高鉻鑄鐵軋輥激光熱處理后的

1、編號 本科生畢業(yè)論文高鉻鑄鐵軋輥激光熱處理后的組織與性能研究Effect of Laser Heat Treatment on Microstructure and Properties of High-chromium Cast Iron Roll學(xué) 生 姓名專 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué) 號指 導(dǎo) 教師學(xué) 院機(jī)電工程學(xué)院二一一年六月 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)承諾書1本人承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）高鉻鑄鐵軋輥激光熱處理后的組織與性能研究，是認(rèn)真學(xué)習(xí)理解學(xué)校的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作條例后，在教師的指導(dǎo)下，保質(zhì)保量獨(dú)立地完成了任務(wù)書中規(guī)定的內(nèi)容，不弄虛作假，不抄襲別人的工作內(nèi)容。2本人在畢業(yè)設(shè)

2、計(jì)（論文）中引用他人的觀點(diǎn)和研究成果，均在文中加以注釋或以參考文獻(xiàn)形式列出，對本文的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中注明。3在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中對侵犯任何方面知識產(chǎn)權(quán)的行為，由本人承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。4本人完全了解學(xué)校關(guān)于保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交論文和相關(guān)材料的印刷本和電子版本；同意學(xué)校保留畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的復(fù)印件和電子版本，允許被查閱和借閱；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其他復(fù)制手段保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），可以公布其中的全部或部分內(nèi)容。以上承諾的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)！作 者 簽 名： 年 月日 摘 要本文敘述了激光熱處理的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀，軋輥技術(shù)國內(nèi)外的發(fā)

3、展?fàn)顩r，軋輥材料的分類，調(diào)查激光熱處理在軋輥實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。采用CGJ-93型CO2激光器對高鉻鑄鐵軋輥材質(zhì)進(jìn)行激光熱處理，分別對激光熱處理前后的金相組織進(jìn)行觀察和分析。測量激光熱處理后的顯微硬度，并畫出顯微硬度坐標(biāo)分布曲線，根據(jù)顯微硬度的增大，材質(zhì)顯微組織的變化以及各種組織的性能等，與激光加工前的組織進(jìn)行比較，做出材質(zhì)激光熱處理后的耐磨性預(yù)測。關(guān)鍵詞 ： 激光熱處理 高鉻鑄鐵 顯微組織 硬度 耐磨性AbstractIn this article, it was described the trend of characteristic and the development of lase

4、r heat treatment technology and latest development of roller technology at home and abroad, it also described the classification of roller material. In addition, laser heat treatment process was applied to High-chrome cast iron roll surface by using CO2 continuous wave laser machine (Model: CGJ-93).

5、 The result of microstructure before and after laser treatment was investigated by optical microscope. Micro-hardness profile laser treated was measured by using micro-vickers hardness equipment, and making the chart of micro-hardness through distance from surface to inner region. According to the i

6、ncreasing of micro-hardness at the laser treated surface and the micro-structural changes, compare the micro-structural before laser processing, it can be predicted that resistant to wear will be improved after being laser heat treated.Key words: Laser heat treatment；High-chrome cast iron roll；Micro

7、-structure； Micro-vickers hardness；Resistance to wear目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 引言11.2 激光技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展11.2.1 激光技術(shù)的產(chǎn)生11.2.2 激光的特點(diǎn)11.2.3 激光技術(shù)的發(fā)展及未來展望21.3激光熱處理的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀31.3.1激光熱處理技術(shù)的特點(diǎn)31.3.2激光熱處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀31.3.3激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢41.3.4激光熱處理在工業(yè)上的應(yīng)用及發(fā)展51.4 激光的工程實(shí)際應(yīng)用61.5本論文研究的目的和內(nèi)容7第2章 軋輥簡介82.1 軋輥的發(fā)展歷程82.2軋輥材料分類及熱處理工藝的發(fā)

8、展趨勢82.2.1 鑄鐵系軋輥的分類92.2.2鑄鋼系軋輥102.2.3 鍛鋼系軋輥112.3熱軋輥材料研究進(jìn)展122.3.1無限冷硬鑄鐵軋輥的發(fā)展122.3.2半鋼軋輥的發(fā)展132.3.3高鉻鑄鐵軋輥的發(fā)展132.3.4高鉻鑄鐵軋輥熱處理工藝及研究132.4我國軋輥制造與發(fā)展192.4.1我國軋輥行業(yè)的發(fā)展192.4.2 我國目前軋輥概況202.4.3我國軋輥未來發(fā)展趨勢22第3章 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、參數(shù)及理論分析253.1 基本原理253.2 實(shí)驗(yàn)步驟253.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇及實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定25第4章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析264.1 材質(zhì)成分264.1.1高鉻鑄鐵化學(xué)成分分析264.1.2 原始組織觀

9、察與定量分析274.2激光熱處理前的金相組織觀察結(jié)果274.3 不同掃描速度下的高鉻鑄鐵激光熱處理分析284.4 激光熱處理后的金相組織觀察結(jié)果294.5 激光熱處理后的顯微硬度324.6激光熱處理后耐磨性預(yù)測344.7實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論35第5章 結(jié) 論36參考文獻(xiàn)37致 謝39第1章 緒論1.1 引言軋輥的質(zhì)量和使用壽命,直接關(guān)系到軋制生產(chǎn)的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)成本，如何提高軋輥的使用壽命,一直是軋輥制造業(yè)面臨的重大問題。軋輥是軋鋼生產(chǎn)中的主要消耗備件之一,軋輥質(zhì)量不僅關(guān)系到軋鋼生產(chǎn)成本和軋機(jī)生產(chǎn)作業(yè)率,還在很大程度上影響軋材質(zhì)量。目前,我國軋輥的生產(chǎn)、研究與使用水平,與發(fā)達(dá)國家相比,仍有

10、相當(dāng)大的差距。以2005年為例,我國共生產(chǎn)鋼材3. 5億噸超過全球鋼產(chǎn)量的1/4,我國軋輥消耗為2. 6 kg/t鋼,年消耗軋輥近90萬噸,年消耗軋輥資金90億元以上,而日本同期輥耗僅為1. 01. 4 kg/t鋼。為了滿足軋鋼生產(chǎn)的實(shí)際需要,我國每年都需要花費(fèi)大量的外匯進(jìn)口軋輥,僅2005年進(jìn)口優(yōu)質(zhì)軋輥1萬噸以上,消耗外匯近1億美元。如果我國的軋輥消耗能降低30% 40%,不僅能節(jié)省大量外匯,而且還可以節(jié)省大量的軋輥材料。軋輥的性能主要由制造方法、材料的成分和熱處理工藝所決定。由于目前軋輥成分變化范圍相當(dāng)?shù)膶?，而且沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，再加上技術(shù)方面的原因，國內(nèi)對熱處理工藝很少有詳細(xì)的報(bào)道，所

