熱軋卷取機助卷輥表面堆焊材料的研制

張會明

（北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064404）

1 試驗材料及其方法

（1）試驗材料。在對實驗進行選擇時，選用軋機上的助卷輥，其規(guī)格為φ380×2100mm，基礎材料為50CrMo。由于基質(zhì)的碳當量高且抗裂性低，首先給基礎材料表面上堆焊厚度為1.5-2mm的低合金過渡層，然后堆焊厚度為5-6mm的耐磨層在其表面上。

用于焊接的合金化學成分(wt%)如下：化學成分(%)分別是:C、Si、Mn、Cr、Mo、W、其他、Fe；堆焊過渡層的化學成分含量分別為：0.1、0.4、2.5、2.5、0.6、－、0.3；堆焊工作層的化學成分含量分別為 ：0.4、0.2、2.0、6.5、2.5、3.4、4.0、余 ；

選擇燒結焊劑，與焊絲匹配，顆粒尺寸為10-60目，其化學成分和焊接工藝參數(shù)分別如下所示。

對焊劑化學成分(wt%)如下：化學成分(wt，%)分別是：CaO+MgO、MnO+Al2O3、TiO2+SiO2、CaF2、P、S，其化學成分含量分別是 ：35.6、32.6、17.96、13.8、0.02、0.02；

堆焊時的相關參數(shù)如下：電流(A)320～380，電壓(V)30～32，焊接速度(m/h)20～25，層間溫度(℃)320～350，回火溫度(℃)530；

（2）試驗方法。在軋機的助卷輥表面上，利用線切割進行取樣，樣品的規(guī)格為25mm×20mm×20mm；觀察堆焊層的原始形態(tài)時，利用光學顯微鏡進行；進行測定堆焊試樣的硬度值時，可以使用里氏硬度計；取五個測量點進行測量，然后取其平均值；進行測試堆焊層的常溫耐磨性時，使用磨粒磨損試驗機來進行，并對其耐磨性與傳統(tǒng)的堆焊材料進行比較。進行試驗時，設定堆焊層的承載力為3kg，設定轉(zhuǎn)速為110轉(zhuǎn)/分，設定40分鐘為磨損時長。對使用后的堆焊層組織形態(tài)進行觀察并分析其能譜狀態(tài)，可以利用掃描電子顯微鏡來進行[1]。

2 試驗結果及分析

（1）分析堆焊層的原始組織形態(tài)。圖1是助卷輥體表層新制的熔敷金屬組織形態(tài)。圖1a的熔覆金屬的組織形態(tài)是進行堆焊后形成的，圖1b的熔覆金屬的組織形態(tài)是堆焊后經(jīng)過高溫回火處理后形成的，由圖可見，有少量的回火馬氏體在堆焊后的組織中形成，其中也存留少許的馬氏體和殘余奧氏體，有少量的比較小的碳化物在晶體間出現(xiàn)；回火馬氏體屬于回火態(tài)的組織，其中也出現(xiàn)了一點馬氏體和殘余奧氏體，在堆焊后碳化物的析出要多一些，并在枝晶間均勻的分布。這種情況的發(fā)生，大量有有固溶強化作用的碳化物在堆焊工作時而引起的；在進行回火時，會以細小碳化物的方式析出一些合金元素，如Mo、W、V等，且有彌散強化的作用。

圖1 熔覆金屬組織形態(tài)

（2）硬度測試。硬度測試的結果如下（HRC）:焊態(tài)組織的硬度實測結果為 ：53.3，54.5，53.8，54.8，53.5，其平均值為53.98；回火態(tài)組織的硬度實測結果為：59.4，58.7，59.8，58.6，59.2，其平均值為59.14。

從上述得出，硬度范圍在堆焊后為HRC53－55，硬度的平均值為HRC53.98。硬度范圍在進行530℃回火后變?yōu)镠 RC58－60，硬度的平均值為HRC59.14。由此可見，經(jīng)過回火處理的材料，其成分在熔覆組織中分布均勻，晶粒比較小，能析出比較多的硬質(zhì)相，提高了硬度值，增強了耐磨性能[2]。

