[01180051]合金钢轧辊激光熔凝超细化及裂纹敏感性研究

1.课题来源与背景 轧辊是轧机的主要部件,也是钢铁生产中的主要消耗件之一,尺寸大,价格比较昂贵,其寿命长短不仅与产品的成本密切相关,而且直接决定钢铁制品的质量,因此,以提高轧辊质量和寿命为目的的研究工作具有特别重要的意义。激光表面强化是新兴的激光技术和历史悠久的金属表面处理相结合的产物。激光熔凝是指材料在高能量密度激光束作用下快速加热熔化和快速冷却的过程。将其用于合金钢轧辊的表面强化处理,不仅能够大大提高强化效率,而且显著提高轧辊的使用寿命。现在对合金钢轧辊激光熔凝超细化强化机理的研究很不完善。 2.研究目的与意义 激光熔凝加工时,由于极高的能量密度、冷却速度和轧辊高的合金元素含量,极易产生裂纹。因此研究合金钢轧辊在不同激光工艺参数条件下的组织形态及表面应力的分布状态,揭示激光能量密度对材料中温度梯度及表面应力的影响规律,对于指导工艺设计和提高合金钢轧辊激光熔凝加工的质量具有重要意义。 3.主要论点与论据 项目以20CrNi合金钢和高铬铸钢为主要研究对象,采用试验研究、理论分析和SYSWELD数值模拟相结合的方法,以激光熔凝温度场研究为基础,借助金相、SEM、TEM、EPMA及XRD等多种分析手段研究合金钢轧辊组织结构特点及超细化机理。通过合金钢轧辊激光熔凝层瞬态应力变化和残余应力分布规律的数值仿真,结合组织和硬度特点研究了激光熔凝层裂纹敏感性。对激光熔凝处理后的试样进行高温试验,研究其高温氧化行为及高温磨损性能,从而得到二者之间的相互联系。得到以下成果： （1）获得了精确的合金钢轧辊激光熔凝温度场; （2）获得了合金钢轧辊激光熔凝组织超细化机理; （3）获得了合金钢轧辊激光熔凝表面应力的分布规律; （4）获得了合金钢轧辊激光熔凝裂纹产生机理及增韧措施。 4.创见与创新 ① 本项目针对我国轧辊发展现状及对热轧辊表面强化的迫切需要而开展,具有较高的学术意义和重大的工程实用价值。 ②采用实验、理论分析和SYSWELD数值模拟研究相结合的方法对合金钢轧辊激光熔凝硬化层的组织超细化、表面应力及裂纹敏感性进行系统研究是本项目的特色。 ③合金钢轧辊激光熔凝的温度场、应力场的数值模拟和实验研究对于揭示激光熔凝过程激光与材料作用的物理过程具有重要的学术意义。 ④合金钢轧辊激光熔凝裂纹敏感性的研究和增韧措施的提出对于合金钢轧辊激光表面强化具有现实的应用意义。 5.社会经济效益,存在的问题 本研究可应用于各类合金钢和铸铁轧辊的表面强化,可大幅度延长轧辊使用寿命,也可用于其它材料的表面改性。因此本课题的研究意义重大,有巨大的直接目标市场,而潜在市场将更加广阔。 存在的问题：实验室研究存在一定的局限性,模拟工况与轧辊的实际工况存在一定差距,建议将激光熔凝处理推广到轧钢厂使用的轧辊表面,在实际应用中发现问题并解决问题,加速激光处理技术的推广。 6.历年获奖情况 申请授权国家发明专利1项,发表高水平学术论文20多篇。