11、以本文將重點(diǎn)放在給定化學(xué)成分的材質(zhì)熱處理工藝方面的研究，尤其是高鉻鑄鐵在激光熱處理后的性能研究，希望通過試驗(yàn)的方法，找到合理的熱處理工藝方案。同時(shí)，對高鉻鑄鐵鋼軋輥中的碳化物類型進(jìn)行研究，為以后的研究工作提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)。1.2 激光技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展1.2.1 激光技術(shù)的產(chǎn)生激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科學(xué)技術(shù)成就之一，它的出現(xiàn)深化了人們對光的認(rèn)識，擴(kuò)大了光為人類服務(wù)的天地。激光是基于受激發(fā)射放大原理而產(chǎn)生的一種相干輻射。能夠發(fā)射出激光的實(shí)際裝置，稱之為激光器，普通光由原子群中的原子無秩序地、個(gè)體自發(fā)發(fā)光產(chǎn)生，而激光的產(chǎn)生，則是控制了原子群，使之集體化地，有組織有紀(jì)律地發(fā)光，就是說，激

12、光是由原子群的集體化受激發(fā)光產(chǎn)生的。1.2.2 激光的特點(diǎn)激光具有以下特點(diǎn)：1.單色性純：光的顏色很純?？梢姽獾募す庾V線寬度可以小到千萬分之一埃。白熾燈通過1 毫微米的干涉濾光片，透過光的波長為600 毫微米，譜線寬度為106 兆赫。而He- Ne 激光器發(fā)射激光的波長為633 毫微米。普通光束的光子簡并度不大于10- 3，相當(dāng)于“噪音束”，不可能傳遞大容量信息，只有高簡并度的激光才具有可能實(shí)現(xiàn)真正光通訊的單色性。2.亮度高：從幾何光學(xué)觀點(diǎn)看，高光子簡并度就是高亮度。激光焦點(diǎn)處的輻射亮度能比普通光高1081010倍。2 毫瓦He- Ne 激光器發(fā)射光束直徑能過2 毫米，發(fā)散角310- 4 弧度

13、，其輻射亮度達(dá)到2105W/cm2.sr。這束激光相當(dāng)白熾燈的3 千倍，太陽光的100倍。3.方向性強(qiáng)，發(fā)散角?。杭す獾陌l(fā)散角為毫弧度量級，比普通光及微波的發(fā)散角要小2 3個(gè)數(shù)量級。月球到地面的距離遠(yuǎn)達(dá)384，000 公里，如果從地球上發(fā)射一束激光到月球表面上，光斑直徑不超過2，000 米，如果用探照燈，其光斑直徑就要有幾千公里。4. 相干性好：從物理學(xué)觀點(diǎn)看，高光子簡并度就意味著相干性好。相干性有兩種，即時(shí)間相干性和空間相干性。時(shí)間相干性是指不同時(shí)刻由同一點(diǎn)發(fā)出的光波之間的相干性?？臻g相干性是指由空間不同點(diǎn)發(fā)出的光波的相干性。激光在較長的時(shí)間內(nèi)保持恒定相位差，單色性又純，所以干涉效應(yīng)十分明顯

14、。1.2.3 激光技術(shù)的發(fā)展及未來展望激光從研究到實(shí)際應(yīng)用可以分為五個(gè)階段：1.探索階段：實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的揭示過程。2.萌芽階段：探討激光的效應(yīng)，為制定有關(guān)研究方向提供依據(jù)。3.基礎(chǔ)階段：為系統(tǒng)的闡述和估價(jià)激光的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。4.應(yīng)用階段：擴(kuò)大品種，在一些方面付之實(shí)際應(yīng)用。5.跟上科學(xué)技術(shù)的最新發(fā)展，推廣應(yīng)用。早在1916 年，生于德國的愛因斯坦發(fā)表了一篇并于輻射量子論的論文，其中就提到了受激輻射的理論，他為此于1921 年獲得諾貝爾獎(jiǎng)金。幾十年后，不只一個(gè)國家的科學(xué)家對激光產(chǎn)生的可能性提出過預(yù)言。一直到1960 年美國休斯公司年青的科學(xué)家梅曼做出了第一臺激光器，一觸即發(fā)，形成了世界性的激光研究熱

15、潮，四十幾年來取得了許多重大的成績。同時(shí)，激光器的發(fā)展，現(xiàn)在正在高潮，其發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.從實(shí)用角度看，主要發(fā)展小型化、實(shí)用化、高效率和價(jià)格便宜的激光器件。2. 從波長角度看，激光器正向長波長和短波長兩面三刀端發(fā)展，如遠(yuǎn)紅外激光器、紫外激光器和更短波長的X、激光器。3.從輸出功率來看，大功率的激光器近年來不斷出現(xiàn)，其中，釹玻璃激光器的最大脈沖峰值輸出功率已達(dá)1013 瓦。氣體CO2 激光器的連續(xù)輸出功率已有400 千瓦的報(bào)導(dǎo)。4.從新類型激光器的角度看，首先是準(zhǔn)分子激光器發(fā)展很快，這種激光器的波長范圍很寬，功率可以很大。核激勵(lì)激光器是一種利用核能來激勵(lì)工作物質(zhì)從而產(chǎn)生激光的新

16、型激光器，核激勵(lì)激光器輸出的巨大能量可能用于激光武器、核聚變、遠(yuǎn)距離能量傳輸?shù)取?由于激光具在一系列優(yōu)異的特性，因而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療、天文、地理、科研尖端等各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用。由于它良好的方向性，使它在準(zhǔn)直和導(dǎo)向方面已獲普及應(yīng)用：由于它的高亮度，使它在各種材料的加工中顯示了巨大的威力，使在地球上制造小太陽似的熱核聚變有了希望；由于安的相干性好，使全息照相術(shù)得到了實(shí)際的應(yīng)用，使長度計(jì)量和干涉計(jì)量提高了精度。由于它的單色性純，開創(chuàng)了激光光譜學(xué)的新領(lǐng)域，使定向和催化化學(xué)得到了突飛猛進(jìn)。1.3激光熱處理的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1激光熱處理技術(shù)的特點(diǎn)激光熱處理是利用高功率密度的激光束對金屬

17、進(jìn)行表面處理的方法，它可以對金屬實(shí)現(xiàn)相變硬化（或稱作表面淬火、表面非晶化、表面重熔淬火）、表面合金化等表面改性處理，產(chǎn)生用其大表面淬火達(dá)不到的表面成分、組織、性能的改變。經(jīng)激光處理后，鑄鐵表面硬度可以達(dá)到HRC60度以上，中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達(dá)HRC70度以上,從而提高起抗磨性,抗疲勞,耐腐蝕,抗氧化等性能,延長其使用壽命.激光熱處理技術(shù)與其它熱處理如高頻淬火、滲碳、滲氮等傳統(tǒng)工藝相比,具有以下特點(diǎn): 1.無需使用外加材料,僅改變被處理材料表面的組織結(jié)構(gòu).處理后的改性層具有足夠的厚度,可根據(jù)需要調(diào)整深淺一般可達(dá)0.1mm0.8mm 。 2.處理層和基體結(jié)合強(qiáng)度高.激光表面處理的改性層和

18、基體材料之間是致密的冶金結(jié)合,而且處理層表面是致密的冶金組織,具有較高的硬度和耐磨性。 3.被處理件變形極小，由于激光功率密度高，與零件的作用時(shí)間很短，故零件的熱變形區(qū)和整體變化都很小。故適合于高精度零件處理，作為材料和零件的最后處理工序。4加工柔性好，適用面廣。利用靈活的導(dǎo)光系統(tǒng)可隨意將激光導(dǎo)向處理部分，從而可方便地處理深孔、內(nèi)孔、盲孔和凹槽等，可進(jìn)行選擇性的局部處理。1.3.2激光熱處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀目前已成熟的激光加工技術(shù)包括：激光快速成形技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光蝕刻技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光存儲技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光清洗技術(shù)、

