轧机轧轧机的变形分析

轧机轧轧机的变形分析

辊是一种直接的工具来切割和变形金属，其质量和长度直接关系到冶金公司的产量效率、产品质量和生产能力。同时轧辊也是冶金企业的主要消耗部件,在轧钢生产成本中占的比例很重。因此,轧辊工作表面的强化与修复问题不容小视。作为结构材料,金属材料将在相当长的时期内在各行各业占有相当重要的地位。在现有的工艺条件下,合金化及热处理方法已经使金属材料的强度和韧性达到了较好的配合。为了更进一步提高金属材料的使用性能,在强韧化基体的基础上,发展了诸如感应加热淬火、热喷涂等表面强化手段。激光表面处理是金属材料表面强化的重要方法之一,始于20世纪60年代,具有加热速度快、热效率高、加热范围及热变形小等特点,受到了材料研究工作者的广泛关注。1焊接材料及其工作条件1.1钢轧或热轧为了满足高产、优质、低消耗的需要,轧制生产要求轧辊具有高强度、高硬度、耐高温、耐冲击、耐磨损和抗热龟裂等性能。对于一种轧辊材质,同时满足这些要求很困难,因此研制出多种轧辊材质。轧辊一般可分为铸铁轧辊(含碳量2%以上)、半钢轧辊(含碳量1.5%以上)和钢轧辊(含碳量0.8%以上)。铸铁轧辊突出的优点是硬度高、耐磨性好、表面光滑、制造方法简单和成本低,缺点是质脆、强度低、耐冲击性能差。高铬铸铁轧辊是一种高耐磨性的高合金白口铁,不仅具有良好的耐磨性,还有较高的硬度,基体为奥氏体、马氏体,因而其硬度和韧性结合较好。此外它还有较好的抗热裂性能,原因是轧辊表面生成一层致密且有韧性的铬的氧化膜,能减少热裂纹的数量和深度。钢轧辊的优点是强度高、韧性好、咬入轧件的能力强,缺点是硬度一般较铸铁辊低。为提高硬度需要在钢中加入较多的合金元素,一般作为热轧辊材料使用的高速钢,其组织含有10%～15%具有极高硬度和高温稳定性的碳化物,所以在高温下工作能保持较高的强度和硬度。钢轧辊工作层硬度高,可达80～85HS,具有较好的耐磨性和抗热裂性,轧辊表面不易出现热裂纹,一般无剥落现象。半钢轧辊是近年来出现的新型轧辊材质,其碳含量介于铸铁和铸钢之间,杂质含量较低,具有过共析组织。经过锻造和热处理后,可得到均匀分散析出的极微细的高硬度碳化物。因此,它具有耐热龟裂、耐磨和强韧性3方面的综合性能。1.2u3000热轧轧的环境在板材冷轧过程中,轧制金属的变形抗力远远高于热轧。在咬入阶段,轧辊表面要承受超过10000MPa的巨大压力,同时冷轧辊表面还要承受由于摩擦引起的剪应力。为了满足使用要求,冷轧辊必须具有约2000MPa的抗拉强度以及高纯净度(即无内部夹杂)、均匀的内部组织。除了要承受很大的轧制循环应力、强力摩擦和挤压外,瞬间高温和强烈冲击载荷、轧件的焊缝、夹杂以及边裂等也对轧辊有影响。热轧机轧辊的工作环境更为恶劣:轧辊与高温轧件接触加热、轧辊水冷引起的周期性热应力,轧制负荷引起的接触应力、剪切应力以及残余应力等。热轧过程中,高温轧材的热辐射及其表面氧化层热传导使轧辊温度升高,而硬度较高的氧化铁皮还会引起轧辊表面磨损。一些其它因素也可能引起轧辊表面产生鱼鳞、材料电化学迁移等,混入孔型的冷却水还将产生流体静压力。轧辊的选材、设计、制作工艺等不合理,或轧制时卡钢等造成局部发热引起热冲击等,都易使轧辊失效。1.3u3000螺钉磨损的原因轧辊主要失效形式是辊面剥落。局部过热导致的热应力和组织应力会造成冷轧辊表面裂纹。冷轧辊在前一轧役产生的裂纹若没有完全清除,在后一轧役中会很快形成大而深的剥落,由这种裂纹导致剥落是冷轧辊早期失效最主要的原因。