42CrMo連鑄輥堆焊層的組織結(jié)構(gòu)與性能演變規(guī)律

劉 震，高安陽，趙士光，潘愛勝，江 濟，邢學(xué)強

(安徽馬鋼重型機械制造有限公司，安徽馬鞍山243000)

連鑄輥是連鑄生產(chǎn)線上使用數(shù)量最多、工作環(huán)境最惡劣的核心部件，其直接與高溫鑄坯相接觸，擔負著支承、導(dǎo)向、夾送、矯直鑄坯的任務(wù)，經(jīng)受著高溫、高濕、大負荷、小直徑化的考驗[1]。穩(wěn)定狀態(tài)下，連鑄輥輥面在超過500 ℃的高溫高濕環(huán)境下承受多重應(yīng)力作用的冷熱循環(huán)[2]，使用一段時間后輥面會出現(xiàn)程度不同的網(wǎng)狀裂紋、氧化腐蝕、磨損損傷等破壞，導(dǎo)致連鑄輥消耗量大、軋材成本升高和軋材表面質(zhì)量下降等嚴重問題[3]。因此，提高輥面耐磨層的使用壽命是連鑄生產(chǎn)線節(jié)能降耗提質(zhì)的關(guān)鍵。目前，工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的是在連鑄輥表面堆焊耐高溫腐蝕的耐磨硬化層[4]。

根據(jù)連鑄輥堆焊層的性能特點，國內(nèi)外研發(fā)機構(gòu)和鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)已成功開發(fā)了四代馬氏體不銹鋼堆焊材料[5]，其中：第二代堆焊材料在第一代Cr13系馬氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上添加Ni，Mo，V，Co等合金強化元素提高堆焊層的綜合性能[6]；第三代材料以414N為典型代表，主要特征是以N元素替代C元素強化，極大地增強了堆焊層冷熱疲勞性能和耐腐蝕性能[7]；為提高連鑄輥在中高溫區(qū)域的韌性和綜合性能，最近研發(fā)了以PH17-4為代表的馬氏體沉淀硬化不銹鋼焊材。因第四代焊材焊接成本高、焊接工藝不成熟，目前第三代焊材仍是連鑄輥的主要堆焊材料[5]。綜上所述，目前國內(nèi)外的研究主要集中在新型焊材的開發(fā)與應(yīng)用上，著重于利用合金元素提高堆焊層的性能。獲得適中的堆焊層合金成分是焊接工藝設(shè)計和實施的重要依據(jù)，因此中華人民共和國黑色冶金行業(yè)標準《連鑄輥焊接復(fù)合制造技術(shù)規(guī)范》(YB/T 4326—2013)嚴格規(guī)定414N合金堆焊層的成分要求[8]。堆焊是一個復(fù)雜的冶金過程，在這一過程中合金元素不但發(fā)生稀釋，還產(chǎn)生一定的燒損[9]。為保證414N堆焊層的冶金結(jié)合和成分要求，首先在42CrMo輥坯上堆焊430合金焊絲，然后根據(jù)要求堆焊單層或多層414N合金硬面層。但這會導(dǎo)致連鑄輥堆焊層橫截面上不但存在成分的梯度分布，而且存在顯微組織和性能的演化。在連鑄輥的磨損過程中，新暴露的輥面性質(zhì)決定著連鑄輥進一步的工作性能。為滿足414N硬面層Cr，Ni，Mo等合金元素的成分要求，研究堆焊過程中合金元素的稀釋和燒損，開發(fā)在430堆焊層上堆焊2層414N硬面層的工藝。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

將42CrMo連鑄輥車削到待堆焊尺寸，采用磁粉探傷確定軋輥無表面缺陷，超聲波探傷確定軋輥無內(nèi)部缺陷后，對軋輥進行250 ℃的焊前預(yù)熱，升溫速度為30 ℃/h。42CrMo輥坯、打底層430焊絲與硬面層414N焊絲的化學(xué)成分如表1。其中焊絲直徑為3.5 mm，焊劑為SJ604，其化學(xué)成分見表2。按YB/T 4326—2013《連鑄輥焊接復(fù)合制造技術(shù)規(guī)范》的要求，對焊劑在350 ℃下烘焙1 h以去除水分，然后進行連鑄輥的堆焊。埋弧堆焊工藝具體參數(shù)：堆焊電壓為26～32 V，電流為300～400 A，焊絲伸長量為20～35 mm，焊接速度為500～700 mm/min，搭接量為50%，層間溫度為150～250 ℃，層厚約3 mm。每層堆焊后，分別制取組織觀察、成分檢測和性能測試的待測試樣若干。

