CN102676749A

CN102676749A - 一种钢管铸铁轧辊表面激光热处理硬化方法

Info

Publication number: CN102676749A
Application number: CN2011100527213A
Authority: CN
Inventors: 韩彬; 张成忠; 王勇; 孙宁姣; 孙丰收; 王永刚; 李美艳
Original assignee: ZIBO WANFENG GOAL CHEMICAL EQUIPMENT MANUFACTURING Co Ltd; China University of Petroleum East China
Current assignee: ZIBO WANFENG GOAL CHEMICAL EQUIPMENT MANUFACTURING Co Ltd; China University of Petroleum East China
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2031-03-07
Also published as: CN102676749B

Abstract

发明涉及一种钢管铸铁轧辊激光热处理硬化方法，具体是将弧形辊面划分为3-9个区域，在待处理的铸铁轧辊上喷涂吸光涂料，采用高能激光束加热轧辊表面至微熔化。本发明得到的激光强化层与基体呈冶金结合，晶粒明显细化，硬化层厚度为0.3～1.0mm，硬度达HV620～760，具有良好的耐磨性能，轧辊寿命提高1～5倍。而且，钢管铸铁轧辊激光硬化处理后无需进行后续加工，降低了生产成本，实用可靠，操作简便，且对环境友好，具有极大的推广价值和巨大的社会效益。

Description

一种钢管铸铁轧辊表面激光热处理硬化方法

技术领域

本发明属于钢管铸铁轧辊的表面改性，特别涉及一种钢管铸铁轧辊表面激光硬化热处理的新方法。

背景技术

钢管轧机轧辊区别于其他类型轧机轧辊的特点在于：(1)由上机架产生的管坯表面缺陷和粗糙面很难在后续机架上消除，这意味着用于所有机架的钢管轧辊均应具有良好的耐磨性能；(2)轧辊孔型表面及底部应硬度均匀且耐磨，这点对于大口径管尤为重要。因此，通常将孔型底部硬度作为衡量钢管轧辊质量的重要标志。

国内用于轧制无缝钢管的轧辊主要是通过对棒状坯料进行机加工而成，即先铸造成棒状坯料，然后车削掏挖出符合钢管轧制的辊型。轧制无缝钢管的轧辊材质主要是无限冷硬铸铁，其首先是在离心铸造凝固冷却条件下铸造成棒状坯料，保证表面获得大量的碳化物及均匀细小的石墨组织，具有硬度高、硬度差很小、抗热裂性良好及耐磨性高的特点。但是，棒状坯料的芯部仍是灰口或半灰口组织，经车削掏挖出圆弧后，圆弧面硬度很低且不耐磨。由于轧辊磨损造成的失效大多发生在轧辊表面，因此可以对轧辊表面进行强化处理，在不改变整体材质的前提下提高轧辊表面性能，降低生产成本。目前表面强化方法最常用的是堆焊和激光表面强化。

专利(03116017.4)内容涉及一种大型轧辊硬面堆焊修复方法，具体是在辊面按一定工艺依次堆焊三层材料：基础层、过渡层、硬面层，其焊丝成份为C、Cr、Si、Mn、S、Fe等。该发明方法用于大型轧辊的修复和表面强化，效果良好，解决了辊面局部或大面积脱落等问题，降低了部件成本，延长了使用寿命。但是在堆焊时容易产生裂缝、夹渣、焊瘤和脱落，一般要求焊前预热、层间保温和焊后回火等，恶化了劳动条件；且堆焊后需对堆焊层进行机加工，显著增加了工艺成本，这些都限制了堆焊技术的发展。

