轨梁轧辊表面激光熔覆改性技术(4)

图2 熔覆层的金相组织Fig.2 Metallographic structure of cladding layer: (a) surface of cladding layer, (b) bonding layer interior, (c) lap joint

金相组织分析显示，熔覆层由大量的碳化物组成，而碳化物在580 ℃左右时组织稳定。因此，辊面在轧制过程中主体组织不变，仍为大量碳化物。这些碳化物凸点在与轧材凸点接触时，不会发生“焊合”现象，也不会发生粘钢现象。由于轧制时产生的磨粒和犁头的显微硬度都远低于熔覆层内碳化物的硬度，又由于这些碳化物在高温时仍然能够保持高的显微 硬度，轧制材料很难将其磨损，使其耐磨性显著提高。瞬时凝固造成定向凝固的独特方式，加上较高的镍、钼合金的固溶强化作用，使得材料的抗冷热疲劳能力显著提高，裂纹产生和拓展的速率都大幅降低。因此，由于疲劳裂纹引起的磨损、脱落时间被大幅延长。熔覆层良好的冶金结合，极大地降低了微观裂纹的产生、扩展几率，使得熔覆层在历经轧制过程中各种机械力、交变热应力等作用时，得以长久地保持。如果轧制过程中辊面温度、冷却水量和温度均达到合适的条件时，熔覆层表面会产生一层坚硬、有极高耐磨性的铬氧化膜，既保护了熔覆层表面不被磨损，又可进一步提高耐磨性。

4 激光熔覆工艺参数的研究和确定

激光熔覆工艺参数主要包括激光功率、光斑形 状和尺寸、焦距、线速度、搭接量和送粉量等，工艺参数选取的正确与否直接关系到激光熔覆改性的效果。

4.1 激光功率

激光功率由式（1）计算，取光斑直径D 为5 mm，线速度V 为20 mm/s，熔池深度为0.5 mm，材料平均密度ρ 为7 g/cm3，单位时间内熔覆材料和基体材料吸收的能量Q1经计算为700 J/g，则得出β·P 为2000 W。由于输出功率P 部分被粉料和基体吸收，部分被飞溅物吸收及被反射，必定会有一定的能量损失，本研究中输出功率的有效利用系数β 选择为0.65，则计算出的激光功率P 为3077 W。按扫描速度为20 mm/s，送分率为40 g/min，搭接系数为10%，激光功率分别为2500、3000、3600 W，进行单道熔覆实验，实验后熔覆层表面见表9。激光功率为2500 W 时，熔覆 表面有少量气孔及裂纹；当激光功率为3000 W 时，表面无气孔裂纹，且表面光滑；当激光功率为3600 W时，表面有裂纹，且表面粗糙。综上可知，激光功率为3000 W 时，熔覆层表面质量较好。

表9 激光功率对熔覆层表面的影响Tab.9 Effect of laser power on cladding surface?

4.2 搭接率

搭接率直接影响熔覆层材料的熔化程度、母材与熔覆层的结合以及熔覆表面的平整度。如果被照射部位在x-z 面上的投影是直线，则熔覆层顶面为弧形，弧形的矢高与熔覆层厚度成正比、与能量密度成反比。入射角为0°时，弧形沿照射方向中轴线对称；入射角不是0°时，弧顶会向入射角一侧倾斜。如果被照射部位在x-z 面上的投影是曲线，光斑弧顶会随着曲 线变形，且与曲线的曲率半径成正比，照射面积、能量分布均会发生显著改变。光斑内同心放射状能量分布偏向长轴入射方、光斑移动轨迹在x-z 平面内沿着z 轴方向移动时，搭接率就要大于直角照射时的搭接率。搭接率至少在20%以上，才有可能使高能量区连续起来。按激光功率为3000 W，扫描速度为20 mm/s，送粉率为40 g/min，搭接率分别为10%、30%、50%，进行单道熔覆实验，熔覆层表面见表10。实验表明，当搭接率为10%时，相邻单道有凹陷；当搭接率为30%时，相邻单道较平滑，单道间间隙较小；搭接率为50%时，相邻单道有隆起。因此，为避免因能量不足造成结合不良，甚至粉料熔化不充分，也为了达到熔覆后表面不平整度＜0.2 mm 的用户要求，结合理论分析和试验，搭接率设定在30%较为稳妥。

表10 搭接率对熔覆层表面的影响Tab.10 Influence of overlap rate on cladding surfaceOverlap rate Macrophotograph Metallograph Brief description 10% images/BZ_220_574_1485_775_1813.pngimages/BZ_220_953_1473_1397_1824.png30% images/BZ_220_564_1857_785_2198.pngMacroscopic scale: The surface is not smooth, there are pits, pores, protrusions and other defects at the lap joint Microscopic scale: Not uniform, the presence of micromelt particles images/BZ_220_952_1841_1397_2214.png50% images/BZ_220_569_2238_779_2581.pngMacroscopic scale: Smooth、balance Microscopic scale: Uniform structure images/BZ_220_952_2231_1398_2587.pngMacroscopic scale: The gas hole caused by the superfusion of the parent material Microscopic scale: Large structure

4.3 送粉率

熔覆层的目标厚度是0.3～0.5 mm，因送粉过程中影响有效利用率的因素随机性较大，故采用以实验为主的方式寻求最佳工艺参数。按激光功率为3000 W，扫描速度为20 mm/s，搭接率为30%，送粉率分别为20、40、60 g/min，进行单道熔覆实验，实验结果见表11。送粉率为20 g/min 时，熔覆层表面略粗糙；送粉率为40 g/min 时，熔覆层无杂纹裂纹，且表面光滑；送粉率为60 g/min 时，熔覆层有个别气孔和裂纹。根据实际使用反馈结果，激光熔覆层厚度达到0.3～0.4 mm 时，既可以满足耐磨性的要求，又能够最大限度地减少激光熔覆缺陷。因此，确定送粉率为30～40 g/min、气压为1.5～1.8 MPa 时为最佳值，此时粉料收得率大于60%。

文章来源：《中国表面工程》 网址: http://www.zgbmgc.cn/qikandaodu/2021/0708/647.html