軋輥等離子堆焊再制造研究現(xiàn)狀與展望

摘要：軋輥是軋機的重要部件，其性能的好壞對軋鋼質量有著很大影響，失效軋輥再制造是軋輥制造業(yè)需解決的技術難題和發(fā)展循環(huán)經濟的有效途徑。軋輥再制造是運用表面處理技術對失效軋輥進行修復以達到或超過新產品性能的綠色制造工程。簡述軋輥的失效原因和主要失效形式以及等離子堆焊再制造技術的原理、特點；綜述軋輥等離子堆焊再制造鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金及復合型粉末材料的研究進展；指出等離子堆焊在軋輥再制造領域的應用現(xiàn)狀；對等離子堆焊技術在軋輥再制造中的發(fā)展趨勢進行了展望。

關鍵詞：軋輥；等離子堆焊；再制造；研究進展

中圖分類號：TG455文獻標志碼：A文章編號：1671-5276（2024）06-0053-04

Abstract：Roll， an important part of rolling mill， its performance has a great influence on the quality of rolling steel， while the remanufacturing of failed roll is a technical problem to be solved in roll manufacturing industry and an effective way to develop circular economy， and roll re-manufacturing is a green manufacturing engineering using surface treatment technology to repair failed rolls to reach or exceed the performance of new products. This paper briefs the failure causes and main failure forms of rolls as well as the principle and characteristics of plasma surfacing remanufacturing technology. The characteristics and research progress of remanufacturing iron base alloy， nickel base alloy， cobalt base alloy and composite powder materials by roll plasma surfacing are reviewed. The application status of plasma surfacing welding in roll re-manufacturing is revealed. And the development trend of plasma surfacing technology in roll re-manufacturing is prospected.

Keywords：roll; plasma surfacing; re-manufacturing; research progress

0引言

軋輥作為軋機的一個重要部件，對軋鋼生產的成本和軋機生產效率有很大影響。軋輥通常為雙金屬結構，由冶金結合的工作層和輥芯兩部分組成。芯部由高韌性材料制成，表面為具有高硬度特性的工作層，往往因工作層失效而退役，芯部以及部分工作層仍可再利用［1］。軋輥在實際軋制過程中受較大軋制循環(huán)應力、瞬間強烈沖擊力、輥面周期性接觸應力、薄弱處周期性冷熱循環(huán)熱應力和拉應力、較強的摩擦力和擠壓力以及軋輥生產過程中的殘余應力和較嚴重冶金缺陷等因素影響，往往會造成軋輥輥面磨損、疲勞裂紋、輥面剝落、軋輥斷裂等結果［2］。輥面磨損是軋輥最主要的失效形式，其主要原因包括：1）輥面周期性接觸應力、熱應力和軋件與冷卻水的交替作用產生疲勞磨損；2）軋輥和軋件接觸面結點斷裂磨屑產生黏著磨損；3）夾雜的碎屑、氧化鐵皮等在軋制應力作用下破碎成硬質顆粒產生磨粒磨損；4）輥面溫度升高在水蒸氣和空氣的氧化性氣氛環(huán)境中發(fā)生氧化、腐蝕產生腐蝕磨損。軋輥磨損通常分為宏觀磨損、微觀磨損兩種。宏觀磨損是指軋輥的磨損通過肉眼可以觀察出的變形，最直觀的就是軋輥直徑減小；微觀磨損是指軋輥的磨損無法通過肉眼觀察，但實際上已發(fā)生磨損的變形。磨損失效軋輥的消耗量約占軋輥總質量的20%［3］。如果這些失效軋輥直接報廢，不僅導致資源浪費同時也給軋鋼企業(yè)增加生產成本，因此軋輥修復再制造日益成為研究熱點。

在國家再制造經濟政策推動下，運用再制造技術對各種大型軋輥修復和再制造已成為鋼鐵企業(yè)降低成本、提高生產效率的重要手段［4］，也是軋輥制造業(yè)需解決的技術難題和發(fā)展循環(huán)經濟的有效途徑［5］。等離子堆焊技術作為再制造技術之一，被廣泛應用于裝備零件的修復再制造，尤其是通過技術手段高質量翻新、壽命延長等，可大幅削減制造新工件帶來的資源能源消耗和碳排放［6］。軋輥等離子堆焊再制造主要是在失效軋輥表面形成結合強度高、耐磨損性能好、抗腐蝕能力強的新工作層，以達到或超過新產品性能的效果，延長其壽命和報廢期限，具有良好的經濟、環(huán)境和社會效益。

