軋機滑板的激光淬火

萊鋼集團機械制造有限公司 （山東萊蕪 271104） 張懷鵬 吳 超

滑板是軋機設備中的重要零件，長期處于高壓、高溫和腐蝕性的工況條件下，磨損和腐蝕嚴重，導致軋制系統(tǒng)不穩(wěn)定，影響軋件質量，同時削弱了導向作用。惡劣的工況，除要求滑板具有良好的耐磨和耐蝕性外，同時還需要良好的韌性來吸收沖擊載荷。為有效提高滑板的綜合性能，延長使用壽命，需要對其進行表面強化處理?；鍖俦“骞ぜ?，使用火焰淬火、感應淬火等傳統(tǒng)熱處理工藝時極易變形。激光淬火具有淬火硬度高、變形小和加工精度高等優(yōu)點，可以作為滑板表面硬化處理的新工藝。

1.材料選擇

滑板選用40CrNi2Mo鋼，該材料具有高的強度、韌度，以及良好的淬透性和抗過熱穩(wěn)定性，其化學成分見表1。原始狀態(tài)為調質，組織為回火索氏體，選取3個不同位置測量表面硬度，見表2。

表1 40CrNi2Mo的化學成分（質量分數(shù)） （%）

表2 激光淬火前滑板硬度 （HRC）

2.滑板的激光淬火

（1）準備工作 采用GL—6000型CO2激光加工機對滑板進行激光淬火處理。加工前擦拭鏡片，調整光路，檢查光斑，確定設備符合工作條件。

（2）預處理 金屬表面對CO2激光器輸出的10.6μm波長激光吸收能力很差。為提高滑板對光能的吸收率，需要進行預處理。先清理滑板表面的油污，采用黑化劑對表面進行黑化處理，要求黑化劑涂刷均勻，無起皺。

（3）工藝參數(shù)選擇 激光淬火工藝參數(shù)主要是激光器輸出功率、掃面速度和作用在材料表面上的光斑尺寸。綜合以往試驗數(shù)據(jù)，確定滑板激光淬火工藝為：輸出功率1.5kW，掃描速度400mm/min，光斑尺寸10mm×1mm。

（4）防變形措施 試驗滑板尺寸為750mm×720mm×20mm，屬薄板工件，在常規(guī)熱處理過程中極易變形。雖說激光淬火具有變形小的優(yōu)點，但像滑板這類厚度薄、淬硬面積大的工件，即使激光淬火，其變形量也較大。

合理地設置掃描帶和掃描順序，可以減少工件的淬火變形。根據(jù)工件尺寸和加工要求，將滑板表面均勻分成5個掃描帶，如圖1所示。圖中序號為掃描序號，在①號掃描帶連續(xù)掃描兩次后進入②號掃描帶，逐次循環(huán)進行，直至掃描結束。在此過程中，滑板溫升不得高于100℃，若高于該溫度需更換其他滑板進行加工。

有資料顯示，利用激光熱校直的方法可以把產生變形的工件矯正過來。該方法主要是選擇合理的工藝參數(shù)在淬火面的對立面（背面）進行激光掃描?；宓募庸げ课粸檎磧善矫?，因此一定程度上也能減少變形量。

（5）防應力集中措施 試驗滑板表面分布著9個階梯孔，如圖2所示。為防止淬火過程中孔的周圍出現(xiàn)應力集中，制作了f60mm的薄鐵片覆蓋在階梯孔上。加工完畢后，階梯孔處未出現(xiàn)裂紋等缺陷。

3.結果與分析

（1）宏觀形貌及表面硬度值 激光淬火處理結束后，拭去表面涂刷的黑化劑，可以看到寬度基本相同的淬火條紋，如圖3所示。在表面上隨機選取3個位置，測量硬度，并與淬火前測量的硬度值進行比較。由表3可知，滑板經激光淬火處理后，表面硬度顯著提高，而工件經過常規(guī)表面硬化方法處理后的硬度值低于激光淬火。

圖1 激光掃描帶分布圖

圖2 滑板上的階梯孔

圖3 激光淬火處理后滑板的局部形貌

表3 激光淬火前后滑板硬度值的比較（HRC）

（2）顯微組織分析 由圖4所示滑板激光淬火處理前后的顯微組織可以看出，原始組織為均勻的回火索氏體組織。激光掃描時，滑板表面吸收輻射能并轉化為熱能，輻照周圍溫度以極快的速度升高到奧氏體相變溫度以上、熔點以下，再通過基體的自冷卻作用使被加熱的表層材料以超過馬氏體相變臨界冷卻速度而快速冷卻，最終得到晶粒細小、位錯密度高的淬硬層。該淬硬層是由板條馬氏體和針狀馬氏體組成。板條馬氏體的強度和韌性較高，而針狀馬氏體硬度較高，因此淬硬層在保持高硬度的同時，也具有較高的強韌性。良好的性能會提高滑板的抗疲勞能力，延長使用壽命。

圖4 滑板的原始組織與淬硬層組織

（3）硬化層的顯微硬度測試 滑板經激光淬火處理后，顯微硬度與硬化層深度的關系如圖5所示。從圖中可以看出，硬化層的深度約為1.6mm，在此深度范圍內硬度較高，且分布較均勻；超過此深度范圍，硬度急劇下降。這是因為激光淬火時，表層組織經快速升溫和冷卻后轉變?yōu)轳R氏體組織，心部由于未被加熱到臨界溫度而仍然保持回火索氏體組織。

圖5 顯微硬度隨硬化層深度變化曲線

（4）在線試用 對經激光淬火后的軋機滑板進行在線試用，約7個月的時間里過鋼80萬t，軋材質量穩(wěn)定。經檢測，滑板表面質量良好，無通條裂紋、掉肉、變形等缺陷，最大磨損量小于0.1mm，滿足生產使用要求。