軋機(jī)扁頭套激光熔覆修復(fù)材料的試驗(yàn)研究

熊杰，李林，梁鐵

（1.寶山鋼鐵股份有限公司；2.寶鋼集團(tuán)八鋼公司設(shè)備工程部；3.新疆八一鋼鐵股份有限公司）

軋機(jī)扁頭套激光熔覆修復(fù)材料的試驗(yàn)研究

熊杰1，李林2，梁鐵2

（1.寶山鋼鐵股份有限公司；2.寶鋼集團(tuán)八鋼公司設(shè)備工程部；3.新疆八一鋼鐵股份有限公司）

文章介紹了通過摩擦試驗(yàn)，對(duì)軋機(jī)扁頭套激光熔覆修復(fù)中不同熔覆材料的性能進(jìn)行的研究，提出了最佳熔覆材料。

扁頭套；激光熔覆；熔覆材料；摩擦試驗(yàn)

激光技術(shù)熔覆具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）激光束的能量密度高，加熱速度快，對(duì)基材的熱影響較小，引起工件的變形小；（2）控制激光的輸入能量，可將基材的稀釋作用限制在極低的程度（一般為2%～8%），從而保持了原熔覆材料的優(yōu)異性能；（3）激光熔覆層與基材之間結(jié)合牢固（冶金結(jié)合），且熔覆層組織細(xì)小。這些特點(diǎn)使得激光熔覆技術(shù)近十年來在材料表面改性方面受到高度的重視。[1]在冶金行業(yè)中，激光表面熔覆技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于軋機(jī)扁頭套修復(fù)。

文章通過現(xiàn)有的激光熔覆材料的對(duì)比試驗(yàn)，確定了軋機(jī)扁頭套激光熔覆修復(fù)的最佳熔覆材料。為了提高試驗(yàn)效率，縮短試驗(yàn)時(shí)間，近似地采用環(huán)－塊摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)定激光熔覆層的磨損特性。

1　試件制備

為了模擬實(shí)際工況，選取報(bào)廢的軋輥扁頭制成塊狀試塊，如圖1所示。試塊尺寸為20mm×8mm× 7mm，如圖2所示。

常用的自熔性激光熔覆材料可以分為三大類，即鐵基、鎳基和鈷基熔覆材料[2]。試驗(yàn)分別采用不同組分的鐵基、鎳基和鈷基熔覆材料共5份制作環(huán)狀摩擦試樣進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)。試樣為φ40mm/φ16mm× 10mm的環(huán)狀試樣，如圖2所示。試樣的基體材料為碳鋼，外圓表面進(jìn)行激光熔覆處理。

圖1　報(bào)廢的軋輥扁頭

圖2　試樣的制備

通過對(duì)熔覆試樣進(jìn)行分析，5個(gè)試樣激光熔覆

材料的化學(xué)成分如表1所示。

表1　激光熔覆材料的化學(xué)成分%

由表1可知：試樣1和試樣2的熔覆材料為鐵基材料；試樣3的熔覆材料為鎳基材料；試樣4和試樣5的熔覆材料為鈷基材料。在激光熔覆過程中，Si和B等元素具有造渣功能，它們優(yōu)先與合金粉末中的氧和工件表面氧化物一起熔融生成低熔點(diǎn)的硼硅酸鹽等覆蓋在熔池表面，防止液態(tài)金屬過度氧化，從而改善熔體對(duì)基體金屬的潤(rùn)濕能力，減少熔覆層中的夾雜和含氧量，提高熔覆層的工藝成形性能[3]。

2　摩擦磨損試驗(yàn)

選用M2000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。

試驗(yàn)形式：環(huán)塊對(duì)磨，對(duì)摩件塊試樣固定。

環(huán)狀試樣轉(zhuǎn)速為200r/min；實(shí)驗(yàn)所用載荷為250N；試驗(yàn)時(shí)間為30min；試驗(yàn)環(huán)境溫度為80℃。

