軋輥新型激光表面強化技術研究

李紅偉

在鋼管軋制生產(chǎn)過程中，為了使金屬順利變形需要使用到軋輥，軋輥這種工具極為重要，它不僅關乎著冶金生產(chǎn)的整體效率，還關乎著生產(chǎn)金屬的質量，同時，在冶金生產(chǎn)中，需要消耗大量的軋輥，因此，與軋輥生產(chǎn)相關的成本也較高，為了減輕冶金企業(yè)的生產(chǎn)負擔，需要注重軋輥表面的強化工作，而新型的激光表面強化技術可以很好強化軋輥的表面，基于此，本文重點對軋輥的激光表面強化技術展開研究。

1 當前我國軋輥新型激光表面強化技術現(xiàn)狀

目前，我國在冶金生產(chǎn)中使用的軋輥主要是鋼制、硬質合金組合，這種材料的軋輥有廣闊的應用空間，但是我國大部分軋鋼廠在生產(chǎn)過程中使用的都是球鐵，球鐵的質量和性能顯然無法與上述的幾個材料相提并論。同時，軋輥的需求量一直保持在高位，因此，如何提高軋輥的質量，主要是軋輥的耐磨性，使軋輥的消耗量逐漸降低并維持在低位，是冶金企業(yè)需要重點考慮的問題。

為了提高軋輥的使用壽命，一部分企業(yè)曾投入相當?shù)馁Y金和時間，用在處理鋼管廠的減徑輥（軋輥的一種）的過程中，小規(guī)格的減徑輥使用激光處理之后，減徑輥的使用壽命顯著提升，但是這項技術在推廣應用的過程中出現(xiàn)了問題，部分鋼管廠在使用表面激光處理技術處理減徑輥的過程中，相同技術用在大規(guī)格減徑輥出現(xiàn)了軟硬不同的現(xiàn)象。同時，部分減徑輥過渡層嚴重不均，減徑輥的質量嚴重降低；還有部分鋼管廠家在生產(chǎn)減徑輥的過程中強化層的深度不夠，導致軋輥出現(xiàn)嚴重的磨損現(xiàn)象，這些情況直接導致減徑輥的使用壽命降低。

2 激光作用機理及工業(yè)使用概況

激光器依據(jù)產(chǎn)生激光方法的不同能夠分成多種類型，在進行金屬表層性質轉變工作時，一般使用二氧化碳氣體激光器，這種激光器相對替他類型激光器而言具有較大優(yōu)勢，工作效率高達20%左右。隨著全球經(jīng)濟快速發(fā)展，二氧化碳氣體激光器銷售份額逐漸增加，二十世紀末期，其市場銷售總金額為12億美元，到二十一世紀初期銷售總金額已達到30億美金，且呈現(xiàn)穩(wěn)定增長狀態(tài)，市場價值潛力十分巨大。激光器對金屬發(fā)射激光射線，激光中蘊含密度極高的能量，能夠使金屬表面溫度瞬間達到高溫狀態(tài)，激光束離開金屬表面后，金屬表面溫度開始急速下降，從而轉變金屬表面的組織性狀。金屬合金化、熔覆技術、熔凝技術、金屬相變硬化等都是目前較為常見的金屬表面處理手段。金屬表面相變作用的激光能量密度相對較低，其數(shù)值通常在104W/cm2～105W/cm2，激光照射區(qū)域的金屬表面溫度變化速度能夠達到105C/s左右。例如，在進行鋼鐵材質加工時，激光加熱作用能夠使其金屬表面快速出現(xiàn)奧氏體化現(xiàn)象，隨著激光束的撤離，其金屬表面會形成馬氏體層，整個工作過程發(fā)生時間短，作用快。金屬在進行激光淬火后，會在金屬表面形成一層高硬度淬硬層，形成的主要原因是由于金屬缺陷增加、固溶強化作用以及晶粒細化等。鋼的位錯密度數(shù)值通常在108條/cm2左右，經(jīng)過激光加工后，其數(shù)值能夠達到1012條/cm2極大程度加強了鋼材強度與硬度，提高了鋼材的整體質量，加強了其在實際應用中適用范圍與實際效果。經(jīng)過專業(yè)學家權威研究后發(fā)現(xiàn)，激光掃描金屬過程中，過高的溫度變化會使表面晶粒發(fā)生變化，體積變得極為細小。

