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材料力学性能的激光调控技术(2)
    时间:2011-11-6     点击率:26266

编者按:力学研究所陈光南研究员,作为“YAG激光毛化轧辊技术及应用”项目的主要完成人之一,曾获得由世界知识产权组织和中国专利局联合颁发的“中国专利发明创造金奖”(1997年)和由国家颁发的“中华人民共和国科学技术发明奖”二等奖(2007年);作为“管状工作内壁激光强化技术”项目的主持人,曾获得由中华人民共和国国防科技工业委员会颁发的“国防工业科技协作配套先进个人”称号(2006年)和“国防科学技术发明奖”三等奖(2008年)。陈光南研究团队在材料力学性能的激光调控技术方面持续开展了深入细致的研究,我们将陆续介绍相关的进展。
 

材料力学性能的激光调控技术(2)
激光毛化方法及其应用

  冲压用精密冷轧薄钢板和钢带是冶金行业的高技术产品,在汽车和电器等工业部门应用非常广泛,因为这些产品的外蒙皮都是由薄板在模具上冲压而成形的。为减小冲压时成形件与磨具间的摩擦力和增加材料的流动性能,这类钢板必须是毛面(就是说,钢板的表面需要具备一定的形貌和粗糙度),而这种毛面则是通过平整轧制工序从毛面工作轧辊的表面复制得到的。因此,对冷轧工作辊进行毛化加工,调控其表面形貌和粗糙度,就成为相关企业生产这类产品的一项重要程序。但开始我国相关行业对此认识不足,以致于在很长一段时间里,我们的轧钢厂即使引进了国外先进的轧制设备,国产产品与国外同类产品的质量相比仍存在相当大的差距。1992年,在首都钢铁公司钢铁研究所、北京大恒公司和北京吉普有限公司等单位的配合下,中国科学院力学研究所研制出我国首台YAG激光毛化设备,开发了针对冷轧辊的激光毛化工艺,并于同年将其成功应用于我国第一家专门生产精密薄带钢的秦皇岛龙腾精密带钢有限公司。目前,我国自行研发的轧辊激光毛化技术与装备,已得到冶金行业的广泛认可。应用激光毛化技术的产品也从最初的低碳钢板,逐渐扩大到普碳钢、合金钢甚至铝合金产品。激光毛化轧辊的应用从冷轧平整工序扩展到了冷轧工序。激光毛化技术已从生产毛面钢板,扩展到提高轧辊的使用性能和使用寿命,成为可以兼顾改形与改性、功能与结构以及增强与增韧的多目标综合应用技术。
 


图1 YAG激光轧辊毛化装备
 

  轧辊激光毛化技术原理是,用高重复频率和高功率密度脉冲激光(CO2激光用机械方法调制脉冲,YAG激光用Q开关调制脉冲),按照一定的分布(有规则或随机分布),逐点对轧辊表层材料进行微米尺度的熔凝加工,同时利用高压气流,按设定方向、位置和形态移动并堆积熔体。因此,所谓轧辊激光毛化加工,实际上是以激光和气流为手段,对轧辊表面进行的有一定图案和形貌要求的显微雕塑过程(见图2,3)。经过激光加工的轧辊表层强韧性得到提升,其结果不仅是增加了轧辊的使用寿命,而且提高了所轧制钢板的力学性能。
 


图2 YAG激光毛化花样(左:单脉冲,右:多脉冲)


图3 单脉冲激光毛化点的剖面形貌(500X)
 

  那人们自然会问:激光毛化轧辊延寿的机制是什么?我们的专家给出了“减压增韧”、“改性增强”和“改形减磨”三个说法。下面让我们一一解析这里面的道理吧。
  (1)所谓减压增韧,就是通过降低残余压应力强度来提高轧辊表层的韧性。我们知道,冷轧工作轧辊多采用高强度合金钢甚至高速钢制造,为了进一步提高其表层的硬度和耐磨损能力,在轧辊制造的最后阶段还须对其表层进行淬火处理,但由此形成的残余压应力也有增大轧辊表层脆性甚至导致表层局部崩裂的风险。研究表明,激光毛化处理可以在轧辊表面制造粗糙度的同时,有效缓解其表层的残余压应力状态。X射线应力仪测试证明:当激光毛化点的间距与其直径(一般为200微米)相等时,轧辊表层的残余压应力强度随在每个毛化点作用的激光脉冲数的增加而下降,但当激光脉冲数大于6时则可能产生残余拉应力。因此,从延长其寿命的角度看,激光毛化轧辊的工艺参数必须限定在合适的范围内。
  (2)所谓改性增强,是通过相变和细化组织来提升表层材料的硬度。激光离散处理不仅可以获得比常规热处理更高的改性强化效果,还可以通过进一步提高冷却效果、缓解和分散残余应力集中程度,提升辊面材料的强韧水平。激光毛化所用脉冲激光的功率密度甚高且作用时间很短(亚微秒至微秒量级),毛化点内的物质迅速熔融又快速凝固,所形成的凝固组织的细化程度及其硬度水平远高于常规热处理。激光毛化点的剖面结构(参见图3),由表及里大致可以分为三层:即快速凝固层(即白亮带,为纳米晶甚至非晶组织,其硬度≥900HV)、固态相变层(为针状或板条马氏体组织,其硬度≈800HV)和基体(一般为马氏体和贝氏体组织,其硬度≈700HV)。此外,因为激光毛化点(即硬化点)呈离散分布,由此形成的软硬相间辊面结构可以进一步提高轧辊的耐磨损能力。
  (3) 所谓改形减磨,是通过改善辊面与轧件的接触条件来减小轧件对辊面的磨损。激光毛化在轧辊表面形成的微小结构,是离散分布的封闭微坑和相对光滑的凸包。轧辊轧制钢板时,这种微结构会与轧件之间形成如图4所示的接触状态。由于咬合良好,双方不易发生滑动,轧辊因此不易磨损。此外,封闭于微坑内的轧制液可在轧辊与轧件咬合后产生高压,这样既有利于保持其润滑作用,又有利于减少轧辊与轧件发生粘连的有害现象发生。这里要告诉大家的是,专家们进行的对比试验表明激光毛化辊的延寿效果十分显著,以400mm宽森吉米尔轧机冷轧低碳钢薄板为例,平整轧制退火薄板时(压下率小于1%),激光毛化轧辊的磨损率远低于常用的喷丸毛化轧辊,其轧制产品的长度亦是后者的两倍以上。
 


