軋機軋軋機的變形分析

軋機軋軋機的變形分析

輥是一種直接的工具來切割和變形金屬，其質(zhì)量和長度直接關系到冶金公司的產(chǎn)量效率、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力。同時軋輥也是冶金企業(yè)的主要消耗部件,在軋鋼生產(chǎn)成本中占的比例很重。因此,軋輥工作表面的強化與修復問題不容小視。作為結構材料,金屬材料將在相當長的時期內(nèi)在各行各業(yè)占有相當重要的地位。在現(xiàn)有的工藝條件下,合金化及熱處理方法已經(jīng)使金屬材料的強度和韌性達到了較好的配合。為了更進一步提高金屬材料的使用性能,在強韌化基體的基礎上,發(fā)展了諸如感應加熱淬火、熱噴涂等表面強化手段。激光表面處理是金屬材料表面強化的重要方法之一,始于20世紀60年代,具有加熱速度快、熱效率高、加熱范圍及熱變形小等特點,受到了材料研究工作者的廣泛關注。1焊接材料及其工作條件1.1鋼軋或熱軋為了滿足高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低消耗的需要,軋制生產(chǎn)要求軋輥具有高強度、高硬度、耐高溫、耐沖擊、耐磨損和抗熱龜裂等性能。對于一種軋輥材質(zhì),同時滿足這些要求很困難,因此研制出多種軋輥材質(zhì)。軋輥一般可分為鑄鐵軋輥(含碳量2%以上)、半鋼軋輥(含碳量1.5%以上)和鋼軋輥(含碳量0.8%以上)。鑄鐵軋輥突出的優(yōu)點是硬度高、耐磨性好、表面光滑、制造方法簡單和成本低,缺點是質(zhì)脆、強度低、耐沖擊性能差。高鉻鑄鐵軋輥是一種高耐磨性的高合金白口鐵,不僅具有良好的耐磨性,還有較高的硬度,基體為奧氏體、馬氏體,因而其硬度和韌性結合較好。此外它還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鉻的氧化膜,能減少熱裂紋的數(shù)量和深度。鋼軋輥的優(yōu)點是強度高、韌性好、咬入軋件的能力強,缺點是硬度一般較鑄鐵輥低。為提高硬度需要在鋼中加入較多的合金元素,一般作為熱軋輥材料使用的高速鋼,其組織含有10%～15%具有極高硬度和高溫穩(wěn)定性的碳化物,所以在高溫下工作能保持較高的強度和硬度。鋼軋輥工作層硬度高,可達80～85HS,具有較好的耐磨性和抗熱裂性,軋輥表面不易出現(xiàn)熱裂紋,一般無剝落現(xiàn)象。半鋼軋輥是近年來出現(xiàn)的新型軋輥材質(zhì),其碳含量介于鑄鐵和鑄鋼之間,雜質(zhì)含量較低,具有過共析組織。經(jīng)過鍛造和熱處理后,可得到均勻分散析出的極微細的高硬度碳化物。因此,它具有耐熱龜裂、耐磨和強韌性3方面的綜合性能。1.2u3000熱軋軋的環(huán)境在板材冷軋過程中,軋制金屬的變形抗力遠遠高于熱軋。在咬入階段,軋輥表面要承受超過10000MPa的巨大壓力,同時冷軋輥表面還要承受由于摩擦引起的剪應力。為了滿足使用要求,冷軋輥必須具有約2000MPa的抗拉強度以及高純凈度(即無內(nèi)部夾雜)、均勻的內(nèi)部組織。除了要承受很大的軋制循環(huán)應力、強力摩擦和擠壓外,瞬間高溫和強烈沖擊載荷、軋件的焊縫、夾雜以及邊裂等也對軋輥有影響。熱軋機軋輥的工作環(huán)境更為惡劣:軋輥與高溫軋件接觸加熱、軋輥水冷引起的周期性熱應力,軋制負荷引起的接觸應力、剪切應力以及殘余應力等。熱軋過程中,高溫軋材的熱輻射及其表面氧化層熱傳導使軋輥溫度升高,而硬度較高的氧化鐵皮還會引起軋輥表面磨損。一些其它因素也可能引起軋輥表面產(chǎn)生魚鱗、材料電化學遷移等,混入孔型的冷卻水還將產(chǎn)生流體靜壓力。軋輥的選材、設計、制作工藝等不合理,或軋制時卡鋼等造成局部發(fā)熱引起熱沖擊等,都易使軋輥失效。