轧机衬板激光淬火工艺优化及变形的消除_王鹏鹏.pdf

总第 328 期2023 年第 4 期HEBEI METALLUGYTotal No 3282023，Number 4轧机衬板激光淬火工艺优化及变形的消除王鹏鹏(河北天越激光再制造科技有限公司，河北 迁安 064400)摘要:激光表面淬火是激光表面改性领域中最先进的技术，它利用金属良好的导热性，将高能激光束照射到工件表面，使表层温度迅速升高至相变点之上(低于熔点)，当激光束移开后，工件快速地自然冷却，实现材料的相变硬化。介绍了轧机衬板激光淬火的工艺特点，研究了激光表面淬火工艺参数对工件组织及性能的影响，确定了满足轧机衬板硬度和安装精度的工艺参数:激光功率 1 600 1 700 W，扫描速度 8 10 mm/s，光斑宽度 15 17 mm。通过分析淬火后工件变形的原因，提出可利用专用加热设备使工件产生反向预变形，消除因激光淬火残余压应力产生的平面度变形。关键词:激光淬火;功率;扫描速度;光斑宽度;反向预变形中图分类号:TG156 3文献标志码:A文章编号:1006 5008(2023)04 0057 05doi:doi:10 13630/j cnki 13 1172 2023 0413OPTIMIZATION OF LASEHA DENING P OCESS AND ELIMINATIONOF DEFO MATION OF OLLING MILL LINE SOPTIMIZATION OF LASEHA DENING P OCESS AND ELIMINATIONOF DEFO MATION OF OLLING MILL LINE SWang Pengpeng(Hebei Tianyue Laser emanufacturing Technology Co，Ltd，Qianan 064400，Hebei)Abstract:Abstract:Laser surface quenching is the most advanced technology in the field of laser surface modification，it uses good thermal conductivity of metals，the high energy laser beam irradiates to the surface of the work-piece，so that the surface temperature quickly rises above the phase change point(below the melting point)，when the laser beam is removed，the workpiece quickly and naturally cools to achieve the phase change hard-ening of the material The process characteristics of laser quenching of rolling mill liner were introduced，theinfluence of laser surface quenching process parameters on the microstructure and performance of the work-piece was studied，and the process parameters to meet the hardness and installation accuracy of the rollingmill liner were determined:laser power 1 600 1 700 W，scanning speed 8 10 mm/s，spot width 15 17 mm By analyzing the reasons for the deformation of the workpiece after quenching，it is proposed thatspecial heating equipment can be used to reverse the pre deformation of the workpiece and eliminate the flat-ness deformation caused by the residual compressive stress of laser quenchingKey words:Key words:laser quenching;power;scanning speed;spot width;reverse pre deformation收稿日期:2022 12 15作者简介:王鹏鹏(1995 )，男，助理工程师，2020 年毕业于中国矿业大学银川学院，现在河北天越激光再制造科技有限公司主要从事激光应用研究，E mail:1303356884 qq com0引言鑫达集团带钢厂轧机衬板在生产过程中长期受轧件的冲击和摩擦，失效的主要形式为磨损严重，间隙过大，无法满足生产要求，被迫下线报废。