m32高速钢熔覆工艺及组织性能研究studyoncladdingcraftsandpropertiesofm32high
摘 要摘 要高速钢具有高硬度、高耐磨性和良好的耐热性，常常被用来制造轧辊。激光熔覆技术是利用高能量密度的激光束将某些具有不同成分、性能的合金材料与基体材料表面迅速结合，以此获得基体材料不具有的一些性能。本文提出了利用激光熔覆技术进行M3:2高速钢熔覆，研究的主要内容如下以高速钢粉末为熔覆材料，奥氏体不锈钢为基体制备激光熔覆层，采用大功率半导体激光器进行激光熔覆并切割得到所需试样。对激光熔覆层进行显微组织观察和物相分析发现，熔覆材料与基体实现了冶金结合，熔覆层的显微组织比基体更加致密。M3:2高速钢熔覆层的物相组成主要有残余奥氏体、马氏体及MxCy型碳化物。用显微硬度计对熔覆层横截面深度方向的显微硬度进行测量，经研究后发现激光熔覆层表面硬度明显提高，随着激光能量密度降低，熔覆层的平均显微硬度逐渐增大。经热疲劳性能实验可以发现在第一阶段的冷热循环中熔覆层的热疲劳性能表现较好，而在第二阶段的冷热循环中熔覆层迅速产生裂纹并进入快速扩展阶段。并且随着激光能量密度的提高，激光熔覆层的抗裂纹扩展能力也有所增强。关键词轧辊；高速钢；激光熔覆；显微硬度；热疲劳性能
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 高速钢轧辊的研究现状 2
1.2.1 轧辊简介 2
1.2.2 热轧辊工作概况 3
1.2.3 高速钢轧辊的发展及研究现状 4
1.2.4 高速钢轧辊的制造工艺 6
1.3 激光熔覆技术 7
1.3.1 激光熔覆原理 7
1.3.2 激光熔覆工艺影响因素 8
1.3.3 激光熔覆工艺的应用及前景 8
1.4本论文主要实验方法及研究内容 9
第二章 M3:2高速钢熔覆实验研究 10
2.1 实验材料 10
2.1.1 熔覆材料 10
2.1.2 基体材料 10
2.2 制备激光熔覆层及设备操作 12
2.3 实验设计 13
2.3.1 高速钢熔覆层显微组织及物相分析实验设计 13
2.3.2 高速钢熔覆层显微硬度实验设计 16
2.3.3 高速钢熔覆层热疲劳实验设计 17 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
第三章 高速钢熔覆层显微组织及物相分析 20
3.1 熔覆层显微组织观察 20
3.2 熔覆层物相分析 21
第四章 高速钢熔覆层显微硬度的研究 23
4.1 显微硬度概述 23
4.2 显微硬度的测量及分析 23
第五章 高速钢熔覆层热疲劳性能的研究 25
5.1 热疲劳概述 25
5.2 热疲劳理论分析 25
5.3 熔覆层热疲劳性能分析 26
结 论 28
致 谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1 引言
最近几年，我国的钢铁行业每年以较快的速度向前发展，在钢铁的产量方面已经连续8年保持全球第一。其中粗钢的产量占到全球粗钢产量的百分之三十，大幅超过排名二到六位的国家粗钢产量总和。
作为轧钢生产过程中的重要耗材之一，轧辊的制造成本约占轧钢生产总过程的百分之五到百分之十五。假如再加上因为损耗而造成的停产、降产和设备维护，那么其在生产成本中所占的比例会更高[1]。