19、激光熱處理和表面處理技術(shù)。激光熱處理技術(shù)包括：激光相變硬化技術(shù)、激光包覆技術(shù)、激光表面合金化技術(shù)、激光退火技術(shù)、激光沖擊硬化技術(shù)、激光強(qiáng)化電鍍技術(shù)、激光上釉技術(shù)，這些技術(shù)對改變材料的機(jī)械性能、耐熱性和耐腐蝕性等有重要作用。 激光相變硬化(即激光淬火)是激光熱處理中研究最早、最多、進(jìn)展最快、應(yīng)用最廣的一種新工藝, 適用于大多數(shù)材料和不同形狀零件的不同部位,可提高零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度,國外一些工業(yè)部門將該技術(shù)作為保證產(chǎn)品質(zhì)量的手段。激光表面合金化技術(shù)是材料表面局部改性處理的新方法, 是未來應(yīng)用潛力最大的表面改性技術(shù)之一,適用于航空、航天、兵器、核工業(yè)、 汽車制造業(yè)中需要改善耐磨、耐腐蝕、耐高溫等

20、性能的零件。激光退火技術(shù)是半導(dǎo)體加工的一種新工藝,效果比常規(guī)熱退火好得多。激光退火后, 雜質(zhì)的替位率可達(dá)到98%99%, 可使多晶硅的電阻率降到普通加熱退火的1/21/3, 還可大大提高集成電路的集成度, 使電路元件間的間隔縮小到0.5微米。激光沖擊硬化技術(shù)能改善金屬材料的機(jī)械性能, 可阻止裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展, 提高鋼、鋁、鈦等合金的強(qiáng)度和硬度, 改善其抗疲勞性能。激光強(qiáng)化電鍍技術(shù)可提高金屬的沉積速度, 速度比無激光照射快1000倍, 對微型開關(guān)、精密儀器零件、微電子器件和大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)和修補(bǔ)具有重大義意。使用該技術(shù)可使電鍍層的牢固度提高1001000倍。 激光加工的特點(diǎn)包括：高速加熱、高

21、速冷卻、獲得的組織細(xì)密、硬度高、耐磨性能好；淬火部位可獲得大于400kgf/mm2的殘余壓應(yīng)力，有助于提高疲勞性能；還可以進(jìn)行局部選擇性淬火，通過對多光斑尺寸的控制，更適合其它熱處理方法無法勝任的管孔、深溝、微區(qū)、夾角和刀具刃口等局部區(qū)域的硬化；激光可以遠(yuǎn)距離傳送，可以實(shí)現(xiàn)一臺激光器多工作臺同時(shí)使用，采用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對激光熱處理工藝過程的控制和管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。激光是本世紀(jì)的重大發(fā)明之一，具有巨大的技術(shù)潛力，專家們認(rèn)為，現(xiàn)在是電子技術(shù)的全盛時(shí)期，其主角是計(jì)算機(jī)，下一代將是光技術(shù)時(shí)代，其主角是激光。激光因具有單色性、相干性和平行性三大特點(diǎn)，特別適用于材料加工。激光加工是激光應(yīng)用最有發(fā)

22、展前途的領(lǐng)域，國外已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù)。激光的空間控制性和時(shí)間控制性很好，對加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動(dòng)化加工。激光加工系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動(dòng)化加工設(shè)備，已成為企業(yè)實(shí)行適時(shí)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。1.3.3激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢數(shù)控化和綜合化:把激光器與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)以及高精度和自動(dòng)化的工件定位相結(jié)合，形成研制和生產(chǎn)加工中心，已成為激光加工發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。小型化和組合化:國外已把激光切割和模具沖壓兩種加工方法組合在一臺機(jī)床上，制成激光沖床，它兼有激光切割的多功能性和沖壓加

23、工的高速高效的特點(diǎn)，可完成切割復(fù)雜外形、打孔、打標(biāo)、劃線等加工。 高頻度和高可靠性:目前，國外YAG激光器的重復(fù)頻度已達(dá)2000次/秒，二極管陣列泵浦的Nd：YAG激光器的平均維修時(shí)間已從原來的幾百小時(shí)提高到12萬小時(shí)。采用激元激光器進(jìn)行金屬加工，這是國外激光加工的一個(gè)新課題。激元激光器能發(fā)射出波長157納米350納米的紫外激光, 大多數(shù)金屬對這種激光的反射率很低, 吸收率相應(yīng)很高, 因此, 這種激光器在金屬加工領(lǐng)域有很大的應(yīng)用價(jià)值。1.3.4激光熱處理在工業(yè)上的應(yīng)用及發(fā)展由于激光熱處理有相當(dāng)明顯的優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)金屬熱處理不能解決或不容易解決的技術(shù)難題，在國內(nèi)外受到高度重視，激光熱處理得到迅

24、速的發(fā)展。大功率CO2激光器從70年代起發(fā)展很快，先進(jìn)的工業(yè)國家大功率CO2激光器已產(chǎn)品化、系列化。我國從“七五”以后相繼研制成功了千瓦級萬瓦級大功率CO2多模激光器。隨著大功率激光器的發(fā)展，用激光就可以實(shí)現(xiàn)各種形式的表面處理。它是引起材料組織結(jié)構(gòu)變化的冶金過程，其加熱時(shí)間在10-3s 10-7s的范圍內(nèi)，功率密度為每平方毫米大于0.1kw。它的應(yīng)用極為廣泛，幾乎一切金屬表面熱處理都可以應(yīng)用。目前應(yīng)用比較多的有汽車、冶金、石油、重型機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等存在嚴(yán)重磨損的機(jī)器行業(yè)，以及航天、航空等高技術(shù)產(chǎn)品。 激光熱處理在汽車行業(yè)應(yīng)用極為廣泛，在許多汽車關(guān)鍵件上，如：缸體、缸套、曲軸、凸輪軸、派啟發(fā)、閥

25、座、搖臂、鋁活塞環(huán)槽等幾乎都可以采用激光熱處理。例如：美國通用汽車公司用十幾臺千瓦級CO2激光器，對換向器殼內(nèi)壁局部硬化，日產(chǎn)3萬套，提高工效四倍。我國采用大功率CO2激光器對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行缸孔強(qiáng)化處理，可延長發(fā)動(dòng)機(jī)大修里程到15萬公里以上，一臺汽缸等于三臺不經(jīng)處理的汽缸。 激光熱處理在大型機(jī)車制造業(yè)已被采用，大大提高了機(jī)車壽命，主要是機(jī)車大型曲軸的激光熱處理和機(jī)車柴油機(jī)缸套和機(jī)車主簧片的激光熱處理。它們的模具制造工藝復(fù)雜，精度要求高，形狀各異，應(yīng)用廣泛，但往往因模具的壽命短而加大了成本，返修也很困難。用激光對模具表面進(jìn)行熱處理，已逐漸被認(rèn)識和被采用，可成倍的提高模具的壽命，又不受形狀和尺寸的

26、限制。激光熱處理過的曲軸由于激光熱處理越來越顯示其優(yōu)越性，各種大功率CO2激光熱處理不斷問世。有些大型企業(yè)不惜代價(jià)引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備，如大連機(jī)車車輛廠引進(jìn)德國6000W CO2激光器由于大型曲軸熱處理生產(chǎn)線等。與此同時(shí)，國產(chǎn)大功率CO2激光熱處理設(shè)備銷售每年也成倍增長，激光熱處理生產(chǎn)線在各地相繼發(fā)展起來。目前比較成功的例子有大連機(jī)車車輛廠由于機(jī)車曲軸、缸套、立簧片的激光熱處理生產(chǎn)線；西安內(nèi)燃機(jī)廠柴油機(jī)缸套激光熱處理生產(chǎn)線；北京內(nèi)燃機(jī)及首都汽車公司的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套激光熱處理生產(chǎn)線；長春第一汽車制造廠激光熱處理生產(chǎn)線。同時(shí)全國各地建立了不同規(guī)模的激光加工中心，為各行業(yè)機(jī)器零件進(jìn)行激光熱處理1。 1.

