半钢轧辊激光熔覆Ti(CN)增强Fe基复合层的研究

摘要

半钢轧辊广泛应用于冶金行业的轧机中，由于其工作条件非常恶劣，轧辊的表面上经常会出现磨损和剥落等情况，严重地影响热轧产品的品质和质量，若轧辊只能报废或替换，这将会给企业带来巨大的经济损失。为了修复已报废的铸造合金ZUB160CrNiMo半钢轧辊，针对这种轧辊的主要失效行为，本文利用激光熔覆技术在轧辊基材表面制备原位自生金属陶瓷复合层，这种熔覆层可以实现金属材料与陶瓷材料两优异性能的结合，该领域研究应用前景广阔。鉴于此，本文在以下方面开展了研究工作： 本文选择横流二氧化碳激光束作为热源，利用激光熔覆技术在ZUB160CrNiMo半钢轧辊表面进行耐磨熔覆层的工艺研究，通过激光功率、扫描速度、光斑直径等三个主要激光熔覆工艺参数对熔覆层几何形状与稀释率的影响，分析了激光熔覆工艺参数对熔覆层质量的作用效果，研究指出：随着激光功率的增加，熔覆层宽度加大，厚度减小，熔深增加，形状系数增大，稀释率增加，晶粒粗化。随着扫描速度的增大，熔覆层宽度、厚度、熔深减小，形状系数和稀释率也减小，熔覆层晶粒细化，硬度增加，表面粗糙，气孔产生的倾向变大。对本研究采用的自制的合金粉末，当单层单道焊时，预涂层厚度为1mm时，激光功率选3000瓦，扫描速度为300mm/min，光斑直径3.0mm为宜。 根据ZUB160CrNiMo半钢轧辊表层对熔覆层性能的要求，自行研制了FeCrBSiMo自熔性铁基合金粉末。选择TiN陶瓷粉与石墨C（摩尔比为1：1）混合粉作为陶瓷粉末，以其质量百分数30％与Fe基合金粉末机械混合均匀，构成激光熔覆预涂粉，通过丙酮稀释的有机粘结剂粘涂在半钢轧辊表面，采用适当的激光工艺可获得质量良好的熔覆层。然后利用现代分析测试手段（OM、SEM、TEM、EPMA、EDAX、XRD等）对熔覆层组织结构进行了分析，结果表明：激光熔覆铁基金属陶瓷复合层的组织由α-Fe及大量形状不规则的稳定相Ti（CyN1-y）（0≤y≤1）共同组成。Ti（CyN1-y）是预涂粉中加入的TiN和石墨在激光熔覆过程中通过原位反应合成的新强化相，其尺寸在0.1～40μm，弥散分布在马氏体基体中。经TEM观察，Ti（CyN1-y）（0≤y≤1）与熔覆层基体结合紧密，具有洁净的相结构，界面无孔洞和其它析出相。 依据热力学理论，对TiN与C原位合成Ti（CyN1-y）的反应进行了热力学分析，得出在激光熔覆过程中TiN发生分解TiN=[Ti]+[N]，分解出来的[Ti]原子将和石墨C优先结合，发生[Ti]+[C]=TiC，同时[Ti]也会同高温分解出的N原子反应[Ti]+[N]=TiN。TiC和TiN两种陶瓷颗粒不仅结构均为体心立方晶格，而且它们的晶格常数非常接近，因而它们具有很好的互溶性，冷却凝固时发生yTiC+（1-y）TiN=Ti（CyN1-y）固溶反应，形成复合颗粒硬质相。当激光熔覆进行时，TiN和石墨C在高温下还会直接发生置换反应，C会置换TiN中的部分N，生成Ti（CyN1-y）颗粒相且原位析出。 对Ti（CyN1-y）颗粒增强的铁基熔覆层的耐磨性及其磨损机制进行了研究，结果表明，原位合成的Ti（CyN1-y）显著地提高熔覆层的显微硬度和耐磨性，其强化机制除了第二相弥散强化和细晶强化外，还包括C、Mo、Cr等元素的固溶强化和马氏体组织强化。 在半钢轧辊表面形成含Ti（CyN1-y）颗粒强化的激光熔覆层，在熔覆层的内部易产生平行于熔合线的横向裂纹和沿树枝晶方向的纵向裂纹，特别是当进行多层多道熔覆时，熔覆层的裂纹敏感性增大。熔覆层内部裂纹多起源于熔覆层和半钢基体结合处，然后向铁基熔覆层的表层扩展，裂纹呈现穿晶断裂和沿晶断裂两种形态。熔覆接头的热影响区未发现有裂纹产生。优化工艺参数可减少熔覆层裂纹的发生倾向，也可在半钢基底母材上熔覆-Ni基梯度过渡层，来减小铁基熔覆层产生裂纹的敏感性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1概述

