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轧辊激光表面强化研究及数值模拟

王长贵  
【摘要】:轧辊是轧制生产的重要部件,受轧件的冲击、磨损和冷热疲劳作用,工作条件非常恶劣。提高轧辊的使用寿命不仅能够降低轧辊的消耗,而且能够减少换辊次数,提高轧机作业率。提高轧辊使用寿命常用的方法是采用堆焊技术。随着本世纪70年代激光表面强化技术的兴起,激光表面强化技术也开始应用于轧辊的表面强化。激光表面强化技术包括激光相变硬化、激光熔凝处理、激光合金化等,应用于轧辊表面强化的是激光相变硬化,即激光淬火和激光熔凝强化处理。相比较堆焊而言,激光强化处理工艺有独特的优点。 本文以大型轧辊为主要研究对象,采用激光强化方式研究了75CrMnMo、70Mn2、高铬钢、高碳高铬铁、合金钢、高镍铬铸铁、半钢等7种轧辊材料,其中75CrMnMo、70Mn2轧辊材料采用激光熔凝强化处理,并应用于实际生产,而其余5种轧辊材料则采用激光相变硬化处理。利用有限元分析软件对激光强化过程中轧辊热处理的温度场分布进行了二维分析和计算,得到比较满意的结果。 (1)75CrMnMo、70Mn2轧辊激光熔凝强化处理后硬化效果显著,淬硬层的深度可达2mm,硬化区内最高峰值可达800HV0.2以上,强化后硬度有明显提高,耐磨性有大幅度的上升。经过激光熔凝强化处理后的轧辊经实际使用,过钢量可达到4800-6000吨,而激光未强化前过钢量在2000吨左右,即过钢量可以提高1.5倍以上,从而有效地延长了换辊周期,提高了生产效率,降低了生产成本。 (2)高铬钢激光相变强化时极易发生表面熔化,必须控制激光功率和扫描速率。在激光相变硬化处理中,硬度可以由基材的550HV提高到750-800HV,峰值可以达到900HV。硬度和耐磨性都相应地得到提高。 (3)高碳高铬铁激光相变硬化热处理有一定效果,难点主要表现在极易出现熔化区,这会导致生成微裂纹和大量的残余奥氏体,使该区的硬度降低。深冷处理、低温回火二次析出硬化、严格控制激光相变硬化处理工艺参数都是使工件表面不产生或产生深度较浅的微熔的有效措施。 (4)合金钢轧辊用钢激光相变硬化处理后硬化效果比较明显,其硬度可由基体的426~482HV提高到淬硬区的786~793HV,且硬度分布的规律性较好,硬度值的分散度比较小,其耐磨性也有相应的提高。 (5)高镍铬铸铁轧辊含碳量比较高(约3.2%),熔点较低(1350℃),对激光强化 WP=4 工艺参数比较敏感。 (6)半钢轧辊熔点较低,激光强化处理时容易出现熔化区,且熔化区的硬度较低,一般略低于母材的硬度。 淬硬区的硬度比较高,硬度值可达HV800左右。 (7)利用有限元中的二次开发语言开发了激光强化过程的温度场分析程序,实现了求解过程的自动化。研究了给定激光技术参数条件下的温度场的动态变化过程以及温度场的分布,数值模拟令人满意。 (8)研究激光功率、扫描速度、光斑直径、功率密度等对淬硬深度的影响规律。


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