激光表面硬化处理作为一种新兴的热处理技术，主要是以激光为热源通过高能量的激光束，以非接触方式加热工件表面，使工件表面极薄一层的小区域急速(10^-1～10^-7s)吸收热量而温度急剧上升，工件材料浅表层发生熔化。随后借助于材料基体传导冷却，不改变表面的化学成分，表面发生非平衡转变，形成均匀细小的组织及新的亚稳相，从而提高材料表面性能。专利(200920091416.3)内容涉及一种用于制造薄板轧辊激光熔覆的方法，即在轧辊表面激光熔覆铁基合金或镍基合金耐磨层，该耐磨层耐磨性能好，不易脱落，然而，激光熔覆处理后表面粗糙度较大，需进行精磨加工，增加了工作量。专利(95101036.0)内容涉及一种轧钢工业上使用的用激光处理轧辊表面的方法，是对铸钢轧辊表面进行激光相变硬化处理，达到提高轧辊性能的目的。但是，激光相变硬化处理得到的硬化层较浅，且表面容易出现裂纹，影响轧辊的使用寿命。专利(01114853.5)内容涉及采用激光熔凝处理技术改善铸钢轧辊表面性能，显著提高了铸钢轧辊的过钢量，但未解决无缝钢管轧辊辊面的激光表面强化问题。

发明内容

本发明的激光热处理方法是用激光束对圆弧状铸铁轧辊表面进行激光硬化处理，不需要额外添加材料，熔凝层与基体间呈冶金结合，熔凝过程中无杂质和气孔问题，且快速冷却可获得细小均匀的组织，保证轧辊表面硬度及耐磨性能。此外，由于激光快速加热快速冷却的特点，热影响区较小，对轧辊表面的粗糙度及径向尺寸影响较小，且激光熔凝处理后无需进行后续精磨而直接使用。同时，由于用于轧制钢管的铸铁轧辊的辊面形状特殊，本发明中将整个辊面分多段，需要转动激光头进行处理。

本发明提供的一种钢管铸铁轧辊激光热处理硬化方法，经过预处理后，进行激光处理，其特征在于，将轧辊圆弧状表面沿圆弧分为3-9个区域，转动激光头并与圆弧保持固定距离，轧辊转动时，逐个区域进行激光扫描处理。

本发明所述的一种钢管铸铁轧辊激光热处理硬化方法，其特征在于，所述的预处理为先将待处理的轧辊表面清理，用丙酮对轧辊工作面进行清洗，再将SO₂吸光涂料喷涂于轧辊表面，吸光涂料喷涂层厚度约为0.05mm。

本发明所述的一种钢管铸铁轧辊激光热处理硬化方法，其特征在于：激光光斑尺寸Φ3～Φ6.5mm，功率700～1000W，扫描速度2000～3000mm/min，采用螺旋连续搭接的方式，搭接率30％～50％，轧辊转速为10～100转/分钟。

本发明所述的一种钢管铸铁轧辊激光热处理硬化方法，其特征在于所述的激光热处理在每区的收尾处采取逐渐降低激光功率的方法，功率降至500～700W。

本发明所述的一种钢管铸铁轧辊激光热处理硬化方法，其特征在于，对轧辊圆弧表面每个区域进行激光扫描时，激光头要平动以保证与圆弧保持相对固定的距离。

本发明所述的一种钢管铸铁轧辊激光热处理硬化方法，其特征在于，所述的激光硬化层厚度为0.3～1.0mm，硬度达HV620～760。

本发明所述的一种钢管铸铁轧辊激光热处理硬化方法，其特征是所述的将待处理的轧辊表面清理是用装有钢丝磨轮的手持式砂轮清理表面。

经过上述处理后，铸铁轧辊的表面性能得到显著提高，硬化层深度可达0.3～1.0mm，表面硬度HV620～760，并且经过现场生产验证，一种钢管铸铁轧辊激光热处理硬化后，轧辊表面磨痕深度细小，具有良好的耐磨性能，轧辊寿命提高1～5倍。

本发明的一种钢管铸铁轧辊的激光热处理硬化方法，其技术关键是采用吸光涂料喷涂轧辊表面，以激光束为热源，采用合理的工艺参数，将圆弧状铸铁轧辊表面分多段进行激光热处理，实现表面微熔凝，获得表面硬度高且均匀、表面光洁度高、具有一定深度的硬化层。本发明缩短了加工时间，对环境友好，操作简便，适宜于工业化生产。

