高铬钢碳及合金元素含量高,含有大量的一次碳化物,具有较高的耐磨性,被广泛用于热轧辊。轧辊在热、力交变环境下服役一段时间后,表面会产生疲劳微裂纹,室温的冷却水通常呈中性或弱碱性,对轧辊表面有腐蚀作用,并伴随一定的疲劳条件,诱发腐蚀疲劳开裂,降低轧辊的使用寿命。而轧辊表面的损坏又先从表面裂纹的集结开始,腐蚀的作用会使这些微裂纹在表面产生疵点,降低轧辊的表面光洁度,影响钢材的表面质量。
近年来,快速凝固技术已成为改善轧辊表面性能的有效手段。其中,激光熔凝处理不需要额外的冷却介质,不改变表面的化学成分,依靠快速冷却实现局部的表面改性,是最简单、最经济的处理方法。另外,激光加热使脆性碳化物溶解,快速冷却使传统的相转变被抑制,熔池发生非平衡转变,形成均匀、细小的组织及新的亚稳相,从而改善了材料的表面性能。
高碳高合金钢的耐蚀性主要受2个因素的影响:(1)碳化物数量及尺寸;(2)残余奥氏体含量。固溶在高铬钢中的碳化物富含Cr元素,碳化物含量越大,其中所含Cr元素的含量也越大,从而使基体中有利于形成钝化膜的Cr元素含量较小,致使其耐蚀性降低;同时,高铬钢中由于成分偏析和碳化物的沿晶界分布,导致微观结构不均匀,造成表面自由能不均匀,引起较大的电位差,形成局部腐蚀原电池,也导致了其耐蚀性较差。
激光辐照高铬钢表面时,其表层吸收能量,温度快速升高并依靠热传导向内部传递,在表面形成熔池,熔池内的各成分不断流动,减小了显微偏析,最终达到均匀分布,降低了表面微观组织的局部不均匀性,有效地减少了腐蚀微电池的数目,提高了表面耐蚀性。熔池内液体元素的混合主要是通过扩散和对流进行。与在固相中的扩散相比较,元素在液相中的扩散系数通常都很大,因而熔池内各元素扩散很快,从而达到均匀分布。熔池内的对流主要是由表面张力梯度和重力引起的。当表面被激光束直接照射时,液体的温度达到最高值,表面应力相应下降;非直接照射而接近激光束的液体,其温度比最高值稍低,此处的表面张力较大,在表面张力梯度作用下,熔池内的液体由表面张力低处被拉向高处。在这种对流作用下产生回旋流动,使表面层的各成分均匀化。
此外,激光加热温度较高,高铬钢中大量的网状碳化物完全溶解,碳及合金元素固溶于奥氏体中,Cr,Mo等强碳化物形成元素抑制了碳化物在晶界的沉淀析出,致使碳化物含量减少。同时,快速冷却条件下,碳及合金元素固溶度的提高使马氏体转变被抑制,生成大量的奥氏体组织,处于腐蚀介质中的电化学腐蚀倾向降低,高铬钢的耐蚀性得以提高。