图4激光毛化轧辊辊面与轧件接触条件示意
 

  接着人们还会问道:激光毛面薄板性能优化的机制又是什么呢?刚才提到,由于轧辊表面存在微结构形貌,在轧制过程中轧辊和轧件之间不易发生滑动,从而不易在轧件表面形成划痕和犁沟,由于封闭型微坑内存留轧制液减小轧辊与轧件发生粘连的可能性,这些都是保证产品质量的重要方面。但是,既然没有激光的直接作用,那激光毛化为什么能影响钢板的塑性变形能力呢?以下分三个部分来讨论这一问题:
  (1)激光毛化轧辊与钢板或钢带是如何关联的?激光毛化轧辊时,轧辊表面既有形貌改变,亦有组织和性能的改变,还可能产生残余拉应力。用它来平整轧制钢板或钢带时,除了表面形貌外,轧辊的其它变化是不能被“复制”或传递给轧件的。板与辊之间关系只有受迫变形和复制形貌。一般讲,辊面的凸包对应板面的凹坑,其传递效率较高,可达80%;辊面的凹坑对应板面的凸包,其传递效率较低,只有20%左右)。
  (2)毛化形貌如何改善钢板或钢带的塑性变形能力?前面已经讲到,通过形貌转移,轧辊可以在被轧钢板或钢带表面的对应部位上形成凸包和凹坑。这些凸包和凹坑处的材料,因其变形程度大于其它区域而获得更大的硬化效果。离散分布的这种硬化区具有均化和稳定变形、延缓变形集中、从而提升激光板塑性变形能力的功能。我们的专家分别采用砂轮磨光轧辊和激光毛化轧辊,对同一卷0.35mm厚08F冷轧退火钢带进行了压下率为3%的平整轧制,并在获得的光面板和激光毛面板上分别取样进行拉伸试验。其结果(如图5所示)证实: 激光毛化使08F钢板的延伸率提高近5倍。
 


图5 08F钢激光板与普通板拉伸性能对比
 

  (3)激光毛化方法改善钢板或钢带塑性变形能力机制是什么?我们专家在扫描电镜下进行动态拉伸试验,结果发现:进入塑性变形阶段后,样件表面的滑移线首先出现在远离毛化点的区域,这显然是因为毛化点具有更高的硬化程度不易发生塑性变形的缘故,虽拉伸载荷进一步增加,板面滑移线的密度也不断增加并向外扩展,但在这些地区的硬化程度与毛化点的预应变硬化程度相当之前,滑移线无法逾越毛化点,这样就出现了滑移线在毛化点周边富集的现象(参见图6),这一现象在硬化点参与样件的整体变形之后才会消失。这就是说,激光板拉伸变形时,离散分布的硬化点在客观上发挥了均化变形、稳定变形和延缓变形集中的作用。
 


图6 滑移线在激光板面硬化点周边塞集的形态(SEM)
  

  最后,我们来看看YAG激光毛化技术发展应用情况:
  (1)在改善轧辊的性能与功能方面,力学所的专家们开发成功通过改善辊板接触条件防止带钢退火粘结以及通过提高其表层的强韧水平延长轧辊寿命的激光毛化技术等。
  (2)在提高轧机生产效率方面,力学所的专家们开发成功通过改善轧辊与薄板间的摩擦条件以提高轧机轧制速度的激光毛化技术,还开发成功利用上下工作轧辊的粗糙度差异在普通冷轧机上实现异步轧制的激光毛化技术等。
  (3)在发展新型薄板产品方面,力学所的专家们开发成功光亮度和冲压性能兼优的精密带钢和镜面钢板生产技术等。
                        (王柏懿撰文)