在摩擦試驗(yàn)的10、20、30分鐘時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行稱重。圖3為環(huán)狀試樣和塊狀試樣磨損形態(tài)的照片。

圖3　磨損試驗(yàn)試樣結(jié)果

由圖3可以得到，塊狀試樣的磨損量按編號(hào)順序逐漸減少。鐵基熔覆材料對(duì)球墨鑄鐵件的磨損較為嚴(yán)重，鎳基熔覆材料其次，鈷基熔覆材料最少，如圖4所示。

圖4　塊狀試樣-環(huán)狀試樣總磨損量

圖5顯示了5組塊狀試樣不同磨損時(shí)間下的磨損量圖。其中試樣3由于粘著了對(duì)磨件鎳基熔覆材料的磨屑，質(zhì)量有所增加，因此磨損量為負(fù)值。試樣1由于磨損量過大而沒有進(jìn)行后10分鐘的磨損試驗(yàn)。

圖5　塊狀試樣按時(shí)間段測(cè)得的磨損量

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1磨損形式

環(huán)狀試樣1和2的摩擦表面均有較深的劃痕，其對(duì)應(yīng)磨件塊狀試樣1和2的摩擦面產(chǎn)生了變形，摩擦面邊緣的材料被擠出。環(huán)狀試樣1和2的鐵基熔覆層與球墨鑄鐵對(duì)磨的主要磨損形式為高溫下的粘著磨損，并伴有氧化磨損。環(huán)狀試樣1中鎳的含量比試樣2高，因此其材料強(qiáng)度也較高。過高的材料強(qiáng)度使其對(duì)磨件球墨鑄鐵材料的磨損量有所增加。

環(huán)狀試樣3摩擦表面劃痕較淺，其對(duì)應(yīng)磨件塊狀試樣3的磨損量也較小。鎳基熔覆材料與球墨鑄鐵材料的主要磨損形式為粘著與氧化磨損。從圖3（a）中還可看出，環(huán)狀試樣3的氧化磨損形式與其它試樣不同，呈斷續(xù)的團(tuán)狀形狀分布。相對(duì)鐵基熔覆材料的兩組試驗(yàn)材料，鎳基材料試樣的脫落量不大，磨粒不易排出，因此形成了球狀磨粒。

環(huán)狀試樣4和5的摩擦表面仍然保持光滑平整，沒有明顯的磨損。其對(duì)應(yīng)磨件塊狀試樣4和5的磨損量也較小。鈷基金屬具有較好的導(dǎo)熱性能，使摩擦過程中的熱量迅速散出，因此降低了球磨鑄鐵材料的磨損量。由于鈷基材料的強(qiáng)度及韌性均強(qiáng)于球墨鑄鐵，因此相應(yīng)的環(huán)狀試樣4和5沒有明顯的磨損情況。

由圖3（a）可知，環(huán)狀試樣中試樣2～4均有不同程度的氧化磨損，而磨損量最大的試樣1的摩擦面卻沒有明顯的氧化情況。試樣1中含有微量的釩元素，而釩是優(yōu)良的脫氧劑，抑制了環(huán)狀試樣1在摩擦過程中產(chǎn)生的金屬氧化。

3.2磨損量分析

鐵基熔覆試樣中，第1組試驗(yàn)中塊狀試樣的磨損較為嚴(yán)重，而環(huán)狀試樣也有持續(xù)磨損的情況。第2組鐵基試樣的環(huán)狀試樣磨損情況與第3、4、5組試驗(yàn)基本一致，激光熔覆層耐磨性較好。但是，此環(huán)狀試樣對(duì)球墨鑄鐵材料試樣的磨損較為嚴(yán)重。