随着钢铁生产行业对轧机的效率、自动化程度以及轧制的工艺流程的要求日益提高，也就意味着对轧辊的的强度、硬度、耐磨性以及抗热疲劳性等轧辊的质量性能等要求也愈来愈高。所以轧辊生产商们面临的当务之急是提高轧辊的性能以适应轧机的需要，发展新型轧辊材料以及改进制造工艺将成为眼下轧辊生产行业的主要发展方向。
目前，我国的轧辊生产、研制和利用水平，与发达国家的技术相比较，还是有相当大的差距。为了满足轧钢的生产需求，我国每年都要花费大量的金钱来购买其他国家生产的优质轧辊，所以，对国内厂商来说，开发新型轧辊材料以及制造方法具有非常重要的实际意义。
轧辊材料主要向着增加合金元素种类极其所占比重的方向发展。例如热轧带钢前段工作轧辊的选材大致依次经历了高镍铬无限冷硬铸铁、半钢（过共析钢）、高铬铸铁（高铬白口抗磨铸铁）、高铬铸钢等，特别是上世纪末开始广泛使用高速钢轧辊。
高速钢是一种成分比较复杂的合金钢，它含有钨、钼、铬、钒等碳化物形成元素，合金元素的总量占百分之十到百分之二十五左右，高速钢具有高硬度、高强度、高耐磨性、高切削韧性以及良好的热硬性等性能[2，3，4]，这使得高速钢非常适于用作生产轧辊的材料。从二十世纪八十年代末以来，日本的日新钢铁公司首先把高速钢轧辊用到热轧机上，经过三十多年的发展高速钢轧辊已经被世界各国钢铁企业广泛应用。
激光熔覆快速成形技术是一项复合技术，它由激光熔覆技术和快速成形技术相结合，包含了两种技术的各自优势，目前这项技术已经被广泛应用于生产制造和修复复杂零件领域[5]。
1.2 高速钢轧辊的研究现状
1.2.1 轧辊简介
轧辊被誉为“钢材之母”，是用来使钢材发生塑性变形的重要设备，也是影响轧机工作效率和轧材质量的重要消耗性部件。轧辊是轧钢厂轧机上的重要零件，其利用一对或一组轧辊滚动式产生的压力来轧碾钢材，如图11。他主要承受轧制时的动载荷、静载荷、磨损和温度变化的影响。
轧辊的选用通常要考虑许多因素，其中最主要的因素有抗热裂、硬度、耐冲击、光洁度、切削性能。抗热裂：通常对粗轧辊以强度、抗热裂为主要要求。选用轧辊时首先根据轧机对轧辊的基本强度要求，选定安全承载的主体材料（各种级别的铸铁、铸钢或锻钢等）。硬度：精轧辊速度较高，轧制最终产品要有一定的表面质量，对它以硬度、耐磨等为主要要求。然后考虑轧辊使用时所应有的耐磨性。
按轧制时轧件的状态轧辊分为热轧辊和冷轧辊。
本文主要研究基于热轧辊的高速钢激光熔覆工艺及组织性能研究。
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图11 轧辊工作原理示意图
1.2.2 热轧辊工作概况
轧机部件中轧辊的工作条件最为复杂。轧辊在制造和使用前的准备工序中会产生残余应力和热应力。使用时又进一步受到了各种周期应力的作用，包括有弯曲、扭转、剪力、接触应力和热应力等。这些应力沿辊身的分布是不均匀的、不断变化的，其原因不仅有设计因素，还有轧辊在使用中磨损、温度和辊形的不断变化。
此外，轧制条件经常会出现异常情况。轧辊在使用后冷却不当，也会受到热应力的损害。所以轧辊除磨损外，还经常出现裂纹、断裂、剥落、压痕等各种局部损伤和表面损伤。一个好的轧辊，其强度、耐磨性和其他各种性能指标间应有较优的匹配。这样，不仅在正常轧制条件下持久耐用，又能在出现某些异常轧制情况时损伤较小。所以在制造轧辊时要严格控制轧辊的冶金质量或辅以外部措施以增强轧辊的承载能力。合理的辊形、孔型、变形制度和轧制条件也能减小轧辊工作负荷，避免局部高峰应力，延长轧辊寿命。