因此提高衬板的耐磨性和冲击韧性已迫在眉睫。激光淬火表面硬化处理技术很好地解决了轧机衬板失效问题。1钢铁材料激光淬火的特点钢铁材料激光表面淬火后，表层分为硬化区、过渡区和基体 3 个区域。硬化区与常规淬火相似，过渡区则为部分马氏体转变区域。激光表面淬火对晶粒有明显的细化作用，同时，激光表面淬火层具有一系列优异的力学性能。(1)硬度:激光表面淬火比常规淬火和高频感75总第 328 期HEBEI METALLUGY应加 热 淬 火 硬 度 更 高。通 常 比 常 规 淬 火 硬 度高5%10%。(2)耐磨性:激光表面淬火后淬火组织晶粒细小，硬化层深度0 2 0 5 mm，并且淬火深度可以精确控制。材料表面发生马氏体相变，晶粒细化，表面硬度提高，材料表面耐磨性提高 3 4 倍。(3)残留应力和疲劳性能:材料表面的残留应力是由激光表面淬火处理过程中的组织应力和热应力共同决定的，激光表面淬火的工艺参数对残留应力影响很大。激光功率密度增加或扫描速度降低，硬化层厚度增加，将会提高表面的残留压应力，反之则硬化层厚度降低，表面残留压应力减小，甚至出现残留拉应力，两次重叠处理极易出现残留拉应力。各种表面淬火工艺对比如表 1 和图 1 所示。表 1激光淬火和常规淬火的比较Tab1Comparison of laser quenching and conventional quenching表面淬火方法淬硬层硬度淬硬层耐磨性淬硬层抗疲劳性淬硬层与基体结合生产效率(大面积)可控程度激光淬火高好好好较高高常规淬火感应加热较高较好较好较好高较高火焰加热低差差差低低图 1激光淬火与常规淬火比较Fig1Comparison of laser hardening and conventional hardening2轧钢衬板激光淬火表面硬化工艺2 1激光淬火前表面处理激光淬火前需要对工件表面进行黑化处理，常用的黑化处理方法如表 2 所示。综合考虑后，在激光淬火前对工件表面进行氧化物涂料工艺黑化处理。2 2激光淬火表面硬化工艺参数的优化轧机衬板材质为 45#钢成分如表 3 所示，性能如表4 所示。调质处理后硬度22 25 HC，耐磨性差，寿命短，不能满足轧制工艺要求。为此对轧机衬板表面进行激光淬火表面硬化处理，寻找最佳工艺参数，使其既具有良好的耐磨性又具有一定的冲击韧性。表 2常用黑化处理方法Tab 2Common blackening methods处理方法吸收率适用钢种使用效果表面磷化70%95%中碳钢、铸铁高合金钢、不锈钢等使用效果不好黑色涂料90%左右各种材料涂层厚度不易控制，照射时会产生刺眼的亮光和烟雾，效果不稳定氧化物涂料95%左右各种材料对环境无污染，胶体涂料喷涂工艺生产效率高，生产成本低表 345#钢的化学成分(质量分数)Tab3Chemical composition of 45#steelwt%CSiMnPS0450270 640 0160002 2表 445#钢的机械性能Tab4Mechanical properties of 45#steel抗拉强度b/MPa屈服强度s/MPa伸长率5/%断面收缩率/%冲击功AkV/J600355164039试件尺寸为 750 mm 300 mm 30 mm，数量28 件，试验结果如表 5 所示。3试验结果与分析3 1激光参数与淬火深度的关系45#钢衬板激光淬火后的淬火深度与激光功率的关系如图 2 所示。由图 2 可以看出，在同一扫描速度和光斑尺寸下，激光功率增加，淬火深度加深。这是因为其他工艺参数和条件不变时，随着功率的增大，试样表面所获得的能量相应升高，致使加热温度升高，晶粒得到细化。完成马氏体相变后 45#钢淬火深度加大，最大深度可达1 38 mm，此时激光功率为 1 950 W。但激光功率过大，晶粒变大，加热温度超过了材质的熔点，表面熔化，淬火深度反而降低。故当功率大于1 950 W 时，淬火深度随着功85河北冶金2023 年第 4 期率的升高反而降低。