表1 堆焊材料的化學(xué)成分，w/%Tab.1 Chemical compositions of the welding materials，w/%

表2 堆焊焊劑的化學(xué)成分，w/%Tab.2 Chemical composition of the welding flux，w/%

1.2 試驗方法

采用ARL3460光譜儀對試樣進行化學(xué)成分分析，金相試樣經(jīng)拋光并腐蝕后采用Olympus金相顯微鏡觀察其組織形貌。腐蝕劑為1 g苦味酸+5 mL鹽酸(分析純，體積分數(shù)為36%～38%)+95 mL酒精(分析純，體積分數(shù)≥99.7%)溶液。通過Nova Nano SEM430 型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)進一步觀察試樣的組織特征，并由其自帶能譜儀(energy disperse spectroscopy，EDX)分析試樣的成分分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆焊層合金元素的稀釋與燒損

為保證連鑄輥硬面層的性能要求，YB/T 4326—2013《連鑄輥焊接復(fù)合制造技術(shù)規(guī)范》規(guī)定414N堆焊層主要合金的質(zhì)量分數(shù)為0.02%～0.08%的C，0.06%～1.50%的Mn，0.30%～1.00%的Si，12.0%～14.5%的Cr，2.50%～4.30%的Ni，0.20%～0.70%的Mo[8]。埋弧堆焊是一個復(fù)雜的物理化學(xué)冶金過程，不但發(fā)生元素相互擴散造成的堆焊合金元素稀釋，而且不可避免地產(chǎn)生元素的氧化燒損。為使硬面層的成分滿足YB/T 4326—2013的要求，常規(guī)做法是在42CrMo輥坯上堆焊430打底層合金，然后根據(jù)要求堆焊厚度各異的單層或多層414N合金硬面層。Ni元素在焊接過程中幾乎不參與氧化反應(yīng)，可認為焊絲中的Ni含量全部轉(zhuǎn)化為熔敷金屬，堆焊層中Ni含量相對于焊絲本身的減少只受焊接稀釋作用影響，所以化學(xué)法計算稀釋率以Ni元素為準[10]，其他元素的稀釋率D由式(1)計算[11]。

式中w0，wb，wd分別為元素在堆焊層、母材和非稀釋熔覆金屬中的質(zhì)量分數(shù)。

表3為經(jīng)ARL3460光譜儀檢測的堆焊層合金元素的化學(xué)成分、稀釋率及Cr的燒損，根據(jù)表3中堆焊層合金元素的質(zhì)量分數(shù)，由式(1)計算得到合金的稀釋率。

表3 堆焊層合金的化學(xué)成分、稀釋率及Cr的燒損Tab.3 Chemical compositions,dilutions and burning loss of Cr for the welding layers

由表3可知：由于42CrMo輥坯中合金含量較低，430打底層的合金稀釋率較大，為27.3%；經(jīng)2層414N合金堆焊，414N第二層堆焊層合金的稀釋率下降到12.5%，高Cr含量的430打底層為最終獲得滿足成分要求的硬面層起到了良好的成分過渡作用；經(jīng)3層堆焊后硬面層的C質(zhì)量分數(shù)為0.06%，說明42CrMo輥坯的C向硬面層擴散有限。C和Cr是強的馬氏體(M)形成元素，能為堆焊層的高硬度和耐磨性提供基本保證。若C含量過高，C會與Cr形成Cr23C6，一方面降低Cr的有益效果；另一方面Cr23C6易偏析于晶界，使晶界附近產(chǎn)生一高碳低鉻區(qū)，從而導(dǎo)致晶間腐蝕，在連鑄輥工作時可能產(chǎn)生裂紋，甚至產(chǎn)生早期的硬面層剝落現(xiàn)象[12]。因此，理論上硬面層中的C含量應(yīng)盡可能的低。Mn主要起固溶強化的作用，其能與S結(jié)合而減少堆焊層中有害元素S的含量，故Mn的含量控制在上限[13]。Si能提高硬面層的耐點蝕能力，但同時也促進δ鐵素體的形成，導(dǎo)致堆焊層耐冷熱疲勞性能下降。在堆焊過程中存在Si和Mn的稀釋與燒損，但焊劑中含較多的Si和Mn元素，因此硬面層應(yīng)含較佳的Si，Mn含量。此外，由于輥坯和414N中Mo含量相差不大，且Mo不易燒損[14]，故硬面層的Mo含量相對容易控制。事實上，42CrMo輥坯硬面層中Cr含量最難控制，Cr元素的燒損可認為等于焊絲與非稀釋熔覆金屬中Cr 含量之差。將各層稀釋率代入式(1)計算出各層中Cr 元素的燒損率分別為1.17%，1.55%和0.82%。Cr 是硬面層具有高硬度、高耐磨和高耐蝕性、最重要的合金元素，此外，Cr和Si均能形成致密的氧化膜，可保護堆焊金屬不被進一步氧化。由于Cr強烈地促進δ鐵素體的形成，故Cr含量不易過高，最佳控制在12.5%左右[15]。由表3可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)1層430和2層414N合金焊材的堆焊，可獲得接近最佳Cr含量的硬面層。

