轧辊新型激光表面强化技术研究

李红伟

在钢管轧制生产过程中，为了使金属顺利变形需要使用到轧辊，轧辊这种工具极为重要，它不仅关乎着冶金生产的整体效率，还关乎着生产金属的质量，同时，在冶金生产中，需要消耗大量的轧辊，因此，与轧辊生产相关的成本也较高，为了减轻冶金企业的生产负担，需要注重轧辊表面的强化工作，而新型的激光表面强化技术可以很好强化轧辊的表面，基于此，本文重点对轧辊的激光表面强化技术展开研究。

目前，我国在冶金生产中使用的轧辊主要是钢制、硬质合金组合，这种材料的轧辊有广阔的应用空间，但是我国大部分轧钢厂在生产过程中使用的都是球铁，球铁的质量和性能显然无法与上述的几个材料相提并论。同时，轧辊的需求量一直保持在高位，因此，如何提高轧辊的质量，主要是轧辊的耐磨性，使轧辊的消耗量逐渐降低并维持在低位，是冶金企业需要重点考虑的问题。

为了提高轧辊的使用寿命，一部分企业曾投入相当的资金和时间，用在处理钢管厂的减径辊（轧辊的一种）的过程中，小规格的减径辊使用激光处理之后，减径辊的使用寿命显著提升，但是这项技术在推广应用的过程中出现了问题，部分钢管厂在使用表面激光处理技术处理减径辊的过程中，相同技术用在大规格减径辊出现了软硬不同的现象。同时，部分减径辊过渡层严重不均，减径辊的质量严重降低；
还有部分钢管厂家在生产减径辊的过程中强化层的深度不够，导致轧辊出现严重的磨损现象，这些情况直接导致减径辊的使用寿命降低。

激光器依据产生激光方法的不同能够分成多种类型，在进行金属表层性质转变工作时，一般使用二氧化碳气体激光器，这种激光器相对替他类型激光器而言具有较大优势，工作效率高达20%左右。随着全球经济快速发展，二氧化碳气体激光器销售份额逐渐增加，二十世纪末期，其市场销售总金额为12亿美元，到二十一世纪初期销售总金额已达到30亿美金，且呈现稳定增长状态，市场价值潜力十分巨大。激光器对金属发射激光射线，激光中蕴含密度极高的能量，能够使金属表面温度瞬间达到高温状态，激光束离开金属表面后，金属表面温度开始急速下降，从而转变金属表面的组织性状。金属合金化、熔覆技术、熔凝技术、金属相变硬化等都是目前较为常见的金属表面处理手段。金属表面相变作用的激光能量密度相对较低，其数值通常在104W/cm2～105W/cm2，激光照射区域的金属表面温度变化速度能够达到105C/s左右。例如，在进行钢铁材质加工时，激光加热作用能够使其金属表面快速出现奥氏体化现象，随着激光束的撤离，其金属表面会形成马氏体层，整个工作过程发生时间短，作用快。金属在进行激光淬火后，会在金属表面形成一层高硬度淬硬层，形成的主要原因是由于金属缺陷增加、固溶强化作用以及晶粒细化等。钢的位错密度数值通常在108条/cm2左右，经过激光加工后，其数值能够达到1012条/cm2极大程度加强了钢材强度与硬度，提高了钢材的整体质量，加强了其在实际应用中适用范围与实际效果。经过专业学家权威研究后发现，激光扫描金属过程中，过高的温度变化会使表面晶粒发生变化，体积变得极为细小。

激光技术作为一项针对金属材质进行表面性改的技术，其最终主要目的就是为了加强金属质量，提高金属表面的抗腐蚀。抗磨损能力。因此，进行激光技术加工的主要对象就是经常出现物体接触、滑动等容易出现磨损问题的部位。最初利用激光技术对金属表面组织性状进行改造工作的实际应用是美国汽车公司针对其汽车转向架结构进行材质加强，当时，汽车转向架的主要材质是铸铁，经过激光技术处理加工后，其转向架内壁质量得到极大程度提高，耐磨损能力相比之前提升了十倍。由此，激光技术开始在金属表面转性领域得到大力发展应用，并逐渐成为重要研究技术。目前，激光技术仍在汽车结构材质、柴油机内部传动齿轮以及缸套内壁结构的质量加强方面占有重要地位，同时在蜗杆蜗轮、液压马达以及机床导轨等进行质量强化逐渐得到广泛应用。且随着世界整体科学技术的不断加强，激光技术在针对陶瓷材料，钛合金属、铝合金属等有色金属的强化研究工作逐渐得到重视与发展。

