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激光表面強(qiáng)化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中大放異彩

2016-02-04 10:29:05 作者：陳其漢來源：中國知網(wǎng) 分享至：

一、前言

當(dāng)前，鋼鐵產(chǎn)業(yè)正向著高效、綠色的模式發(fā)展，一些關(guān)鍵冶金設(shè)備的長壽命、穩(wěn)定化是實(shí)現(xiàn)高效、綠色鋼鐵發(fā)展模式的重要途徑。對于處于高溫、高速、重負(fù)載和腐蝕環(huán)境下運(yùn)行的大量機(jī)械設(shè)備，在長期使用過程中設(shè)備零部件表面出現(xiàn)磨損、腐蝕等失效情況，作為再制造工程體系中重要手段之一的激光表面強(qiáng)化技術(shù)，在冶金關(guān)鍵零部件修復(fù)或強(qiáng)化，延長使用壽命，實(shí)現(xiàn)鋼鐵的綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)中將大有用武之地。

激光表面處理技術(shù)

本項(xiàng)目結(jié)合寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司在冶金設(shè)備強(qiáng)化中的工業(yè)實(shí)踐，對激光表面強(qiáng)化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用狀況及所存在的問題進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，并提出相應(yīng)的解決方法，為今后激光表面強(qiáng)化技術(shù)在鋼鐵行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用推廣提供參考。

二、激光表面強(qiáng)化技術(shù)概述

目前，在鋼鐵企業(yè)中可使用的激光表面強(qiáng)化技術(shù)主要包括激光熔覆、激光表面合金化及激光表面淬火等。

1、激光表面淬火

激光表面淬火不需要改變材料的成分，通過激光束的局部快速加熱冷卻特點(diǎn)使材料表面發(fā)生馬氏體相變達(dá)到強(qiáng)化的目的，可分為激光相變淬火和激光熔凝淬火。

2、激光熔覆

激光熔覆技術(shù)是采用激光束在指定的工件表面熔覆一層特殊性能的涂層，以改善工件表面性能的工藝。分為預(yù)置粉末法和同步送粉法，一般通過添加合金粉末完成激光熔覆。與傳統(tǒng)的噴焊或者堆焊工藝相比，激光熔覆技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）激光束能量密度高，涂層稀釋率比較低，零部件熱影響區(qū)小，變形小，適合強(qiáng)化或者修復(fù)一些高精度零件或者對變形要求嚴(yán)格的零件。

（2）通過優(yōu)化熔覆選材可精確控制熔覆層的成分與性能，選材范圍廣且適用性強(qiáng)。

（3）激光熔覆因快速冷卻形成的組織細(xì)小均勻致密，且冶金結(jié)合牢固，因此可應(yīng)用于重載條件下的零件表面強(qiáng)化與修復(fù)，如鋼企內(nèi)的傳動(dòng)軸類或軋輥。

（4）激光熔覆層的尺寸大小和位置可自動(dòng)化操作精確控制。采用多道搭接方法實(shí)現(xiàn)工件表面的大面積和大厚度激光熔覆，以滿足不同形狀、尺寸的機(jī)械設(shè)備零部件的激光表面強(qiáng)化與修復(fù)。

3、激光表面合金化

激光表面合金化與激光熔覆工藝過程類似，通過添加合金元素來改變工件表面的成分、組織和性能。但前者添加的合金元素與基材熔化一體并充分混合冷卻凝固形成新的表面層，兩者一起共同決定表面層的性能；而激光熔覆則主要是利用所添加合金粉末的性能，基材成分貢獻(xiàn)很小，所以激光熔覆過程應(yīng)盡可能降低稀釋率。

三、激光表面強(qiáng)化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)（寶鋼工業(yè)）中的應(yīng)用實(shí)踐

1、激光表面熔覆技術(shù)應(yīng)用實(shí)例及優(yōu)勢

（1）剪轉(zhuǎn)鼓扁頭。

寶鋼某熱軋廠異周速轉(zhuǎn)鼓飛剪其驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓的扁頭平面面積為 400 mm×700 mm，在使用過程中雙面均存在異常磨損現(xiàn)象，經(jīng)測量單邊磨損量可達(dá) 1.5 mm。轉(zhuǎn)鼓扁頭與轉(zhuǎn)動(dòng)叉頭間隙超差會(huì)引起傳動(dòng)系統(tǒng)的異常振動(dòng)。轉(zhuǎn)鼓材料為 SF590，材料可焊性差加上產(chǎn)品制造精度要求很高，如采用傳統(tǒng)堆焊方法修理焊接缺陷和應(yīng)力變形難于控制。

因此利用激光熔覆方法熱輸入量較低和熱影響區(qū)變形小的特點(diǎn)，選用激光熔覆方法嘗試對其進(jìn)行修復(fù)。先在轉(zhuǎn)鼓扁頭表面熔覆 2 mm 厚鎳基合金，再經(jīng)機(jī)械加工恢復(fù)到原圖紙要求。轉(zhuǎn)鼓扁頭因選用加工硬化特性好的鎳基合金作為表面強(qiáng)化層，其耐沖擊磨損性能大大提高，經(jīng)四年多的生產(chǎn)使用，尺寸基本保持不變，效果非常顯著。

（2）萬向節(jié)軸承孔。

激光表面熔覆強(qiáng)化

寶鋼某熱軋 R1、R2 粗軋機(jī)主傳動(dòng)軸十字軸萬向聯(lián)軸器，由于軋機(jī)側(cè)工況惡劣，工作時(shí)受軋制冷卻水噴淋，叉頭軸承孔受到磨蝕和磨損的雙重作用失效致使十字軸軸承松動(dòng)，主傳動(dòng)異常振動(dòng)，無法正常使用。萬向聯(lián)軸器為高強(qiáng)度合金鋼，精度要求很高，采用常規(guī)方法根本無法修復(fù)。