第3組鎳基熔覆試樣的摩擦試驗(yàn)中，環(huán)狀試樣和塊狀試樣的磨損量均比較高。通過稱重記錄可以看出，經(jīng)過10分鐘的摩擦試驗(yàn)后，環(huán)狀試樣的重量減輕，而塊狀試樣的重量增加。這是由于兩種材料對(duì)磨時(shí)產(chǎn)生粘著磨損造成的，環(huán)狀試樣的表面材料由于粘著磨損被帶到塊狀試樣表面。

第1、2、3組環(huán)狀試樣的磨損稱重結(jié)果表明，環(huán)狀試樣在試驗(yàn)初期磨損量均大于后期的磨損量。這說明試樣經(jīng)過激光熔覆處理后，表層組織耐磨性不強(qiáng)，容易脫落。這是由于熔覆處理后期冷卻過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力集中在熔覆層表層且表層材料溫度變化大于內(nèi)部材料，因此，表層微觀組織強(qiáng)度、韌性較差，晶粒較粗且可能存在更多的微裂紋。

第4、5組鈷基材料摩擦試驗(yàn)的稱重結(jié)果表明鈷基熔覆材料較為耐磨，且對(duì)塊狀試樣的磨損也較小。

4　結(jié)論

通過對(duì)熔覆材料的元素能譜分析及摩擦磨損試驗(yàn)，獲得如下結(jié)論：

（1）鐵基材料中添加適量的微量元素可提高其導(dǎo)熱性及耐磨性能，因此后續(xù)應(yīng)專注于對(duì)鐵基材料的材料組分及其作用做細(xì)致的分析，最終可以獲得導(dǎo)熱性好、耐磨性高，且對(duì)球墨鑄鐵材料的磨損量很小的熔覆材料，以代替鈷基材料，進(jìn)而降低成本。

（2）鎳基材料在試驗(yàn)中仍發(fā)生較大粘著磨損，磨粒容易粘附在環(huán)狀試樣表面不易逸出，進(jìn)而形成球狀磨粒。

（3）鈷基材料導(dǎo)熱性能好，對(duì)磨表面不易產(chǎn)生高溫下的粘著磨損，磨損量最少。由于鈷屬于貴重金屬，使用成本較高，而且鈷基材料的加工硬化特征明顯，因此在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。

在實(shí)際應(yīng)用中，鐵基材料等低成本材料用于過渡層和中間層熔覆，而鈷基材料僅用于工作層熔覆。這樣既可以改善耐磨性能，還可以降低使用成本。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)熔覆層表層明顯低于亞表層及內(nèi)部的耐磨性能。在實(shí)際應(yīng)用中，激光熔覆部位需要通過機(jī)械加工恢復(fù)尺寸精度后才能投入使用，可以避免上述問題。

[1]劉錄錄，孫榮祿.激光熔覆技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用研究進(jìn)展.熱加工工藝[J]，2007，36（11）：58～61.

[2]王新洪，鄒增大，曲仕堯.表面熔融凝固強(qiáng)化技術(shù)——熱噴涂與堆焊技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005年：311～312.

[3]董世運(yùn)，馬運(yùn)哲，徐濱士等.激光熔覆材料研究現(xiàn)狀.材料導(dǎo)報(bào)[J]，2006，20（6）：5～11.

Study on the Cladding Material Selection in Wobbler Repairing with Laser-Cladding

XIONGJie1，LI Lin2，LIANGTie2
（1.Baoshan Iron&Steel Co.Ltd.;2.XinjiangBayi Iron&Steel Co.,Ltd.）

Through friction test,property of different kinds of cladding material,which was applied in repair of wobbler with laser cladding,were studied in this paper.The best claddingmaterial was alsofound in this paper.

wobbler；laser cladding；claddingmaterial；friction test

TG333.17

A

1672—4224（2016）02—0040—03

聯(lián)系人：熊杰，男，47歲，研究生，高級(jí)工程師，上海（201900）寶山鋼鐵股份有限公司設(shè)備部

E-mail:jiexiong@baosteel.com.