激光表面强化技术在钢铁企业中大放异彩

2016-02-04 10:29:05 作者：陈其汉来源：中国知网分享至：

一、前言

当前，钢铁产业正向着高效、绿色的模式发展，一些关键冶金设备的长寿命、稳定化是实现高效、绿色钢铁发展模式的重要途径。对于处于高温、高速、重负载和腐蚀环境下运行的大量机械设备，在长期使用过程中设备零部件表面出现磨损、腐蚀等失效情况，作为再制造工程体系中重要手段之一的激光表面强化技术，在冶金关键零部件修复或强化，延长使用寿命，实现钢铁的绿色循环经济中将大有用武之地。

激光表面处理技术

本项目结合宝钢工业技术服务有限公司在冶金设备强化中的工业实践，对激光表面强化技术在钢铁企业中的应用状况及所存在的问题进行了详细调查，并提出相应的解决方法，为今后激光表面强化技术在钢铁行业内的应用推广提供参考。

二、激光表面强化技术概述

目前，在钢铁企业中可使用的激光表面强化技术主要包括激光熔覆、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变材料的成分，通过激光束的局部快速加热冷却特点使材料表面发生马氏体相变达到强化的目的，可分为激光相变淬火和激光熔凝淬火。

2、激光熔覆

激光熔覆技术是采用激光束在指定的工件表面熔覆一层特殊性能的涂层，以改善工件表面性能的工艺。分为预置粉末法和同步送粉法，一般通过添加合金粉末完成激光熔覆。与传统的喷焊或者堆焊工艺相比，激光熔覆技术的优点在于：

（1）激光束能量密度高，涂层稀释率比较低，零部件热影响区小，变形小，适合强化或者修复一些高精度零件或者对变形要求严格的零件。

（2）通过优化熔覆选材可精确控制熔覆层的成分与性能，选材范围广且适用性强。

（3）激光熔覆因快速冷却形成的组织细小均匀致密，且冶金结合牢固，因此可应用于重载条件下的零件表面强化与修复，如钢企内的传动轴类或轧辊。

（4）激光熔覆层的尺寸大小和位置可自动化操作精确控制。采用多道搭接方法实现工件表面的大面积和大厚度激光熔覆，以满足不同形状、尺寸的机械设备零部件的激光表面强化与修复。

3、激光表面合金化

激光表面合金化与激光熔覆工艺过程类似，通过添加合金元素来改变工件表面的成分、组织和性能。但前者添加的合金元素与基材熔化一体并充分混合冷却凝固形成新的表面层，两者一起共同决定表面层的性能；而激光熔覆则主要是利用所添加合金粉末的性能，基材成分贡献很小，所以激光熔覆过程应尽可能降低稀释率。

三、激光表面强化技术在钢铁企业（宝钢工业）中的应用实践

1、激光表面熔覆技术应用实例及优势

（1）剪转鼓扁头。

宝钢某热轧厂异周速转鼓飞剪其驱动转鼓的扁头平面面积为 400 mm×700 mm，在使用过程中双面均存在异常磨损现象，经测量单边磨损量可达 1.5 mm。转鼓扁头与转动叉头间隙超差会引起传动系统的异常振动。转鼓材料为 SF590，材料可焊性差加上产品制造精度要求很高，如采用传统堆焊方法修理焊接缺陷和应力变形难于控制。

因此利用激光熔覆方法热输入量较低和热影响区变形小的特点，选用激光熔覆方法尝试对其进行修复。先在转鼓扁头表面熔覆 2 mm 厚镍基合金，再经机械加工恢复到原图纸要求。转鼓扁头因选用加工硬化特性好的镍基合金作为表面强化层，其耐冲击磨损性能大大提高，经四年多的生产使用，尺寸基本保持不变，效果非常显著。

（2）万向节轴承孔。

激光表面熔覆强化

宝钢某热轧 R1、R2 粗轧机主传动轴十字轴万向联轴器，由于轧机侧工况恶劣，工作时受轧制冷却水喷淋，叉头轴承孔受到磨蚀和磨损的双重作用失效致使十字轴轴承松动，主传动异常振动，无法正常使用。万向联轴器为高强度合金钢，精度要求很高，采用常规方法根本无法修复。

