喷射沉积-激光重熔高速钢轧辊复合成形与热磨损特性研究

This project aims to solve some actual production problems in domestic iron and steel enterprises, specifically, the high porosity and low hot wear performance for high speed steel rollers prepared by the spray forming technique. It is proposed here to fabricate advanced high speed steel rollers by combining the laser remelting and spray forming methods, targeting at developing new ways to improve their surface hardness and wear resistance. In order to optimize the design of the composition and morphology of carbides, the influence of large additions of strong carbide forming elements on the content and distribution of high-hardness fine carbides will be studied, utilizing thermodynamics and kinetics theories for rapid solidified high alloyed materials with EBSD characterization techniques. Since the laser assisted rapid solidification has the advantage of rapid quenching, the roller after laser remelting will be directly tempered to maintain the fine microstructure in the remelted layer, to improve the hardening effect and red hardness, and also to avoid serious oxidation burning loss, grain coarsening and growing of carbides, as happening in traditional high temperature quenching treatments. The project will also investigate actual working conditions for hot rolling, and carefully analyze the nucleation, growth, spallation, self-repairing process of oxide films, and the interaction mechanism between oxidation and wear. An effective oxidation treatment process will be designed to promote the formation of protective films on the fresh roller surface. The implementation of this project will significantly improve the hot wear properties of roller surface, extend the service life of rollers, improve the surface quality of rolled products, and hence upgrade the manufacturing level of advanced rollers in metallurgical industries.

项目从解决国内冶金企业喷射沉积高速钢轧辊表面孔隙率高、热磨损性能偏低的实际生产需求出发，采用喷射沉积-激光重熔复合新技术制造先进高速钢轧辊，探寻提高其表面热磨损性能的关键方法。为此，项目采用EBSD技术表征碳化物类型和分布，从高合金材料快速凝固动力学和形核热力学角度，研究提高强碳化物形成元素添加含量，以促进重熔层弥散析出更多高硬度细小碳化物的成分、工艺优化方案；针对激光快速凝固可起到急冷淬火的技术特点，研究重熔后轧辊直接回火的热处理制度，以避免传统调质处理高温淬火加热后严重的氧化烧损，晶粒和碳化物长大，保持重熔层细小的组织特征，提高二次硬化效果和红硬性；结合热轧实际工况，分析轧辊表面热磨损下氧化物膜形核、生长、剥落、自修复过程及磨损氧化的交互作用机理，设计合理的“烫辊”制度，促进新辊表面保护性氧化膜形成。项目的实施，可望显著提高轧辊热磨损性能、使用寿命和轧材表面质量，提升企业轧辊制造水平。

研究了喷射沉积-激光重熔M2(W6Mo5Cr4V2)高速钢组织性能。结果表明，喷射沉积坯经工艺优化后层状搭接处存在的孔隙和疏松等缺陷仍难以完全消除，激光重熔可消除该类缺陷且具有更细的组织和更高回火硬度。但激光重熔快速凝固技术制备传统成分M2高速钢，组织中硬质碳化物析出含量与熔炼的块体M2高速钢相比相对较少，碳化物仍成网状分布。因此，本项目同时研究了高合金元素含量对激光快速凝固高速钢涂层的影响。. 首先，在M2高速钢成分基础上提高W、Mo、V等强碳化物形成元素含量，研制了高钼钴、高钼钴钒、高钨钼钴三种涂层成分。研究发现添加高含量强碳化物形成元素有利于涂层中获得更多硬质碳化物，提高涂层硬度，但网状碳化物分布更显著，不利于涂层止裂性能。. 随后，项目提出了含更多组元的Fe68(WMoCrVCoNiCuAl)32中熵高速钢成分，并研究了C、W、Al、Cu等合金元素添加量对涂层组织性能的影响。结果表明，中熵高速钢涂层凝固后仍具有马氏体基体、弥散分布M2C和残余奥氏体典型高速钢组织特征。由于中熵效应和快速凝固动力学条件，凝固组织中未见粗大的过量碳化物析出。不同成分涂层在440~560℃区间直接回火后硬度达到800~870 HV，均接近或高于相同条件激光快速凝固M2高速钢的回火硬度813 HV，且碳化物分布相对更弥散、尺寸细小、韧性更优。TEM观察发现中熵高速钢显著的二次硬化效果来自马氏体基体上时效析出的大量纳米级M2C碳化物。同时，由于中熵高速钢成分中添加了抗氧化的Co、Ni、Al元素，涂层耐氧化和500℃热磨损性能明显好于相同条件制备的M2和高钨钼钴含量的高速钢等涂层。磨损面相结构和形貌分析显示，中熵高速钢涂层磨损面氧化层更致密，热磨损过程中氧化层大面积剥落现象与M2涂层相比明显减轻，是其具有更低摩擦系数和耐磨性的主要原因。. 综上，本项目结合激光快速凝固可提高高速钢涂层固溶度，但不利于碳化物硬质相析出的技术特点，提出了适用于喷射沉积、激光重熔快速凝固技术的中熵高速钢新成分，由于该成分具有良好的抗氧化、相对较高的韧性和与M2高速钢涂层接近的硬度，抗热磨损性能更优，特别适用于在冶金企业中温、氧化气氛使用的喷射沉积-激光重熔高速钢轧辊材料。