27、4 激光的工程實(shí)際應(yīng)用 激光熱處理技術(shù)已在我國得到了一定規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，成功的例子很多，舉例如下：激光毛化冷軋輥 ：為了生產(chǎn)沖壓或深沖壓用的優(yōu)質(zhì)毛面薄鋼板，軋鋼廠需要對工作軋輥表面進(jìn)行毛化處理。以往軋輥毛化的方法是噴丸處理，但難以精確控制軋輥表面的形貌和粗糙度，為了解決這一問題，國內(nèi)外均做了大量研究。中科院力學(xué)所研究成功軋輥激光毛化技術(shù)。軋輥激光毛化技術(shù)又稱激光織構(gòu)化，軋輥激光毛化技術(shù)可以精確控制所加工軋輥表面的形貌和粗糙度，軋制生產(chǎn)的激光毛面鋼板具有優(yōu)良的沖壓成形性能和涂漆光亮度，其塑性變形能力有所改善，明顯優(yōu)于同材質(zhì)的光面板和噴丸毛面板。激光毛化技術(shù)可以在毛化的同時(shí)，使激光作用區(qū)的材料獲得

28、超常硬度，給軋面帶來超常的強(qiáng)韌化效果，延長軋輥使用壽命。軋制低碳鋼板的激光輥壽命是普通輥的35倍；冷軋65Mn鋼的激光輥壽命是普通輥的23倍；平整軋制低碳沖壓用毛面板的激光輥壽命比普通輥的提高510倍。此外激光毛化加工也可改善軋輥使用性能，由于優(yōu)化摩擦條件，軋制時(shí)不易打滑和粘連，軋制速度可提高一倍以上，消除板卷退火粘結(jié)現(xiàn)象，可進(jìn)一步優(yōu)化軋制參數(shù)，甚至可用激光輥實(shí)現(xiàn)異步軋制。通常大面積的激光處理采用連續(xù)掃描，由線及面地進(jìn)行，此時(shí)存在掃描帶重疊造成回火軟帶和掃描帶不重疊所致表面各向異性的問題。為此，提出用脈沖激光離散熔凝處理代替激光連續(xù)掃描工藝。軋輥的激光毛化技術(shù)就是脈沖激光離散熔凝處理技術(shù)的成功

29、的應(yīng)用。冷軋輥的激光毛化技術(shù)已在我國獲得一定規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。1990年3月中科院力學(xué)所在中國大恒、北京吉普汽車、首鋼鋼研所協(xié)作下，開展YAG激光毛化冷軋輥工藝攻關(guān)，至1992年6月研制成功第一臺可用于帶鋼規(guī)模生產(chǎn)的YAG激光毛化冷軋輥實(shí)驗(yàn)裝置。1992年8月開始用于秦皇島龍騰精密帶鋼公司生產(chǎn)，1994年3套大、中、小型YAG激光毛化冷軋輥成套設(shè)備分別在天津市冷軋薄板廠、鞍山帶鋼廠、無錫遠(yuǎn)方帶鋼廠投產(chǎn)。僅一年時(shí)間，天津冷軋薄板廠近十萬噸優(yōu)質(zhì)激光毛化板投放市場，使我國繼比利時(shí)、日本、德國之后世界上第四個(gè)掌握激光毛化冷軋輥新技術(shù)并用于規(guī)模生產(chǎn)的國家。1995年華中理工大學(xué)、武鋼、武漢重機(jī)合作研制成功

30、CO2激光毛化冷軋輥裝備并試軋了300tCO2激光毛化鋼板。上述成果說明了激光毛化技術(shù)和裝備及其工業(yè)應(yīng)用是我國激光熱處理產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合獲得巨大成功的一個(gè)突出例子，值得推廣2。 各種機(jī)械零部件局部表面的激光強(qiáng)化：上海工程技術(shù)大學(xué)在對球鐵的激光熱處理進(jìn)行系統(tǒng)深入研究基礎(chǔ)上與中國迅達(dá)電梯公司上海電梯廠緊密合作，研制成功電梯正弦輪V型槽面的激光強(qiáng)化技術(shù)，經(jīng)瑞士迅達(dá)電梯公司多次派專家進(jìn)行質(zhì)量評估，確認(rèn)完全符合質(zhì)量要求，自1991年以來，已將此工藝列入中國迅達(dá)公司的生產(chǎn)工藝，已累計(jì)產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益超過1200萬元，發(fā)展前景良好。1.5本論文研究的目的和內(nèi)容高鉻鑄鐵軋輥?zhàn)鳛橐环N常用的軋輥材料

31、,在生產(chǎn)應(yīng)用中有明顯的優(yōu)越性。但因其成分復(fù)雜,對性能的穩(wěn)定控制具有一定難度。在軋輥使用過程中,常出現(xiàn)局部裂紋甚至斷輥事故,所以提高斷裂韌性是高鉻鑄鐵軋輥研究的主要方向,而碳化物對高鉻鑄鐵軋輥性能的影響非常重要,應(yīng)對碳化物的特性進(jìn)行深入研究,以達(dá)到控制和調(diào)整碳化物的形狀、分布和體積分?jǐn)?shù)。另外,還應(yīng)優(yōu)化高鉻鑄鐵的成分搭配、鑄造工藝以及熱處理工藝,才能不斷提高高鉻鑄鐵軋輥的性能,改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量。內(nèi)容：1. 了解并掌握激光熱處理原理及在生產(chǎn)中的應(yīng)用狀況。 2. 以各種參數(shù)的激光照射高鉻鑄鐵熱連軋軋輥表面后, 分析其組織變化規(guī)律。 3. 用顯微硬度計(jì)測定激光熱處理后各組織變化區(qū)域的硬度分布值，并結(jié)合組織變

32、化規(guī)律分析硬度變化的原因。 4. 確定出最佳激光熱處理工藝參數(shù)，為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。第2章 軋輥簡介2.1 軋輥的發(fā)展歷程軋輥材質(zhì)在近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展中，從60年代之前采用無限冷硬鑄鐵，60年代使用半鋼，到70年代使用高鉻鑄鐵，發(fā)展為80年代末開始采用高速鋼。從總的發(fā)展趨勢看，軋輥材質(zhì)的合金含量逐漸增加，合金化程度越來越高3。軋輥工作時(shí)的情況如下圖所示。2.2軋輥材料分類及熱處理工藝的發(fā)展趨勢冷軋輥的發(fā)展方向?qū)⑹窃谶M(jìn)一步提高強(qiáng)度硬度和淬硬層深度的同時(shí),保證一定的韌性。大型冷軋工作輥將普遍采用含V、Ni等元素的改進(jìn)型5%Cr鋼制軋輥工作示意圖造。為提高材料的淬透性,Cr的含量將進(jìn)一步增加,如8