2.2 堆焊層組織結(jié)構(gòu)演變

圖1 42CrMo連鑄輥堆焊層截面形態(tài)Fig.1 Cross section morphology of the welding layer on 42CrMo continuous casting roller

圖1為42CrMo連鑄輥堆焊層截面形態(tài)。由圖1可看出，42CrMo 基體上分布著3 層結(jié)構(gòu)。為分析42CrMo連鑄輥堆焊層截面的結(jié)構(gòu)特征，通過金相顯微鏡觀察橫截面的顯微組織，如圖2。由圖2(a)可知，42CrMo連鑄輥坯的組織為細珠光體(P)+鐵素體(F)。堆焊時，輥坯表面遭受較大的熱輸入，向內(nèi)熱輸入逐漸減小。最外層42CrMo基體與430堆焊合金發(fā)生重熔，堆焊冷卻時形成過渡層；而過渡層稍向內(nèi)一定厚度范圍的熱輸入不足以使基體熔化，但足以使基體發(fā)生重結(jié)晶，從而產(chǎn)生組織粗大的熱影響區(qū)。圖2(b)顯示：熱影響區(qū)組織為粗大的P，而F含量大幅減少；結(jié)合圖1可發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有堆焊工藝下，產(chǎn)生的熱影響區(qū)厚度約1.4 mm。圖2(c)顯示厚度約1.8 mm的過渡層組織為貝氏體(B)+少量的F。而430堆焊層和414N堆焊層的組織均為板條馬氏體(M板)(圖2(d)～(f))。比較圖2(d)，(e)和(f)可發(fā)現(xiàn)，414N 堆焊層的組織比430堆焊層的細小，這是因為414N合金中有較多的Ni和Mo元素，這些元素起到細化晶粒的作用，細化的顯微組織結(jié)構(gòu)有利于硬面層韌性、耐磨性和耐冷熱疲勞性能的提高[16]。盡管414N堆焊內(nèi)外層的組織均為M(圖2(e)～(f))，但由圖1可知兩層界面清晰，結(jié)合表3檢測的堆焊層成分，可推測414N堆焊層從內(nèi)到外存在一定的合金成分梯度，這將導(dǎo)致其性能沿著徑向發(fā)生變化。

圖2 堆焊42CrMo連鑄輥顯微組織Fig.2 Microstructure of the welded 42CrMo continuous casting roller

為探明42CrMo連鑄輥堆焊過程中顯微組織的演變過程，采用SEM/EDX進一步分析試樣截面的組織特征與合金元素的分布。圖3為過渡層與430堆焊層界面區(qū)域的SEM組織和相應(yīng)的EDX分析結(jié)果。

圖3 過渡層與430堆焊層界面SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM micrographs of interface between of the transition layer and 430 welding layer

由圖3可看出：過渡層與430堆焊層界面分明，說明顯微組織不同、成分存在較大的濃度梯度；過渡層和430堆焊層的組織分別為粒狀B(B粒)+少量F和M板；過渡層B粒組織由細小的顆粒狀碳化物分布在α-Fe基體上而構(gòu)成，碳化物顆粒分布具一定的方向性。一方面，說明過渡層中具有較高的C含量，能為B粒組織提供碳化物顆粒形成的C含量；另一方面，說明過渡層的M形成能力較差，促進M形成的合金元素含量較低，特別是M形成元素Cr的含量比430合金中的要低得多。圖3(d)為圖3(a)中沿直線EDX線掃描的能譜圖，由圖3(d)發(fā)現(xiàn)，過渡層中Cr平均質(zhì)量分數(shù)約3.5%，而430堆焊層Cr質(zhì)量分數(shù)約14%。由此可知，堆焊430合金時，42CrMo輥坯外層與部分430合金在大的焊接熱輸入下發(fā)生重熔，導(dǎo)致過渡層的形成和430堆焊層合金含量的大幅下降，即堆焊430打底層時具有較大的元素稀釋率(見表3)。綜上所述，堆焊的42CrMo連鑄輥截面組織從心部到硬面層可分為基體、約1.4 mm厚的熱影響區(qū)、約1.8 mm厚的過度層(重熔區(qū))、約3.0 mm厚的430堆焊層和約5.0 mm厚的414N堆焊層。