1.3u3000螺釘磨損的原因軋輥主要失效形式是輥面剝落。局部過熱導致的熱應力和組織應力會造成冷軋輥表面裂紋。冷軋輥在前一軋役產(chǎn)生的裂紋若沒有完全清除,在后一軋役中會很快形成大而深的剝落,由這種裂紋導致剝落是冷軋輥早期失效最主要的原因。熱軋輥裂紋是由于熱循環(huán)應力、拉應力及塑性應變等多種因素造成的,塑性應變使裂紋出現(xiàn),拉應力使其擴展。另一種失效形式是輥面磨損。通過對軋制區(qū)摩擦學特點和軋輥工作環(huán)境的分析可以看出,軋輥磨損非常復雜,疲勞磨損、腐蝕磨損、粘著磨損、磨粘磨損、微動磨損等幾種磨損形式同時存在,交替作用。此外特別提出高溫對軋輥的主要破壞作用:(1)高溫會使軋輥產(chǎn)生熱疲勞和熱磨損;(2)軋輥各區(qū)域受熱不同時所產(chǎn)生的軋輥損壞程度也不同;(3)環(huán)境高溫將加速軋輥軸承及其潤滑和防水密封件的損壞;(4)高溫下,軋輥將失去其原有的力學性能和抗磨損性能。2熱噴涂技術特點軋輥的表面處理技術主要包括軋輥表面的感應加熱淬火技術、堆焊技術、熱噴涂技術、熱噴焊技術和激光表面改性技術等。感應加熱淬火技術利用高頻交流磁場,工件表面被迅速加熱到鋼的相變臨界溫度之上,然后在冷卻介質(zhì)中快速冷卻獲得馬氏體。由于感應加熱局限于表層一定深度內(nèi),工藝設備的成本較高,不能保證所有淬火面都能獲得均勻的表面淬火層等,從而使其發(fā)展受到一定限制。堆焊技術是軋輥修復領域里研究最多的技術。堆焊修復技術雖然能保證耐磨性,但工藝復雜,生產(chǎn)率低,勞動條件差,基體內(nèi)殘余應力大,軋輥在堆焊時容易產(chǎn)生氣孔、裂縫、夾渣、焊瘤和脫落。熱噴涂技術是將噴涂材料熔化或半熔化,并高速噴涂在基體表面形成微冶金結合或者機械結合的涂層制備技術。該技術的主要局限性是涂層與基材結合強度較低,結合機理主要為機械結合,涂層存在孔隙和殘余應力,韌性差、切削加工性較差。另外熱噴涂熱效率低,材料利用率低,而且在操作過程中存在一些危害因素。熱噴焊技術能實現(xiàn)涂層與基體之間、涂層內(nèi)顆粒之間的冶金結合,熱噴焊層組織致密,冶金缺陷少,噴焊層與基材為冶金結合,結合強度高,一般是熱噴涂的10倍。該技術的缺點是熱噴焊材料必須與基材相匹配,噴焊材料和基材范圍比熱噴涂窄得多,且熱噴焊工藝中基材的變形比熱噴涂大得多。激光強化是利用高密度的能量輸入,使軋輥表面瞬時達到高溫,而后隨著激光束的移動,表面溫度又快速下降,從而造成軋輥表面的組織改性。其特點為:激光功率密度大,用激光束強化金屬加熱速度快,基體自冷速度高;輸入熱量少,工件處理后的熱變形很小;強化區(qū)組織高度細化、強化效果超乎常規(guī);利用點加工或線掃描加工方式可以獲得軟硬相間、強韌兼顧的離散強化表層;加熱不受外界磁場的影響;能精確控制加工條件,可以實現(xiàn)在線加工,易于與計算機聯(lián)接,實現(xiàn)自動化操作。激光淬火、激光重熔、激光合金化、激光熔覆等技術已應用于軋輥表面的強化和修復。2.1激光重熔噴技術激光淬火即激光相變硬化是指以激光作為熱源的淬火,以高能量密度激光束快速掃描工件,金屬表層溫度以極快速度上升至高于材料相變臨界溫度而低于材料熔點;當激光束離開,冷基體使表層金屬又以相當快的速度冷卻完成相變轉(zhuǎn)化過程,從而實現(xiàn)工件的自冷淬火,獲得較常規(guī)淬火高15%～20%的表面硬度。其優(yōu)點主要體現(xiàn)在:加工效率高、耐磨性更好、零件變形小、零件疲勞強度好、加工柔性好、自動化程度高、對環(huán)境污染小。激光淬火的不足之處在于硬化層深較淺。姚建華等對40Cr結構鋼進行了大面積激光相變硬化硬度分布特征研究,得出其硬化帶平均深度為0.5mm、平均硬度達到HV700、整個硬化帶層深比較均勻的結論。