33、%10%Cr及含更高鉻的鍛鋼已開始用于實(shí)際生產(chǎn),但含Cr量的增加會(huì)導(dǎo)致較差的韌性,因此需要適當(dāng)平衡C和Cr含量,在較低的溫度下淬火獲得所需要的冷軋輥硬度,從而減少軋輥的斷裂和降低其斷裂敏感性。另外,隨著鍛件制造技術(shù)的進(jìn)一步完善,高Cr鋼工作輥將更多地應(yīng)用于大型冷連軋機(jī)。5%Cr及其含V的改進(jìn)型鋼廣泛用于大型支承輥鍛件,高Cr含量的大型鍛鋼支承輥進(jìn)入實(shí)用階段。大型冷軋工作輥要求采用電渣重熔錠鍛制,而大型支承輥鍛件用鋼則被廣泛采用鋼包精煉并真空除氣的冶鑄工藝生產(chǎn),鋼水的純凈度均達(dá)到較高水平4。熱軋輥工作在交變的高溫和力的作用下,其表面反復(fù)受到摩擦,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨損,因此熱軋輥的發(fā)展主要在于進(jìn)一步提

34、高其耐磨性。在實(shí)際的軋制生產(chǎn)中,表面淬火和滲碳強(qiáng)化處理的熱軋輥己不能滿足對其高耐磨性的要求,但整體的高速鋼或硬質(zhì)合金軋輥成本極高,對于軋輥芯部材料將造成浪費(fèi)。因此,軋輥的生產(chǎn)迫切需要進(jìn)行表面處理,將硬質(zhì)合金或陶瓷材料熔覆在軋輥的表面作為軋輥的工作表層。表面鍍Cr、火掐噴涂、等離子噴涂以及激光毛化都是工具表面合金強(qiáng)化技術(shù),將進(jìn)一步用于提高軋輥的性能。總之,合理選材及采用合適的熱處理方式制造軋輥,可以節(jié)約大量輥材,降低軋鋼生產(chǎn)成本,提高軋輥的質(zhì)量和產(chǎn)量。因此,應(yīng)重視軋輥選材的新動(dòng)向,從軋鋼的實(shí)際條件出發(fā)。開發(fā)軋輥的新材質(zhì),提高軋輥的制造質(zhì)量。2.2.1 鑄鐵系軋輥的分類鑄鐵系軋輥的含碳量在2.5%

35、3.5%左右，按主要材質(zhì)可分為普通鑄鐵軋輥、高鎳鉻無限冷硬復(fù)合鑄鐵軋輥、高鉻復(fù)合鑄鐵軋輥和合金球墨鑄鐵軋輥四大類。鑄鐵軋輥中常見的組織可分為基體、滲碳體、石墨三大類，基體組織主要氏體、鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體，石墨在鑄鐵中的形態(tài)一般有片狀和球狀兩種5 （1）普通鑄鐵軋輥普通鑄鐵軋輥可分為冷硬鑄鐵軋輥，中、低合金無限冷硬鑄鐵軋輥，中低合金球墨鑄鐵軋輥，冷硬鑄鐵是利用鐵水自身過冷度和模具表面激冷的辦法獲得的一種鑄鐵其輥身表面激冷而生成白口層，硬度高、耐磨性好。冷硬鑄鐵軋輥按制造工藝和芯部材質(zhì)可分為非球鐵、球墨復(fù)合、和球芯三大類。無限冷硬鑄鐵軋輥是介于冷硬鑄鐵和灰口鑄鐵之間的一種材質(zhì)，其輥身工

36、作層基體組織中存在著石墨，并且輥身工作層與芯部沒有明顯的分界線。普通鑄鐵軋輥主要用于疊軋薄板軋機(jī)、三輥勞特式中板軋機(jī)、線材軋機(jī)、棒材軋機(jī)及型鋼軋機(jī)用輥6。(2)高鎳鉻無限冷硬鑄復(fù)合鐵軋輥無限冷硬鑄鐵是界于冷硬鑄鐵和灰口鑄鐵之間的一種材質(zhì)，無限冷硬鑄鐵軋輥輥身工作層基體組織中存在著均勻分布的石墨，石墨的含量從輥身表面往里隨深度的增加而提高，硬度隨之降低，因此，輥身工作層與芯部沒有明顯的分界線，也稱無界冷硬鑄鐵軋輥無限冷硬鑄鐵軋輥材質(zhì)中含有較高的鉻、鎳、鉬合金元素時(shí)為高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥，采用全沖洗（溢流法）或離心復(fù)合澆注工藝生產(chǎn)。高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥輥身工作層基體組織中存在較大數(shù)量的碳化物，

37、因此有較高的耐磨性，基體組織中石墨的存在，使其具有良好的抗熱烈性，被廣泛應(yīng)用做寬、中、厚板軋機(jī)和帶鋼軋機(jī)精軋用輥7。（3）高鉻復(fù)合鑄鐵軋輥高鉻復(fù)合鑄鐵軋輥是以含鉻12%-22%的高鉻白口耐磨鑄鐵為軋輥輥身外層材質(zhì)，一般以球墨鑄鐵為軋輥芯部和輥頸材質(zhì)，采用離心復(fù)合澆注工藝而生產(chǎn)的高合金復(fù)合鑄鐵軋。由于基體中存在板條狀的Cr7C3型共晶碳化物、菊花狀的Mo2C型共晶碳化物和顆粒狀的Cr2C6型二次碳化物，高鉻鑄鐵軋輥具有優(yōu)異的抗耐磨性能，被廣泛應(yīng)用做熱軋帶鋼連軋機(jī)粗軋和精軋前段工作輥、寬中厚板軋機(jī)粗軋和精軋工作輥及小型型鋼和板材軋機(jī)精軋。（4）合金球墨鑄鐵軋輥合金球墨鑄鐵軋輥由于石墨從輥身到芯部呈

38、球狀均勻分布，所以抗拉強(qiáng)度大，可經(jīng)受重載荷，耐磨損性很好?；w組織為碳化物及珠光體或針狀體，合金球墨鑄鐵軋輥按輥身基體組織大體可分為兩類：珠光體球墨鑄鐵軋輥和針狀體球墨鑄鐵軋輥，合金球墨鑄鐵軋輥一般采用整體鑄造，但針狀體鑄鐵軋輥由于合金含量高，鑄造應(yīng)力大，可采用離心復(fù)合澆注工藝，獲得理想的綜合使用性能。合金球墨鑄鐵軋輥具有良好的抗熱沖擊和耐磨損性能，被廣泛應(yīng)用做大型初軋機(jī)、型鋼軋機(jī)、棒材連軋機(jī)和大型無縫管軋機(jī)用輥。2.2.2鑄鋼系軋輥鑄鋼系軋輥可分為兩類：鋼軋輥（含碳量0.4%-1.4%）和半鋼軋輥（含碳量1.4%-2.4%）鋼軋輥含碳量低，故硬度較低，其組織一般由鐵素體和珠光體組成，隨著含碳