（3）耐磨性測試。進行磨損測試時，試盤壓到固定好砂紙上，并使其發(fā)生轉(zhuǎn)動。進行測試的相關參數(shù)為：設定承載力為3kg，轉(zhuǎn)速設定為110轉(zhuǎn)/分，剛玉砂紙20#，設定40分鐘為磨損時長。對磨損前后的重量進行稱量時，采用千分之一分析天平稱，對每個試樣進行失重量計算，并分析測試結果。

測試的結果如下，試樣1為傳統(tǒng)堆焊材料，試樣2為新制堆焊材料。試樣1重量在磨損前為9.8380g，在磨損后為9.7506g，其重量差為0.0874g；試樣2重量在磨損前為9.3803g，在磨損后為9.3274g，其重量差為0.0529g。

從上述得出，在磨損相同的條件下，試樣1的失重為0.0874g，試樣2的失重為0.0529g，比試樣1高出0.59倍。

（4）使用后的堆焊層組織形態(tài)。圖2是在助卷輥工作了一個月后堆焊材料在工作層的組織形態(tài)。由圖可見，工作后的助卷輥體表面有約80μm～100μm的連續(xù)氧化層生成，其結構為網(wǎng)狀，連續(xù)氧化層在靠近熔覆金屬的區(qū)域的結構非常明顯。在放大1000倍時，發(fā)現(xiàn)有橫向和縱向的微裂紋出現(xiàn)在氧化層的深灰色區(qū)域，層片狀結構出現(xiàn)在淺色區(qū)域，層片狀結構的連續(xù)性隨著局部裂紋的延伸而中斷。

圖2 使用后熔覆金屬組織形態(tài)

可以看出，從工作層到氧化層，合金元素O、Si、W、Mo、Cr的含量會慢慢增多，F(xiàn)e、Mn含量慢慢減少，只有V元素沒有變化。這表明，在高溫的工作環(huán)境中，工作層中的合金元素Si、W、Mo、Cr會慢慢的擴散和轉(zhuǎn)移，有氧化層（Cr2O3、WO）在其表面上形成，還有逐漸降低的Fe含量，說明Fe元素沒有擴散到氧化層內(nèi)，沒有擴散的還有外來鋼帶中的Fe元素，沒有發(fā)生粘鋼現(xiàn)象在助卷輥的體表面。

其化學成分如下：淺色區(qū)域氧化層的O、Si、Mo、V、Cr、Fe、W化 學 成 分(wt%)分 別 為 ：1.08、0.98、1.85、0.86、8.18、82.85、4.16；深色區(qū)域氧化層的O、Si、Mo、V、Cr、Fe、W化學成分(wt%)分別為 ：19.30、2.81、6.89、1.86、23.2、37.15、8.72。

由上述結果可見，圖中在淺色區(qū)域主要分布了工作層元素，而沒有發(fā)生明顯變化的是熔覆金屬的化學元素。在深色區(qū)域有含量明顯增多的Cr、W、O，含量減少的Fe，表面明有氧化層（Cr2O3、WO）此區(qū)域形成。正是因為該氧化層，避免了發(fā)生粘鋼現(xiàn)象在助卷輥的體表面，如果此氧化層失去作用，會繼續(xù)生成新的氧化層在工作層的表面，有利于增加基體的耐磨性能，延長了助卷輥的使用年限。

3 結論

（1）焊后新制的熔覆金屬層焊絲主要是馬氏體，還有少量的殘余奧氏體和碳化物形成；在進行530℃高溫回火后，新制的焊絲會更加細化，并有明顯的碳化物形成，耐磨也隨之增加。

（2）焊后新制的熔覆金屬層焊絲硬度平均值為HRC53.98;對其進行530℃回火后硬度平均值為HRC59.14，合金元素W、Mo、V含量慢慢的增多，有利于熔覆金屬的硬度和耐磨性的提高。

（3）在冷熱疲勞的狀態(tài)下，熔覆金屬層表面會形成約80μm～100μm的連續(xù)氧化層（Cr2O3、WO），減少了助卷輥發(fā)生粘鋼的現(xiàn)象，延長了使用年限[3]。

4 結束語

近年來，研究堆焊材料的國內(nèi)外科技人員，取得了很多成果，焊材現(xiàn)在的形式多樣化，如焊帶、預合金粉、藥芯焊絲等，但要滿足軋輥復雜的工作條件，就必須有良好的焊接工藝，加之種類比較多的軋輥，其性能要求也都不一樣，使得堆焊材料在研究和實際應用中都比較慢。