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夹送辊激光处理的工艺优化与组织性能研究

作　者: 王学伟
导　师: 刘常升
学　校: 东北大学
专　业: 材料学
关键词: 夹送辊激光熔覆激光合金化微观组织耐磨性能
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

卷取机夹送辊是热轧带钢生产线上的重要装备之一,担负着将轧制好的钢板导向、夹送的任务。夹送辊在运行中与钢板直接接触,其表面质量和使用寿命影响着生产效率、产品质量及生产成本。因此,如何更好地修复及强韧化夹送辊,延长其使用寿命至关重要。生产上采用感应加热淬火、堆焊、热喷涂等方法提高夹送辊表面性能,但制备的涂层均存在一定的不足。激光表面处理技术作为一种新兴的表面技术,可以在廉价基材表面获得致密均匀的冶金结合涂层。本文旨在利用激光熔覆技术和激光合金化技术,以强韧化、耐磨涂层制备为目的,改善基材表面的耐磨性能,提高其使用寿命,建立一种修复失效夹送辊的新方法。本文利用侧向送粉激光熔覆技术和激光合金化技术,通过激光工艺参数的优化,在34CrNiM钢基体表面制备具有良好冶金结合的耐磨激光涂层。利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度仪以及高温摩擦磨损试验机等测试分析设备,对所制备涂层的组织形貌、成分、相组成、硬度、高温磨损性能进行了研究。采用侧向送粉法激光熔覆Fe-Cr-Ni合金粉末,最佳单道工艺参数为激光功率4000W,扫描速度7.0mm/s,送粉速率8.0g/min,送粉气压1.31×005Pa。单道激光熔覆优化工艺参数下制备的熔覆层横截面可以依次分为熔覆区、结合区和热影响区三个部分。熔覆区为平面晶、胞状晶、树枝晶和等轴晶组成的典型激光快速凝固组织,热影响区是细小的淬火马氏体组织,基体仍保持原始铁素体和珠光体组织。在单道激光熔覆层的优化工艺基础上,采用50%的搭接率制备大面积多道搭接熔覆层。沿基体到熔覆层表面方向,合金元素Cr, Ni含量均以“白亮带”为界明显升高,而Fe元素则正好相反。熔覆层枝晶处的Fe、Ni元素的含量比枝晶间处的高,而枝晶间区域Cr元素含量较高,形成富Cr区。XRD物相分析表明,熔覆层主要由(Fe, Ni)固溶体,Ni-Cr-Fe组成。熔覆层平均显微硬度可达770HV左右,大约是基体显微硬度(160HV)的4.8倍。采用预置Cr-W-B-C合金粉末法对基体表面进行激光合金化实验,最佳工艺参数激光能量密度为88.8J/mm2.合金化层自表面至底部方向形成组织特征互异的三个区域,即合金化区、热影响区和基体。合金化层具有典型的定向凝固组织特征,同一高度不同部位合金化层组织形貌无明显变化。合金化层中Cr、W等合金元素在枝晶间的含量高于枝晶上的含量。XRD物相分析表明,预置合金碳化物溶解所产生的B、W、Cr和C元素,与基体中的Fe、Ni元素结合,并重新凝固,形成了Ni-Cr-Fe固溶体,并形成少量的碳化物WC。高温摩擦磨损实验结果表明,磨损9000r(转速300r/min)后,激光熔覆层磨损失重量(0.0241g)是34CrNiMo钢基体失重量(0.0456g)的52.8%,激光合金化层失重量(0.0210g)是其失重量的46.1%。基体与摩擦副之间为粘着磨损,而激光熔覆层和合金化层与摩擦副之间的磨损类型主要为磨粒磨损,并存在氧化磨损,磨损程度较轻。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-30
  1.1 本文研究背景  12
  1.2 夹送辊  12-15
    1.2.1 夹送辊简介  12-13
    1.2.2 夹送辊使用工况  13-14
    1.2.3 夹送辊的失效形式  14-15
  1.3 夹送辊修复常用表面技术  15-19
    1.3.1 堆焊技术  16
    1.3.2 感应加热淬火技术  16
    1.3.3 热喷涂技术  16-17
    1.3.4 热喷焊技术  17
    1.3.5 激光表面改性技术  17-19
  1.4 激光熔覆技术  19-25
    1.4.1 激光熔覆技术及特点  19-20
    1.4.2 激光熔覆的材料体系  20-22
    1.4.3 激光熔覆工艺  22-23
    1.4.4 激光熔覆质量的影响因素  23-25
  1.5 激光合金化技术  25-29
    1.5.1 激光合金化概述  25-26
    1.5.2 激光合金化工艺  26-27
    1.5.3 激光表面碳化物合金化技术  27
    1.5.4 激光合金化表面质量的控制  27-29
  1.6 本文研究内容及目的  29-30
第2章实验材料与研究方法  30-37
  2.1 实验材料  30-31
    2.1.1 基体材料  30
    2.1.2 熔覆粉末成分  30-31
    2.1.3 合金化粉末成分  31
  2.2 实验设备  31-32
  2.3 激光熔覆实验  32-33
    2.3.1 激光熔覆实验工艺  32-33
    2.3.2 激光熔覆实验流程  33
  2.4 激光合金化实验  33-34
    2.4.1 试样制备  33-34
    2.4.2 激光合金化工艺  34
  2.5 表征方法与设备  34-37
    2.5.1 涂层表面宏观形貌观察  34-35
    2.5.2 涂层显微组织分析  35
    2.5.3 涂层物相分析  35
    2.5.4 涂层硬度分析  35
    2.5.5 高温磨损性能分析  35-37
第3章夹送辊激光熔覆技术  37-59
  3.1 引言  37
  3.2 单道激光熔覆工艺参数的优化  37-46
    3.2.1 激光功率的优化  37-39
    3.2.2 扫描速度的优化  39-42
    3.2.3 优化工艺制备的单道熔覆涂层组织及形成机理分析  42-46
  3.3 多道搭接激光熔覆涂层组织与性能  46-57
    3.3.1 多道搭接激光熔覆工艺参数  46-47
    3.3.2 多道搭接激光熔覆涂层显微组织分析  47-50
    3.3.3 多道搭接激光熔覆涂层成分及物相分析  50-53
    3.3.4 多道搭接激光熔覆涂层硬度分析  53-54
    3.3.5 多道搭接激光熔覆高温摩擦磨损实验  54-57
  3.4 本章小结  57-59
第4章夹送辊激光合金化技术  59-69
  4.1 引言  59
  4.2 激光合金化工艺参数的优化  59-62
    4.2.1 工艺参数对合金化层表面质量的影响  60-61
    4.2.2 工艺参数对合金化层硬度的影响  61-62
  4.3 激光合金化层显微组织与性能  62-67
    4.3.1 激光合金化层显微组织分析  62-64
    4.3.2 激光合金化层成分分析  64
    4.3.3 激光合金化层物相分析  64-65
    4.3.4 激光合金化层高温摩擦磨损实验  65-67
  4.4 本章小结  67-69
第5章结论  69-70
参考文献  70-74
致谢  74

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