2.3 堆焊層硬度分布特征

為分析組織結(jié)構(gòu)與合金成分對堆焊層硬度的影響，采用SEM/EDX對42CrMo連鑄輥堆焊層進行成分分析，并通過顯微硬度儀測試維氏硬度(HV)的變化趨勢，結(jié)果如圖4。由圖4 可看出：從基體到硬面層C含量下降，這是由堆焊合金的稀釋以及氧化燒損所致，硬面層低的C含量有利于改善連鑄輥耐腐蝕性和耐冷熱循環(huán)性；Si 和Mn 含量在堆焊層中變化不大，這與試樣的光譜分析結(jié)果一致；而Ni 和Mo含量從430堆焊層與414N堆焊內(nèi)層的界面處開始快速提高，到414N 堆焊外層時基本保持穩(wěn)定。硬面層的Ni和Mo主要由414N合金焊絲提供，堆焊第1層414N合金時，Ni和Mo向430堆焊層中擴散，導(dǎo)致界面處Ni 和Mo 含量較414N 合金中的有較大降低，隨著414N堆焊層的增厚，Ni和Mo含量快速增加，且在414N堆焊外層基本達到穩(wěn)定。Cr含量的變化趨勢與上述元素明顯不同，重熔導(dǎo)致430焊絲中的Cr進入重熔層，因此從過渡層開始Cr元素的含量沿徑向快速增加；在其上堆焊含Cr（質(zhì)量分數(shù)為13.5%）的414N 合金時，430 堆焊層中Cr 向414N 堆焊層擴散，從414N 堆焊內(nèi)層到外層，Cr 含量呈增加的趨勢；經(jīng)埋弧堆焊工藝堆焊后，414N 堆焊外層的平均Cr 含量在YB/T 4326—2013規(guī)定成分范圍的中值附近。

由圖4還可發(fā)現(xiàn)，42CrMo基體的顯微硬度約270 HV，熱影響區(qū)對顯微硬度的影響不大。由于貝氏體組織強化和Cr元素的固溶強化，過渡層的硬度快速增加，且Cr含量越高，顯微硬度越大。M的硬度強烈依賴C含量，430堆焊層中C的平均質(zhì)量分數(shù)約0.15%，大大高于硬面層的C含量(質(zhì)量分數(shù)約0.06%)。此外，430堆焊層中最高的Cr含量也貢獻了最高的強化作用，所以硬度最高。隨馬氏體中強化元素C和Cr含量的下降，414N堆焊層硬度由430堆焊層最高500 HV下降至460 HV。YB/T 4326—2013規(guī)定Cr13系馬氏體不銹鋼焊絲堆焊硬面層洛氏硬度需在37～47 HRC之間，對應(yīng)的維氏硬度在365～470 HV之間[8]。與之對比，42CrMo連鑄輥經(jīng)1層430合金和2層414N合金焊材堆焊后，硬面層的硬度接近規(guī)定的上限，且厚度約3 mm硬面層(即414N堆焊外層)的整體成分和硬度基本一致，可為硬面層的穩(wěn)定工作提供良好保證。

圖4 堆焊層的合金元素分布和硬度變化Fig.4 Alloy element distribution and hardness variation of the welding layer

3 結(jié) 論

采用埋弧堆焊工藝對42CrMo連鑄輥的表面進行1層430合金和2層414N合金焊材堆焊，計算堆焊層合金元素的稀釋率和燒損率，研究連鑄輥堆焊層的組織演變、合金成分分布與硬度之間的關(guān)系，得到如下主要結(jié)論：

1)430 合金焊絲堆焊、第1 層和第2 層414N 合金焊絲堆焊的稀釋率分別為27.3%，22.3%和12.5%，而Cr元素的燒損率分別為1.17%，1.55%和0.82%；

2)堆焊42CrMo連鑄輥結(jié)構(gòu)沿徑向由心部到硬面層可分為42CrMo基體、熱影響區(qū)、過渡層、430堆焊層、414N堆焊內(nèi)層和414N堆焊外層，過渡層的組織為B+少量F，430堆焊層與414N堆焊層的組織均為M板，但414N堆焊層的M板組織更細??；

3)42CrMo連鑄輥經(jīng)1層430合金和2層414N合金焊材埋弧堆焊后可獲得厚度約3 mm、化學(xué)成分適中、顯微硬度約460 HV的硬面層。