張國棟等對高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥用鋼進行了激光相變硬化處理,結果表明相變硬化層由熔化區(qū)和淬硬區(qū)組成,其中熔化區(qū)主要由殘余奧氏體組成,以樹枝晶和胞晶形式存在;而淬硬區(qū)含有大量的快冷馬氏體和未完全溶解的碳化物,以及少量的殘余奧氏體。由此高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥用鋼的硬度和耐磨性能得到了大幅度提高。激光重熔是指光束照射材料使其表面層熔化,然后依靠基體冷卻快速凝固結晶。激光熔凝可獲得2～3mm的硬化層,典型組織為超細化、過飽和的馬氏體和高度彌散、均勻分布的碳化物強化相顆粒。凝固組織成分偏析減少,呈現(xiàn)較高的壓應力狀態(tài),從而很大程度上增強了材料表層的耐磨性和耐蝕性。激光熔凝技術處理軋輥要求熔凝層比激光淬火層的總硬化層深度深,硬度要高。張來啟等分別按軋鋼量、磨損量計算,發(fā)現(xiàn)球墨鑄鐵和白口鑄鐵激光重熔熱軋輥的壽命分別比原來延長50%和15.6%～23.4%。趙玉珍等在高碳高合金鋼Cr12表面進行了激光重熔處理后獲得超細化的枝晶組織,其抗彎強度和耐磨性顯著提高。在抗彎試驗和磨損過程中,熔凝層內(nèi)的奧氏體含量大幅度降低,并出現(xiàn)了大量層錯和位錯團。75CrMnMo鑄鋼軋輥經(jīng)激光重熔處理后,橫截面組織為熔凝和相變硬化區(qū)(馬氏體+大量殘余奧氏體+碳化物)、過渡區(qū)(高溫回火組織)及母材(回火索氏體+大塊專或條狀碳化物),其硬化區(qū)深度可達2mm,表層硬度可達70～85HSD,過鋼量也有大幅提高。2.2其他表面合金激光合金化是用激光照射被覆純金屬或合金涂層的工件表面,加熱到一定固態(tài)溫度或形成一層較薄的熔區(qū),通過合金元素擴散,得到表面合金化層進而達到改善材料表面的力學、物理和化學性能的目的。激光合金化可以采用鍍層、涂敷粉末或薄膜,即用離子注入及其化學熱處理方法,將所要求的合金元素涂敷到金屬表面上,在強激光作用下,表面合金的成分在宏觀上基本均勻。在合金化組元的選擇上既有Cr、Ni、Mo等金屬元素,又有C、N、B、Si等非金屬元素,還有碳化物、氧化物、氮化物等難熔質(zhì)點。激光合金化中加入的元素與基材一起熔化,并混入融化的基材中形成一種新的合金,其成分既不同于外加合金,又不同于基材。所以利用激光表面合金化技術可在一些表面性能差、價格便宜的基體金屬表面制出耐磨、耐蝕、耐高溫的表面合金,用于取代昂貴的整體合金,節(jié)約貴重金屬材料和戰(zhàn)略材料,使廉價合金獲得更廣泛的應用,從而大幅度降低成本。另外,還可用它制造在性能上與傳統(tǒng)冶金方法所得合金根本不同的表面合金,如國外采用激光表面合金化工藝研制超導合金MoN、MoC和V3Si等。這種技術應用于冷軋輥表面,不僅可以改善軋輥表面的性能,減少軋輥在使用中的重淬次數(shù),而且還可以制作不同表面形貌的軋輥,以滿足生產(chǎn)的需要。鄭克全等利用高功率CO2激光束在45#鋼表面添加碳和鈦元素,能在45#鋼表面生成含有TiC硬質(zhì)化合物的合金層;并且,生成新物相的多少與添加合金元素種類、合金元素之間的比例和處理條件有關;合金元素在激光合金化處理中因熔度較高、分布均勻、晶粒細化程度高,而能生成多種硬質(zhì)物相是提高合金層性能的重要原因。逄淑杰等在T8鋼表面采用Ni60合金粉進行激光合金化處理,在基體表面形成了包含Ni2Si、Ni4B3、CrB2、Cr7C3、Cr23C6和Fe3C等多種物相的合金層,這些物相的生成對表面強化起著重要作用,合金層內(nèi)合金元素在奧氏體、鐵素體和馬氏體中起到固溶強化作用,以及合金層內(nèi)殘余奧氏體的存在等使得表面硬度和耐磨性都得到了提高。