1.1.1研究背景

1.1.2合金半钢轧辊

1.2激光表面改性技术及国内外激光熔覆的研究、应用现状

1.3研究内容

第二章 试验设备、材料及试验方法

2.1激光熔覆的试验装置与方法

2.2激光熔覆的试验材料

2.2.1母材

2.2.2激光熔覆合金粉末材料

2.2.3陶瓷粉末类型及其选择

2.2.4激光熔覆材料体系的设计

2.3激光熔覆层的试验方法

2.3.1熔覆层制备方法

2.3.2显微组织的测试设备及方法

2.3.3熔覆层性能的测试设备及方法

第三章 激光熔覆金属陶瓷铁基复合层的工艺

3.1引言

3.2熔覆层的形状参数及稀释率

3.2.1形状参数

3.2.2稀释率

3.3激光熔覆工艺参数对熔覆层几何形状及稀释率的影响

3.3.1激光功率

3.3.2扫描速率

3.3.3光斑直径(离焦量)

3.4激光熔覆工艺参数对熔覆层表面质量的影响

3.4.1预熔覆层粉末厚度

3.4.2扫描速率

3.5工艺参数对熔覆层微观组织和性能的影响

3.5.1比能量对熔覆层微观组织的影响

3.5.2比能量对熔覆层性能的影响

3.6本章小结

第四章 激光熔覆原位合成Ti(CyN1-y)/Fe熔覆层的微观结构

4.1试验材料与试验方法

4.2激光熔覆表面复合熔覆层的显微组织

4.2.1熔覆层及半钢轧辊显微组织金相观察

4.2.2熔覆层XRD相组成

4.2.3熔覆层显微组织(SEM)及其EDAX分析

4.2.4熔覆层微区成分电子探针观察(EPMA)

4.2.5显微组织透射电子显微镜观察(TEM)

4.3本章小结

第五章原位合成Ti(CyN1-y)增强相的形核及长大机制

5.1前言

5.2原位生成Ti(CyN1-y)陶瓷强化相热力学分析

5.2.1氮化钛(TiN)分解反应的热力学

5.2.2碳氮化钛Ti(C，N1-y)(0≤y≤1)的生成

5.3激光熔覆原位生成Ti(CyN1-y)(0≤y≤1)的机理

5.3.1铁基合金组织中Ti(CyN1-y)的形貌和分布

5.3.2激光熔覆原位生成Ti(CyN1-y)的机制

5.4本章小结

第六章 Ti(GyN1-y)颗粒增强的铁基激光熔覆层性能和磨损机制

6.1引言

6.2激光熔覆层的强化机制

6.2.1细晶强化

6.2.2固溶强化

6.2.3弥散强化

6.2.4马氏体组织强化

6.3激光熔覆层的显微硬度

6.4[TiN+C]的含量对熔覆层显微硬度的影响

6.5激光熔覆层的耐磨性

6.5.1摩擦系数

6.5.2磨损质量

6.5.3磨痕扫描电镜观察(SEM)

6.6磨损机制分析

6.7本章小结

第七章 半钢轧辊激光熔覆Ti(CyN1-y)增强的铁基复合层裂纹

7.1引言

7.2半钢轧辊激光熔覆层裂纹的特征及断裂面的形貌

7.2.1熔覆层裂纹的类型

7.2.2熔覆层裂纹的微观特征

7.2.3熔覆层裂纹断裂面的形貌

7.3激光熔覆层裂纹产生的机制

7.4熔覆层裂纹的影响因素及减小裂纹倾向的方法

7.4.1影响因素

7.4.2减小熔覆层裂纹敏感性的方法

7.5激光熔覆镍基梯度过渡层工艺制定

7.5.1试验材料与方法

7.5.2激光熔覆表面复合熔覆层的显微组织

7.6本章小节

第八章 结 论

参考文献

致谢

作者在读期间发表的论文目录

发表论文1

发表论文2