3.1 轧辊材质

在轧辊生产的过程中，主要的目标只有两个；
其一是提高产量和质量，其二是降低消耗，同时，生产出的轧辊必须具有较高的强度和硬度，必须能够耐受住高温的炙烤，必须具有较强的抗磨损能力，但是在一种轧辊上体现出这些性能较难，因此，轧辊的材质较多，包括铸铁、半钢以及全钢等三种，这三种材料的主要区别在于材料中含碳量的大小。

其中，铸铁轧辊的优势在于具有较高的硬度和耐磨度，材料的表面较为光滑，无需较高的成本就可以制作，但是铸铁轧辊的强度较低，不能应对较大的冲击力。同时，铸铁轧辊的优势还在于可以抗热裂，这是因为在铸铁轧辊生产的过程中，轧辊的表面会形成一层密度较高，且有韧性的氧化膜，这层氧化膜中含有一定量的铬，这种特性使得铸铁轧辊表面热裂纹的数量大大减少，深度也降低。

全钢轧辊并非完全由钢制成，其中仍然含有0.8%的碳，该种轧辊的强度和韧性均较高，可以顺利咬入轧件，但是在硬度上无法与铸铁相比。为了弥补这一缺点，需要在全钢的轧辊中增加合金。高速钢是生产这种轧辊的过程中主要使用的材料，在这种材料中，碳化物的含量最高为15%，最低为10%，能够很好适应高温下的工作。增加了合金之后，轧辊的硬度将会提升，并且在高温环境下的抗热裂性能将会提升。

半钢轧辊是一种新型的材料，这种材料的含碳量小于铸铁，但是高于全钢，并且，该种材料具有较低的杂质，在经过热处理之后，半钢轧辊可以得到均匀分散，并且析出碳化物，这种碳化物的硬度较高。因此，半钢轧辊的综合性能最高。

3.2 轧辊工作条件

在冷轧的过程中，金属的抗形变能力要高于热轧。轧辊在咬入阶段，表面需要承受巨大的压力，同时，冷轧辊的表面还要承受剪应力，这种力主要由摩擦引起。为了有效应对压力和剪应力，冷轧钢必须保证强度在2000MPa，并且冷轧辊的内部不能有太多的杂质。此外，冷轧辊需要面对短时间内的高温，需要应对较强的荷载和冲击力。热轧辊与冷轧辊相比，工作环境的恶劣程度有过之而无不及，轧辊需要与高温状态下的轧件接触，并且经过水冷反应，会产生一种热应力，这种热应力具有周期性。在热轧的过程中，轧辊的温度将在热辐射和热传导的过程中逐渐升高，并且，氧化铁皮的硬度较高会导致与之接触的轧辊出现严重的磨损现象。同时，轧辊的表面会因其他因素出现鱼鳞状的磨损。在前期的选材和设计阶段，后期的制作阶段，如果出现不合理的现象，就会导致局部发热和冲击力的影响下出现失效。

3.3 轧辊在工作中出现的损伤

轧辊表面会产生剥落现象，这是轧辊失效的主要形式。冷轧辊在生产的过程中，热应力和组织应力的产生难以避免，因此，冷轧辊的表面就会出现裂纹，在裂纹产生之后必须在第一时间处理，否则在后续的轧役中，大规模的剥落现象就会产生，进而导致冷轧辊失去效用。热轧辊出现裂纹由多种亚元素导致，包括热循环应力和塑性形变等，这些因素导致裂纹出现之后，在应力的作用下，裂纹的现象将会加重。