通過激光熔覆方法制備 1.5 mm 鎳基合金，抗腐蝕性能得到大大提高，上線使用一年后，軸承孔尺寸僅擴(kuò)大了 0.01～0.02 mm。

（3）軋機(jī)主傳動(dòng)軸。

激光熔覆修復(fù)技術(shù)

軋機(jī)主傳動(dòng)軸是指軋鋼傳動(dòng)裝置中的接軸和聯(lián)軸器。冶金企業(yè)軋機(jī)用傳動(dòng)軸均要求滿足傳遞扭矩大，允許傾角大，最大回旋直徑控制并且抗沖擊。由于冶金機(jī)械設(shè)備的重載主傳動(dòng)軸同時(shí)經(jīng)受扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉壓交變載荷以及重載接觸交變載荷和嚴(yán)酷磨損的共同作用，工作面磨損嚴(yán)重，需定期下線修理。之前主要采用電弧堆焊方法恢復(fù)尺寸，通過焊接新材料提高耐磨性。但隨堆焊修復(fù)次數(shù)增加，裂紋敏感性增大導(dǎo)致斷裂事故頻發(fā)。

現(xiàn)通過采用激光熔覆的方法對如叉頭等部件磨損部位成功進(jìn)行修復(fù)，因激光熔覆過程對基材本體影響較小且采用的熔覆合金材料大大提升了工件的表面性能，延長了此類部件的使用壽命。

（4）軋機(jī)牌坊。

激光熔覆

大型熱軋機(jī)工況惡劣，工作時(shí)除軋制力大外，大量冷卻水噴沖灼熱的鋼坯，噴濺出大量水蒸汽和氧化鐵粉，造成了軋機(jī)牌坊上相關(guān)襯板安裝面發(fā)生腐蝕磨損，間隙超差，襯板松動(dòng)等現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)惡化，精度下降。之前采用機(jī)械加工方法進(jìn)行修復(fù)，但二次腐蝕磨損以及多次機(jī)械加工將會(huì)對牌坊的強(qiáng)度和剛度產(chǎn)生不利影響。而常規(guī)的堆焊修復(fù)技術(shù)，堆焊熔敷金屬量大、對母材的熱影響嚴(yán)重，導(dǎo)致軋機(jī)牌坊變形等。

本例通過采用在線機(jī)加工后激光熔覆的方法熔覆 0.25～0.30 mm 厚的鈷基合金涂層對襯板面進(jìn)行了表面強(qiáng)化修復(fù)。得益于激光熔敷材料的性質(zhì)以及熱輸入小、涂層薄，在不影響本體和牌坊機(jī)架總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，顯著提高了牌坊表面的使用性能。采用機(jī)械手在現(xiàn)場惡劣環(huán)境下施工將大大減輕施工的勞動(dòng)強(qiáng)度，激光熔覆后涂層表面平整，無需后續(xù)機(jī)加工，節(jié)省了修復(fù)成本和時(shí)間。此修復(fù)工藝在 2007 年初軋廠年修期間 1# 牌坊上順利實(shí)施，使用至今效果良好。

2、激光表面合金化應(yīng)用實(shí)例

激光表面合金化

采用高功率激光對冶金軋輥進(jìn)行激光合金化處理，在不改變軋輥整體綜合機(jī)械性能的情況下，通過高功率激光使合金熔化滲透軋輥工作表面，既不改變軋輥表面孔型尺寸，又能大輻度提高軋輥的表面硬度和耐磨性，顯著提高軋輥的使用壽命。針對寶鋼條鋼廠兩件 200 圓形孔和 145 方形孔磨損的V1 連軋輥進(jìn)行激光表面合金化處理，表面硬度控制在 HRC50～55。激光表面合金化強(qiáng)化后能夠保證200 圓形孔軋鋼量達(dá)到 8 000 t，145 方形孔軋鋼量達(dá)到 15 000 t。

3、激光表面淬火應(yīng)用實(shí)例

激光表面淬火

（1）CDQ 旋轉(zhuǎn)閥密封環(huán)。

焦化 CDQ 排出裝置旋轉(zhuǎn)閥的密封環(huán)為外徑 1 800 mm、寬 60 mm、厚 8 mm的薄板零件，原進(jìn)口件為特種鋼材料。旋轉(zhuǎn)閥在修復(fù)時(shí)通過采用 45 鋼進(jìn)行材料替代，并使用激光表面淬火增強(qiáng)密封面的耐磨性，激光表面淬火硬度達(dá)到HRC52，硬化層深度達(dá) 0.5 mm，保證了密封環(huán)的使用性能。

（2）燒結(jié)臺(tái)車軌道密封板。

燒結(jié)臺(tái)車在運(yùn)行時(shí)，臺(tái)車底部彈簧密封板與軌道密封板之間既相對滑動(dòng)又必須密封，以防止漏風(fēng)。漏風(fēng)率直接影響到礦粉的燒結(jié)質(zhì)量和效率以及除塵效果。原軌道密封板采用的是普通球鐵，無法滿足設(shè)備檢修周期的要求，為提高密封面的耐磨性，通過采用激光表面淬火處理，使其表面硬度達(dá)到 HRC52，淬面層深度達(dá)0.5 mm，取得了良好的效果。

四、推廣應(yīng)用中還需解決的問題

（1）改善激光表面強(qiáng)化后強(qiáng)化層的機(jī)械加工性能，達(dá)到強(qiáng)化件高的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度要求。

（2）開發(fā)新型大功率激光器及相應(yīng)的強(qiáng)化工藝和材料，降低成本，提高其生產(chǎn)效率。

（3）激光表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。

責(zé)任編輯：周婭

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