1等離子堆焊技術

等離子堆焊是在電極與工件之間接轉移弧電源正極、電極與噴嘴之間接轉移弧電源負極。電極與噴嘴之間輸入高頻電壓作為非轉移弧電源，使其產生氣體電離導通直流電壓產生電弧，電極與工件之間的氣體電離引發(fā)電壓導通產生轉移弧，合金粉末被等離子體電弧高溫加熱熔化形成合金熔池并噴熔到工件表面，在工件表層與合金粉末形成冶金結合的堆焊熔覆層，從而實現(xiàn)零件表面強化的加工技術，其技術原理如圖1所示［7-9］。

等離子堆焊技術具有弧心熱量集中、能量密度大、可以熔化難熔的材料、材料利用率高、堆焊層為冶金結合、表面沒有明顯的缺陷、熔覆層綜合性能好、不易產生氣孔、稀釋率較低、工藝穩(wěn)定、成本低、生產效率高、堆焊過程易實現(xiàn)機械自動化和智能化［10］等優(yōu)點；但也存在堆焊層的組織性能受焊接工藝影響較大、特別是多層堆焊易產生雜質、焊疤、孔洞、裂紋等難以避免的缺陷［11］。

等離子堆焊技術與電弧堆焊、埋弧堆焊、鎢極氬弧堆焊、激光堆焊等其他電弧堆焊技術相比，能量更集中，工件的稀釋率和變形更低，加工精度更高，形成的復合堆焊層強度和耐磨性更高，質量也穩(wěn)定可靠［12］。與激光熔覆技術相比，操作簡單，應用廣泛，生產效率更高，成本更低；與噴涂技術和電刷鍍技術相比，熔覆層為冶金結合，結合強度更高。等離子堆焊技術可以提高再制造軋輥的表面硬度和性能，已逐漸成為部分種類廢舊軋輥的重要修復技術。

2軋輥再制造等離子堆焊熔覆材料

熔覆材料應充分考慮與基體材料之間的相容性、潤濕性、質量分數(shù)及物理性能差異。目前常用的等離子堆焊熔覆材料主要有自熔性合金材料和復合型材料兩大類。自熔性合金材料主要包括鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金等金屬合金材料，具有優(yōu)異的綜合物理、化學和力學性能，在材料性能分析、顯微組織特征、微觀結構成分、涂層質量控制、制備工藝優(yōu)化等方面有大量的研究；但由于鎳、鈷屬稀缺金屬，成本較高，一般只應用于有特殊表面性能要求的等離子堆焊再制造中。復合型熔覆材料主要是在自熔性金屬合金的基礎上通過成分設計、梯度設計、顆粒設計、熱障涂層等由兩種及以上不同性能固相所組成的高硬度耐磨涂層［13］，近幾年發(fā)展比較迅速，被廣泛應用于零件的表面強化與再制造。

2.1自熔性合金材料

鐵基合金材料是以金屬鐵為基體，加入硅、硼等元素組成的合金材料，主要包括鐵基自熔性合金、不銹鋼合金、鐵基非晶合金等，具有原材料來源廣、價格低、堆焊層成分接近于工件、綜合性能良好等優(yōu)點，鐵基堆焊層硬度和耐磨性相較于基體得到極大提升。但也存在自熔性相對較差、抗氧化能力不強、堆焊層容易有氣孔、夾渣等缺點，一般用于不是很惡劣的工況環(huán)境。姚海華等［14］對鐵基合金Fe-Cr-C-B-Nb進行研究。結果表明，堆焊層與基體間成形良好，堆焊層由Fe-Cr固溶體相與γ-Fe相構成，且彌散著大量富硼化物和M23（B，C）6硬質相，并形成骨架狀網絡支撐。

