冷軋工作輥堆焊修復氣保護藥芯焊絲的研制

許立寶， 張健， 李仕臣， 黃銳， 姜雪

(1.天津市金橋焊材集團股份有限公司，天津 300300；2.天津市高端裝備制造焊接材料及技術企業(yè)重點試驗室，天津 300300)

0 前言

作為冷軋機的關鍵部件，冷軋工作輥大部分由9Cr2Mo，9Cr3Mo及Cr5材料整體制造；使用過程軋制壓力大、速度快、溫升較高，受到交變載荷和熱循環(huán)作用，易產生較嚴重的疲勞裂紋，導致表面剝落、磨損、劃傷、粘輥。冷軋工作輥苛刻的服役工況要求其工作表面強韌性高、硬度均勻性好、耐磨損性能強[1-3]。目前國內沒有成熟的堆焊修復材料產品應用，研制一種高硬度、高韌性的堆焊材料，不但能夠解決鋼廠冷軋工作輥堆焊修復的難題；同時也可為其它中高碳鋼零部件的修復提供良好的理論與應用基礎[4-5]。

文中通過大量配方試驗，不斷優(yōu)化堆焊金屬合金體系，開發(fā)了一種高硬高韌的氣保護堆焊藥芯焊絲，在修復冷軋工作輥方面具有獨特的優(yōu)勢。

1 堆焊藥芯焊絲的設計

1.1 渣系的選擇與確定

冷軋工作輥材質為調質+表面淬火的中高碳鋼，其堆焊金屬的脆性傾向極大，要求焊材堆焊過程中脫氧充分，熔敷金屬雜質含量低，因此研制的藥芯焊絲應為凈化作用強的堿性熔渣，但大幅度提高堿度并不能明顯的改善韌性，反而導致焊絲工藝性能惡化，綜合考慮選用CaF2-TiO2-MgO-Al型弱堿性渣系，其基礎配方見表1。

表1 試驗焊絲渣系主要組分含量比例范圍(質量分數(shù)，%)

氟化物(BaF2，Na2SiF6，NaF)能提高堆焊金屬的堿度；利用Si，Mn，Al，Mg等還原劑脫氧，降低熔敷金屬氧的殘余量；在酸性氧化物(TiO2，SiO2)中加入高堿度高熔點氧化物(MgO，CaO)調整熔滴過渡形態(tài)、焊接飛濺及焊道成形；開發(fā)出工藝性能優(yōu)良，能實現(xiàn)多位置堆焊的弱堿性藥芯焊絲。堆焊完成后，收集熔渣測定其含量，換算為相應氧化物，按照IIW推薦的公式(1)，計算得到該焊絲熔渣堿度為1.4～1.9。

(1)

1.2 合金系元素的選定和含量

冷軋輥堆焊層金屬應滿足以下性能要求：①表面具有高而均勻的硬度；②高沖擊韌性和抗剝落性能；③高耐磨性和粗糙度保持能力。根據國內外的研究成果[6-8]，結合自身的實踐探索，選用C-Cr-W-Mo-V-Ni多元合金元素強化，提升堆焊金屬硬度、韌性和抗裂性。表2顯示了試驗研究的堆焊金屬成分范圍。

表2 試驗焊絲熔敷金屬化學成分范圍(質量分數(shù)，%)

碳能提高堆焊金屬的硬度，但同時也會極大降低其韌性，須嚴格控制碳含量；在抗裂性、耐磨性及熱疲勞性能較優(yōu)良的Cr-Mo-Ni系基礎上，參考高速鋼冷軋輥合金體系，添加W，V產生二次硬化作用，進一步在確保韌性的條件下提高堆焊金屬的硬度和高溫耐磨性[9-10]。

2 堆焊試驗條件與方法

研制的焊絲選用0.6 mm×14 mm的低碳鋼帶125～250 μm藥粉通過鋼帶成形法制備為直徑1.6 mm的有縫藥芯焊絲，填充系數(shù)為25%。

2.1 堆焊試驗條件

堆焊制備硬度、化學成分、組織及耐磨性的測試件，堆焊工藝參數(shù)見表3。焊前不預熱，焊后緩冷。在無焊道搭接的平整堆焊熔敷金屬試板上測定硬度，并依次取金相組織觀察塊、摩擦磨損試驗塊、沖擊試驗件；采用HBRV-187.5型布洛維硬度計測定堆焊層硬度，采用奧林巴斯GX51倒置式金相系統(tǒng)觀察金相組織，采用MMW-1A摩擦磨損試驗機測試耐磨性(加載載荷150 N，磨損1 h，選用60 HRC的9Cr3Mo鋼球對磨)，采用JB-300B型擺錘式試驗機進行常溫沖擊吸收能量測定。

表3 堆焊工藝參數(shù)