轧辊的表面产生磨损是轧辊失去效用的另一种表现形式。目前，轧辊在工作的过程中，由于特殊的工作环境，轧辊难以避免产生摩擦，并且，轧辊受到的摩擦分为多种不同的类型，这些摩擦的共同点是都会对轧辊产生影响。此外，轧辊容易受到较高温度的影响，首先，轧辊会在高温的状态下产生磨损；
其次轧辊受到损坏的程度与轧辊受热的情况决定，受热越高，受损越严重；
轧辊轴承的润滑性和密封性将在高温的状态下受到损坏；
轧辊的力学和抗磨损能力将在高温状态下逐渐失去。

利用激光强化轧辊的原理就是对高密度能量的运用，在短时间内，轧辊的表面将达到较高的温度，轧辊表面的温度将随着激光位置的变化而变化，在这一过程中，轧辊表面的组织将会出现改性。

利用激光强化轧辊的优势如下：由于激光本身具有较高的功率密度，因此，金属在利用激光加热之后，温度上升的速度极快，无需输入过多的热量，并且，金属工件在经过激光处理之后，不会产生较大的热形变。同时，经过激光处理的轧辊组织会呈现出高度细化的特性，并且有着良好的强化效果。为了获得硬度和软度适中，强度和韧度平衡的轧辊表层，在利用激光加热的过程中需要利用点或者线扫描加工的方式。由于在激光强化的过程中外界的磁场难以影响轧辊的加工，因此可以将激光强化的过程融入信息化的方式。将同一部件利用不同的技术处理，随后对比其磨损最严重位置、最轻微位置的差距。对比结果为：经渗碳淬火技术处理后的部件磨损最严重位置的最大深度为337um、最大宽度为5.66mm，而经激光强化处理后的部件磨损最大深度仅为31.1um、最大宽度仅为2.08mm；
经渗碳淬火技术处理后的部件磨损最轻微位置的最大深度为24.1um、最大宽度为1.67mm，而经激光强化处理后的部件磨损最大深度仅为6.31um、最大宽度仅为1.51mm。由此可见，激光强化在磨损情况上要明显优于渗碳淬火。

4.1 激光淬火和重熔

传统的淬火主要特点就是进行工件整体加热或工件表层加热后再将工件放置于冷却介质中进行急速冷却。这种冷却方式首先是工件表层冷却，以此促使工件出现马氏体相变，且工件次表面和机芯位置的温度从始至终都会高于表层，当次表层的马氏体出现相变后，表层马氏体硬壳就会限制次表层体积膨胀，最终造成工件从里到外积累大量应力，此时最表层则进入到了拉应力状态，容易导致工件形成裂纹。

激光淬火技术只是对轧辊加热0.5mm～1.00mm的表层，但是冷却却是通过轧辊自身的热传导进行，因此促使激光淬火的导热率与空气及其他淬火介质导热率相比更高，故而首先出现马氏体相变的轧辊部位就是次表层，出现体积膨胀。当轧辊次表层出现马氏体相变后，由于激光束的连续作用，已经出现马氏体变化的部位将会继续沿着激光扫描方向向没有出现相变的奥氏体部分进行挤压，以此通过奥氏体的微小塑性形变不断的向外释放相变应力。因此，与传统淬火技术相比，激光淬火技术所形成的应力积累值较小，因而也就不容易出现轧辊裂缝。

同时激光淬火即将激光作为热源，完成工件表面的淬火，在扫描工件的过程中利用能量密度较高的激光束，此时金属工件表面的温度将以较快的速度上升，最终，温度将达到材料产生相变的临界温度，但是这一温度不会达到甚至超过金属工件材料本身的熔点。由于将激光视为热源，因此在激光离开之后，金属工件表面的温度又将在短时间内下降，在温度下降的同时，相变转化也会完成，这一过程也是金属工件的自冷淬火，经过激光淬火之后，工件表面的硬度将高于常规淬火。因此激光淬火的优势在于可以以较高的效率完成加工，经过淬火之后，工件将具有更好的耐磨度，并且不会轻易产生形变，可以在最大程度上完成自动化处理，不会对周边的环境产生多大的影响。