鈷基合金材料是以金屬鈷為主要成分，加入一定量鉻、鎳、鉬、鎢和少量硼、碳等元素形成的合金。鈷元素的熔點相比其他碳化物較低，加工過程中會最先熔融并與其他元素形成新的物相，有利于強化熔覆層的性能［15］。該合金具有流動性好、紅硬性、抗高溫氧化、耐磨耐腐蝕及抗熱疲勞等特點，可以應用于在600℃～700℃高溫下工作的抗氧化、耐腐蝕、耐磨損的表面涂層，多被應用于工況惡劣環(huán)境中工作的零部件表面處理與再制造。徐家樂等［16］在GCr15軸承鋼基體上制備了鈷基合金涂層，與基體硬度相比，涂層顯微硬度提高了1.36倍。

鎳基自熔性合金是在鎳基合金粉中加入硼、硅等元素，形成低熔點的共晶體，使合金粉末的熔點降低并擴大固液相線溫度區(qū)間的合金材料，具有熔點較低、流動性和潤濕性較好的特點，作為等離子堆焊合金熔覆材料適用性較廣。李閃、李孝露［17-18］在1Cr18Ni9Ti不銹鋼表面制備了Ni50A鎳基合金堆焊層。研究表明：堆焊層主要由γ-Ni組成，此外還存在Cr7C3、Ni3B、M23（B，C）6等析出相，在磨損試驗中堆焊層的磨損以黏著磨損為主，伴有磨粒磨損，后期出現(xiàn)氧化磨損。

2.2復合型材料

目前我國研制的復合型粉末材料主要分為金屬型復合粉末、金屬陶瓷型復合粉末、陶瓷型復合粉末等。金屬型復合材料結合了自溶性合金良好的熱塑性和成形性，兼具硬質顆粒作為增強相的高塑韌性、高硬度、高耐磨性，表現(xiàn)出良好的耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化等性能，而且堆焊層與基體之間為冶金結合，一直是優(yōu)先考慮的減磨耐磨增強材料，被廣泛用于制備表面強化和再制造涂層。金屬基陶瓷復合材料將增強相與金屬或合金進行組合，可使其獲得金屬和陶瓷優(yōu)異特性的效果［19］。

通過第二相強化、細晶強化、固溶強化、微觀組織優(yōu)化、涂層非晶化、涂層結構優(yōu)化等方式可以提高復合材料的硬度和耐磨性［20］。碳化物顆粒增強相由于具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良特性以及與鐵基體良好的相容性，是常用的硬質增強相，通常用作耐磨材料。VC是堆焊層中較理想的碳化物，V在高溫時溶解度較大，二次析出作用明顯；VC質地堅硬，不易變形和開裂、彌散析出硬化相，可顯著提高材料整體硬度和耐磨性。TiC顆粒由于具有高硬度、高彈性模量、熱力學性能穩(wěn)定以及其在基體組織中呈彌散分布的特點，且原料價格較為低廉，因而具有廣泛的應用前景。Cr的碳化物Cr7C3硬質相條束垂直于磨損面分布時能夠顯著提高堆焊層的耐磨性能，碳化物（Cr，F(xiàn)e）23C6呈條狀或斷續(xù)網狀時，能起到骨架耐磨的作用，可提高堆焊合金耐磨性、降低裂紋敏感性［21］。

WANG等［22］開展了35CrMo鋼表面制備V8C7增強鐵基復合涂層的相組成與性能分析，發(fā)現(xiàn)涂層主要由V8C7、α-Fe、Cr7C3、Mo2C和Fe3C組成，受第二相、細晶強化及固溶強化的作用，涂層顯微硬度是基體的4倍，磨損失重僅為基體的1/26，在基體中原位生成的V8C7顆粒顯著提高了涂層的耐磨性。崔靜等［23］在AF1410鋼表面制備了WC含量為60%的NiCrBSi涂層。結果表明：涂層物相是WC、W2C等含鎢碳化物樹枝晶以及樹枝晶間隙內顆粒狀分布的γ-（Ni， Fe）固溶體和M23C6、M7C3等碳化物，涂層最小平均磨損率達到8.78×10-8mm3/Nm，與基體相比，減少了約60倍，耐磨性得到顯著增強。周丹等［24］在45鋼表面制備了不同含量（10wt%、20wt%、30wt%、40wt%）TiC增強鈷基合金涂層。研究發(fā)現(xiàn)：隨TiC含量的提高，熔覆層顯微硬度及耐磨性提升；當TiC質量分數(shù)較低時，第二相數(shù)量分布較少，顆粒較大，涂層組織較致密；隨著TiC含量的增加，涂層未能熔化的TiC顆粒增多，從而使得熔覆層中第二相顆粒數(shù)量明顯增多。

