Cr5鋼支承輥激光熔凝強化

屈岳波 趙琳 張瑞華

摘要：采用光纖激光對Cr5鋼支承輥表面進行激光熔凝強化處理，通過組織、顯微硬度和耐磨性能分析，研究激光功率和掃描速度對單道熔凝層，以及激光功率和掃描間距對多道熔凝層的影響規(guī)律。結果表明，激光熔凝處理顯著改善了Cr5鋼支承輥的表面性能，單道熔凝層顯微硬度可達800HV;多道熔凝的后道激光處理對前道熔凝層存在回火作用，但熔凝層仍具有良好的熱穩(wěn)定性，熔凝層平均硬度約為600～700HV，熔凝試樣的磨損量比未經(jīng)處理的基體減小約10倍，熔凝層耐磨性能明顯提升。在本實驗條件下，激光功率1.4 kW、掃描速度0.48 m/min、掃描間距2.2 mm時，可較好地兼顧生產(chǎn)效率及Cr5鋼激光熔凝層的耐磨性能。

關鍵詞：Cr5鋼;支承輥;激光熔凝;耐磨性能

0? ? 前言

支承輥是軋機的重要部件，用于支承軋機的工作輥或中間輥，使用過程中承受旋轉彎曲應力、沖擊、摩擦磨損等作用力，對其強韌性和表面耐磨性等要求嚴格[1-3]。長期以來，研究者們從使用材料和表面強化處理等方面著力提高支承輥的使用性能。材料方面，支承輥從Cr2 型復合鑄鋼支承輥，Cr3 型鍛鋼、鑄鋼支承輥，Cr4 型鍛鋼支承輥，發(fā)展到當前主要采用的Cr5合金鋼;表面強化處理方面，采用淬火+回火的調(diào)質處理、堆焊等方式改善支承輥表面性能[4-6]。隨著激光技術的發(fā)展，已采用激光淬火、激光熔凝和激光熔覆對新支承輥進行強化，以及對使用過的支承輥進行修復再制造[7-9]。本研究采用光纖激光器，以Cr5支承輥為研究對象，結合組織、硬度及磨損實驗分析，研究激光工藝對Cr5支承輥表面熔凝強化的影響規(guī)律，為Cr5支承輥表面激光熔凝強化提供參考。

1 實驗方法

實驗所用材料為Cr5支承輥鋼，基體狀態(tài)為退火態(tài)，基體組織為鐵素體+珠光體，顯微硬度約為200HV，其化學成分如表1所示。取樣試塊尺寸為100 mm×60 mm×20 mm，表面磨削加工。實驗選用YLS-2000光纖激光器，主要參數(shù)如下：聚焦透鏡焦距300 mm，光斑直徑3 mm，保護氣體為氬氣，氣流量10 L/min，45°側向吹氣。采用線切割對激光熔凝試樣進行金相和磨損實驗取樣，采用奧林巴斯BX51光學顯微鏡觀察金相組織，通過HVS-1000Z數(shù)顯維氏硬度計進行顯微硬度分析，采用SRV摩擦磨損實驗機進行摩擦磨損實驗，Smatouius電子天平進行磨損試樣稱重。

采用丙酮將Cr5鋼試塊表面油污清洗干凈，然后進行不同激光功率、不同掃描速度的單道熔凝強化實驗，工藝參數(shù)如表2所示。之后對熔凝硬化層進行金相和顯微硬度分析，金相試樣機械磨拋后，采用4%的硝酸酒精液進行腐蝕;顯微硬度分析砝碼重量為200 g，保壓時間10 s。在此基礎上，進行了Cr5鋼多道激光熔凝強化研究，工藝參數(shù)如表3所示。并對熔凝硬化層的顯微硬度、耐磨性能進行分析，磨損實驗采用線接觸干摩擦方式，上試樣為圓柱形的GGr15標準試樣，表面硬度為62.5HRC，下試樣為實驗試樣，磨損實驗參數(shù)為載荷100 N，實驗頻率50 Hz，沖程1 mm，時間30 min。

2 結果及討論

2.1 單道激光熔凝組織與硬度

單道激光熔凝試樣橫截面如圖1所示，包括熔凝區(qū)、過渡區(qū)和基體三個區(qū)域，對應區(qū)域的顯微組織如圖2所示。由圖2a可知，基體組織為塊狀鐵素體和珠光體;熔凝區(qū)沿著傳熱相反方向存在較為明顯的枝晶形貌，枝晶骨架主要為Cr的碳化物，骨架之間分布著許多細小的針狀馬氏體，如圖2c所示;從熔凝區(qū)過渡到基體，受熱影響的程度逐漸減?。喝勰齾^(qū)邊緣存在一層致密的等軸晶區(qū)，緊鄰區(qū)域則為過渡區(qū)的熱影響區(qū)，逐漸轉變?yōu)槭軣嵊绊懶〉幕w區(qū)，如圖2b所示。

相同掃描速度、不同激光功率的單道熔凝處理試樣沿深度方向的硬度分布如圖3所示。由圖可知，經(jīng)不同激光功率熔凝處理后，熔凝硬化層的硬度均可達到800HV左右，相比基體硬度提高了近4倍。此外，熔凝硬化層的深度隨激光功率的增加而增加。相同激光功率、不同掃描速度的單道熔凝處理試樣沿深度方向上的硬度分布如圖4所示，隨著掃描速度的增加，激光熔凝硬化層的深度減小，但熔凝層的顯微硬度仍可達到800HV左右。由此可見，激光熔凝處理能夠顯著提高Cr5支承輥鋼的表面硬度;激光工藝參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時，都能獲得硬度較高的熔凝硬化層，表明光纖激光對Cr5鋼的熔凝處理具有較寬的工藝窗口。