热轧辊裂纹是由于热循环应力、拉应力及塑性应变等多种因素造成的,塑性应变使裂纹出现,拉应力使其扩展。另一种失效形式是辊面磨损。通过对轧制区摩擦学特点和轧辊工作环境的分析可以看出,轧辊磨损非常复杂,疲劳磨损、腐蚀磨损、粘着磨损、磨粘磨损、微动磨损等几种磨损形式同时存在,交替作用。此外特别提出高温对轧辊的主要破坏作用:(1)高温会使轧辊产生热疲劳和热磨损;(2)轧辊各区域受热不同时所产生的轧辊损坏程度也不同;(3)环境高温将加速轧辊轴承及其润滑和防水密封件的损坏;(4)高温下,轧辊将失去其原有的力学性能和抗磨损性能。2热喷涂技术特点轧辊的表面处理技术主要包括轧辊表面的感应加热淬火技术、堆焊技术、热喷涂技术、热喷焊技术和激光表面改性技术等。感应加热淬火技术利用高频交流磁场,工件表面被迅速加热到钢的相变临界温度之上,然后在冷却介质中快速冷却获得马氏体。由于感应加热局限于表层一定深度内,工艺设备的成本较高,不能保证所有淬火面都能获得均匀的表面淬火层等,从而使其发展受到一定限制。堆焊技术是轧辊修复领域里研究最多的技术。堆焊修复技术虽然能保证耐磨性,但工艺复杂,生产率低,劳动条件差,基体内残余应力大,轧辊在堆焊时容易产生气孔、裂缝、夹渣、焊瘤和脱落。热喷涂技术是将喷涂材料熔化或半熔化,并高速喷涂在基体表面形成微冶金结合或者机械结合的涂层制备技术。该技术的主要局限性是涂层与基材结合强度较低,结合机理主要为机械结合,涂层存在孔隙和残余应力,韧性差、切削加工性较差。另外热喷涂热效率低,材料利用率低,而且在操作过程中存在一些危害因素。热喷焊技术能实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合,热喷焊层组织致密,冶金缺陷少,喷焊层与基材为冶金结合,结合强度高,一般是热喷涂的10倍。该技术的缺点是热喷焊材料必须与基材相匹配,喷焊材料和基材范围比热喷涂窄得多,且热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多。激光强化是利用高密度的能量输入,使轧辊表面瞬时达到高温,而后随着激光束的移动,表面温度又快速下降,从而造成轧辊表面的组织改性。其特点为:激光功率密度大,用激光束强化金属加热速度快,基体自冷速度高;输入热量少,工件处理后的热变形很小;强化区组织高度细化、强化效果超乎常规;利用点加工或线扫描加工方式可以获得软硬相间、强韧兼顾的离散强化表层;加热不受外界磁场的影响;能精确控制加工条件,可以实现在线加工,易于与计算机联接,实现自动化操作。激光淬火、激光重熔、激光合金化、激光熔覆等技术已应用于轧辊表面的强化和修复。2.1激光重熔喷技术激光淬火即激光相变硬化是指以激光作为热源的淬火,以高能量密度激光束快速扫描工件,金属表层温度以极快速度上升至高于材料相变临界温度而低于材料熔点;当激光束离开,冷基体使表层金属又以相当快的速度冷却完成相变转化过程,从而实现工件的自冷淬火,获得较常规淬火高15%～20%的表面硬度。其优点主要体现在:加工效率高、耐磨性更好、零件变形小、零件疲劳强度好、加工柔性好、自动化程度高、对环境污染小。激光淬火的不足之处在于硬化层深较浅。姚建华等对40Cr结构钢进行了大面积激光相变硬化硬度分布特征研究,得出其硬化带平均深度为0.5mm、平均硬度达到HV700、整个硬化带层深比较均匀的结论。