本发明是在圆弧状钢管铸铁轧辊表面进行激光硬化热处理，通过激光处理后，在铸铁轧辊表面制备耐磨损、抗疲劳的硬化层。其特点如下：

①将圆弧状铸铁轧辊表面分段进行激光硬化热处理，解决了曲面辊形的表面强化问题。

②激光硬化处理的作用一是提高铸铁轧辊基体的表面硬度，二是细化表层组织晶粒，形成更多的位错、孪晶等微观亚结构，起到强化作用。

③激光硬化处理后硬化层硬度可达HV620～760，硬化层深度可达0.3～1.0mm。

④激光硬化处理对铸铁轧辊表面的粗糙度和径向尺寸影响较小，一般情况下可以不需进行后续加工而直接使用；

⑤经现场生产验证，该方法缩短了加工时间，操作简便，对环境无污染，硬化层具有良好的耐磨性能，轧辊寿命提高1～5倍。

本发明的目的是克服其他表面热处理方法的缺点，提供一种高效、操作简便且环保的钢管铸铁轧辊表面局部加热硬化的新方法。

附图说明

图1为钢管铸铁轧辊激光热处理分区示意图。

图2为钢管铸铁轧辊激光熔凝处理硬化层的剖面结构示意图。a-基体；b-相变硬化层；c-熔凝层。

具体实施方式

下面通过具体实施案例进一步说明本发明，以利于理解本发明，但不限制本发明内容。

实施例：

无限冷硬铸铁轧辊激光表面强化

首先，以用于轧制无缝钢管的无限冷硬轧辊为处理对象，中心圆弧半径R＝71.74mm，按照图1所示分为7个区域，其中Ⅰ区弧度10度、Ⅱ区弧度20度、Ⅲ区弧度35度、Ⅳ区弧度50度、Ⅴ区弧度35度、Ⅵ区弧度20度、Ⅶ区弧度10度。

其次，将待处理的轧辊安装在工作台上，轧辊工作面用砂纸或手持式砂轮除锈，用丙酮对轧辊工作面进行清洗，直至表面光洁、无油污；采用日本岩田W-77型喷枪将吸光涂料均匀地喷涂在轧辊表面，吸光涂料喷涂层厚度约为0.05mm。

然后，采用螺旋连续搭接方式对轧辊表面按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的顺序分别进行激光硬化处理。具体工艺参数为：采用5kW横流CO₂激光加工系统，光斑大小取Φ4mm，功率1000W，以3000mm/min的扫描速度、搭接1.5mm在轧辊表面进行连续扫描，在每区的收尾处采取逐渐降低激光功率至700W。激光束辐照辊面过程中，辊面吸收光能立即转化为热能，从而使激光作用区的温度急剧上升并发生微熔化，借助基体快速冷却，获得0.5～0.7mm厚的硬化层。

性能检测：

无限冷硬铸铁轧辊激光强化热处理后，无需进行后续加工，辊面硬度由处理前HV280～300提高到HV620～740，轧辊寿命提高了2～4倍。

Claims

1.一种钢管铸铁轧辊激光热处理硬化方法，经过预处理后，进行激光处理，其特征在于，将轧辊圆弧状表面沿圆弧分为3-9个区域，转动激光头并与圆弧保持固定距离，轧辊转动时，逐个区域进行激光扫描处理。

2.根据权利要求1所述的一种钢管铸铁轧辊激光热处理硬化方法，其特征在于，所述的预处理为先将待处理的轧辊表面清理，用丙酮对轧辊工作面进行清洗，再将SiO₂吸光涂料喷涂于轧辊表面，吸光涂料喷涂层厚度约为0.05mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种钢管铸铁轧辊激光热处理硬化方法，其特征在于：激光光斑调整尺寸Φ3～Φ6.5mm，功率700～1000W，扫描速度2000～3000mm/min，采用螺旋连续搭接的方式，搭接率30％～50％，轧辊转速为10～100转/分钟。

4.根据权利要求1或2所述的一种钢管铸铁轧辊激光热处理硬化方法，其特征在于所述的激光热处理在每区的收尾处采取逐渐降低激光功率的方法，功率降至500～700W。

5.根据权利要求1所述的一种钢管铸铁轧辊激光热处理硬化方法，其特征在于，所述的对轧辊圆弧表面每个区域进行激光扫描时，激光头要平动以保证与圆弧保持相对固定的距离。

6.根据权利要求1或2所述的一种钢管铸铁轧辊激光热处理硬化方法，其特征是所述的将待处理的轧辊表面清理是用装有钢丝磨轮的手持式砂轮清理表面。