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1、中國石油大學（華東）博士學位論文高鉻鑄鋼軋輥激光熔凝改性研究姓名：李美艷申請學位級別：博士專業(yè)：材料學指導教師：王勇20100601摘要高鉻鑄鋼由于碳及合金元素的含量較高，具有較高的強度及耐磨性，廣泛用作熱軋輥。然而其組織中含有大量的一次碳化物，呈網(wǎng)狀沿晶晃分布，致使軋制過程中產(chǎn)生的裂紋極易沿晶界擴展。另外，軋制過程中高鉻鑄鋼中碳化物與基體的氧化協(xié)同性較差，高溫條件下發(fā)生氧化磨損，惡化了熱軋輥的高溫耐磨性能，導致軋輥過早失效。本文在高鉻鑄鋼表面進行激光熔凝處理，對熔凝層的微觀組織特征進行分析，探討搭
2、接參數(shù)對組織和性能的影響，深入研究激光熔凝處理后的高溫氧化行為、高溫磨損性能及二者之間的內在聯(lián)系。高鉻鑄鋼組織由回火馬氏體和大量網(wǎng)狀的M7C3碳化物組成。當采用P=2700W、v=300mm／min、搭接率為33．3％的工藝參數(shù)進行激光熔凝處理，可獲得表面平整、無氣孔、表面硬度高且水平分布均勻的硬化層。激光熔凝處理后組織發(fā)生顯著變化，高鉻鑄鋼中的網(wǎng)狀碳化物完全溶解，熔凝層內組織細化，組織形態(tài)由表及里依次為等軸晶一樹枝晶一胞狀晶，顯微組織為奧氏體和顆粒狀的M23C6碳化物。熔凝層內碳和合金元素的分布相
3、對均勻，奧氏體組織受到固溶強化、位錯強化及細晶強化的共同作用，硬度可達到473．1HVo．20熱影響區(qū)顯微組織由隱晶馬氏體、殘余奧氏體和彌散碳化物組成，硬度達到759HVo．2。采用SYSWELD軟件建立與實際光斑符合較好的熱源模型，對激光熔凝過程中的溫度場及應力場進行分析。結果表明，激光熔凝過程中，光斑中心瞬時加熱速度可達3．2x104。C／s，瞬時冷卻速度可達1．5x104。C／s。單道激光熔凝處理后，熔凝層承受拉應力，距光斑中心2．5mm處的熱影響區(qū)，Mises應力達最大值713MPa。激光熔
4、凝層由于組織具有較高的強韌性，未發(fā)生開裂，熱影響區(qū)的組織韌性較差，且該區(qū)殘余拉應力較大，沿碳化物與基體界面產(chǎn)生裂紋。預熱和搭接處理可有效降低熔凝層殘余拉應力和裂紋敏感性，預熱150。C保溫1h可預防熱影響區(qū)開裂。激光熔凝層在低于400。C回火后，硬度基本保持在430HVo．2左右，低于未經(jīng)回火處理的激光熔凝層硬度(473．1HVo．2)?；鼗疬^程中二次硬化始于450℃，此時熔凝層內仍存在孿晶及位錯亞結構，細小M23C6碳化物的析出及少量馬氏體的生成使熔凝層硬度略有增加(456HVo．2)。560℃回
5、火后由于二次碳化物的析出、大量馬氏體的生成及位錯強化的共同作用，熔凝層硬度高達672HVo．20經(jīng)650"C回火基體完全轉變?yōu)殍F素體，析出的二次碳化物聚集長大、呈網(wǎng)狀分布，硬度降低至400HVo．20高溫氧化試驗表明，激光熔凝前后高鉻鑄鋼在650。C時氧化緩慢，氧化動力學曲線近似呈對數(shù)規(guī)律，800℃時氧化速率劇增，氧化動力學曲線遵循拋物線規(guī)律。高鉻鑄鋼基體的氧化膜由Fe和Fe203組成，高溫下高鉻鑄鋼氧化核心在基體與碳化物界面處優(yōu)先生長，發(fā)生不均勻氧化，基體氧化嚴重，800℃時基體氧化膜開裂。激光熔
6、凝層表面氧化膜由Fe、Fe203和(Feo．6Cro．4)203組成，由于熔凝層的組織細小，氧化初期表面近似均勻氧化，隨后通過擴散控制氧化膜逐漸增厚。與未處理試樣相比，激光熔凝試樣的氧化膜較厚。高溫磨損試驗表明，激光熔凝處理后560℃和650℃的耐高溫磨損性能明顯提高，800℃時試樣增重但增重量小于未處理試樣。高鉻鑄鋼560℃時發(fā)生磨粒磨損，磨損面出現(xiàn)大量細小的犁溝和碳化物顆粒。650℃時以粘著磨損為主，并伴隨微觀犁削。溫度升高至8006C時，粘著嚴重，磨損面存在較深犁溝。激光熔凝處理后熔凝層具有較
7、高的強韌性，560"C和650。C時的耐磨性明顯提高，560℃的磨損機制為輕微的磨粒磨損，650*(2時發(fā)生粘著磨損。激光熔凝試樣高溫下表面發(fā)生均勻氧化而形成連續(xù)致密的氧化膜，有效降低了激光熔凝層800℃時的粘著磨損傾向。關鍵詞：高鉻鑄鋼；激光熔凝；裂紋敏感性；回火特性；高溫性能創(chuàng)新點摘要1．激光熔凝處理顯著改善高鉻鑄鋼中網(wǎng)狀碳化物的分布形態(tài)，熔凝層內組織明顯細化，由細小的奧氏體和顆粒狀M23C6碳化物組成。受細晶強化、位錯強化和固溶強化的共同作用，熔凝層內奧氏體組織硬度達到473．1HVo．2，具
8、有較高的強韌性。2．采用數(shù)值模擬與實驗相結合的方法研究激光熔凝處理高鉻鑄鋼的開裂原因。在靠近基體的熱影響區(qū)含有大量的網(wǎng)狀碳化物，激光熔凝處理后受拉應力，沿基體和碳化物界面處開裂。通過預熱處理可有效降低激光熔凝層的裂紋敏感性。3．高鉻鑄鋼激光熔凝層組織具有較高的回火穩(wěn)定性。低于560℃回火，二次硬化主要是由于二次碳化物的析出、大量馬氏體的生成及位錯強化的共同作用。650℃回火后固溶強化及碳化物的彌散強化作用減弱，熔凝層硬度顯著降低。4．采用高溫磨損性能評價高鉻鑄鋼激光熔