39、量增加，鐵素體量減少，珠光體量增加。為提高硬度，可加入Cr、Ni、Mo等合金元素，或者進(jìn)行特殊熱處理，由于鋼軋輥具有高的抗拉強(qiáng)度和韌性，適用于軋制溫度高、軋制載荷大的開坯軋機(jī)或初軋機(jī)，也可用做支撐輥。如進(jìn)行特殊熱處理，得到HS90以上的高硬度，亦可用做冷軋工作輥。半鋼軋輥含碳量在鑄鋼輥和鑄鐵輥之間，其組織主要由珠光體構(gòu)成，并含有一定的碳化物，因此，其強(qiáng)度比鑄鋼軋輥稍高，比鑄鐵軋輥低，其硬度比一般鑄鋼軋輥高半鋼軋輥的最主要特點(diǎn)是內(nèi)部硬度降落很小，因此，特別適用于制造深孔型軋輥，同時(shí)廣泛應(yīng)用于型鋼軋機(jī)粗軋和精軋機(jī)架、熱軋帶鋼連軋機(jī)粗軋和精軋前段工作輥。半鋼軋輥材質(zhì)中若增加硅含量，通過石墨化處理，具

40、有高的抗熱裂性和強(qiáng)韌性，作為初軋機(jī)開坯軋輥、大型型鋼粗軋輥、開坯連軋機(jī)軋輥和熱軋帶鋼連軋機(jī)立輥，可獲得良好的軋制效果8。（1）合金鑄鋼軋輥依其化學(xué)成分和熱處理工藝，可使輥身外層基體組織為珠光體及貝氏體。珠光體可以是片狀或球狀，或是索氏體類型回火索氏體不僅具有高的強(qiáng)韌性，而且具有優(yōu)良的抗熱裂性，尤其是帶位相的回火索氏體組織還兼有優(yōu)良的耐磨損性能，故用于初軋機(jī)時(shí)，軋制效果良好。合金鑄鋼軋輥具有較高的抗拉強(qiáng)度和韌性，一定的耐磨性和抗熱裂性，主要用于初軋機(jī)的開坯軋輥和型鋼軋機(jī)粗軋輥。（2）鑄造高鉻鋼軋輥高鉻鋼軋輥是以其高鉻鋼（C:0.5%-1.5%、Cr:8%-15%）為輥身外層材質(zhì)，以球墨鑄鐵為芯部

41、材質(zhì)，采用離心復(fù)合澆注工藝生產(chǎn)的，由于其輥身外層具有比高鉻復(fù)合鑄鐵材質(zhì)更加富鉻的基體組織，耐磨性極好，此外，由于高鉻鋼軋輥輥身工作層基體組織中的碳化物含量較低，使其具有優(yōu)良的抗熱裂性，基于此，高鉻鋼軋輥是目前熱連軋機(jī)粗軋輥選材的發(fā)展趨勢。（3）離心復(fù)合高速鋼軋輥高速鋼軋輥不僅具有高的抗熱裂性，同時(shí)其高的耐磨性及紅硬性可大大延長軋輥壽命，提高軋材質(zhì)量，可用于熱帶連軋機(jī)精軋前段工作輥9。（4）半鋼軋輥半鋼軋輥含碳量通常為1.4%-2.4%，機(jī)械性能處于鑄鋼和鑄鐵之間，具有硬度降落小，耐磨性能高等特點(diǎn)，廣泛用于型鋼軋機(jī)粗軋和中軋機(jī)架、熱軋帶鋼連軋機(jī)粗軋和精軋前段工作輥，當(dāng)半鋼含碳量大于1.9%時(shí)，稱

42、之為高碳半鋼，高碳半鋼由于碳含量較高，基體組織中存在有共晶碳化物和偽共晶碳化物，被用于開坯連軋機(jī)架用輥、型鋼軋機(jī)中間機(jī)架和精軋機(jī)架用輥。半鋼軋輥用做熱軋輥時(shí)，為提高耐裂性，成分中增加硅含量，成為石墨鑄鋼軋輥，集中了鑄鋼和鑄鐵二者的優(yōu)點(diǎn)，大量用于鋼坯熱連軋機(jī)軋輥和型鋼軋機(jī)軋輥。2.2.3 鍛鋼系軋輥鍛鋼系軋輥通過冶煉、鍛造、熱處理，使軋輥輥身工作層具有均勻一致高硬度、高耐磨性和優(yōu)良的抗事故能力，同時(shí)保證軋輥輥頸和輥身芯部具有一定的強(qiáng)度和高的韌性。鍛鋼軋輥具有的這一獨(dú)特性能，使其在冷軋以及有色軋制方面，有著鑄造軋輥不可替代的優(yōu)勢10。按使用條件，鍛鋼軋輥可分為鍛鋼熱軋輥及鍛鋼冷軋輥，鍛鋼熱軋輥主要

43、用于熱軋開坯及型鋼粗軋輥，鍛鋼冷軋輥被廣泛用于冷軋輥。鍛鋼冷軋輥使用要求高，輥身表面必須具有高而均勻的硬度，以保證冷軋帶材或鋼板的尺寸精度和良好的表面質(zhì)量，輥身具有一定的淬硬層深度，具有高的抗事故能力，為此，對軋輥的原始組織要求很嚴(yán)，一是純凈的冶金質(zhì)量，二是組織的均勻性。我國目前主要使用含鉻2%左右的冷軋輥材質(zhì)，HS90以上的工作層在10mm左右，而新開發(fā)的含鉻5%的Cr5系列冷軋輥，HS90以上的工作層在30mm以上，Cr5系列冷軋工作輥在各方面體現(xiàn)出的優(yōu)良性能，必將逐步替代傳統(tǒng)上使用的Cr2系列冷輥，成為冷軋工作輥的發(fā)展方向。近年來，隨著軋鋼生產(chǎn)對節(jié)能、提高與控制軋制精度以及降低成本的要求

44、，軋輥材料不斷地得到改進(jìn)和發(fā)展，從早期的普通冷硬鑄鐵、無限冷硬合金鑄鐵到半鋼、高鉻鑄鐵和高速鋼。其中高鉻鑄鐵軋輥具有生產(chǎn)成本相對較低，加工性能好，耐磨性和抗熱疲勞性能好等特點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用于軋鋼生產(chǎn)中。高鉻鑄鐵軋輥的化學(xué)成分為: m(C) 2.10 %4.10 % , m(Cr) 10 %30 % ,m(Ni) 0.115 %1.16 % ,m(Mo) 0.13 %2.19 %。其本質(zhì)是一種高耐磨性的高合金白口鐵, m (Cr) 含量一般在10 %15 % ,其碳化物主要是M7C3型,與白口鑄鐵的連續(xù)的M8C型碳化物不同,它不但具有良好的耐磨性,還有較高的硬度(HV可達(dá)1800) ,基體為奧氏