馬穎等通過對高磷鑄鐵表面進行以鎳基合金粉末為主的激光合金化處理,在工藝參數(shù)適當時,鎳鉻硼硅粉末能很好地溶于基材中,形成了明顯的合金層與過渡區(qū),溶入的合金元素大多以化合物或固溶體的形式存在,合金層與基材結合良好,未見宏觀及微觀裂紋,表面硬化層的硬度值大幅度提高,并使耐磨性提高了5～7倍。激光合金化存在的突出問題之一是合金化組織不均勻:一是合金化熔池內(nèi)的組織不均勻,在其橫截面內(nèi)出現(xiàn)了組織梯度;二是熔池內(nèi)的宏觀組織不均勻;三是存在大面積合金化的搭接區(qū)。常見的復合組織特征有3種,即平面晶、胞狀晶+胞狀樹枝晶+樹枝晶;胞狀晶+胞狀樹枝晶+樹枝晶;胞狀樹枝晶+樹枝晶。激光合金化宏觀組織不均勻性的主要原因是激光作用下合金熔池內(nèi)的熔體對流運動,并未使合金元素在熔池內(nèi)均勻混合,其均勻程度受到合金化工藝參數(shù)、合金熔體及其流體力學特性的綜合控制。目前這方面已有人進行研究,但尚不深入。另外對合金化層的成分還不能做到精確控制,激光熔化過程中各元素燒損系數(shù)的系統(tǒng)測定及元素溶入量的精確控制問題仍未解決。在激光合金化過程中,如果工藝控制不嚴格將造成合金元素燒損,即高溫下合金元素的氧化,導致產(chǎn)生合金化層內(nèi)合金元素分布不均勻的現(xiàn)象。2.3激光熔覆工藝及涂層激光熔覆亦稱激光熔覆或激光包覆,是目前處于研究、開發(fā)階段的一種新型表面改性技術,通過在基體表面添加合金粉末或陶瓷粉末等熔覆材料,并利用高能量密度的激光束使之與基體表面薄層一起熔化,光束移開后自激冷卻,在基體表面形成與其為冶金結合的添料熔覆層,從而達到恢復幾何尺寸、強化表面的修復目的。激光熔覆組織是一種典型的快速凝固非平衡組織,與熔覆材料、工藝參數(shù)密切相關,其一般特征是組織細小均勻,基體固溶度大大擴展或形成亞穩(wěn)相,并且由于熔覆層與基體呈現(xiàn)原子冶金結合,金屬表面能獲得高的耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫和抗氧化等優(yōu)異的綜合性能。激光熔覆可以在低成本材料上制成高性能表面,代替大量高級合金,以節(jié)約貴重、稀有金屬材料,降低能耗。經(jīng)激光涂覆的材料可大量應用于局部易磨損、沖擊、剝蝕、氧化、腐蝕及局部要求特殊性能(局部光敏、熱敏、超導、強磁性能)的零部件,如軋輥孔型和局部掉塊的修復。在軋輥表面涂覆高硬度、耐磨損、抗腐蝕、耐高溫的材料,可以提高表面的綜合力學性能。與傳統(tǒng)的噴涂復合方法相比,激光熔覆具有如下優(yōu)點:熱輸入和畸變較小;與基體呈冶金結合;冷卻速度快(高達106K/s),組織具有快速凝固的典型特征;粉末選擇幾乎沒有任何限制,特別是在低熔點金屬表面熔覆高熔點合金;覆層成分、稀釋率及覆層尺寸可控,易實現(xiàn)選區(qū)熔覆;工藝過程易實現(xiàn)自動化。按熔覆層材料的添加方式,激光熔覆修復的工藝方法主要有預置粉末法和同步送粉法2種。預置粉末法是將要熔覆的材料通過熱噴涂、電鍍、化學鍍、等離子噴涂和粘接等方法預置于金屬表面,然后經(jīng)激光照射至熔化;同步送粉法是將粉末直接噴在激光輻射所形成的移動熔池上,熔覆層一次性形成。前者工藝簡單、操作靈活,但不易控制基體熔深,稀釋度較大;后者工藝參數(shù)易控制,熔頂層質(zhì)量較好,生產(chǎn)效率高,但需配備計量精確的送粉裝置,對粉末也有特殊要求。激光熔覆材料合金成分的設計是目前研究的主要方向之一:激光熔覆采用的熔覆材料主要沿用傳統(tǒng)的噴涂系列合金,已不能滿足生產(chǎn)實際的需要。