铸铁轧辊表面激光合金化工艺研究

【摘要】轧辊是冶金工业中重要的大型消耗部件，表面磨损是轧辊最主要的失效形式。通过合适的工艺方法来提高轧辊表面的耐磨性可以获得更大的经济效益。一些钢铁公司采用堆焊、热喷涂、热喷焊、感应加热淬火等方法来强化轧辊表面，但是利用这些方法制备的合金涂层都还存在不足。激光合金化是一种新兴的表面改性技术，它可以通过添加合金元素来制备致密的表面功能涂层，以达到改善基体表面耐磨性等目的。在光能的输入上，中空环形光斑比圆形实心光斑的能量分布更合理，使得中空环形光在激光合金化领域具有很好的应用前景。本文旨在通过中空环形光对铸铁轧辊表面进行合金化强化，获得具备高耐磨性并具有冶金结合的合金层，为中空环形光激光合金化的运用提供理论指导。本文通过ANSYS建立了环形光下激光合金化的数学模型，得到了不同参数下的合金化过程温度场云图以及5个节点的温度在合金化过程中随时间变化的曲线图，为后面的实验分析提供理论帮助。并且与圆形实心光的温度场云图进行了对比，验证了中空环形光能量分布更合理。在铸铁轧辊基体上预涂钼基合金粉末，利用中空环形光进行了合金化处理。对所制备合金涂层的微观组织、硬度、耐磨性等进行了较为系统的研究。分别对激光扫描速度、激光功率密度和搭接率这三个参数对合金层质量的影响进行了分析。结果表明：经过合金化处理后可以形成晶粒致密而细小的组织，合金层可分为熔凝区和相变硬化区；合金层的熔凝区组织为先共晶碳化物+马氏体，呈定向的枝晶状+柱状晶；相变硬化区组织为残余奥氏体+马氏体+碳化物。在本实验的参数范围内，有如下结论：（1）随着光束扫描速度的增大，合金层的厚度减小，裂纹增多，微观组织晶粒越来越细小，合金层的硬度也逐渐增大，并且呈梯度分布，耐磨性也逐渐增强；（2）功率密度的增大，导致过冷度的减小，微观组织晶粒越来越粗大，但是由于碳化物的增多而导致硬度随着功率密度的增大而增大，耐磨性也逐渐增强；（3）搭接对合金层质量具有较大的影响，搭接区的微观组织为胞状晶，其原本晶粒的方向性遭到破坏。搭接区由于二次重熔和回火的影响，硬度要比非搭接区略低。通过高温摩擦磨损实验知，在其他参数一样的情况下，搭接率为50%时合金层的耐磨性最好。最终得到了中空环形激光合金化的优化工艺参数：1800W，40mm/s，光斑外径1.71mm，内径0.5mm，搭接率为50%，得到了组织致密而细小、与基体冶金结合且具有较少裂纹的合金层，其高温耐磨性得到了提升。
【作者】顾传祥；
【导师】石世宏；
【作者基本信息】苏州大学，机械工程（专业学位），2014，硕士
【关键词】铸铁轧辊；激光合金化；有限元建模；中空环形光；耐磨性；

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