热轧卷取机卷筒主轴是冶金设备的重要零件,在其使用过程中,经受钢板热量、卷取张力及滑动摩擦等作用,极易引起失效,如产生龟裂纹、锈蚀、过量变形等现象。本试验受当地冶金设备公司委托,根据企业的实际生产需求,采用RFL-C3300型光纤激光器,在40CrNiMoA钢主轴基材表面进行激光强化处理工艺试验,设计了两种试验方案。方案一:选用铁基合金粉末,对40CrNiMoA钢基材表面进行激光熔覆处理;方案二:对40CrNiMoA钢基材表面进行激光淬火处理。利用体视显微镜、金相显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、显微硬度计、立式万能摩擦磨损试验机、万能力学试验机、电化学工作站等检测设备对试样的组织和性能进行测试和分析。1、以企业原有的工艺参数为基础,将激光功率、扫描速度、送粉器速率作为试验的3个变化因素,每个因素取3个水平,制定L₉（3⁴）正交表,采用正交试验法得出优化参数:激光功率2000W,光斑尺寸4 mm×2 mm,扫描速度10 mm/s,搭接率50%,送粉器速率0.8r/min;采用优化后的工艺参数在40CrNiMoA钢表面制备了A、B两种铁基合金熔覆层,二者表面光滑平整,无裂纹、气孔等明显缺陷。熔覆层A的微观组织主要以马氏体和铁素体为主,熔覆层B主要以奥氏体组织为主,两种熔覆层均与基体形成良好的冶金结合。熔覆层的显微硬度值由表及里呈现逐渐下降趋势,熔覆层A及熔覆层B的最高硬度分别达到了348 HV_0.2和310 HV_0.2,均高于基体,抗拉强度分别为960¹000 Mpa和830⁸70 Mpa,屈服强度分别为780⁸20 Mpa和490⁵20 Mpa,断后延伸率分别为10%¹2%和24%²6%,拉伸断口分别为脆性断裂和韧性断裂。可见,熔覆层A的塑性较低,但硬度高,强度大;熔覆层B的硬度较低,强度较差,但塑性较好。2、根据企业要求,并综合考虑主轴的尺寸、工况以及激光器实际情况,采用控制单一变量法,使光斑尺寸恒为12 mm×2 mm,扫描速度恒为20 mm/s,功率分别为1000 W、1300 W和1600 W。40CrNiMoA钢试样经不同激光功率淬火处理后,表面均呈现出一条白亮层,分布连续、厚度均匀,说明其显微组织得到了不同程度的细化,淬火效果理想。当激光功率为1600 W时,试样截面的宏观组织分为相变硬化区、过渡区和基体三部分。此时,表面硬化层组织最为细小、致密,表现为细小的针状马氏体、少量残留奥氏体和弥散分布的细小碳化物。三种不同功率制备的激光淬火试样表面显微硬度均高于基体。其中,当激光功率为1600 W时,相变硬化区的硬度值最大,达到了640.3⁷06.8 HV_0.2,约为基体的2.5².8倍,此时试样的摩擦因数和磨损量最低,其摩擦因数在0.40⁰.60之间,与基体相比降低了50%左右;磨损量为1.3 mg,仅为基材的36.1%,主要磨损机制为磨粒磨损;此时,试样的腐蚀电压为-0.497 V,自腐蚀电流密度为2.16789×10^-9 A/cm²,耐腐蚀性得到较大提升。3、两种试验方案均使40CrNiMoA钢表面产生了强化效果。其中,采用粉末A在热轧卷取机卷筒主轴表面进行激光熔覆处理,已形成工艺文件,并用于指导实际生产。同时,方案二的试验结果对一些局部需要强化处理、同种材质的大型冶金零部件提供了参考,可考虑对其进行激光淬火处理,以满足使用性能。本文为企业降低生产成本、修复冶金设备零部件以及延长使用寿命提供了试验方法和依据。