激光技術作為一項針對金屬材質進行表面性改的技術，其最終主要目的就是為了加強金屬質量，提高金屬表面的抗腐蝕?？鼓p能力。因此，進行激光技術加工的主要對象就是經(jīng)常出現(xiàn)物體接觸、滑動等容易出現(xiàn)磨損問題的部位。最初利用激光技術對金屬表面組織性狀進行改造工作的實際應用是美國汽車公司針對其汽車轉向架結構進行材質加強，當時，汽車轉向架的主要材質是鑄鐵，經(jīng)過激光技術處理加工后，其轉向架內壁質量得到極大程度提高，耐磨損能力相比之前提升了十倍。由此，激光技術開始在金屬表面轉性領域得到大力發(fā)展應用，并逐漸成為重要研究技術。目前，激光技術仍在汽車結構材質、柴油機內部傳動齒輪以及缸套內壁結構的質量加強方面占有重要地位，同時在蝸桿蝸輪、液壓馬達以及機床導軌等進行質量強化逐漸得到廣泛應用。且隨著世界整體科學技術的不斷加強，激光技術在針對陶瓷材料，鈦合金屬、鋁合金屬等有色金屬的強化研究工作逐漸得到重視與發(fā)展。

3 軋輥材質及其工作條件

3.1 軋輥材質

在軋輥生產(chǎn)的過程中，主要的目標只有兩個；其一是提高產(chǎn)量和質量，其二是降低消耗，同時，生產(chǎn)出的軋輥必須具有較高的強度和硬度，必須能夠耐受住高溫的炙烤，必須具有較強的抗磨損能力，但是在一種軋輥上體現(xiàn)出這些性能較難，因此，軋輥的材質較多，包括鑄鐵、半鋼以及全鋼等三種，這三種材料的主要區(qū)別在于材料中含碳量的大小。

其中，鑄鐵軋輥的優(yōu)勢在于具有較高的硬度和耐磨度，材料的表面較為光滑，無需較高的成本就可以制作，但是鑄鐵軋輥的強度較低，不能應對較大的沖擊力。同時，鑄鐵軋輥的優(yōu)勢還在于可以抗熱裂，這是因為在鑄鐵軋輥生產(chǎn)的過程中，軋輥的表面會形成一層密度較高，且有韌性的氧化膜，這層氧化膜中含有一定量的鉻，這種特性使得鑄鐵軋輥表面熱裂紋的數(shù)量大大減少，深度也降低。

全鋼軋輥并非完全由鋼制成，其中仍然含有0.8%的碳，該種軋輥的強度和韌性均較高，可以順利咬入軋件，但是在硬度上無法與鑄鐵相比。為了彌補這一缺點，需要在全鋼的軋輥中增加合金。高速鋼是生產(chǎn)這種軋輥的過程中主要使用的材料，在這種材料中，碳化物的含量最高為15%，最低為10%，能夠很好適應高溫下的工作。增加了合金之后，軋輥的硬度將會提升，并且在高溫環(huán)境下的抗熱裂性能將會提升。

半鋼軋輥是一種新型的材料，這種材料的含碳量小于鑄鐵，但是高于全鋼，并且，該種材料具有較低的雜質，在經(jīng)過熱處理之后，半鋼軋輥可以得到均勻分散，并且析出碳化物，這種碳化物的硬度較高。因此，半鋼軋輥的綜合性能最高。