热轧辊工作时是利用一对或一组轧辊滚动时产生的压力来碾压钢材，因此滚面会承担着巨大的摩擦力和轧制压力。除了这两种作用力外，热轧辊要经常与高温的轧制钢材接触，热轧辊的工作温度正常情况下会超过500℃，大多数情况下是在700到800℃的环境下进行轧制作业，在有些接触区域，在轧辊和轧制钢材的作用下温度可以升至1200℃，热轧辊的工作表面因为与轧制钢材的挤压接触而升温，在冷却水的冷却作用下又会降温，所以热轧辊的工作表面处于一个不断升温降温的温度梯度循环之中，因此热疲劳影响对热轧辊来说是一个十分严峻的考验[6，7]。长期疲劳会引起热轧辊的许多失效形式：热龟裂、表面磨损、辊面剥落等等。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 高速钢轧辊的研究现状 2
1.2.1 轧辊简介 2
1.2.2 热轧辊工作概况 3
1.2.3 高速钢轧辊的发展及研究现状 4
1.2.4 高速钢轧辊的制造工艺 6
1.3 激光熔覆技术 7
1.3.1 激光熔覆原理 7
1.3.2 激光熔覆工艺影响因素 8
1.3.3 激光熔覆工艺的应用及前景 8
1.4本论文主要实验方法及研究内容 9
第二章 M3:2高速钢熔覆实验研究 10
2.1 实验材料 10
2.1.1 熔覆材料 10
2.1.2 基体材料 10
2.2 制备激光熔覆层及设备操作 12
2.3 实验设计 13
2.3.1 高速钢熔覆层显微组织及物相分析实验设计 13
2.3.2 高速钢熔覆层显微硬度实验设计 16
2.3.3 高速钢熔覆层热疲劳实验设计 17 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
第三章 高速钢熔覆层显微组织及物相分析 20
3.1 熔覆层显微组织观察 20
3.2 熔覆层物相分析 21
第四章 高速钢熔覆层显微硬度的研究 23
4.1 显微硬度概述 23
4.2 显微硬度的测量及分析 23
第五章 高速钢熔覆层热疲劳性能的研究 25
5.1 热疲劳概述 25
5.2 热疲劳理论分析 25
5.3 熔覆层热疲劳性能分析 26
结 论 28
致 谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1 引言
最近几年，我国的钢铁行业每年以较快的速度向前发展，在钢铁的产量方面已经连续8年保持全球第一。其中粗钢的产量占到全球粗钢产量的百分之三十，大幅超过排名二到六位的国家粗钢产量总和。
作为轧钢生产过程中的重要耗材之一，轧辊的制造成本约占轧钢生产总过程的百分之五到百分之十五。假如再加上因为损耗而造成的停产、降产和设备维护，那么其在生产成本中所占的比例会更高[1]。
随着钢铁生产行业对轧机的效率、自动化程度以及轧制的工艺流程的要求日益提高，也就意味着对轧辊的的强度、硬度、耐磨性以及抗热疲劳性等轧辊的质量性能等要求也愈来愈高。所以轧辊生产商们面临的当务之急是提高轧辊的性能以适应轧机的需要，发展新型轧辊材料以及改进制造工艺将成为眼下轧辊生产行业的主要发展方向。
目前，我国的轧辊生产、研制和利用水平，与发达国家的技术相比较，还是有相当大的差距。为了满足轧钢的生产需求，我国每年都要花费大量的金钱来购买其他国家生产的优质轧辊，所以，对国内厂商来说，开发新型轧辊材料以及制造方法具有非常重要的实际意义。
轧辊材料主要向着增加合金元素种类极其所占比重的方向发展。例如热轧带钢前段工作轧辊的选材大致依次经历了高镍铬无限冷硬铸铁、半钢（过共析钢）、高铬铸铁（高铬白口抗磨铸铁）、高铬铸钢等，特别是上世纪末开始广泛使用高速钢轧辊。