因此,研究和開發(fā)符合資源的新型優(yōu)化配置、滿足性能要求的熔覆材料將是當務之急。各國學者在此方面做了有益的探索,但尚未系列化和標準化,還未能實現(xiàn)按性能要求定量設計合金的成分。按涂層的功能類型,目前激光熔覆的涂層材料體系分類如下。(1)耐磨涂層:由于鈷基、鎳基、鐵基自熔合金熔覆后均有較好的耐磨性,其中尤以鎳基自熔合金價廉且有一定的耐蝕性和高溫自潤滑作用而倍受重視。在Ni-Cr-B-Si系自熔合金中加入WC、TiC、SiC、B4C等高熔點的超硬陶瓷顆粒形成復合涂層,可大大提高涂層的硬度和耐磨性,平均硬度達HV1000～1400。(2)耐蝕涂層:以Ni基自熔合金和不銹鋼為基含SiC、B4C等的復合涂層具有良好的耐腐蝕能力。此外非晶態(tài)合金具有很好的電化學“鈍化”作用,非常適合作耐蝕涂層;激光熔覆的快速凝固過程使之成為生產(chǎn)非晶態(tài)合金涂層的有效手段。(3)熱障涂層:含SiO2、ZrO2、Al2O3等氧化物陶瓷顆粒的金屬基復合涂層或純陶瓷涂層用作熱障保護層是目前激光熔覆研究中的熱點之一。為了解決純陶瓷涂層中的裂紋及實現(xiàn)與金屬基體的高強結合,使用中間過渡層并在陶瓷層中加入低熔點高膨脹系數(shù)的CaO、SiO2、TiO2等松弛應力是成功的經(jīng)驗。(4)抗氧化涂層:抗高溫氧化涂層在火箭發(fā)動機的高溫部件上等高科技領域有著廣闊的應用前景。激光熔覆中研究較多的是MCrAlY系列合金涂層,其中M代表Ni、Co等過渡族元素。稀土元素的加入能進一步細化組織、穩(wěn)定晶界和減緩內(nèi)擴散,增強涂層的抗高溫腐蝕能力。(5)生物涂層:Ti基HAP復合材料以及含Ca、P的生物玻璃陶瓷涂層是激光熔覆中剛剛起步的研究方向。生物金屬材料如Ti基合金等雖然具有比強度高、韌性好、無毒等優(yōu)良性能,但一般都不具備生物活性和相容性。因此,在金屬材料表面激光熔覆生物陶瓷涂層是大有可為的發(fā)展方向。梅運宏使用塑性好、極易與其它合金結合的DL-1鎳基粉末對球墨鑄鐵軋輥樣塊進行激光熔覆試驗,共熔覆3層,總厚度為2.7mm;對樣塊進行探傷檢驗,發(fā)現(xiàn)熔覆層并無任何缺陷;分析3次冶金結合區(qū)域,觀察到金相組織的轉(zhuǎn)變?yōu)榍蜩F區(qū)—珠光體區(qū)—粗大鐵素體加少量珠光體的混合區(qū)。晁明舉等在常用的中碳鋼(45#鋼)基材上,激光熔覆添加適量CaO的G112鎳華合金粉末,獲得成形良好、無宏觀裂紋、組織致密細化、耐磨性較好的熔覆層。在CaO質(zhì)量分數(shù)為1%、激光功率為1kW、掃描速度為3mm/s時可以獲得質(zhì)量較好的熔覆層。謝學兵等采用自配Fe、B4C、硅鐵稀土(FeSiLa)混合粉末在45#鋼基體上進行激光熔覆實驗,獲得了表面質(zhì)量良好的熔覆層,找出了熔覆層耐磨性能最佳時稀土La的含量。結果表明,適量的稀土La加入到硼鐵激光熔覆層中能起到脫氧、脫硫、細化FeZB晶粒的作用,還能減少熔覆層微缺陷的產(chǎn)生。隨著工藝研究的深入,獲得復合覆層乃至梯度功能覆層是值得注意的研究趨勢。歐陽家虎等在45#鋼上熔覆了鎳基復合耐磨層;裴宇韜等在2Cr13鋼基體上涂覆了ZrO2與Ni合金的混合粉末,形成了分層復合覆層。HaudeI651采用水溶膠系統(tǒng)熔覆碳化物,可得到較厚又非常致密的復合涂層。Abboud等分別在Ni和Fe基合金上熔覆鎳鋁涂層和鐵鋁涂層,得到了3層厚達4mm的功能梯度涂層。3激光作用帶的加固機理激光處理工藝方面,前人的研究大多集中于激光加工中各工藝參數(shù)對硬化層質(zhì)量的影響以及對所得到的組織形貌的形成的解釋上,有待于進一步研究的是激光處理的熱力學和動力學,以揭示其本質(zhì)規(guī)律。在硬化層的質(zhì)量控制方面,主要問題包括硬化層不均勻及裂紋