3.2 軋輥工作條件

在冷軋的過程中，金屬的抗形變能力要高于熱軋。軋輥在咬入階段，表面需要承受巨大的壓力，同時，冷軋輥的表面還要承受剪應力，這種力主要由摩擦引起。為了有效應對壓力和剪應力，冷軋鋼必須保證強度在2000MPa，并且冷軋輥的內部不能有太多的雜質。此外，冷軋輥需要面對短時間內的高溫，需要應對較強的荷載和沖擊力。熱軋輥與冷軋輥相比，工作環(huán)境的惡劣程度有過之而無不及，軋輥需要與高溫狀態(tài)下的軋件接觸，并且經(jīng)過水冷反應，會產(chǎn)生一種熱應力，這種熱應力具有周期性。在熱軋的過程中，軋輥的溫度將在熱輻射和熱傳導的過程中逐漸升高，并且，氧化鐵皮的硬度較高會導致與之接觸的軋輥出現(xiàn)嚴重的磨損現(xiàn)象。同時，軋輥的表面會因其他因素出現(xiàn)魚鱗狀的磨損。在前期的選材和設計階段，后期的制作階段，如果出現(xiàn)不合理的現(xiàn)象，就會導致局部發(fā)熱和沖擊力的影響下出現(xiàn)失效。

3.3 軋輥在工作中出現(xiàn)的損傷

軋輥表面會產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，這是軋輥失效的主要形式。冷軋輥在生產(chǎn)的過程中，熱應力和組織應力的產(chǎn)生難以避免，因此，冷軋輥的表面就會出現(xiàn)裂紋，在裂紋產(chǎn)生之后必須在第一時間處理，否則在后續(xù)的軋役中，大規(guī)模的剝落現(xiàn)象就會產(chǎn)生，進而導致冷軋輥失去效用。熱軋輥出現(xiàn)裂紋由多種亞元素導致，包括熱循環(huán)應力和塑性形變等，這些因素導致裂紋出現(xiàn)之后，在應力的作用下，裂紋的現(xiàn)象將會加重。

軋輥的表面產(chǎn)生磨損是軋輥失去效用的另一種表現(xiàn)形式。目前，軋輥在工作的過程中，由于特殊的工作環(huán)境，軋輥難以避免產(chǎn)生摩擦，并且，軋輥受到的摩擦分為多種不同的類型，這些摩擦的共同點是都會對軋輥產(chǎn)生影響。此外，軋輥容易受到較高溫度的影響，首先，軋輥會在高溫的狀態(tài)下產(chǎn)生磨損；其次軋輥受到損壞的程度與軋輥受熱的情況決定，受熱越高，受損越嚴重；軋輥軸承的潤滑性和密封性將在高溫的狀態(tài)下受到損壞；軋輥的力學和抗磨損能力將在高溫狀態(tài)下逐漸失去。

4 軋輥新型激光表面強化技術

利用激光強化軋輥的原理就是對高密度能量的運用，在短時間內，軋輥的表面將達到較高的溫度，軋輥表面的溫度將隨著激光位置的變化而變化，在這一過程中，軋輥表面的組織將會出現(xiàn)改性。

利用激光強化軋輥的優(yōu)勢如下：由于激光本身具有較高的功率密度，因此，金屬在利用激光加熱之后，溫度上升的速度極快，無需輸入過多的熱量，并且，金屬工件在經(jīng)過激光處理之后，不會產(chǎn)生較大的熱形變。同時，經(jīng)過激光處理的軋輥組織會呈現(xiàn)出高度細化的特性，并且有著良好的強化效果。為了獲得硬度和軟度適中，強度和韌度平衡的軋輥表層，在利用激光加熱的過程中需要利用點或者線掃描加工的方式。由于在激光強化的過程中外界的磁場難以影響軋輥的加工，因此可以將激光強化的過程融入信息化的方式。將同一部件利用不同的技術處理，隨后對比其磨損最嚴重位置、最輕微位置的差距。對比結果為：經(jīng)滲碳淬火技術處理后的部件磨損最嚴重位置的最大深度為337um、最大寬度為5.66mm，而經(jīng)激光強化處理后的部件磨損最大深度僅為31.1um、最大寬度僅為2.08mm；經(jīng)滲碳淬火技術處理后的部件磨損最輕微位置的最大深度為24.1um、最大寬度為1.67mm，而經(jīng)激光強化處理后的部件磨損最大深度僅為6.31um、最大寬度僅為1.51mm。由此可見，激光強化在磨損情況上要明顯優(yōu)于滲碳淬火。

