高速レーザークラッドによる鋳造ローリングスリーブの表面修復技術

アルミニウムシートの鋳造および圧延生産では、鋳造ロールスリーブが主要な作業部品です。 使用中、ロールスリーブの表面は高温と負荷の相互作用にさらされ、摩耗ピット、亀裂、磨耗が早期に発生するため、アルミニウムプレートの耐用年数と品質に影響を与えることがよくあります。 ローラースリーブの価格は1セットあたり数十万元に達することがあります。 早期に失敗すると、確実に生産コストが上昇し、生産企業の経済的利益の向上にはつながりません。 ロールスリーブの伝統的な補修方法は肉盛溶接ですが、熱伝達が大きいため母材の変形を招き、補修効果に影響を与えます。 この問題を解決するために、多くの専門家や学者がローラースリーブを修復するためのレーザークラッディング方法を提案しました。 レーザークラッドはハイテク表面改質技術として、加工精度が高く、熱変形度が小さく、後加工量が少ないという特徴を持っています。 コバルト基合金は、その高温強度、硬度、熱疲労耐性により、鋼材のレーザー被覆表面強化に広く使用されています。

高速レーザークラッディング技術は、高いクラッディング効率、高い粉末利用率、超低希釈率という特徴を持ち、鋳造ロールスリーブの同位相で回転する大型ワークピースの表面にレーザー合金層を迅速に作製できます。 クラッド層の表面粗さは低いため、後続の加工に役立ち、クラッド材料を節約し、従来のレーザークラッドの低効率と高コストの問題を克服します。 プロセスパラメータはクラッド層の性能に大きな影響を与えます。 鋳造ロールの性能を向上させるには、プロセスパラメータを最適化して優れた品質の高速レーザークラッド層を準備することが前提であり鍵となります。

表面修復クラッドの完成後、鋳造ロールスリーブの表面粗さは実際の作業条件の要件を満たせないことが多く、研削盤やその他のプロセスで再加工する必要があります。 したがって、クラッド層の厚さと表面粗さは、クラッド層の品質を評価する重要な指標となります。 この論文では、32Cr3Mo1V 鋳造圧延ロールスリーブ鋼をマトリックスとして使用しました。 まず、超高速レーザークラッディングによるコバルトベースのコーティングの厚さと表面粗さに及ぼすさまざまなプロセスパラメータの影響について議論しました。 最適範囲を決定した後、設計直交テストによって最適プロセスパラメータが最適化されました。 鋳造ロールスリーブの表面修復と強化のための新しくてより効率的な技術を探索するための実験的および理論的基礎を提供するために、最適なパラメーターを使用して準備されたクラッディングの微細構造と微小硬度が分析されました。

試験の母材は 32Cr3Mo1V アルミニウム鋳造および圧延機の鋳造ロールスリーブで、クラッド材は粒径 15-53μm の Co-06 合金粉末でした。 粉末の SEM 形態を図 1 に示し、組成を表 1 に示しました。コーティングの前に、粉末を 120 度の乾燥オーブンで 120 分間乾燥させました。 試験片表面の旋削痕と酸化層を機械研削により除去し、油をアルコールで洗浄しました。

                                                                                                        図1Co-06粉末のSEM画像

レーザー出力が 2500 W、クラッド速度が 15 m/min の場合、超高速レーザークラッド層の厚さは、特定のパラメータ範囲内で粉末供給速度の増加に伴って増加します。 超高速レーザークラッディングプロセスでは粉末利用率が 90% を超える場合があるため、クラッディング粉末の大部分はワークピース上で完全に溶解し、液体の状態で溶融池に注入できます。 粉末供給速度の増加に伴い、単位時間あたりにより多くのクラッド粉末が溶融プールに射出され、クラッド層の厚さが増加します。 しかし、このテストでは、粉末供給速度がレーザー出力まで増加し、他のパラメータが一致しない場合、クラッド粉末の大部分をワークピースの上部で完全に溶融させるには十分ではなく、未溶融または半溶融したクラッド粉末は、クラッド層の形成品質に重大な影響を与えます。

レーザー出力が 2800 W、粉末供給速度が 30 g/min の場合、クラッド層の厚さは、特定のパラメータ範囲内でクラッド速度の増加とともに減少します。 その理由は、超高速レーザーのクラッド皮膜が厚さ方向に複数の薄い層を重ねて構成されているためです。 オーバーラップ率が一定の場合、薄層の厚さはクラッド層の厚さを直接決定します。 クラッド率が増加すると、単位時間当たりに液滴の形で溶融池に注入される量が減少し、その結果、単一の薄いコーティングの厚さが減少し、最終的にはクラッド層の厚さが減少します。

粉末供給速度が 15 g/min、クラッド速度が 15 m/min の場合、特定のパラメータ範囲内ではクラッド層の厚さとレーザー出力の間に明らかな相関関係はありません。 超高速レーザークラッドは基板表面に極薄かつ最小限の溶融池しか生成しないため、希釈率が極めて低く、レーザー出力率が基板にほとんど影響を与えず、超高速レーザーの利用率が高くなります。レーザークラッド粉末は非常に高いため、レーザー出力の増加によって溶融できる粉末の量は限られているため、レーザー出力は超高速レーザークラッド層の厚さに大きな影響を与えません。

クラッド層の巨視的な表面形状を観察すると、上記パラメータ範囲内では、クラッド率が変化した場合にのみ、クラッド層の表面形状が大きく変化することが分かる。 クラッド速度が 75 m/min になるとクラッド層の表面形状が悪く粗さが大きくなるのに対し、クラッド速度が 15 m/min や 25 m/min になるとクラッド層の表面形状が粗くなることがわかります。クラッド層はより優れており、同時に粗さは低くなります。

1. パラメータの特定の範囲では、クラッド層の厚さは粉末供給速度の増加とともに増加し、クラッド速度の増加とともに減少します。クラッド層の厚さはレーザー出力と明らかな相関関係を持ちません。 。

2. 最適化されたプロセスパラメータは、レーザー出力 2500 W、走査速度 15 m/min、および粉末供給速度 30 g/min です。 これらのプロセスパラメータの下で、クラッド層はより高い厚さと微小硬度を得ることができます。

3.超高速レーザークラッド層の微細構造は均一かつ微細であり、明らかなアーチ剥離現象が見られます。 クラッド層の底部および中間領域は、大部分がクラッド層／マトリックス界面の融着線または重ね融着線に対して垂直に成長する柱状結晶であり、成長方向の安定性が高い。 溶融線領域にはわずかな粒子の粗大化があります。 クラッド層の上部領域のデンドライトの成長方向は比較的乱れています。

4. 超高速レーザークラッド層の微小硬度は基板の微小硬度よりも大幅に高く、キャストロールスリーブの耐摩耗性の向上に役立ちます。