45、體、馬氏體,因而其硬度和韌性結(jié)合較好。實(shí)際的軋制生產(chǎn)表明,高鉻鑄鐵軋輥有較好的抗熱裂性能,原因是軋輥表面生成一層致密且有韌性的Cr的氧化膜,能減少熱裂紋的數(shù)量和深度。 因此,高鉻鑄鐵軋輥在80年代被非常廣泛用于精軋前架.目前,高鉻鑄鐵復(fù)合軋輥已廣泛用作熱軋帶鋼連軋機(jī)粗軋和精軋前段工作輥、寬中厚板粗軋和精軋工作輥及小型型鋼和棒材軋機(jī)精軋輥等。高鉻鑄鐵軋輥的熱處理有兩種形式,一是低于臨界轉(zhuǎn)變溫度的亞臨界熱處理,另一種是高于臨界點(diǎn)A3的高溫?zé)崽幚?。高鉻鑄鐵軋輥表面材料的珠光體基體,希望具有極細(xì)的片間距,并在基體上有大量彌散分布的二次碳化物,要求有盡量低的殘余奧氏體和殘余應(yīng)力,所以一般選用后一種形式的

46、熱處理,具體為正火加回火。2.3熱軋輥材料研究進(jìn)展 熱軋生產(chǎn)中,軋輥使用條件非常惡劣,主要是因?yàn)闊彳堓伋Ｅc溫度高達(dá)9001 100的軋材接觸,輥面溫度高達(dá)500,軋輥使用中除了承受強(qiáng)大的軋制力,輥面受軋材的強(qiáng)力磨損外,在高溫的作用下,輥面易產(chǎn)生氧化,氧化膜易脫落,加劇軋輥的失效。此外,軋輥還反復(fù)被軋材加熱及冷卻水冷卻,經(jīng)受溫度變化幅度較大的激冷激熱,產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力,逐漸導(dǎo)致熱疲勞裂紋的產(chǎn)生,熱疲勞裂紋在軋制力的作用下不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致軋輥表面破裂甚至剝落,促進(jìn)軋輥失效。熱軋輥除了應(yīng)具有高的耐磨性和強(qiáng)韌性外,還應(yīng)具有優(yōu)良的抗氧化能力和抗熱疲勞能力。隨著熱軋技術(shù)的發(fā)展,熱軋輥材料也在不斷地改進(jìn)和

47、發(fā)展,從早期使用的冷硬鑄鐵軋輥,發(fā)展到半鋼軋輥,高鉻鑄鐵(鋼)和高速鋼軋輥。2.3.1無限冷硬鑄鐵軋輥的發(fā)展 早在20世紀(jì)初,普通無限冷硬鑄鐵軋輥已在熱軋帶鋼軋機(jī)上廣泛應(yīng)用。無限冷硬鑄鐵軋輥介于冷硬鑄鐵和灰口鑄鐵之間,與冷硬鑄鐵相比,鐵水中含硅量較高(0. 7% 1. 6% Si),無限冷硬鑄鐵軋輥組織中除含有與白口鑄鐵中相近似數(shù)量的碳化物和萊氏體外,還存在均勻分布的石墨。無限冷硬鑄鐵軋輥中還常常加入不同含量的Cr、Ni和Mo等合金元素,隨著Cr、Ni和Mo含量的增加,其硬化層深度增加。無限冷硬鑄鐵軋輥組織中含有較多的碳化物,具有較好的耐磨性;在基體組織中均勻分布的少量細(xì)小石墨,起到了松弛機(jī)械

48、應(yīng)力的作用,有利于減輕輥身表層的剝落缺陷;石墨本身具有良好的導(dǎo)熱性能,在軋鋼過程中,軋輥表面受熱沖擊時(shí),石墨起緩沖熱應(yīng)力的作用,有利于防止熱裂紋的產(chǎn)生。此外,輥身表面由于石墨脫落形成細(xì)小孔穴,改善軋輥的咬入性能。無限冷硬鑄鐵軋輥由于硬度高、硬度落差小及良好的抗熱裂性,在軋鋼生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用,世界各國熱連軋機(jī)精軋機(jī)架上普遍使用無限冷硬鑄鐵軋輥。近年來,為了提高無限冷硬鑄鐵軋輥的耐磨性,開發(fā)了改進(jìn)型無限冷硬鑄鐵軋輥,其主要特征是在軋輥中加入高溫下形成高硬度MC型初生碳化物的合金元素,加入合金元素還具有改善枝晶組織形態(tài)和尺寸的作用,其耐磨性比普通高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥提高20%以上,抗熱疲勞性

49、能也明顯提高。改進(jìn)型高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥目前仍存在高溫?zé)岱€(wěn)定性低、高溫耐磨性性差和淬透性低的不足,進(jìn)一步提高改進(jìn)型高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥的淬透性和高溫耐磨性,將成為軋輥研究者不斷探索的新課題11。2.3.2半鋼軋輥的發(fā)展半鋼軋輥起源于美國,40年代末期,熱軋帶鋼連軋機(jī)在美國迅速發(fā)展,當(dāng)時(shí),軋機(jī)的精軋前段使用的是合金冷硬鑄鐵軋輥,帶鋼表面出現(xiàn)大量的“斑帶”缺陷,嚴(yán)重影響軋機(jī)效率。為解決這一問題,美國冶金學(xué)家研制出兼有鑄鋼軋輥的高強(qiáng)度和韌性、類似鑄鐵軋輥的良好耐磨性的半鋼軋輥。70年代半鋼軋輥在國外得到廣泛的應(yīng)用,在一定程度上代表了當(dāng)時(shí)軋輥生產(chǎn)的國際水平和發(fā)展方向。它的碳含量在1. 3% 2.

50、4%之間,游離碳化物約為6%10%,共析成分以外的碳可以是碳化物或石墨,以碳化物為主要存在形式的稱作半鋼,以石墨為主要存在形式的稱作球墨鑄鋼或石墨鋼。半鋼中常加入Si、Mn、Ni和Mo等合金元素,其加入量根據(jù)期望的組織與性能而定。半鋼的強(qiáng)韌性接近于鋼輥而優(yōu)于鐵輥,硬度與耐磨性接近于鐵輥而優(yōu)于鋼輥,它綜合了鋼與鑄鐵兩者的優(yōu)點(diǎn)。半鋼軋輥?zhàn)钸m于工作繁重的鋼坯軋機(jī)、大型型材軋機(jī)、中型軋機(jī)、萬能型鋼軋機(jī)、熱連軋粗軋機(jī)及熱連軋精軋機(jī)(前段)等。半鋼軋輥還存在一些問題,如熱處理周期長,工藝復(fù)雜,成本較高。80年代以來,在許多場合它逐漸被高鉻鑄鐵軋輥代替。2.3.3高鉻鑄鐵軋輥的發(fā)展高鉻鑄鐵用于制造軋輥始于3

51、0年代, 1932年,美國已研制成功含12% 14%Cr、0.5%Mo、直徑為560mm的高鉻鑄鐵軋輥,用于熱軋型鋼和角鋼的精軋機(jī)架,獲得了很好的使用效果。60年代中期,英國和德國的軋輥制造者,從充分發(fā)揮高鉻鑄鐵軋輥的抗磨損性能出發(fā),同時(shí)注意到這一材質(zhì)的軋輥在熱軋帶鋼連軋機(jī)精軋前段機(jī)組上使用時(shí),具有消除“流星斑”和“斑帶”缺陷的特性,從而研制出了含12% 22%Cr、2. 4% 3. 0%C、輥身硬度達(dá)6090HS的高鉻鑄鐵軋輥。高鉻鑄鐵軋輥廣泛用做熱軋帶鋼連軋機(jī)粗軋和精軋前段工作輥、寬中厚板軋機(jī)粗軋和精軋工作輥及小型型鋼和棒材軋機(jī)精軋輥。日本在1981年開發(fā)成功高鉻鑄鐵軋輥以來,發(fā)展極其迅速

