目前,钢铁行业的发展遇到了困难,走进了去产能和产品结构转型的阵痛期。钢铁企业急需降低生产成本和资金成本。由于支承辊的辊耗及备件对钢铁企业控制生产成本和资金成本上造成极大的压力,采用激光表面技术对支承辊进行表面强化及再制造,一方面可以提高支承辊工作层使用寿命,降低辊耗,另一方面可以实现不同硬度工作层的快速修复,减少所需备件,具有很重大的现实意义。支承辊作为钢铁企业重点管理的部件,其使用性能和稳定性均具有极高的要求,支承辊再制造难度极大。目前支承辊再制造大多采用镶套法、堆焊等相对成熟的技术。本文选择激光合金化和激光熔覆两种激光表面技术,针对特定机位支承辊的表面强化及修复需求开展研究,直面开裂、硬度匹配控制、耐磨性提高等核心难题,从成分设计、微结构设计等方面入手进行研究。文中利用光学金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、透射电镜(TEM)、硬度计及摩擦磨损试验机等设备对不同材料、不同工艺处理的Cr5钢的组织与性能进行分析,并对其强韧化机理、磨损机理进行研究。采用Cr-B4C合金粉末在Cr5钢表面进行激光合金化,利用Cr与B4C的原位反应为铁基合金化层提供Cr、C、B元素,获得具有亚共晶组织的铁基合金层,枝晶主要为马氏体并伴有残余奥氏体,枝晶间为铁素体与化合物构成的共晶片层,片层厚度基本在80nm-150nm之间。随扫描速度的提高,激光能量密度下降,基体熔化量减少,熔池中合金元素含量增高,合金化层中共晶片层含量提高,析出强化效果增加导致其硬度及耐磨性提高,但开裂倾向也随之升高。当功率为2000W、扫描速度为8mm/s时,激光合金化层平均硬度可达883.9HV,为传统淬火工艺工作层硬度(约480HV)的1.8倍。合金化层和传统淬火层的主要磨损类型为均粘着磨损,片层细小的化合物相对于球状碳化物,更不利于粘着磨损的发生,合金化层的磨损失体积仅为传统淬火层的29.5%。采用Cr-B4C合金粉末制备的合金化层耐磨性优异,硬度高于目标支承辊需求,并存在开裂倾向高的问题。为降低合金化层开裂倾向,并调整其硬度,向Cr-B4C合金粉末中添纯镍粉形成Cr-B4C-Ni系列粉末并进行激光合金化。随合金粉末中Ni含量的升高,合金化层中脆性共晶片层含量逐渐降低,塑性韧性好的奥氏体含量显著增高,析出强化及固溶强化效果下降,合金化层硬度与开裂倾向随之降低。当合金粉末中Ni含量达到75wt.%时,合金化层平均硬度为443.1HV,符合目标支承辊的硬度需求,其磨损失体积仅为传统淬火试样的81.7%。通过向Cr-B4C合金粉末添加纯镍粉进行激光合金化,可以获得符合目标支承辊硬度且耐磨性良好的合金化层,开裂倾向获得了缓解。利用FL-DLS21-DLight-3000型半导体激光器在Cr5钢表面激光熔覆F313,优化后的工艺参数为:激光功率1600W、扫描速度10mm/s、送粉率11.5g/min、搭接率30%。不同参数制备的F313熔覆层硬度值分布在600HV到796HV之间,显著高于目标支承辊所需硬度。为了调整激光熔覆层的硬度,将不同比例的纯镍粉和纯铁粉分别与F313合金粉末混合进行激光熔覆。随纯镍粉添加比例的增加,塑性韧性好的奥氏体相含量升高,固溶强化效果降低,熔覆层硬度也逐渐下降。当纯镍粉添加量为8wt.%,熔覆层平均硬度为505.1HV,符合目标支承辊硬度需求。由于枝晶组织相对于传统淬火层组织不易发生塑性变形,该熔覆层磨损失体积比传统淬火层试样少约10%。纯铁粉添加量的逐渐增加,熔覆层中合金含量下降,由Cr偏聚形成的枝晶间所占比例逐渐降低,降低了固溶强化效果,导致硬度随之降低。当纯铁粉添加量为50wt.%,铁基熔覆层平均硬度为487.8HV,符合目标支承辊的硬度需求,该熔覆层耐磨性高于传统淬火层约15%。向F313合金粉末分别添加8wt.%的纯镍粉和50wt.%的纯铁粉,通过激光熔覆均可以制备出硬度符合目标支承辊需求且耐磨性良好的熔覆层。通过适当提高激光能量密度,采用316L合金粉末激光熔覆作为打底层,并且在熔覆前后分别进行预热和保温处理,在支承辊辊颈上成功获得大面积、无明显缺陷的多层DF105激光熔覆层。经表面车削并采用里氏硬度仪现场测试,DF105熔覆层表面4条母线上所有测试点平均硬度为58.55HRC,高于目标支承辊所需硬度。DF105熔覆层枝晶组织分为等轴晶和柱状晶,通过压痕硬度测试仪分析,等轴晶硬度略低于柱状晶。摩擦磨损试验条件下,DF105熔覆层磨损失体积比传统淬火层少27.4%。采用定制DF105合金粉末可以在Cr5钢支承辊辊颈表面制备出大面积、无明显缺陷、耐磨性优异的多层激光熔覆层,熔覆层硬度高于目标支承辊所需硬度。