表 5试验结果Tab5Test results序号激光功率/W光斑宽度/mm扫描速度/(mms1)淬火深度/mm表面硬度/HC11 6001760943021 6501761223131 7001761283241 7501761323351 8001761343461 8501761333571 9001761353681 9501761383492 05017613232102 10017612830112 15017612328122 00017313836132 00017413534142 00017512933152 00017612731162 00017712530172 00017812328182 00017912126192 000171011824202 000171109822212 00013912642222 00014912340232 00015912038242 00016911536252 00017911034262 00018909832272 00019909430282 00020908928扫描速度对 45#钢激光淬火深度的影响如图 3所示。由图 3 可知，扫描速度在 5 8 mm/s 之间时，45#钢的淬火深度基本不变;超过9 mm/s 后，淬火深度显著下降。这是因为随着扫描速度的提高，工件表面吸收的热量减少，晶粒得不到充分细化，马氏体相变也不完全。淬火深度随激光光斑宽度的变化规律如图 4 所示。由图 4 可知，随着激光光斑宽度的变大，45#钢表面淬火深度逐渐降低。原因为在其他工艺参数和条件相同的情况下，光斑尺寸决定了激光功率密度的大小，光斑尺寸越大，功率密度越小，试样表面单位面积上所获得的能量就相应降低，导致加热温度降低，进而表面淬火深度降低。图 2淬火深度与功率的关系Fig 2elationship between quenching depth and power图 3淬火深度与扫描速度的关系Fig 3elationship between quenching depth and scanning speed图 4淬火深度与光斑宽度的关系Fig 4elationship between quenching depth and spot width3 2激光淬火后钢板的组织及性能由于工件进行了黑化处理，使得激光淬火后可得到一个较宽的相变硬化区域，其硬化层宏观结构及显微组织如图 5 所示。由图 5(a)可知，完全相变硬化层的深度为1 38 mm，宽度为 3 mm，热影响区的厚度为 0 2 0 4 mm。由图 5(b)可知，最表层为完全相变硬化层，由于高功率密度激光辐照，试样表面升温最快，温度最高，组织是在极大的过热度和过冷度下进行的，碳以及其他合金元素扩散不充分，使得各部分马氏体转变温度有很大差异，故该层组织为含碳量不均的针状马氏体和残留奥氏体。第二层为热影响区，由于其加热温度在 Ac1 Ac3之间，且由表及里随95总第 328 期HEBEI METALLUGY距离呈梯度下降，温度梯度相对较小，作用时间短，原子的扩散和迁移不明显，相变不充分，未能达到完全奥氏体化，故该层组织由完全马氏体逐渐转变为珠光体+铁素体组织。第三层为基体，该层温度较低，未发生组织转变，仍为珠光体+少量铁素体。图 5试样截面的宏观结构和表层显微组织Fig 5Macrostructure and surface microstructure of specimen section激光淬火区显微硬度沿深度和宽度的变化趋势如图 6 所示。沿深度方向由于工件表层受激光的照射最充分，吸收热量最多，晶粒细化和相变最彻底，所以表面硬度最大。沿宽度方向，由于接受激光的热量变化不大，因此 BC 段硬度变化不大;AB段和 CD 段由于工件吸收激光能量不足，相变不充分，硬度值很低。图 6工件试样淬火区显微硬度分布Fig 6Microhardness distribution in the quenching zone of the workpiece specimen3 3激光淬火后变形的原因分析及消除方法轧机衬板表面的残留压应力是由激光表面淬火处理过程中的组织应力和热应力共同决定的，此压应力过大时会使工件淬火后产生变形，影响安装精度和正常使用，如图 7 所示。图 7轧机衬板激光淬火实物Fig7Laser quenching of rolling mill liner3 3 1原因分析激光表面淬火后工件产生变形的主要原因是淬火时形成了内应力。根据淬火内应力形成的原因的不同，可分为热应力与组织应力两种。工件在加热和(或)冷却时由于不同部位存在着温度差别而导致热胀和(或)冷缩不一致所引起的应力称为热应力。热应力引起工件变形特点为:使平面变为凸面，直角变钝角，长的方向变短，短的方向增长，最终使工件趋于球形。