高鉻鋼碳及合金元素含量高,含有大量的一次碳化物,具有較高的耐磨性,被廣泛用于熱軋輥。軋輥在熱、力交變環(huán)境下服役一段時間后,表面會產(chǎn)生疲勞微裂紋,室溫的冷卻水通常呈中性或弱堿性,對軋輥表面有腐蝕作用,并伴隨一定的疲勞條件,誘發(fā)腐蝕疲勞開裂,降低軋輥的使用壽命。而軋輥表面的損壞又先從表面裂紋的集結(jié)開始,腐蝕的作用會使這些微裂紋在表面產(chǎn)生疵點,降低軋輥的表面光潔度,影響鋼材的表面質(zhì)量。

近年來,快速凝固技術(shù)已成為改善軋輥表面性能的有效手段。其中,激光熔凝處理不需要額外的冷卻介質(zhì),不改變表面的化學(xué)成分,依靠快速冷卻實現(xiàn)局部的表面改性,是最簡單、最經(jīng)濟的處理方法。另外,激光加熱使脆性碳化物溶解,快速冷卻使傳統(tǒng)的相轉(zhuǎn)變被抑制,熔池發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變,形成均勻、細小的組織及新的亞穩(wěn)相,從而改善了材料的表面性能。

高碳高合金鋼的耐蝕性主要受2個因素的影響:(1)碳化物數(shù)量及尺寸;(2)殘余奧氏體含量。固溶在高鉻鋼中的碳化物富含Cr元素,碳化物含量越大,其中所含Cr元素的含量也越大,從而使基體中有利于形成鈍化膜的Cr元素含量較小,致使其耐蝕性降低;同時,高鉻鋼中由于成分偏析和碳化物的沿晶界分布,導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)不均勻,造成表面自由能不均勻,引起較大的電位差,形成局部腐蝕原電池,也導(dǎo)致了其耐蝕性較差。

激光輻照高鉻鋼表面時,其表層吸收能量,溫度快速升高并依靠熱傳導(dǎo)向內(nèi)部傳遞,在表面形成熔池,熔池內(nèi)的各成分不斷流動,減小了顯微偏析,最終達到均勻分布,降低了表面微觀組織的局部不均勻性,有效地減少了腐蝕微電池的數(shù)目,提高了表面耐蝕性。熔池內(nèi)液體元素的混合主要是通過擴散和對流進行。與在固相中的擴散相比較,元素在液相中的擴散系數(shù)通常都很大,因而熔池內(nèi)各元素擴散很快,從而達到均勻分布。熔池內(nèi)的對流主要是由表面張力梯度和重力引起的。當表面被激光束直接照射時,液體的溫度達到最高值,表面應(yīng)力相應(yīng)下降;非直接照射而接近激光束的液體,其溫度比最高值稍低,此處的表面張力較大,在表面張力梯度作用下,熔池內(nèi)的液體由表面張力低處被拉向高處。在這種對流作用下產(chǎn)生回旋流動,使表面層的各成分均勻化。

此外,激光加熱溫度較高,高鉻鋼中大量的網(wǎng)狀碳化物完全溶解,碳及合金元素固溶于奧氏體中,Cr,Mo等強碳化物形成元素抑制了碳化物在晶界的沉淀析出,致使碳化物含量減少。同時,快速冷卻條件下,碳及合金元素固溶度的提高使馬氏體轉(zhuǎn)變被抑制,生成大量的奧氏體組織,處于腐蝕介質(zhì)中的電化學(xué)腐蝕傾向降低,高鉻鋼的耐蝕性得以提高。