52、,到1985年止,在熱軋帶鋼連軋機(jī)精軋前段機(jī)架已有70%的軋機(jī)采用高鉻鑄鐵軋輥替代了合金半鋼軋輥。日本久保田軋輥廠制造的高鉻鑄鐵軋輥在帶鋼熱軋機(jī)精軋前段F2機(jī)架上使用,毫米過鋼量達(dá)到了3 145t，而半鋼軋輥僅有2037t。我國邢臺軋輥廠已于1987年開始批量生產(chǎn)熱帶連軋機(jī)用的高鉻鑄鐵工作輥,并在寶鋼和武鋼熱軋帶鋼連軋機(jī)上獲得了良好的使用效果。高鉻鑄鐵軋輥具有良好的抗氧化性能,能夠適應(yīng)高負(fù)荷的軋制操作,熱穩(wěn)定性好12。2.3.4高鉻鑄鐵軋輥熱處理工藝及研究（1）高鉻鑄鐵的臨界點(diǎn)和等溫轉(zhuǎn)變曲線高鉻鑄鐵的臨界點(diǎn)測試結(jié)果見表2-1。奧氏體化溫度為1024攝氏度的等溫轉(zhuǎn)變曲線見圖2-1，其珠光體（p）

53、轉(zhuǎn)變開始溫度約為695攝氏度左右，沒有發(fā)現(xiàn)貝氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體相變點(diǎn)（Ms）約為271攝氏度，馬氏體轉(zhuǎn)變終點(diǎn)溫度（Mf）低于室溫，高鉻鑄鐵淬火組織轉(zhuǎn)變具有不完全性，淬火組織中將會(huì)殘留較多的奧氏體。珠光體轉(zhuǎn)變臨界冷卻速度Vp=0.52攝氏度每秒，Vp值較小，表明高鉻鑄鐵軋輥具有較好的淬透性1315。表2-1 高鉻鑄鐵的臨界點(diǎn)（）Ac1Ac3MsMf71280727120 圖2-1 高鉻鑄鐵等溫轉(zhuǎn)變曲線（2）淬火溫度和冷卻方式對高鉻鑄鐵軋輥硬度的影響淬火溫度和冷卻方式對高鉻鑄鐵軋輥硬度的影響見圖2-2。油冷條件下，淬火溫度低于1000攝氏度，隨著淬火溫度升高，硬度升高，超過1000攝氏度，硬度反而降

54、低。霧冷和空冷條件下，淬火溫度對硬度影響結(jié)果相似，獲得最高硬度的淬火溫度高于油冷時(shí)的淬火溫度。隨淬火溫度升高，基體中溶解的共晶碳化物數(shù)量增加，碳化物的尖角變得圓滑，薄弱區(qū)域斷開，淬火溫度1100攝氏度時(shí)，組織明顯粗化。高鉻鑄鐵軋輥硬度的淬火硬度值除了合金的組織因素外，還由馬氏體中飽和的碳和合金元素量及未轉(zhuǎn)變的殘留奧氏體決定，淬火溫度低時(shí)，奧氏體中溶解的碳和合金元素少，淬火轉(zhuǎn)變后馬氏體中飽和的碳和合金元素量也較少，故硬度相對較低。淬火溫度低于850攝氏度淬火，加熱不足而出現(xiàn)硬度較低的珠光體組織。淬火溫度超過1100攝氏度后，奧氏體中溶解的碳和合金元素量過多，Ms點(diǎn)下降，而且溫度高使奧氏體成分均勻

55、，奧氏體穩(wěn)定化程度增加，淬火后殘余奧氏體（Ar）量增多，見圖2-3，導(dǎo)致硬度明顯下降。淬火組織中殘留奧氏體多除了與Ms點(diǎn)低有關(guān)外，還由于高鉻鑄鐵軋輥硬度的發(fā)生馬氏體相變時(shí)伴隨著圖2-2 淬火溫度和冷卻方式對高鉻鑄鐵軋輥硬度的影響較大的體積應(yīng)力，阻礙著馬氏體相變的繼續(xù)進(jìn)行。在1000-1025攝氏度時(shí)，馬氏體中溶解的碳和合金元素量適中，獲得了硬度的峰值。由于霧冷和空冷速率小于油冷，相同淬火溫度下，淬火組織中的殘留奧氏體量少于油冷，獲得最高硬度的溫度高于油冷時(shí)的溫度16。（3）高鉻鑄鐵軋輥的淬透性 不同冷卻條件下高鉻鑄鐵軋輥的淬透性見圖2-4。油冷高鉻鑄鐵軋輥淬透性最好，霧冷次之，空冷最差，但油冷

56、和霧冷差別不大。盡管高鉻鑄鐵軋輥中圖2-3 淬火溫度和冷卻方式對殘留奧氏體數(shù)量的影響含有較多的合金元素，具有較好的淬透性，但空冷條件下，由于冷卻速率太小，離表面30mm時(shí)，硬度已下降到55HRC以下。軋輥工作層厚，通常大于30mm，高鉻鑄鐵軋輥空冷淬火無法滿足使用要求。研究中還發(fā)現(xiàn)，高鉻鑄鐵軋輥油冷淬火時(shí)，由于冷卻速率太高，熱應(yīng)力大，在熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力作用下，易出現(xiàn)裂紋。高鉻鑄鐵軋輥霧冷淬火既有較高的淬透性，又不易出現(xiàn)裂紋，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中是可行的17。圖2-4 冷卻方式對高鉻鑄鐵軋輥淬透性的影響(4)回火溫度對高鉻鑄鐵軋輥組織和性能的影響 上述研究發(fā)現(xiàn)，高鉻鑄鐵軋輥經(jīng)1025攝氏度加熱后

57、霧冷淬火，具有很好的淬透性和淬硬性，而且淬火冷卻時(shí)不會(huì)產(chǎn)生裂紋。在此基礎(chǔ)上，研究回火溫度對1025攝氏度加熱后霧冷淬火高鉻鑄鐵軋輥硬度、韌性和耐磨性的影響。結(jié)果見圖2-5，回火溫度低于500攝氏度時(shí)，隨回火溫度升高其硬度變化不大，超過525攝氏度硬度稍有下降，575攝氏度以后硬度明顯下降。這主要是由于高鉻鑄鐵軋輥中碳和鉻含量較高，形成大量的合金碳化物，同時(shí)馬氏體中也含有一定量的合金元素，使馬氏體的分解溫度出現(xiàn)低谷，在450攝氏度出現(xiàn)峰值。其原因是在450攝氏度回火時(shí)應(yīng)力消除比較完全，碳化物尚未長大，細(xì)小且均勻彌散的分布在馬氏體基體上，不利于裂紋的擴(kuò)展，故ar值和k1c值較高。當(dāng)溫度高于450攝氏度以后，由于碳化物的聚集長大使其彌散度減小，導(dǎo)致ar值和k1c值有所降低。圖2-6所示，350攝氏度回火時(shí)，ak值和k1c值出現(xiàn)低谷，與殘余奧氏體分解和第一類回火脆性有關(guān)。回火溫度超過500攝氏度后，隨著回火溫度的進(jìn)一步提高，合金碳化物