钢中奥氏体比体积小，奥氏体转变为其他各种组织时比体积都会增大，使钢的体积膨胀;工件淬火时各部位奥氏体转变先后不一致，因而体积膨胀不均匀。这种由于激光淬火过程中各部位冷速的差异使工件各部位相变不同时所引起的应力，称为相变应力或组织应力。组织应力引起工件变形的特点为:使平面变为凹面，直角变为钝角，长的方向变长，短的方向缩短，最终使尖角趋向于突出。综06河北冶金2023 年第 4 期上分析可知，图 7 工件出现上翘变形应是工件内部残留组织应力所致。激光表面淬火的工艺参数对残留组织应力影响很大。一般来讲，激光功率密度增加或扫描速度降低，硬化层厚度增加，将会提高表面的残留组织应力，反之则硬化层厚度降低，表面残留组织应力减小。3 3 2消除措施根据上述变形原因分析，应选择合适的激光功率。不同激光功率下的工件变形量如表 6 所示。淬火后的工件受压应力作用出现上翘变形，为此利用专用加热设备对淬火面进行均匀加热，使工件内部受热膨胀后产生拉应力，具有一定的下翘变形量，这样在进行激光淬火时可与受压应力产生的上翘变形相互抵消，最终工件冷却到室温后基本无变形，满足安装精度的要求。加热温度、加热时间与变形量的关系如表 7 所示。表 6激光功率、变形量与表面硬度对应关系Tab 6Correspondence between laser power，deformation and surface hardness激光功率/W变形量/mm表面硬度/HC1 6000 923701 7001 123751 8001 203601 9002 103402 0002 603404结语(1)轧机衬板既满足激光淬火后的硬度 HC32 42，又不影响安装精度的最佳工艺参数为:功率1 600 1 700 W，扫描速度 8 10 mm/s，光斑宽度15 17 mm。(2)消除变形的加热温度为 160，加热时间为 16 min，控制变形量1 mm。表 7加热温度、加热时间与变形量Tab 7Heating temperature，heating time and deformation加热温度/加热时间/min变形量/mm808501001042120123414014281601610180181520018182201822参考文献 1 张永辉，张双杰，王伟，等 激光表面淬火对铬钼铸铁组织和硬度的影响 J 金属热处理，2022，47(11):160 164 2焦咏翔，邓德伟，孙奇，等 工艺参数对 42CrMo 钢激光淬火效果的影响 J 金属热处理，2021(11):90 96 3符轲，张修庆，续晓霄，等 45#钢激光淬火工艺优化及性能J 金属热处理，2017(1):154 158 4张丽，张明，孙超，等45#钢强流激光束表面改性组织及性能研究 J 热加工工艺，2013，42(22):136 138 5段松，秦茶，李碧波 激光淬火处理后半高速钢的组织及性能J 金属热处理，2015，40(9):76 78 6姚建华 激光表面改性技术及其应用M 北京:国防工业出版社，2012 7刘春阁，邱星武 激光硬化表面处理技术及其应用现状J 稀有金属与硬质合金，2012，40(1):62 64 8梁鹏，郭计山，游娜 激光强化对球墨铸铁性能的影响J 河北冶金，2021(2):20 24檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨(上接第 31 页)参考文献 1 任工昌，张魏，张强，等 TIZ 理论综述及在轻工装备领域研究展望 J 包装工程，2019，40(07):156 161 2魏文娟 TIZ 理论方法论的哲学思考D 哈尔滨理工大学，2011 3付敏，梁建楠，井永晋，等 基于 SCI 数据库分析的 TIZ 学术研究综述与展望J 机械设计，2020，37(12):1 12 4王家生 TIZ 理论在工业设计中的应用探究J 科技与创新，2020(08):160 161 5徐晓丽，苏艳芳，贾佳鑫，等 基于 TIZ 理论的焦炭反应性检测装置优化设计J 广州化工，2021，49(19):113 114+137 6 周茂涛，甘志享，胡艳君 广西钢铁综合原料场工艺设计特点 J 烧结球团，2021，46(01):94 98 7 代兵 邯钢第一原料场环保扩容改造 J 河北冶金，2015(6):6567 8康兴东，王东 现代综合原料场新技术应用实践J 烧结球团，2017，42(02):57 61 9曲会东 闽光钢铁综合原料场工艺设计及特点J 河北冶金，2022(1):39 42 10田鹏，李宝忠，董洪旺，等 河钢乐亭综合智能料场的设计特点 J 河北冶金，2020(S1):44 4716