D0I:10.13374/j.issn1001053x.2003.03.044 第25卷第3期 北京科技大学学报 Vol.25 No.3 2003年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2003 激光强化半钢轧辊的实验研究与温度模拟 张建宇)杨久霞)吴迪平》马光亭2)冯伟2)王俊生2) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)菜芜钢铁公司中型型钢厂，莱芜271100 摘要从实验角度分析了半钢轧辊表面经过激光相变硬化处理后的性能改善情况，着重 讨论了改变工艺参数对激光淬火效果的影响.利用数值模拟的分析手段对轧辊在激光辐照 之下经历的热循环过程作了详细描述，说明了辊面激光淬火的原理，对光斑附近区域的温度 梯度分布作了分析，初步探讨了激光淬火裂纹形成的原因 关键词半钢轧辊：磨损；相变硬化；数值模拟；温度梯度 分类号TG156.33 目前激光表面改性技术在工业领域的应用 2辊面激光强化 主要集中在提高各种机械零件的耐磨性能上习 本文从现场U轧机水平辊上取下3组试样进行 H型钢的轧制原理是利用上下水平辊与两 了激光对比实验，以研究激光表面改性技术在轧 侧立辊形成的孔型将初轧坯轧制成型.尽管精轧 辊上的作用效果 温度可维持在900℃以上，金属塑性流变性较强， 但由于前三架万能轧机压下量很大，而且封闭孔 1轧辊试样原始状况 型使轧件在轧制过程中塑性变形有很大约束，增 热轧型钢轧辊的主要材质逐渐由铸钢向半 大了轧件与轧辊之间的磨损消耗.经过对轧辊的 钢过渡.适应这种形势，选取180 CrNiMo的半钢 磨损量测量，发现水平辊环的外圆工作面磨损轻 材质.其主要化学成分为（质量分数，%）：C,17: 微，而侧壁磨损非常显著.因此，轧辊辊环的侧壁 Si,0.6;Mm,0.9,0.026;S,0.02;Ni,0.83;Cr,1.9;Mo, 工作面是需要重点强化的部位. 0.37 轧辊的处理属于大面积强化.实验中采用了 轧辊采用离心复合铸造技术生产，外圈为高 10mm×1mm的矩形光斑，对提高加工效率是有 碳半钢，内环为石墨钢.经过切取金相试样分析， 利的.为了摸索激光对该材质的最佳作用效果， 发现其常规组织一般为贝氏体或贝氏体+珠光 按照正交实验法设计了实验进程，固定激光束形 体，也会含有少量马氏体和残余奥氏体，辊环外 状和尺寸不变，调整作用功率和扫描速度大小. 圆表面与侧壁表面的硬度在HRC38~42范围内 激光功率选用1-2.2kW,扫描速度的选择范围是 (图1).激光相变硬化的原理是利用作用光束的 0.3-1.2m/min.激光作用前，在试件的待作用表面 高能密度对工件进行急热急冷的无介质淬火，以 预涂一层黑涂料，以增大表面的激光吸收率. 提高其马氏体相对含量，达到表面硬化的目的. 由于表面改性的效果取决于单位时间、单位 面积上的能量输人和激光作用时间的长短，因此 401 要分别讨论激光功率幅值和光束移动速度对激 30 光淬火效果的影响， 2.1激光功率的影响 4 6 10 激光作用功率的值直接决定了工件表面的 测试点 能量密度，此值与工件表面的最高温升成正比关 图1轧辊试件原始硬度分布 系，并最终决定表面层的奥氏体化程度，在宏观 Fig.1 Original hardness distribution of the roll sample 性能上表现为淬硬层的深度和硬度值的差异. 收稿日期2002-0604张建宇男，28岁，博士研究生 取样轧辊经过多个轧钢循环和车削修复之第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 。 