2.2 配方試驗方法

設計藥芯焊絲配方秉持以下原則：①保證硬度≥55 HRC，調整堆敷金屬中C及Cr，V等強碳化物形成元素；②滿足硬度要求的前提下，通過調整Ni，RE和Ti的添加量，優(yōu)化Mo，W與C的含量及比例，提升沖擊吸收能量和耐磨性；③保證強韌性的同時，兼顧合金匹配的經濟型指標。

該試驗藥芯焊絲的研制通過配方試驗完成，首先調整并優(yōu)化焊絲渣系配方，制定焊接規(guī)范；然后通過合金系組合調整焊絲的技術指標，選取合理的合金組分配比；最后觀察組織，根據硬度和組織變化制定熱處理規(guī)范。

3 試驗結果及討論

試驗通過調整氟化物和氧化物比例，改善工藝性能；添加適量多元合金元素和稀土、Ti等細化晶粒元素，提高堆焊金屬的強韌性和耐磨性；制定適用于該焊絲堆焊的工藝參數(shù)。最終研制了使用性能良好的高硬度高韌性氣保護藥芯焊絲。

3.1 研制焊絲的試驗結果

該試驗研制的氣保護藥芯焊絲能實現(xiàn)平、橫、立多種位置堆焊，焊接過程電弧穩(wěn)定、飛濺小、成形良好、易脫渣，堆焊焊道如圖1所示，工藝指標測試結果見表4，能滿足冷軋輥現(xiàn)場局部或整體堆焊修復的工藝性要求。表中的測試結果均在26 V/250 A、平焊條件下測定；測試方法參照GB/T 25776—2010《焊接材料焊接工藝性能評定方法》。

圖1 研制的焊絲堆焊焊道情況

表4 試驗焊絲工藝指標測試結果

該試驗研制的氣保護藥芯焊絲堆焊金屬硬度高且均勻性好，焊后無裂紋、沖擊韌性良好，耐金屬間摩擦磨損性能優(yōu)良。下面給出兩種典型合金系的堆焊熔覆層成分及硬度分別見表5、表6，組織及耐磨性分別如圖2、圖3所示。

表5 典型試驗焊絲熔敷金屬化學成分(質量分數(shù)，%)

表6 典型試驗焊絲熔敷金屬硬度、沖擊韌性及耐磨性

圖2 1號焊絲熔敷金屬金相組織

研制的1號和2號焊絲堆敷金屬經580 ℃×6 h回火后，硬度均有明顯增加，特別是2號焊絲的硬度層提高了7 HRC；常溫沖擊吸收能量均有所下降；摩擦磨損性能均提升，其中2號焊絲堆焊金屬熱處理后的相對耐磨性是9Cr3Mo(60 HRC)對磨鋼球的1.14倍。兩種焊絲的堆敷金屬組織均為馬氏體基體+殘余奧氏體+碳化物。1號焊絲Mn含量為3.56%，其組織中的殘余奧氏體的占比較高，回火后在部分區(qū)域內連成片分布，但回火析出的魚骨狀二次穿晶碳化物增多，且體積長大的比較明顯；2號焊絲堆焊金屬的共晶碳化物為塊狀，回火析出的二次碳化物更細小彌散，但殘余奧氏體分解在晶界處形成了脆硬的高碳針狀馬氏體組織。

圖3 2號焊絲熔敷金屬金相組織

3.2 試驗結果討論

3.2.1C對硬度的影響

在該試驗研究的合金體系中，當堆敷金屬中其他元素含量同2號焊絲，C含量從0.45%增加至0.80%時，堆焊層硬度先增后降，C含量為0.69%時硬度達到最高，如圖4所示(熱處理態(tài)為580 ℃×6 h回火處理)。分析認為，隨著C含量增加，Ms點降低，殘余奧氏體含量增多；但同時形成碳化物的數(shù)量增多，其質點間距減小，對馬氏體基體的硬化作用加強；C含量在0.45%～0.69%區(qū)間內，碳化物強化作用大于殘余奧氏體增加的軟化作用，但其含量超過0.69%時，馬氏體數(shù)量不斷減少，殘余奧氏體占比不斷增多，碳化物的強化效果難以彌補基體軟化造成的影響，導致堆焊層宏觀硬度降低。

圖4 熔敷金屬C含量對硬度的影響

3.2.2Cr/V, Mo/W對耐磨性的提高

在該試驗研究的合金體系中，Cr能提高堆焊金屬的淬透性；W, Mo的對組織轉變和性能的影響大致相同，差別在于Mo引起組織轉變的溫度較低，熱穩(wěn)定性不如W，且W原子半徑大、彈性模量高，與位錯產生交互作用更強，形成固溶強化的作用更強；V是主要的二次硬化元素，不僅有利于MC型碳化物的形成，而且能促使層片狀M2C型碳化物的形成，抑制骨骼狀M6C型碳化物。

