層流冷卻輥激光熔覆修復及再制造技術

裘偉峰，呂艷春

（北京首鋼機電有限公司遷安機械修理分公司，河北 遷安 064400）

層流冷卻輥在熱軋過程中位于精軋和卷取之間，作用是對成品板帶進行輸送和層流冷卻。每條產線大約需要300多根層流冷卻輥，其工況條件惡劣，長期承受400~600℃高溫鋼板的滑動摩擦，同時，在冷卻水的工況下，還要承受交變負荷（冷熱疲勞）和局部壓入負荷，接觸的主要介質是水和水蒸氣。其工況要求輥道涂層具有較強的結合強度、耐沖擊載荷、防腐蝕性和耐磨性能等。本文選擇目前最先進的激光熔覆修復及再制造技術，較之前的噴焊技術相比，主要解決了原工藝出現的裂紋、氣孔、沙眼等問題。

1 激光熔覆技術

激光熔覆技術是在金屬材料表面添加熔覆粉末，利用高能密度激光束輻照迅速加熱，使熔覆粉末和金屬基材表面發生熔化，激光束移開快速凝固，從而在基材表面形成與其為冶金結合的高性能激光熔覆層。修復或提高基體所缺少的高性能，能顯著改善金屬材料表面的耐磨性能、耐蝕性能、抗氧化性能等，是激光表面改性技術的一種重要方法。

由于激光技術會產生近似絕熱的快速加熱過程，激光熔覆對基材的熱影響效應較小，因熱膨脹引起的變形也小。運用激光熔覆技術制備出的涂層組織致密均勻，微觀缺陷較少，能夠得到完全緊密的冶金結合涂層。

與其它表面改性技術相比，表面激光溶覆技術具有如下幾個特點：第一，冷卻速度極快，所得的組織具有典型的快速凝固特征；第二，熱輸入少，工件變形小，涂層稀釋率低；第三，激光熔覆層與基體的結合性能優良，結合層為冶金結合；第四，激光熔覆層成分可控，質量穩定，制備過程易于實現自動化，可對失效工件進行修復處理。

表1 不同粉末工藝評定成分及硬度檢測結果

2 激光熔覆技術在層流冷卻輥修復中的應用

通過查找相關資料，層流冷卻輥較為常見的修復工藝為噴涂Ni60自熔性合金粉末，噴涂后再進行重熔處理。經生產試驗表明，該方法存在以下弊端：（1）成品率低，主要表現在軸端筋板焊接位置容易出現氣孔、夾渣、未熔透等缺陷，原因為該位置在重融過程中不易控制溫度，重熔鏡面難以觀察；（2）成本較高，噴涂的合金粉末得粉率低（約70%），且粉末價格相對較高；（3）自動化程度低，主要為手工操作，靠員工經驗進行質量的控制。

為了進一步降低員工勞動強度、提高工作效率、提升產品質量，經大量調研及廠內實驗室試驗，我單位采用了激光熔覆手段進行修復層流冷卻輥。

2．1 材料選用及工藝評定

為了確保熔覆層具有較強的結合強度、耐沖擊載荷、防腐蝕性和耐磨性能，結合使用工況，與原材料廠家共同進行了粉末的研制，并提供小樣進行試驗工藝評定。不同粉末形貌特征如圖1～4所示。

圖1 SY-01粉末形貌

圖2 SY-02粉末形貌

圖3 SY-03粉末形貌

圖4 SY-04粉末形貌

圖5 激光熔覆試驗過程

圖6 激光熔覆試塊

為了降低生產成本，采用鐵基粉末進行試驗。針對每種粉末，進行激光熔覆試驗工藝評定，如圖5和圖6，熔覆功率2400W，熔覆后進行機加工處理，并對成分和硬度進行檢測，檢測結果如表1所示。

經工藝評定，SY 04粉末的熔覆效果較好，且硬度符合圖紙技術要求（55~60HRC）。同時，對SY 04粉末基體與熔覆層的冶金結合效果進行檢測，如圖7和圖8所示，結合效果較好，不存在熔覆層剝落的隱患。

圖7 界面冶金結合（200X）

圖8 界面冶金結合（500X）

2．2 工藝流程及參數設置

主要工藝流程如下：回廠輥道的拆卸→輥道表面機加工（去除疲勞層）→輥道表面毛化→輥道表面預熱→輥到表面激光熔覆→熔覆層的加工→輥道動平衡→輥道檢驗合裝。

激光熔覆工序參數設置。激光功率：P=2400W；送粉速度：1.5~2.0L/min；工藝速度：15~18mm/s（轉速：9.25~11.11mm/s）；激光平移速度：0.003~0.004mm/s。

圖9 激光熔覆修復層流冷卻輥

圖10 機加工后形成成品

激光熔覆后，按照圖紙要求尺寸，對熔覆層進行機加工，最終形成成品尺寸（300+0.1mm），硬度值范圍為57~60HRC，表面無氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。

2．3 產品在線跟蹤效果評定

經廠內質檢人員檢測，激光熔覆修復的層流輥各項技術指標均符合圖紙技術要求，試驗的兩根輥子于2016年5月16日在首鋼京唐公司2250mm熱軋產線進行上線試驗，為了重點跟蹤在線使用效果，每次利用停機檢修時間對輥面進行查看，未出現異常磨損情況，且輥面無凹坑、剝落、點蝕等缺陷，在線使用周期已超過原噴焊工藝2年使用周期的要求。

3 結語

通過實驗室工藝評定及產品的上線試驗，結果表明，采用鐵基粉末激光熔覆修復的層流輥在線使用穩定，能夠達到使用要求。較原噴焊工藝修復的輥子成品率明顯提高，一次校驗合格率達到100%，能夠得到高質量的涂層，降低工人的勞動強度、改善工人的勞動環境，提高了自動化程度，產品質量得到了有效控制。