张国栋等对高镍铬无限冷硬铸铁轧辊用钢进行了激光相变硬化处理,结果表明相变硬化层由熔化区和淬硬区组成,其中熔化区主要由残余奥氏体组成,以树枝晶和胞晶形式存在;而淬硬区含有大量的快冷马氏体和未完全溶解的碳化物,以及少量的残余奥氏体。由此高镍铬无限冷硬铸铁轧辊用钢的硬度和耐磨性能得到了大幅度提高。激光重熔是指光束照射材料使其表面层熔化,然后依靠基体冷却快速凝固结晶。激光熔凝可获得2～3mm的硬化层,典型组织为超细化、过饱和的马氏体和高度弥散、均匀分布的碳化物强化相颗粒。凝固组织成分偏析减少,呈现较高的压应力状态,从而很大程度上增强了材料表层的耐磨性和耐蚀性。激光熔凝技术处理轧辊要求熔凝层比激光淬火层的总硬化层深度深,硬度要高。张来启等分别按轧钢量、磨损量计算,发现球墨铸铁和白口铸铁激光重熔热轧辊的寿命分别比原来延长50%和15.6%～23.4%。赵玉珍等在高碳高合金钢Cr12表面进行了激光重熔处理后获得超细化的枝晶组织,其抗弯强度和耐磨性显著提高。在抗弯试验和磨损过程中,熔凝层内的奥氏体含量大幅度降低,并出现了大量层错和位错团。75CrMnMo铸钢轧辊经激光重熔处理后,横截面组织为熔凝和相变硬化区(马氏体+大量残余奥氏体+碳化物)、过渡区(高温回火组织)及母材(回火索氏体+大块专或条状碳化物),其硬化区深度可达2mm,表层硬度可达70～85HSD,过钢量也有大幅提高。2.2其他表面合金激光合金化是用激光照射被覆纯金属或合金涂层的工件表面,加热到一定固态温度或形成一层较薄的熔区,通过合金元素扩散,得到表面合金化层进而达到改善材料表面的力学、物理和化学性能的目的。激光合金化可以采用镀层、涂敷粉末或薄膜,即用离子注入及其化学热处理方法,将所要求的合金元素涂敷到金属表面上,在强激光作用下,表面合金的成分在宏观上基本均匀。在合金化组元的选择上既有Cr、Ni、Mo等金属元素,又有C、N、B、Si等非金属元素,还有碳化物、氧化物、氮化物等难熔质点。激光合金化中加入的元素与基材一起熔化,并混入融化的基材中形成一种新的合金,其成分既不同于外加合金,又不同于基材。所以利用激光表面合金化技术可在一些表面性能差、价格便宜的基体金属表面制出耐磨、耐蚀、耐高温的表面合金,用于取代昂贵的整体合金,节约贵重金属材料和战略材料,使廉价合金获得更广泛的应用,从而大幅度降低成本。另外,还可用它制造在性能上与传统冶金方法所得合金根本不同的表面合金,如国外采用激光表面合金化工艺研制超导合金MoN、MoC和V3Si等。这种技术应用于冷轧辊表面,不仅可以改善轧辊表面的性能,减少轧辊在使用中的重淬次数,而且还可以制作不同表面形貌的轧辊,以满足生产的需要。郑克全等利用高功率CO2激光束在45#钢表面添加碳和钛元素,能在45#钢表面生成含有TiC硬质化合物的合金层;并且,生成新物相的多少与添加合金元素种类、合金元素之间的比例和处理条件有关;合金元素在激光合金化处理中因熔度较高、分布均匀、晶粒细化程度高,而能生成多种硬质物相是提高合金层性能的重要原因。逄淑杰等在T8钢表面采用Ni60合金粉进行激光合金化处理,在基体表面形成了包含Ni2Si、Ni4B3、CrB2、Cr7C3、Cr23C6和Fe3C等多种物相的合金层,这些物相的生成对表面强化起着重要作用,合金层内合金元素在奥氏体、铁素体和马氏体中起到固溶强化作用,以及合金层内残余奥氏体的存在等使得表面硬度和耐磨性都得到了提高。