4.1 激光淬火和重熔

傳統(tǒng)的淬火主要特點就是進行工件整體加熱或工件表層加熱后再將工件放置于冷卻介質中進行急速冷卻。這種冷卻方式首先是工件表層冷卻，以此促使工件出現(xiàn)馬氏體相變，且工件次表面和機芯位置的溫度從始至終都會高于表層，當次表層的馬氏體出現(xiàn)相變后，表層馬氏體硬殼就會限制次表層體積膨脹，最終造成工件從里到外積累大量應力，此時最表層則進入到了拉應力狀態(tài)，容易導致工件形成裂紋。

激光淬火技術只是對軋輥加熱0.5mm～1.00mm的表層，但是冷卻卻是通過軋輥自身的熱傳導進行，因此促使激光淬火的導熱率與空氣及其他淬火介質導熱率相比更高，故而首先出現(xiàn)馬氏體相變的軋輥部位就是次表層，出現(xiàn)體積膨脹。當軋輥次表層出現(xiàn)馬氏體相變后，由于激光束的連續(xù)作用，已經(jīng)出現(xiàn)馬氏體變化的部位將會繼續(xù)沿著激光掃描方向向沒有出現(xiàn)相變的奧氏體部分進行擠壓，以此通過奧氏體的微小塑性形變不斷的向外釋放相變應力。因此，與傳統(tǒng)淬火技術相比，激光淬火技術所形成的應力積累值較小，因而也就不容易出現(xiàn)軋輥裂縫。

同時激光淬火即將激光作為熱源，完成工件表面的淬火，在掃描工件的過程中利用能量密度較高的激光束，此時金屬工件表面的溫度將以較快的速度上升，最終，溫度將達到材料產(chǎn)生相變的臨界溫度，但是這一溫度不會達到甚至超過金屬工件材料本身的熔點。由于將激光視為熱源，因此在激光離開之后，金屬工件表面的溫度又將在短時間內下降，在溫度下降的同時，相變轉化也會完成，這一過程也是金屬工件的自冷淬火，經(jīng)過激光淬火之后，工件表面的硬度將高于常規(guī)淬火。因此激光淬火的優(yōu)勢在于可以以較高的效率完成加工，經(jīng)過淬火之后，工件將具有更好的耐磨度，并且不會輕易產(chǎn)生形變，可以在最大程度上完成自動化處理，不會對周邊的環(huán)境產(chǎn)生多大的影響。

激光重熔技術是利用激光光束照射減徑輥的表面，使減徑輥表面層逐漸熔化，然后快速讓減徑輥的基體冷卻，此時，減徑輥的表面會因冷卻凝固出現(xiàn)結晶。在經(jīng)過激光重熔之后，減徑輥的表面會獲得一個硬化層，硬化層的厚度為2mm～3mm，硬化層中典型的組織為具有超細化和過飽和的馬氏體，以及具有高度彌散性，并且在分布上較為均勻的碳化物強化相顆粒。經(jīng)過冷卻凝固后，組織成分偏析逐漸降低，并且壓應力狀態(tài)逐漸升高，此時減徑輥表面的耐磨損性和耐腐蝕性將顯著提升。與上述的激光淬火技術相比，激光重熔技術在處理減徑輥的過程中，總硬化層的深度和硬度明顯更高。

4.2 激光合金化技術

激光合金法與傳統(tǒng)的冶金方法存在較大的差別，其優(yōu)勢在于可以在冷軋表面應用，可以使軋輥表面的性能得到較大改善，軋輥在使用需要進行重新淬火的次數(shù)將會減少，為了滿足各種生產(chǎn)的需要，可以制作不同的表面類型的軋輥。