該試驗合金系中Cr, Mo, W, V四種碳化物共存，僅提高某單一元素的含量未必能增加堆焊金屬的耐磨性。試驗發(fā)現(xiàn)，熔敷金屬Cr, Mo, W, V四種元素總量低于6%時，堆焊層耐摩擦磨損性能提高不明顯，與60 HRC的9Cr3Mo鋼球對磨時，失重量是對磨鋼球的2倍；但總量超過10%時，堆敷金屬的沖擊吸收能量和抗裂性會出現(xiàn)大幅度降低，因此，熔敷金屬(Cr+Mo+W+V)總量在6%～10%時，堆焊組織耐磨性較優(yōu)。此外，熔敷金屬中(Cr+V)/(Mo+W)=1～1.4時，碳化物(包括共晶碳化物和二次碳化物)在馬氏體基體中的含量最多，耐磨骨架排列較致密，方向性也較好，堆焊層抗磨損性能較優(yōu)。

3.2.3Ni, RE+Ti對抗裂性和韌性的改善

在該試驗研究的合金體系中，Ni是除Mn外唯一添加的非碳化物元素，可降低相變溫度，提高堆焊金屬的韌性。該焊絲熔敷金屬中Ni含量為1.0%左右時，韌化作用較為明顯。

該研究從冶金變質角度出發(fā)，采用RE/Ti微合金化方法細化堆焊金屬組織，改善抗裂性和韌性。在2號焊絲合金組成中添加稀土元素、Ti元素考察其對韌性的改善，試驗結果分別如圖5、圖6所示。試驗結果表明，加入稀土元素后，使得原堆敷金屬中彌散分布的細小夾雜物數(shù)量增多，這些夾雜物可在結晶冷卻過程

圖5 焊絲不同(RE+Ti)添加量時熔敷金屬金相組織

圖6 焊絲(RE+Ti)添加量對沖擊性能的影響

中作為一次碳化物的異質形核核心，進而起到凈化堆敷金屬和球化夾雜物的作用；加入強碳化物形成元素Ti后，與原熔敷金屬中的C結合生成TiC，可在結晶過程中作為異質核心促進形核，進而減少晶界上魚骨狀共晶碳化物的數(shù)量，使得塊狀碳化物增多，細化晶粒并增加位錯馬氏體的數(shù)量，改善韌性。但冶金變質劑的添加量超過一定值時，其異質形核能力受限，對堆焊金屬的凈化作用將減弱，反而會變?yōu)殡s質存在，使得沖擊吸收能量下降。該焊絲(RE+Ti)的添加量在2%時，韌性最優(yōu)。

3.2.4回火溫度對堆焊金屬硬度的影響

軋輥堆焊后必須立即進行及時的回火處理，以消除堆焊層產生的熱應力，避免冷裂紋的產生。該研究考察了不同回火溫度對硬度的影響，其結果如圖7所示。最終制定了該試驗焊絲堆焊金屬熱處理規(guī)范為580 ℃×6 h。

圖7 回火溫度對硬度的影響

試驗結果顯示:該試驗焊絲堆敷金屬在490～580 ℃回火處理時，堆焊層硬度隨回火溫度升高而增大；到580 ℃達到最高；但在580～640 ℃區(qū)間內，堆焊層硬度隨回火溫度升高而降低。分析認為，隨著回火溫度提高，彌散碳化物析出的數(shù)量增多，二次硬化作用增強；但同時二次碳化物析出將導致基體中的碳含量下降，進而引起堆敷金屬硬度下降，減弱二次碳化物析出的強化作用。該焊絲在580 ℃以下回火時，析出強化作用大于基體的軟化，堆敷金屬的宏觀硬度有所提高，直到580 ℃時，強化作用與弱化達到平衡，堆敷金屬硬度達到最高值；此后隨回火溫度提高，合金元素的擴散速度加快，析出的碳化物顆粒以及分解產生的復合滲碳體顆粒將進一步長大，呈網狀分布，使二次硬化效果逐漸降低，同時基體中C及合金元素的含量進一步降低，基體軟化，堆敷金屬硬度下降。

4 結論

(1)試驗研制的焊絲工藝性能優(yōu)良，能實現(xiàn)多位置堆焊，滿足冷軋輥現(xiàn)場修復工況。

(2)研究了熔敷金屬中C對堆焊層硬度的影響。C含量增加，殘余奧氏體含量增多的同時碳化物含量也會增加；C含量在0.69%時，堆焊層硬度達到最高。

(3)研究了多元素強化對耐磨性的提高。該焊絲熔敷金屬中Cr，Mo，W，V四種元素總量在6%～10%且(Cr+V)/(Mo+W)在1～1.4時，堆焊層抗磨損性能較優(yōu)。

(4)研究了Ni，RE+Ti對抗裂性和韌性的改善。該焊絲熔敷金屬中Ni含量為1.0%左右，焊絲中(RE+Ti)添加量在2%時韌性最優(yōu)。

(5)研究了回火溫度對堆焊金屬硬度的影響。該焊絲經580 ℃回火時，析出強化作用與基體的弱化達到平衡，堆敷金屬硬度達到最高值。