马颖等通过对高磷铸铁表面进行以镍基合金粉末为主的激光合金化处理,在工艺参数适当时,镍铬硼硅粉末能很好地溶于基材中,形成了明显的合金层与过渡区,溶入的合金元素大多以化合物或固溶体的形式存在,合金层与基材结合良好,未见宏观及微观裂纹,表面硬化层的硬度值大幅度提高,并使耐磨性提高了5～7倍。激光合金化存在的突出问题之一是合金化组织不均匀:一是合金化熔池内的组织不均匀,在其横截面内出现了组织梯度;二是熔池内的宏观组织不均匀;三是存在大面积合金化的搭接区。常见的复合组织特征有3种,即平面晶、胞状晶+胞状树枝晶+树枝晶;胞状晶+胞状树枝晶+树枝晶;胞状树枝晶+树枝晶。激光合金化宏观组织不均匀性的主要原因是激光作用下合金熔池内的熔体对流运动,并未使合金元素在熔池内均匀混合,其均匀程度受到合金化工艺参数、合金熔体及其流体力学特性的综合控制。目前这方面已有人进行研究,但尚不深入。另外对合金化层的成分还不能做到精确控制,激光熔化过程中各元素烧损系数的系统测定及元素溶入量的精确控制问题仍未解决。在激光合金化过程中,如果工艺控制不严格将造成合金元素烧损,即高温下合金元素的氧化,导致产生合金化层内合金元素分布不均匀的现象。2.3激光熔覆工艺及涂层激光熔覆亦称激光熔覆或激光包覆,是目前处于研究、开发阶段的一种新型表面改性技术,通过在基体表面添加合金粉末或陶瓷粉末等熔覆材料,并利用高能量密度的激光束使之与基体表面薄层一起熔化,光束移开后自激冷却,在基体表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层,从而达到恢复几何尺寸、强化表面的修复目的。激光熔覆组织是一种典型的快速凝固非平衡组织,与熔覆材料、工艺参数密切相关,其一般特征是组织细小均匀,基体固溶度大大扩展或形成亚稳相,并且由于熔覆层与基体呈现原子冶金结合,金属表面能获得高的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温和抗氧化等优异的综合性能。激光熔覆可以在低成本材料上制成高性能表面,代替大量高级合金,以节约贵重、稀有金属材料,降低能耗。经激光涂覆的材料可大量应用于局部易磨损、冲击、剥蚀、氧化、腐蚀及局部要求特殊性能(局部光敏、热敏、超导、强磁性能)的零部件,如轧辊孔型和局部掉块的修复。在轧辊表面涂覆高硬度、耐磨损、抗腐蚀、耐高温的材料,可以提高表面的综合力学性能。与传统的喷涂复合方法相比,激光熔覆具有如下优点:热输入和畸变较小;与基体呈冶金结合;冷却速度快(高达106K/s),组织具有快速凝固的典型特征;粉末选择几乎没有任何限制,特别是在低熔点金属表面熔覆高熔点合金;覆层成分、稀释率及覆层尺寸可控,易实现选区熔覆;工艺过程易实现自动化。按熔覆层材料的添加方式,激光熔覆修复的工艺方法主要有预置粉末法和同步送粉法2种。预置粉末法是将要熔覆的材料通过热喷涂、电镀、化学镀、等离子喷涂和粘接等方法预置于金属表面,然后经激光照射至熔化;同步送粉法是将粉末直接喷在激光辐射所形成的移动熔池上,熔覆层一次性形成。前者工艺简单、操作灵活,但不易控制基体熔深,稀释度较大;后者工艺参数易控制,熔顶层质量较好,生产效率高,但需配备计量精确的送粉装置,对粉末也有特殊要求。激光熔覆材料合金成分的设计是目前研究的主要方向之一:激光熔覆采用的熔覆材料主要沿用传统的喷涂系列合金,已不能满足生产实际的需要。因此,研究和开发符合资源的新型优化配置、满足性能要求的熔覆材料将是当务之急。