激光重熔技术是利用激光光束照射减径辊的表面，使减径辊表面层逐渐熔化，然后快速让减径辊的基体冷却，此时，减径辊的表面会因冷却凝固出现结晶。在经过激光重熔之后，减径辊的表面会获得一个硬化层，硬化层的厚度为2mm～3mm，硬化层中典型的组织为具有超细化和过饱和的马氏体，以及具有高度弥散性，并且在分布上较为均匀的碳化物强化相颗粒。经过冷却凝固后，组织成分偏析逐渐降低，并且压应力状态逐渐升高，此时减径辊表面的耐磨损性和耐腐蚀性将显著提升。与上述的激光淬火技术相比，激光重熔技术在处理减径辊的过程中，总硬化层的深度和硬度明显更高。

4.2 激光合金化技术

激光合金法与传统的冶金方法存在较大的差别，其优势在于可以在冷轧表面应用，可以使轧辊表面的性能得到较大改善，轧辊在使用需要进行重新淬火的次数将会减少，为了满足各种生产的需要，可以制作不同的表面类型的轧辊。

目前，在激光合金化处理的过程中，存在一个较为突出的问题，即工件表面的合金化组织存在不均匀的分布。具体情况如下：一是合金化熔池内部，组织呈现不均匀的特性，在工件横截面出现组织梯度；
二是在熔池之内，宏观组织呈现不均匀性；
三是在熔池之内，合金化的搭接区大面积存在合金化宏观组织的不均匀性主要的原因在于，熔池内的熔体会在激光的作用下产生对流运动，对流运动将会导致熔池之内不同的合金元素产生均匀的混合现象，并且这种均匀混合的情况将受到多项因素的影响。现阶段在这一层面上，部分学者已经开始研究，但是普遍没有取得突出的成果。

此外，以目前的激光合金化技术还不能做到精准控制每一层合金化成分，在利用激光熔化的过程中，元素的烧损系数将不能得到有效控制。在合金化处理的过程中，但凡出现任何一丝工艺控制领域的疏忽，都会导致合金元素的毁灭，即合金元素产生氧化，进而导致金属工件表面的合金化层出现混乱的合金元素分布情况。

在激光处理工艺的利用上，以往的研究有明确的重点，即研究硬化层的质量受到各种工艺参数的影响，还有组织形貌受到硬化层质量的影响，这些研究的没有涉及到激光的动力和热力学等角度，也没有深入研究激光处理的本质。

在控制硬化层质量的过程中，需要将重点集中在硬化层不均匀裂缝的产生上。在利用激光技术处理的过程中，搭接带的使用必不可少，搭接带回因回火而出现软化的现象，进而导致整个合金组织的不均匀。此外，在激光处理的过程中，如果在激光束的选择上选择聚焦分流，就会导致在热处理材料之后，相变的硬化带会出现形状的改变，形状大体为月牙形。硬化层的产生与激光作用之间存在密切的关系，由于激光作用在一点，因此，中心位置的温度必然会高于周边的温度，温度的不同就会导致温升不同，由此产生的硬化层必然不均匀。

轧辊的强化层上必然存在裂纹，但是目前的研究只局限在铸造轧辊中产生的热裂纹，在轧辊凝固之后形成的裂纹没有做出深入的研究，从这里可以看出，目前的研究缺少微观力学方面的分析。

现阶段在设计涂层材料的过程中，主要的设计方式是热喷涂的合金，或者对这种设计进行优化。在设计涂层的过程中，必须将各个材料各部分的组成情况全面厘清，包括物理相容性、热物性。此外，在利用激光熔覆技术的过程中，应当充分以熔池的冶金特点为参照，使用新的合金粉末材料。

在冶金行业，一个具有优质表面的轧辊具有极端的重要性。利用传统制造方式制造出的轧辊往往在高温的环境下极易出现磨损的现象，并且轧辊的表面容易出现裂纹，导致轧辊的使用寿命骤降。为此，利用激光强化技术处理轧辊的表面有着十分重要的现实意义，经强化后的轧辊表层硬度较高，且不会对轧辊本身强度造成影响，同时经激光技术强化的轧辊硬化层结合力也相对较好。然而，钢管厂在利用激光技术强化轧辊过程中，需要保证轧辊的强化条件，正确利用激光表面强化技术，进而才能保证强化之后轧辊质量，提高使用寿命。