高硬度耐磨輥堆焊技術(shù)的研究與應(yīng)用

張 楊

（河鋼唐鋼檢修分公司，河北 唐山 063000）

隨著冶金工業(yè)技術(shù)工藝和裝備水平的迅猛發(fā)展，對冶金設(shè)備零(部)件也提出了更高的技術(shù)要求。冶金設(shè)備很多是在高溫、高壓、高負荷、高磨損條件下工作，要求表面有較高的耐磨，耐沖擊，耐疲勞(交變應(yīng)力、熱應(yīng)力)，耐沖蝕、腐蝕等性能。采用表面工程技術(shù)對零部件表面進行強化修復(fù)再制造，能夠極大提高冶金零部件耐疲勞、耐磨損、耐腐蝕等性能，延長使用壽命，在冶金部件的制作和修復(fù)中應(yīng)用廣泛。堆焊技術(shù)作為材料表面改性的一種經(jīng)濟而快速的工藝方法，其具有堆焊層金屬成分和性能調(diào)整方便，堆焊層厚度大，生產(chǎn)效率高，操作性強等一系列特點，所獲得的再制造產(chǎn)品在技術(shù)性能上和質(zhì)量上都能達到甚至超過新品的水平，被廣泛應(yīng)用于軋鋼系統(tǒng)中各種輸送輥道的制作和再制造修復(fù)。典型應(yīng)用就是卷取機夾送輥、精除鱗夾送輥、熱卷箱彎曲等高硬度輥的堆焊修復(fù)。卷曲夾送輥是熱連軋機組地下卷取機的重要備件，分別負責(zé)著將熱軋后的鋼板導(dǎo)向和輔助成卷的任務(wù)。夾送輥工作時輥面溫度在550℃～650℃之間，還要承受較大的壓力，因此輥面易出現(xiàn)粘鋼、龜裂和磨損等問題導(dǎo)致失效[1]，這就要求夾送輥輥輥面具有良好的高溫耐磨性、抗高溫氧化性、耐粘鋼性和較好的中高溫強韌性能[2]。熱卷箱彎曲輥作為輔助熱軋板坯中間成卷保溫的重要部件，其輥面的抗粘鋼性能、耐冷熱疲勞性能和耐磨性能的好壞將直接影響帶鋼表面質(zhì)量。因此通過對不同輥道的使用工況進行分析，從優(yōu)化表面堆焊材料合金體系入手，系統(tǒng)研究堆焊材料的金相組織、硬度及耐磨性的關(guān)系，制定合理的堆焊工藝，滿足上述輸送輥類產(chǎn)品的所需的抗磨損、耐高溫、耐冷熱疲勞、抗粘鋼性能，對于保證板材質(zhì)量，減少停機換輥時間，提高作業(yè)效率具有重要意義。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

工作層堆焊熔敷金屬各組分的質(zhì)量百分比：碳0.20%~0.32%；鉻5.0%~7.0%；硅1.40%~1.80%；錳1.20%~1.80%；釩0.20%~0.60%；鉬0.20%~0.70%；鎳、鈦、鈮＜1.0%，鐵余量。

采用 DC-1000 堆焊電源進行埋弧堆焊試驗，采用直流反接，焊絲直徑為 Φ3.2?；w材質(zhì)為Q235B，試板規(guī)格為25mm×200mm×200mm，過渡層堆焊厚度為 1.5mm～2mm，工作層堆焊厚度為 5mm~6mm， 具體堆焊工藝參數(shù)見表1。

表1 堆焊工藝參數(shù)

1.2 試驗方法

采用DMM-480C 型光學(xué)顯微鏡下觀察堆焊層的金相組織。HL-200里氏硬度計測量堆焊硬度值，ML- 10磨粒磨損試驗機進行常溫耐磨性試驗，試驗載荷為 3kg，轉(zhuǎn)速為 100 轉(zhuǎn) / 分，磨損時間為 30min。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 顯微組織分析

堆焊后的試板經(jīng)530℃×2h 回火后，隨爐冷卻到室溫。取堆焊層橫截面金相試樣，用 4%硝酸酒精溶液腐蝕，在DMM-480C型光學(xué)顯微鏡下觀察堆焊層的顯微組織，如圖1 所示。

圖1 熔覆金屬組織形貌

從熔覆金屬組織形貌圖分析，少部分的馬氏體存在于這一組織形態(tài)中，另外還發(fā)現(xiàn)一些少量的殘余奧氏體和馬氏體，枝晶間均勻分布碳化物，實施堆焊操作，大量溶入基體組織的碳化物起固溶強化作用，回火時 Mo、W、V 等合金元素以細小碳化物的形式彌散析出，起到彌散強化的作用。

2.2 硬度測試分析

采用 HL-200 里氏硬度計測量堆焊試樣的硬度值，結(jié)果見表2。

表2 硬度檢測結(jié)果

從表2中可以看出，焊態(tài)組織的硬度為HRC53 -55，經(jīng)過530℃ 回火后，硬度為HRC57-59，說明經(jīng)過回火處理后，熔覆組織中成分更均勻，碳化物硬質(zhì)相析出數(shù)量增多。

