半鋼軋輥激光熔覆Ti(C-,y-N-,1-y-)增強(qiáng)Fe基復(fù)合層的研究.pdf

1、半鋼軋輥廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)的軋機(jī)中，由于其工作條件非常惡劣，軋輥的表面上經(jīng)常會出現(xiàn)磨損和剝落等情況，嚴(yán)重地影響熱軋產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量，若軋輥只能報(bào)廢或替換，這將會給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了修復(fù)已報(bào)廢的鑄造合金ZUB160CrNiMo半鋼軋輥，針對這種軋輥的主要失效行為，本文利用激光熔覆技術(shù)在軋輥基材表面制備原位自生金屬陶瓷復(fù)合層，這種熔覆層可以實(shí)現(xiàn)金屬材料與陶瓷材料兩優(yōu)異性能的結(jié)合，該領(lǐng)域研究應(yīng)用前景廣闊。鑒于此，本文在以下方面開展了

2、研究工作： 本文選擇橫流二氧化碳激光束作為熱源，利用激光熔覆技術(shù)在ZUB160CrNiMo半鋼軋輥表面進(jìn)行耐磨熔覆層的工藝研究，通過激光功率、掃描速度、光斑直徑等三個(gè)主要激光熔覆工藝參數(shù)對熔覆層幾何形狀與稀釋率的影響，分析了激光熔覆工藝參數(shù)對熔覆層質(zhì)量的作用效果，研究指出：隨著激光功率的增加，熔覆層寬度加大，厚度減小，熔深增加，形狀系數(shù)增大，稀釋率增加，晶粒粗化。隨著掃描速度的增大，熔覆層寬度、厚度、熔深減小，形狀系數(shù)和稀釋率也

3、減小，熔覆層晶粒細(xì)化，硬度增加，表面粗糙，氣孔產(chǎn)生的傾向變大。對本研究采用的自制的合金粉末，當(dāng)單層單道焊時(shí)，預(yù)涂層厚度為1mm時(shí)，激光功率選3000瓦，掃描速度為300mm/min，光斑直徑3.0mm為宜。 根據(jù)ZUB160CrNiMo半鋼軋輥表層對熔覆層性能的要求，自行研制了FeCrBSiMo自熔性鐵基合金粉末。選擇TiN陶瓷粉與石墨C（摩爾比為1：1）混合粉作為陶瓷粉末，以其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)30％與Fe基合金粉末機(jī)械混合均勻，構(gòu)成

4、激光熔覆預(yù)涂粉，通過丙酮稀釋的有機(jī)粘結(jié)劑粘涂在半鋼軋輥表面，采用適當(dāng)?shù)募す夤に嚳色@得質(zhì)量良好的熔覆層。然后利用現(xiàn)代分析測試手段（OM、SEM、TEM、EPMA、EDAX、XRD等）對熔覆層組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：激光熔覆鐵基金屬陶瓷復(fù)合層的組織由α-Fe及大量形狀不規(guī)則的穩(wěn)定相Ti（CyN1-y）（0≤y≤1）共同組成。Ti（CyN1-y）是預(yù)涂粉中加入的TiN和石墨在激光熔覆過程中通過原位反應(yīng)合成的新強(qiáng)化相，其尺寸在0.1～40

5、μm，彌散分布在馬氏體基體中。經(jīng)TEM觀察，Ti（CyN1-y）（0≤y≤1）與熔覆層基體結(jié)合緊密，具有潔凈的相結(jié)構(gòu)，界面無孔洞和其它析出相。 依據(jù)熱力學(xué)理論，對TiN與C原位合成Ti（CyN1-y）的反應(yīng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，得出在激光熔覆過程中TiN發(fā)生分解TiN=[Ti]+[N]，分解出來的[Ti]原子將和石墨C優(yōu)先結(jié)合，發(fā)生[Ti]+[C]=TiC，同時(shí)[Ti]也會同高溫分解出的N原子反應(yīng)[Ti]+[N]=TiN。TiC和T

6、iN兩種陶瓷顆粒不僅結(jié)構(gòu)均為體心立方晶格，而且它們的晶格常數(shù)非常接近，因而它們具有很好的互溶性，冷卻凝固時(shí)發(fā)生yTiC+（1-y）TiN=Ti（CyN1-y）固溶反應(yīng)，形成復(fù)合顆粒硬質(zhì)相。當(dāng)激光熔覆進(jìn)行時(shí)，TiN和石墨C在高溫下還會直接發(fā)生置換反應(yīng)，C會置換TiN中的部分N，生成Ti（CyN1-y）顆粒相且原位析出。 對Ti（CyN1-y）顆粒增強(qiáng)的鐵基熔覆層的耐磨性及其磨損機(jī)制進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，原位合成的Ti（CyN1-y

7、）顯著地提高熔覆層的顯微硬度和耐磨性，其強(qiáng)化機(jī)制除了第二相彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化外，還包括C、Mo、Cr等元素的固溶強(qiáng)化和馬氏體組織強(qiáng)化。 在半鋼軋輥表面形成含Ti（CyN1-y）顆粒強(qiáng)化的激光熔覆層，在熔覆層的內(nèi)部易產(chǎn)生平行于熔合線的橫向裂紋和沿樹枝晶方向的縱向裂紋，特別是當(dāng)進(jìn)行多層多道熔覆時(shí)，熔覆層的裂紋敏感性增大。熔覆層內(nèi)部裂紋多起源于熔覆層和半鋼基體結(jié)合處，然后向鐵基熔覆層的表層擴(kuò)展，裂紋呈現(xiàn)穿晶斷裂和沿晶斷裂兩種形態(tài)。熔覆