通过激光熔覆方法制备 1.5 mm 镍基合金，抗腐蚀性能得到大大提高，上线使用一年后，轴承孔尺寸仅扩大了 0.01～0.02 mm。

（3）轧机主传动轴。

激光熔覆修复技术

轧机主传动轴是指轧钢传动装置中的接轴和联轴器。冶金企业轧机用传动轴均要求满足传递扭矩大，允许倾角大，最大回旋直径控制并且抗冲击。由于冶金机械设备的重载主传动轴同时经受扭转、弯曲、拉压交变载荷以及重载接触交变载荷和严酷磨损的共同作用，工作面磨损严重，需定期下线修理。之前主要采用电弧堆焊方法恢复尺寸，通过焊接新材料提高耐磨性。但随堆焊修复次数增加，裂纹敏感性增大导致断裂事故频发。

现通过采用激光熔覆的方法对如叉头等部件磨损部位成功进行修复，因激光熔覆过程对基材本体影响较小且采用的熔覆合金材料大大提升了工件的表面性能，延长了此类部件的使用寿命。

（4）轧机牌坊。

激光熔覆

大型热轧机工况恶劣，工作时除轧制力大外，大量冷却水喷冲灼热的钢坯，喷溅出大量水蒸汽和氧化铁粉，造成了轧机牌坊上相关衬板安装面发生腐蚀磨损，间隙超差，衬板松动等现象，导致设备运行状态恶化，精度下降。之前采用机械加工方法进行修复，但二次腐蚀磨损以及多次机械加工将会对牌坊的强度和刚度产生不利影响。而常规的堆焊修复技术，堆焊熔敷金属量大、对母材的热影响严重，导致轧机牌坊变形等。

本例通过采用在线机加工后激光熔覆的方法熔覆 0.25～0.30 mm 厚的钴基合金涂层对衬板面进行了表面强化修复。得益于激光熔敷材料的性质以及热输入小、涂层薄，在不影响本体和牌坊机架总体结构的基础上，显著提高了牌坊表面的使用性能。采用机械手在现场恶劣环境下施工将大大减轻施工的劳动强度，激光熔覆后涂层表面平整，无需后续机加工，节省了修复成本和时间。此修复工艺在 2007 年初轧厂年修期间 1# 牌坊上顺利实施，使用至今效果良好。

2、激光表面合金化应用实例

激光表面合金化

采用高功率激光对冶金轧辊进行激光合金化处理，在不改变轧辊整体综合机械性能的情况下，通过高功率激光使合金熔化渗透轧辊工作表面，既不改变轧辊表面孔型尺寸，又能大辐度提高轧辊的表面硬度和耐磨性，显著提高轧辊的使用寿命。针对宝钢条钢厂两件 200 圆形孔和 145 方形孔磨损的V1 连轧辊进行激光表面合金化处理，表面硬度控制在 HRC50～55。激光表面合金化强化后能够保证200 圆形孔轧钢量达到 8 000 t，145 方形孔轧钢量达到 15 000 t。

3、激光表面淬火应用实例

激光表面淬火

（1）CDQ 旋转阀密封环。

焦化 CDQ 排出装置旋转阀的密封环为外径 1 800 mm、宽 60 mm、厚 8 mm的薄板零件，原进口件为特种钢材料。旋转阀在修复时通过采用 45 钢进行材料替代，并使用激光表面淬火增强密封面的耐磨性，激光表面淬火硬度达到HRC52，硬化层深度达 0.5 mm，保证了密封环的使用性能。

（2）烧结台车轨道密封板。

烧结台车在运行时，台车底部弹簧密封板与轨道密封板之间既相对滑动又必须密封，以防止漏风。漏风率直接影响到矿粉的烧结质量和效率以及除尘效果。原轨道密封板采用的是普通球铁，无法满足设备检修周期的要求，为提高密封面的耐磨性，通过采用激光表面淬火处理，使其表面硬度达到 HRC52，淬面层深度达0.5 mm，取得了良好的效果。

四、推广应用中还需解决的问题

（1）改善激光表面强化后强化层的机械加工性能，达到强化件高的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度要求。

（2）开发新型大功率激光器及相应的强化工艺和材料，降低成本，提高其生产效率。

（3）激光表面强化技术应用的规范化和标准化。

责任编辑：周娅

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