各国学者在此方面做了有益的探索,但尚未系列化和标准化,还未能实现按性能要求定量设计合金的成分。按涂层的功能类型,目前激光熔覆的涂层材料体系分类如下。(1)耐磨涂层:由于钴基、镍基、铁基自熔合金熔覆后均有较好的耐磨性,其中尤以镍基自熔合金价廉且有一定的耐蚀性和高温自润滑作用而倍受重视。在Ni-Cr-B-Si系自熔合金中加入WC、TiC、SiC、B4C等高熔点的超硬陶瓷颗粒形成复合涂层,可大大提高涂层的硬度和耐磨性,平均硬度达HV1000～1400。(2)耐蚀涂层:以Ni基自熔合金和不锈钢为基含SiC、B4C等的复合涂层具有良好的耐腐蚀能力。此外非晶态合金具有很好的电化学“钝化”作用,非常适合作耐蚀涂层;激光熔覆的快速凝固过程使之成为生产非晶态合金涂层的有效手段。(3)热障涂层:含SiO2、ZrO2、Al2O3等氧化物陶瓷颗粒的金属基复合涂层或纯陶瓷涂层用作热障保护层是目前激光熔覆研究中的热点之一。为了解决纯陶瓷涂层中的裂纹及实现与金属基体的高强结合,使用中间过渡层并在陶瓷层中加入低熔点高膨胀系数的CaO、SiO2、TiO2等松弛应力是成功的经验。(4)抗氧化涂层:抗高温氧化涂层在火箭发动机的高温部件上等高科技领域有着广阔的应用前景。激光熔覆中研究较多的是MCrAlY系列合金涂层,其中M代表Ni、Co等过渡族元素。稀土元素的加入能进一步细化组织、稳定晶界和减缓内扩散,增强涂层的抗高温腐蚀能力。(5)生物涂层:Ti基HAP复合材料以及含Ca、P的生物玻璃陶瓷涂层是激光熔覆中刚刚起步的研究方向。生物金属材料如Ti基合金等虽然具有比强度高、韧性好、无毒等优良性能,但一般都不具备生物活性和相容性。因此,在金属材料表面激光熔覆生物陶瓷涂层是大有可为的发展方向。梅运宏使用塑性好、极易与其它合金结合的DL-1镍基粉末对球墨铸铁轧辊样块进行激光熔覆试验,共熔覆3层,总厚度为2.7mm;对样块进行探伤检验,发现熔覆层并无任何缺陷;分析3次冶金结合区域,观察到金相组织的转变为球铁区—珠光体区—粗大铁素体加少量珠光体的混合区。晁明举等在常用的中碳钢(45#钢)基材上,激光熔覆添加适量CaO的G112镍华合金粉末,获得成形良好、无宏观裂纹、组织致密细化、耐磨性较好的熔覆层。在CaO质量分数为1%、激光功率为1kW、扫描速度为3mm/s时可以获得质量较好的熔覆层。谢学兵等采用自配Fe、B4C、硅铁稀土(FeSiLa)混合粉末在45#钢基体上进行激光熔覆实验,获得了表面质量良好的熔覆层,找出了熔覆层耐磨性能最佳时稀土La的含量。结果表明,适量的稀土La加入到硼铁激光熔覆层中能起到脱氧、脱硫、细化FeZB晶粒的作用,还能减少熔覆层微缺陷的产生。随着工艺研究的深入,获得复合覆层乃至梯度功能覆层是值得注意的研究趋势。欧阳家虎等在45#钢上熔覆了镍基复合耐磨层;裴宇韬等在2Cr13钢基体上涂覆了ZrO2与Ni合金的混合粉末,形成了分层复合覆层。HaudeI651采用水溶胶系统熔覆碳化物,可得到较厚又非常致密的复合涂层。Abboud等分别在Ni和Fe基合金上熔覆镍铝涂层和铁铝涂层,得到了3层厚达4mm的功能梯度涂层。3激光作用带的加固机理激光处理工艺方面,前人的研究大多集中于激光加工中各工艺参数对硬化层质量的影响以及对所得到的组织形貌的形成的解释上,有待于进一步研究的是激光处理的热力学和动力学,以揭示其本质规律。在硬化层的质量控制方面,主要问题包括硬化层不均匀及裂纹