3等離子堆焊在軋輥再制造領域的應用

隨著再制造技術的發(fā)展，軋輥等離子堆焊再制造提高了軋輥的抗磨損性能、有效延長其使用壽命，得到了比較廣泛的應用。研究人員圍繞等離子堆焊技術實現(xiàn)失效軋輥修復再制造、降低再制造軋輥成本、軋輥循環(huán)堆焊修復、防止再制造軋輥堆焊層開裂等開展了大量研究與應用。

為了驗證再制造軋輥的使用性能、使用壽命和降低成本情況，高陽等［25］對鞍鋼1700精軋機Cr4支承輥成功實現(xiàn)等離子堆焊再制造，經實際應用驗證表明：精軋機Cr4堆焊再制造支承輥完全符合軋制工藝要求，與新品支承輥相比成本降低了50%，毫米過鋼量達到新品軋輥水平。姚雙吉等［26］開展了大型熱軋支撐輥及大型冷軋支撐輥焊材制備、堆焊工藝及修復技術的研究，等離子堆焊修復解決了焊接性能不穩(wěn)定的難題，支撐輥的使用壽命接近或達到新軋輥水平，且可循環(huán)堆焊修復3次，給企業(yè)降低40%以上成本。聶斌英開展了大型熱軋支承輥堆焊層早期開裂失效機制及再制造修復研究，結果發(fā)現(xiàn)：低周接觸疲勞破壞是導致堆焊熔覆層開裂的主要原因，可通過采用高溫回火熱處理的加工工藝調控輥面堆焊熔覆層亞穩(wěn)相殘余奧氏體和馬氏體的含量，提高再制造支承輥面硬度、強度，有效避免再制造熱軋支承輥面堆焊層的開裂現(xiàn)象。

4結語與展望

等離子堆焊技術在眾多再制造技術中具有較高的性價比，其克服了復合材料難加工的問題，并獲得實際工況中性能優(yōu)良的涂層，對修復軋輥等易損部件失效、延長高附加值服役壽命具有重要研究和應用價值。針對軋輥需求的性能高端化、尺寸復雜化和材質多元化，對等離子堆焊技術提出了更多的挑戰(zhàn)。為此，軋輥等離子堆焊再制造的研究和應用發(fā)展應從以下幾個方面予以重點突破。

1）在等離子堆焊技術發(fā)展方向上應多關注堆焊過程中缺陷的減少、焊接工藝的優(yōu)化、新型組合焊材的研發(fā)、堆焊層耐高溫磨損性能的提高等，例如采用超聲波的空化和聲流作用使剛生長的晶枝斷開，形成新的形核質點，細化晶粒，進而提高堆焊層的組織和性能。

2）積極開展等離子堆焊輔助工藝研究，將輔助加工技術與等離子堆焊技術相結合，融合多專業(yè)進行復合技術開發(fā)；加強熱處理工藝對軋輥再制造性能的研究，消除等離子堆焊層內部殘余應力，解決堆焊層的開裂和氣孔等質量問題；采用數(shù)值模擬技術研究多物理場耦合的應力場和溫度場的分布規(guī)律，優(yōu)化等離子堆焊工藝參數(shù)，揭示等離子堆焊層成型機制，提高涂層質量。

3）開發(fā)高性能的軋輥再制造熔覆材料，針對不同軋輥所受的工作環(huán)境、軋輥不同位置所產生的磨損類型、軋輥特定的性能要求，研制專用復合材料，提升等離子堆焊技術在再制造行業(yè)的競爭力，更好地推進我國軋輥行業(yè)的發(fā)展。

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收稿日期：20240223

基金項目：山東省重點研發(fā)計劃項目（2023RKY02006）

第一作者簡介：張森（1987—），男，山東濟寧人，副研究員，博士，研究方向為技術開發(fā)、科技管理，tskxy2014@163.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.010