2.3 耐磨性試驗分析

磨損試驗時，固定砂紙，試盤壓在其上并發(fā)生轉(zhuǎn)動。用千分之一分析天平稱量試盤磨損前后的質(zhì)量，結(jié)果見表3。

表3 磨損試驗結(jié)果

3 堆焊技術(shù)的實際應(yīng)用

3.1 卷曲夾送輥堆焊實例

3.1.1 卷曲上夾送輥修復(fù)工藝流程

卷曲上夾送輥修復(fù)工藝的具體的操作步驟如下：

（1）焊前車削加工：將夾送輥的輥面缺陷及疲勞層去除，并將輥身直徑車削至876mm。

（2）無損探傷檢測：對已車削的輥坯分別進行滲透檢測和超聲波檢測無缺陷。

（3）焊前預(yù)熱：將待焊夾送輥裝入電加熱爐內(nèi)預(yù)熱，升溫速度為50℃/h，預(yù)熱保溫溫度為350℃，恒溫6小時后開始堆焊。

（4）堆焊過渡層：在軋輥自動埋弧堆焊設(shè)備上，進行雙機頭單絲圓周方向連續(xù)螺旋自動埋弧堆焊，采用前述過渡層堆焊合金藥芯焊絲，直徑￠3.2mm，匹配焊劑HJ260，堆焊一層過渡層。

過渡層堆焊規(guī)范為：焊接電流360A~400A，電弧電壓30V~34V，焊接線速度480mm/min~500mm/min，焊道搭接量50%~52%，層間溫度控制在320℃~350℃。

（5）堆焊工作層：采用前述工作層堆焊合金成分藥芯焊絲，焊絲直徑￠3.2mm，匹配熔煉焊劑HJ260，亦可匹配高堿度燒結(jié)型焊劑以改善高溫脫渣性。堆焊規(guī)范：焊接電流360A~380A，電弧電壓28V~30V，焊接線速度460mm/min~480mm/min，焊道搭接量50%~52%，層間溫度控制在300℃~320℃。單層堆焊厚度2mm左右，并一直連續(xù)堆焊至夾送輥使用直徑并預(yù)留6mm~8mm加工余量[3]。

采用自主設(shè)計的陶瓷加熱保溫罩對夾送輥堆焊過程進行加熱保溫，確保層間溫度不低于320℃，保證組織均勻性和硬度的均勻性，降低裂紋敏感性。

（6）焊后熱處理：堆焊完畢的夾送輥在350℃均溫一小時，然后以50℃/小時降溫速度冷卻到100℃~150℃，準備進退火爐回火。

將夾送輥入爐進行回火處理，溫度為530℃，升溫速度50℃/h，保證輥坯堆焊工作層溫度均勻；保溫時間6~8小時。隨爐緩冷至100℃以下出爐，并在靜止空氣中冷卻至室溫[4-6]。

（7）輥身半精加工：根據(jù)圖紙對輥身進行半精車加工，留0.8mm~1mm加工余量。

（8）無損探傷檢測：對輥面進行滲透探傷，堆焊層沒有氣孔、夾渣、微裂紋等缺陷。

（9）輥身磨削：采用數(shù)控外圓磨床對輥身進行精密磨削，尺寸和精度滿足圖紙要求。

（10）成品硬度檢測：對輥面按A,B, C,D四條母線進行硬度檢測，相鄰母線間剖面夾角為90°，每條母線上測10點硬度值,經(jīng)檢測硬度平均值為57-59HRC，滿足圖紙要求。

（11）無損探傷檢測：對夾送輥輥身堆焊層進行超聲波檢測，沒有發(fā)現(xiàn)砂眼，氣孔，夾雜物、微裂紋等缺陷。

圖2 修復(fù)的卷曲上夾送輥成品

3.1.2 上線使用效果

上夾送輥在使用1個周期后，輥面磨損量為1mm，硬度基本上沒有變化，也沒有出現(xiàn)粘鋼的現(xiàn)象，夾送輥全壽命周期過鋼量達到80萬噸，使用壽命超過行業(yè)60萬噸的水平，使用效果良好。

3.2 熱卷箱托輥堆焊應(yīng)用實例

采用上述工藝方案對唐鋼1810線熱卷箱彎曲輥進行堆焊修復(fù)，有效堆焊層厚度6mm，出廠硬度為HRC56-58，成品見圖3。經(jīng)上線使用證實，彎曲輥輥面硬度均勻，沒有發(fā)生粘鋼和異常磨損現(xiàn)象，使用壽命由不足6個月提升至12個月以上，使用效果良好。

圖3 熱卷箱彎曲輥成品

4 結(jié)論

通過優(yōu)化表面堆焊材料合金體系，研究堆焊材料的金相組織、硬度及耐磨性的關(guān)系，制定合理的堆焊工藝，開發(fā)出一套成熟的高硬度耐磨輥道堆焊修復(fù)技術(shù)工藝流程。采用該技術(shù)成功對軋鋼關(guān)鍵部件卷曲上夾送輥、熱卷箱彎曲輥等輥道實施堆焊修復(fù)，修復(fù)后輥面硬度在HRC57-59之前。經(jīng)上線使用證實，輥面具有優(yōu)良的抗磨損、耐高溫、耐冷熱疲勞、抗粘鋼等性能，使用壽命得到較大提高，對于減少停機換輥時間，提高作業(yè)效率，保證軋鋼產(chǎn)線順行具有重要推廣意義。