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YAG激光毛化轧辊技术及应用(1)
    时间:2010-1-7     点击率:29550

    编者按语:“YAG激光毛化轧辊技术及应用”是力学所杨明江研究员及其研究团队的一项技术发明,曾获1994年度中国科学院科技进步一等奖、1997年度中国专利发明创造金奖、2007年度国家技术发明二等奖。激光毛化轧辊技术已在全国十余个省市推广使用,除了应用于金属板(带)的冷轧辊外,还可以应用于印刷辊的图形刻蚀、汽缸体的激光珩磨、重载机车的轮轨处理等等。我们将分三次介绍激光毛化表面改性的力学机理、技术特点。

解析激光毛化表面改性的奥秘


   人们都知道,冶金行业使用轧机来生产各类冷轧板(带)材。而用于汽车、家电、建材、电子和轻工等领域的优质冷轧薄板,则需要有很好的深冲成型性和涂镀结合力。在这种情况下,板(带)材料的表面完全平整光滑并非是最好的,它要求有一定的均匀粗糙度(Ra值在0.5-2.0微米范围内)。习惯上,我们把粗糙化过程,通俗地称作为“毛化”。
       
图1. YAG激光毛化汽车板

    如何实现板(带)材的表面毛化呢?把一块块轧制好材料的表面打“毛”?那太不经济了!聪明的人们决定在轧辊上做文章,首先对轧机的平整辊、光整辊、精整辊等等进行粗糙化(毛化)处理。然后通过轧制过程把辊面上那些织构化的结构“复制”到被轧制的材料表面上,从而实现了大规模的连续化工业生产。此外,轧辊表面被毛化处理后,其耐磨损性能大大提高,从而可以增加轧制速度和轧辊寿命。真是一举多得啊:产品质量提高了,工作效率增进了,生产成本还降低了!

 

图2. 一种典型的YAG激光毛化辊表面形貌

    从生产的过程来看,板(带)材经常要进行冲压以制造出各种形状的零件。在冲压过程中,材料受到拉伸而变形,如果材料的抗拉伸性能不好,就会出现裂纹甚至断裂破坏。这个问题在深冲成型中尤其容易发生。从力学的角度来看,为什么经过激光毛化处理后的材料性能会提高与改善呢?激光毛化首先采用高重频激光束使辊面材料快速熔凝,形成按一定方式排列的直径为一百微米量级、深度为几十微米量级的微坑,微坑边缘为凸起的熔凝物形成强化点。通过轧制过程,再在钢板表面形成相应的压痕(塑性变形强化点)。激光板面均布着高密度分布的塑性变形强化点,位错密度高,对材料表面的滑移有阻塞弥散作用,它延缓了材料表面微裂纹的萌生和扩展,可有效的提高板材的延伸率,从而提高深冲性能。图3是激光毛化板在双曲度拉伸试验中表面滑移阻塞弥散情况。而对轧辊表面来说,在激光作用下形成的是均匀密布的熔凝强化点。这些强化点由于晶粒细化,不但提高了轧辊耐磨性,延长了使用寿命,而且由于强化点晶界密度高,微裂纹的扩展因消耗能量而受到抑制,也能有效减少辊面的开裂剥落现象。力学所的研究还表明,材料中最初的微裂纹产生后,首先是在3~5个晶粒尺寸的范围内被相对冻结,但当某些短裂纹突破这个尺度时便会快速扩展成为主裂纹。从而发展了高密度毛化工艺。因此,激光毛化是一种对材料表面钉轧强化机制,它在材料表面形成了刚柔相济的复合结构,可以阻塞和弥散滑移,延缓微裂纹的萌生和发展。这就提高了材料的抗拉伸性能,增加了深冲成型性。
      

图3.激光毛化板单向拉伸形貌

   
图4. 微裂纹发展过程示意图

    图3是拉伸试验中,激光毛化板在不同拉力作用下的显微形貌。图4则是一个示意图,表明微裂纹在金属材料的晶格结构中是如何随时间逐步发展成为主裂纹的。现在,你明白了激光毛化处理为什么能抑制裂纹扩展从而提高材料深冲性、降低轧辊磨损的道理吗?