2.2 多道激光熔凝組織與硬度

由單道激光熔凝實驗結果可知，激光熔凝具有良好的表面強化作用，但由于單道激光處理的掃描寬度有限，實際應用中需要對整個試樣表面進行強化處理，因此在單道熔凝強化處理的基礎上，進行多道熔凝激光表面強化處理實驗。由于掃描間距（搭接量）是與生產(chǎn)效率密切相關的參量，故進行了掃描間距參數(shù)優(yōu)化對比實驗。

激光功率1.2 kW，掃描速度0.48 m/min，掃描間距1.5 mm的多道激光熔凝及取樣橫截面如圖5所示，可以看出多道激光熔凝處理過程中，后道熔凝處理對前道的熔凝層及過渡區(qū)有較為明顯的熱影響。多道激光熔凝層顯微組織如圖6所示，由圖可知，后道激光熔凝處理一定程度地改變了前道熔凝層的枝晶形貌和方向，但冷卻凝固后仍形成比較明顯的枝晶，并且枝晶骨架之間形成了大量細小的針狀鐵素體組織，表明在劇烈的熱循環(huán)作用下，Cr5鋼具有較好的熱穩(wěn)定性。

掃描間距1.5 mm時，激光功率分別為1.0 kW、 1.2 kW、1.4 kW、1.6 kW時多道熔凝層表層以下0.2 mm的顯微硬度分布如圖7所示。由圖可知，在后道激光熔凝熱影響下，熔凝層顯微硬度分布呈周期性變化，熔凝層的顯微硬度約為600～700HV，相比單道熔凝層的顯微硬度有所下降，但整體硬度仍處于較高水平，這與Cr5鋼激光熔凝層組織具有較好的熱穩(wěn)定性相關（見圖6）。激光功率1.4 kW，掃描速度0.48 m/min，掃描間距分別為1.0 mm、1.5 mm、2.2 mm、3.4 mm、4.2 mm時多道熔凝處理的顯微硬度分布如圖8所示，隨著掃描間距的增大，熔凝層顯微硬度的周期性起伏增大;當掃描間距為3.4 mm時，硬度為前后兩道激光熔凝處理熱影響區(qū)相接的臨界值，掃描間距為4.2 mm時，后道熔凝層對前道幾乎沒有熱影響作用，相鄰兩道激光熔凝處理之間存在未經(jīng)處理的基體，熔凝層的顯微硬度在基體和單道熔凝層硬度之間變化。

2.3 耐磨性能實驗

為了進一步研究激光熔凝處理對Cr5鋼表面性能的改善效果，對多道激光熔凝試樣進行了摩擦磨損實驗。激光掃描速度為0.48 m/min、掃描間距為1.5 mm，激光功率分別1.0 kW、1.2 kW、1.4 kW、1.6 kW時與基體的摩擦磨損結果對比如圖9所示，經(jīng)過激光強化處理后，試樣的磨損量比未經(jīng)處理的基體減小約10倍，磨損性能均得到了大幅提高。

激光功率1.4 kW、掃描速度0.48 m/min時，掃描間距為1.0 mm、1.5 mm、2.2 mm、3.4 mm、4.2 mm時與基體的摩擦磨損結果對比如圖10所示。當掃描間距較小時，試樣均具有較好的抗磨損性能;而隨著掃描間距的增大，試樣表面熔凝處理存在不均勻，以及當掃描間距增加、試樣表面存在未經(jīng)處理的基體時，試樣表層的組織不一致性增加，耐磨性也相對變差。

綜上可知，當掃描間距合適時，整個試樣表層均進行了激光熔凝處理，后道熔凝對前道存在一定的回火作用，多道熔凝相比單道熔凝硬度有所下降;但熔凝重疊區(qū)的組織形貌仍以枝晶為主，并且枝晶骨架之間形成了大量細小的針狀鐵素體組織，相比于未經(jīng)處理的基體材料，熔凝層硬度和性能具有明顯提升（由圖6、圖7、圖8的硬度分析可知），Cr5鋼呈現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，熔凝層具有較好的耐磨性能。隨著掃描間距的增大，當表面存在未經(jīng)處理的基體時，激光熔凝試樣組織、性能出現(xiàn)不均勻，進而導致耐磨性能相對變差。本實驗條件中，激光功率1.4 kW、掃描速度0.48 m/min、掃描間距2.2 mm時，可較好地兼顧生產(chǎn)效率及Cr5鋼激光熔凝層的耐磨性能。

3 結論

（1）Cr5鋼單道激光強化表面硬度可達到800HV左右，并且激光熔凝處理具有較寬的工藝窗口。

（2）Cr5鋼多道激光熔凝強化處理中，后道激光熔凝處理對前道激光熔凝處理具有一定的回火作用，但激光熔凝層具有較好的熱穩(wěn)定性，Cr5鋼激光熔凝層整體硬度可達到600～700HV，試樣的磨損量比未經(jīng)處理的基體減小約10倍。激光熔凝處理后，Cr5鋼的磨損性能明顯提升。

（3）在光纖激光光斑直徑3 mm的實驗條件下，激光功率1.4 kW、掃描速度0.48 m/min、掃描間距為2.2 mm時，可較好地兼顧生產(chǎn)效率及Cr5鋼激光熔凝層的耐磨性能，為軋輥表面激光熔凝強化處理提供參考。

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