目前，在激光合金化處理的過程中，存在一個較為突出的問題，即工件表面的合金化組織存在不均勻的分布。具體情況如下：一是合金化熔池內部，組織呈現(xiàn)不均勻的特性，在工件橫截面出現(xiàn)組織梯度；二是在熔池之內，宏觀組織呈現(xiàn)不均勻性；三是在熔池之內，合金化的搭接區(qū)大面積存在合金化宏觀組織的不均勻性主要的原因在于，熔池內的熔體會在激光的作用下產(chǎn)生對流運動，對流運動將會導致熔池之內不同的合金元素產(chǎn)生均勻的混合現(xiàn)象，并且這種均勻混合的情況將受到多項因素的影響?，F(xiàn)階段在這一層面上，部分學者已經(jīng)開始研究，但是普遍沒有取得突出的成果。

此外，以目前的激光合金化技術還不能做到精準控制每一層合金化成分，在利用激光熔化的過程中，元素的燒損系數(shù)將不能得到有效控制。在合金化處理的過程中，但凡出現(xiàn)任何一絲工藝控制領域的疏忽，都會導致合金元素的毀滅，即合金元素產(chǎn)生氧化，進而導致金屬工件表面的合金化層出現(xiàn)混亂的合金元素分布情況。

5 激光表面處理技術在軋輥中的應用前景

在激光處理工藝的利用上，以往的研究有明確的重點，即研究硬化層的質量受到各種工藝參數(shù)的影響，還有組織形貌受到硬化層質量的影響，這些研究的沒有涉及到激光的動力和熱力學等角度，也沒有深入研究激光處理的本質。

在控制硬化層質量的過程中，需要將重點集中在硬化層不均勻裂縫的產(chǎn)生上。在利用激光技術處理的過程中，搭接帶的使用必不可少，搭接帶回因回火而出現(xiàn)軟化的現(xiàn)象，進而導致整個合金組織的不均勻。此外，在激光處理的過程中，如果在激光束的選擇上選擇聚焦分流，就會導致在熱處理材料之后，相變的硬化帶會出現(xiàn)形狀的改變，形狀大體為月牙形。硬化層的產(chǎn)生與激光作用之間存在密切的關系，由于激光作用在一點，因此，中心位置的溫度必然會高于周邊的溫度，溫度的不同就會導致溫升不同，由此產(chǎn)生的硬化層必然不均勻。

軋輥的強化層上必然存在裂紋，但是目前的研究只局限在鑄造軋輥中產(chǎn)生的熱裂紋，在軋輥凝固之后形成的裂紋沒有做出深入的研究，從這里可以看出，目前的研究缺少微觀力學方面的分析。

現(xiàn)階段在設計涂層材料的過程中，主要的設計方式是熱噴涂的合金，或者對這種設計進行優(yōu)化。在設計涂層的過程中，必須將各個材料各部分的組成情況全面厘清，包括物理相容性、熱物性。此外，在利用激光熔覆技術的過程中，應當充分以熔池的冶金特點為參照，使用新的合金粉末材料。

6 結語

在冶金行業(yè)，一個具有優(yōu)質表面的軋輥具有極端的重要性。利用傳統(tǒng)制造方式制造出的軋輥往往在高溫的環(huán)境下極易出現(xiàn)磨損的現(xiàn)象，并且軋輥的表面容易出現(xiàn)裂紋，導致軋輥的使用壽命驟降。為此，利用激光強化技術處理軋輥的表面有著十分重要的現(xiàn)實意義，經(jīng)強化后的軋輥表層硬度較高，且不會對軋輥本身強度造成影響，同時經(jīng)激光技術強化的軋輥硬化層結合力也相對較好。然而，鋼管廠在利用激光技術強化軋輥過程中，需要保證軋輥的強化條件，正確利用激光表面強化技術，進而才能保證強化之后軋輥質量，提高使用壽命。