高铬铸钢轧辊激光熔凝改性研究

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1、中国石油大学（华东）博士学位论文高铬铸钢轧辊激光熔凝改性研究姓名：李美艳申请学位级别：博士专业：材料学指导教师：王勇20100601摘要高铬铸钢由于碳及合金元素的含量较高，具有较高的强度及耐磨性，广泛用作热轧辊。然而其组织中含有大量的一次碳化物，呈网状沿晶晃分布，致使轧制过程中产生的裂纹极易沿晶界扩展。另外，轧制过程中高铬铸钢中碳化物与基体的氧化协同性较差，高温条件下发生氧化磨损，恶化了热轧辊的高温耐磨性能，导致轧辊过早失效。本文在高铬铸钢表面进行激光熔凝处理，对熔凝层的微观组织特征进行分析，探讨搭

2、接参数对组织和性能的影响，深入研究激光熔凝处理后的高温氧化行为、高温磨损性能及二者之间的内在联系。高铬铸钢组织由回火马氏体和大量网状的M7C3碳化物组成。当采用P=2700W、v=300mm／min、搭接率为33．3％的工艺参数进行激光熔凝处理，可获得表面平整、无气孔、表面硬度高且水平分布均匀的硬化层。激光熔凝处理后组织发生显著变化，高铬铸钢中的网状碳化物完全溶解，熔凝层内组织细化，组织形态由表及里依次为等轴晶一树枝晶一胞状晶，显微组织为奥氏体和颗粒状的M23C6碳化物。熔凝层内碳和合金元素的分布相

3、对均匀，奥氏体组织受到固溶强化、位错强化及细晶强化的共同作用，硬度可达到473．1HVo．20热影响区显微组织由隐晶马氏体、残余奥氏体和弥散碳化物组成，硬度达到759HVo．2。采用SYSWELD软件建立与实际光斑符合较好的热源模型，对激光熔凝过程中的温度场及应力场进行分析。结果表明，激光熔凝过程中，光斑中心瞬时加热速度可达3．2x104。C／s，瞬时冷却速度可达1．5x104。C／s。单道激光熔凝处理后，熔凝层承受拉应力，距光斑中心2．5mm处的热影响区，Mises应力达最大值713MPa。激光熔

4、凝层由于组织具有较高的强韧性，未发生开裂，热影响区的组织韧性较差，且该区残余拉应力较大，沿碳化物与基体界面产生裂纹。预热和搭接处理可有效降低熔凝层残余拉应力和裂纹敏感性，预热150。C保温1h可预防热影响区开裂。激光熔凝层在低于400。C回火后，硬度基本保持在430HVo．2左右，低于未经回火处理的激光熔凝层硬度(473．1HVo．2)。回火过程中二次硬化始于450℃，此时熔凝层内仍存在孪晶及位错亚结构，细小M23C6碳化物的析出及少量马氏体的生成使熔凝层硬度略有增加(456HVo．2)。560℃回

5、火后由于二次碳化物的析出、大量马氏体的生成及位错强化的共同作用，熔凝层硬度高达672HVo．20经650"C回火基体完全转变为铁素体，析出的二次碳化物聚集长大、呈网状分布，硬度降低至400HVo．20高温氧化试验表明，激光熔凝前后高铬铸钢在650。C时氧化缓慢，氧化动力学曲线近似呈对数规律，800℃时氧化速率剧增，氧化动力学曲线遵循抛物线规律。高铬铸钢基体的氧化膜由Fe和Fe203组成，高温下高铬铸钢氧化核心在基体与碳化物界面处优先生长，发生不均匀氧化，基体氧化严重，800℃时基体氧化膜开裂。激光熔

6、凝层表面氧化膜由Fe、Fe203和(Feo．6Cro．4)203组成，由于熔凝层的组织细小，氧化初期表面近似均匀氧化，随后通过扩散控制氧化膜逐渐增厚。与未处理试样相比，激光熔凝试样的氧化膜较厚。高温磨损试验表明，激光熔凝处理后560℃和650℃的耐高温磨损性能明显提高，800℃时试样增重但增重量小于未处理试样。高铬铸钢560℃时发生磨粒磨损，磨损面出现大量细小的犁沟和碳化物颗粒。650℃时以粘着磨损为主，并伴随微观犁削。温度升高至8006C时，粘着严重，磨损面存在较深犁沟。激光熔凝处理后熔凝层具有较

7、高的强韧性，560"C和650。C时的耐磨性明显提高，560℃的磨损机制为轻微的磨粒磨损，650*(2时发生粘着磨损。激光熔凝试样高温下表面发生均匀氧化而形成连续致密的氧化膜，有效降低了激光熔凝层800℃时的粘着磨损倾向。关键词：高铬铸钢；激光熔凝；裂纹敏感性；回火特性；高温性能创新点摘要1．激光熔凝处理显著改善高铬铸钢中网状碳化物的分布形态，熔凝层内组织明显细化，由细小的奥氏体和颗粒状M23C6碳化物组成。受细晶强化、位错强化和固溶强化的共同作用，熔凝层内奥氏体组织硬度达到473．1HVo．2，具

8、有较高的强韧性。2．采用数值模拟与实验相结合的方法研究激光熔凝处理高铬铸钢的开裂原因。在靠近基体的热影响区含有大量的网状碳化物，激光熔凝处理后受拉应力，沿基体和碳化物界面处开裂。通过预热处理可有效降低激光熔凝层的裂纹敏感性。3．高铬铸钢激光熔凝层组织具有较高的回火稳定性。低于560℃回火，二次硬化主要是由于二次碳化物的析出、大量马氏体的生成及位错强化的共同作用。650℃回火后固溶强化及碳化物的弥散强化作用减弱，熔凝层硬度显著降低。4．采用高温磨损性能评价高铬铸钢激光熔