高達672HV0.2。經650℃回火基體完全轉變?yōu)殍F素體，析出的二次碳化物聚集長大、呈網狀分布，硬度降低至400HV0.2。
　　 高溫氧化試驗表明，激光熔凝前后高鉻鑄鋼在650℃時氧化緩慢，氧化動力

6、學曲線近似呈對數規(guī)律，800℃時氧化速率劇增，氧化動力學曲線遵循拋物線規(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，發(fā)生不均勻氧化，基體氧化嚴重，800℃時基體氧化膜開裂。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小，氧化初期表面近似均勻氧化，隨后通過擴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℃時試樣增重但增重量小于未處理試樣。高鉻鑄鋼560℃時發(fā)生磨粒磨損，磨損面出現大量細小的犁溝和碳化物顆粒。650℃時以粘著磨損為主，并伴隨微觀犁削。溫度升高至800℃時，粘著嚴重，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韌性，560℃和650℃時的耐磨性明顯提高，560℃的磨損機制為輕微的磨粒磨損，650℃時發(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℃時的粘著磨損傾向。
　　 1.激光熔凝處理顯著改善高鉻鑄鋼中網狀碳化物的分布形態(tài)，熔凝層內組織明顯細化，由細小的奧氏體和顆粒狀M23C6碳化物組成。受細晶強化、位錯強化和固溶強化的共同作用，熔凝層內奧氏體組織硬度達到473.1HV0.2，具有較高的強韌性。
　　 2.采用數值模擬與實驗相結合的方法研究激光熔凝處理高鉻鑄鋼的開裂原因。在靠近基體的熱影響區(qū)含

9、有大量的網狀碳化物，激光熔凝處理后受拉應力，沿基體和碳化物界面處開裂。通過預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強化的共同作用。650℃回火后固溶強化及碳化物的彌散強化作用減弱，熔凝層硬度顯著降低。
　　 4.采用高溫磨損性能評價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