高速钢是一种成分比较复杂的合金钢，它含有钨、钼、铬、钒等碳化物形成元素，合金元素的总量占百分之十到百分之二十五左右，高速钢具有高硬度、高强度、高耐磨性、高切削韧性以及良好的热硬性等性能[2，3，4]，这使得高速钢非常适于用作生产轧辊的材料。从二十世纪八十年代末以来，日本的日新钢铁公司首先把高速钢轧辊用到热轧机上，经过三十多年的发展高速钢轧辊已经被世界各国钢铁企业广泛应用。
激光熔覆快速成形技术是一项复合技术，它由激光熔覆技术和快速成形技术相结合，包含了两种技术的各自优势，目前这项技术已经被广泛应用于生产制造和修复复杂零件领域[5]。
1.2 高速钢轧辊的研究现状
1.2.1 轧辊简介
轧辊被誉为“钢材之母”，是用来使钢材发生塑性变形的重要设备，也是影响轧机工作效率和轧材质量的重要消耗性部件。轧辊是轧钢厂轧机上的重要零件，其利用一对或一组轧辊滚动式产生的压力来轧碾钢材，如图11。他主要承受轧制时的动载荷、静载荷、磨损和温度变化的影响。
轧辊的选用通常要考虑许多因素，其中最主要的因素有抗热裂、硬度、耐冲击、光洁度、切削性能。抗热裂：通常对粗轧辊以强度、抗热裂为主要要求。选用轧辊时首先根据轧机对轧辊的基本强度要求，选定安全承载的主体材料（各种级别的铸铁、铸钢或锻钢等）。硬度：精轧辊速度较高，轧制最终产品要有一定的表面质量，对它以硬度、耐磨等为主要要求。然后考虑轧辊使用时所应有的耐磨性。
按轧制时轧件的状态轧辊分为热轧辊和冷轧辊。
本文主要研究基于热轧辊的高速钢激光熔覆工艺及组织性能研究。
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图11 轧辊工作原理示意图
1.2.2 热轧辊工作概况
轧机部件中轧辊的工作条件最为复杂。轧辊在制造和使用前的准备工序中会产生残余应力和热应力。使用时又进一步受到了各种周期应力的作用，包括有弯曲、扭转、剪力、接触应力和热应力等。这些应力沿辊身的分布是不均匀的、不断变化的，其原因不仅有设计因素，还有轧辊在使用中磨损、温度和辊形的不断变化。
此外，轧制条件经常会出现异常情况。轧辊在使用后冷却不当，也会受到热应力的损害。所以轧辊除磨损外，还经常出现裂纹、断裂、剥落、压痕等各种局部损伤和表面损伤。一个好的轧辊，其强度、耐磨性和其他各种性能指标间应有较优的匹配。这样，不仅在正常轧制条件下持久耐用，又能在出现某些异常轧制情况时损伤较小。所以在制造轧辊时要严格控制轧辊的冶金质量或辅以外部措施以增强轧辊的承载能力。合理的辊形、孔型、变形制度和轧制条件也能减小轧辊工作负荷，避免局部高峰应力，延长轧辊寿命。
热轧辊工作时是利用一对或一组轧辊滚动时产生的压力来碾压钢材，因此滚面会承担着巨大的摩擦力和轧制压力。除了这两种作用力外，热轧辊要经常与高温的轧制钢材接触，热轧辊的工作温度正常情况下会超过500℃，大多数情况下是在700到800℃的环境下进行轧制作业，在有些接触区域，在轧辊和轧制钢材的作用下温度可以升至1200℃，热轧辊的工作表面因为与轧制钢材的挤压接触而升温，在冷却水的冷却作用下又会降温，所以热轧辊的工作表面处于一个不断升温降温的温度梯度循环之中，因此热疲劳影响对热轧辊来说是一个十分严峻的考验[6，7]。长期疲劳会引起热轧辊的许多失效形式：热龟裂、表面磨损、辊面剥落等等。
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