激光强化半钢轧辊的实验研究与温度模拟 张 建 宇 ” 杨 久 霞 ” 吴 迪 平 ‘ ’ 马 光 亭 ， 冯 伟 ” 王 俊 生 ” 北京科技大学机械工 程学 院 ， 北京 莱 芜钢铁公 司 中型 型 钢 厂 ， 莱 芜 摘 要 从实验 角度 分析 了半钢 轧 辊 表 面经 过 激光相 变硬化处 理后 的性能 改善情况 ， 着重 讨论 了改 变工 艺参数对激光淬火效果 的影 响 利用 数值模拟 的分析手段对 轧辊在 激光辐照 之下 经历 的热循环过程作 了详细 描述 ， 说 明了辊 面激光淬火 的原 理 ， 对光斑附近 区域 的温度 梯度 分布作 了分析 ， 初 步探讨 了激光淬火 裂 纹 形成 的原 因 关 键词 半钢 轧辊 磨损 相 变 硬化 数值模拟 温度 梯 度 分 类号 巧 目前 激光 表 面 改 性 技 术 在 工 业 领 域 的 应 用 主要 集 中在提 高各种 机械零件 的耐磨性 能上 【， ， 本 文从现 场 轧 机水 平 辊 上 取下 组 试样 进 行 了激光对 比实验 ， 以 研究激光表 面 改性 技 术 在 轧 辊 上 的作用 效果 轧辊试样原 始 状 况 热 轧 型 钢 轧 辊 的 主 要 材 质 逐 渐 由铸 钢 向半 钢过 渡 适应 这 种 形 势 ， 选 取 的半 钢 材 质 其主 要 化 学 成 分 为 质量 分数 ， ， ， ， 只 ， ， 几 ， 轧辊 采用 离心 复合铸造 技术 生 产 ， 外 圈 为 高 碳半钢 ， 内环 为石 墨 钢 经 过切 取金相试样分析 ， 发 现 其 常规 组 织 一 般 为 贝 氏体 或 贝 氏体 珠 光 体 ， 也会含 有少 量 马 氏体和 残余奥 氏体 辊 环 外 圆表 面 与 侧壁 表 面 的 硬 度 在 一 范 围 内 图 激光相 变硬化 的原 理是利 用 作 用 光束 的 高能密度对工件进行急热 急冷 的无介 质淬火 ， 以 提 高其 马 氏体相 对含 量 ， 达 到 表 面 硬 化 的 目的 叹 一 一 一 一 一 一 测 试点 图 轧辊试件 原 始硬 度 分 布 收稿 日期 一 刁 张建宇 男 ， 岁 ， 博 士研究生 辊面 激光 强 化 型 钢 的轧 制 原 理是 利 用 上 下 水 平辊 与 两 侧立 辊 形 成 的孔 型将初 轧坯 轧制成 型 尽 管精轧 温度 可维 持 在 ℃ 以上 ， 金 属 塑性 流 变性较 强 ， 但 由于前 三 架 万 能轧机压 下 量很 大 ， 而且 封闭孔 型使 轧件在 轧 制 过 程 中塑 性 变形 有很 大约束 ， 增 大 了轧件 与轧辊 之 间 的磨损 消耗 经 过对轧辊 的 磨损量 测 量 ， 发 现水平 辊环 的外 圆工 作 面磨损轻 微 ， 而侧壁 磨损 非 常显 著 因此 ， 轧辊辊 环 的侧壁 工 作 面 是需 要 重 点 强 化 的部 位 轧 辊 的处 理属 于 大 面积 强 化 实验 中采用 了 ‘ 的矩 形 光 斑 ， 对提 高加 工 效率是有 利 的 为 了摸 索激光 对该材 质 的最佳作用 效果 ， 按 照 正 交实验法设计 了实验进程 固定激光束形 状 和 尺 寸不 变 ， 调 整 作用 功 率和 扫描速度 大小 激 光 功 率选 用 一 ， 扫描速 度 的选 择 范 围是 一 耐 激光作 用 前 ， 在试件 的待作用 表 面 预 涂 一 层 黑 涂 料 ， 以 增 大表 面 的激光 吸 收率 由于表 面改性 的效果 取决 于单位 时 间 、 单位 面积上 的 能量输人和激光作用 时 间 的长 短 ， 因此 要 分别 讨论激光 功 率 幅值 和 光 束 移 动 速 度 对激 光 淬 火 效 果 的影 响 激 光 功 率 的 影 响 激 光 作 用 功 率 的值 直 接 决 定 了 工 件 表 面 的 能量 密度 ， 此值与工 件 表 面 的最 高温 升成 正 比关 系 ， 并最 终 决定 表 面层 的奥 氏体 化程度 ， 在宏 观 性 能上 表 现 为 淬硬 层 的深度 和 硬度 值 的差 异 取 样 轧 辊 经 过 多 个 轧 钢 循 环 和 车 削 修 复之 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．03．044