熱軋帶鋼卷取機夾送輥修復材料與再制造工藝研究

劉士彬 ， 杜江偉， 陳亞通 張 雨 霍曉真

（1. 邢臺軋輥特種制造有限公司， 河北 邢臺054000；2. 軋輥復合材料國家重點實驗室， 河北 邢臺054025）

0 前 言

熱軋帶鋼卷取機夾送輥主要功能是將精軋機軋制后的帶鋼夾緊并送入卷取機， 并且當帶鋼尾部離開精軋機后夾送輥壓緊帶鋼使帶鋼保持一定的張力， 將軋制好的板帶矯直、 矯平。 夾送輥表面質量直接影響生產板帶的表面質量， 因此夾送輥對于熱軋帶鋼的生產至關重要。 但其工作條件十分惡劣， 承受很大的工作載荷， 表面溫度一般為500～600 ℃， 因此輥面易出現粘鋼、 龜裂、 凹坑剝落和磨損等問題， 并因不斷采用水冷而產生冷熱疲勞； 同時夾送輥表面的塑性流動和板帶間的相互移動引起粘附， 造成軋輥表面出現各種缺陷而失效。 由于軋輥的價格較高， 如果失效后馬上報廢會增加生產成本， 所以目前常采用的方法是在夾送輥輥面堆焊一層特殊性能的材料對其進行修復， 使其形成復合材料的工程結構。

某鋼廠使用采購的馬氏體不銹鋼藥芯焊絲進行自主修復， 由于夾送輥直徑較小， 熱傳輸較快（上夾送輥為空心結構， 熱傳輸更大）， 修復后出現硬度偏低、 裂紋等情況， 使用壽命較短， 且存在焊接焊道紋， 影響產品質量。 后該鋼廠委托邢臺軋輥特種制造有限公司進行修復， 并研發了ZJ-12焊絲+HJ107 焊劑作為堆焊硬層材料， 通過控制工藝， 再制造后夾送輥滿足使用要求， 過鋼量大大提升， 成本也顯著降低。

1 焊接材料及性能

1.1 焊接材料

焊絲成分直接影響堆焊層質量， 為保證夾送輥較高的耐磨性、 熱硬性和耐熱疲勞等性能， 以及與夾送輥材質 （20CrNiMo） 進行匹配， 設計的焊絲中含有一定量的Cr、 Ni、 Mo 和V 等合金元素。 經5 組正交試驗， 最終優選出過渡層選用ZJ-11 藥芯焊絲， 堆焊硬層選用ZJ-12 藥芯焊絲（為降低熱輸入， 采用 Φ3.2 mm 焊絲）， 焊劑采用各項性能均較好的HJ107。

1.2 焊接材料性能

采用林肯電源進行埋弧焊焊接試驗， 試板選用與夾送輥材質相同的20CrNiMo 鋼， 尺寸為400 mm×40 mm×25 mm， 在試板上采取多道多層焊接方式， 通過用過渡層ZJ-11 焊絲堆焊2～3 mm 后， 再使用硬層ZJ-12 焊絲堆焊到15～20 mm， 配合HJ107 焊劑使用。 具體焊接工藝參數見表1。

表1 堆焊層焊接工藝參數

1.2.1 堆焊層熔敷金屬化學成分

在堆焊層上取樣進行化學成分檢測， 用4%硝酸酒精溶液腐蝕試樣后， 采用光學顯微鏡觀察堆焊層顯微組織， 堆焊層熔敷金屬化學成分見表2。

表2 堆焊層熔敷金屬化學成分 %

1.2.2 堆焊層組織

圖1 堆焊層顯微組織

試樣堆焊層組織如圖1 所示。 由圖1 可以看出， 堆焊后熔敷金屬組織主要為馬氏體和碳化物。堆焊層中含有Cr、 V、 Mo 和W 等合金元素， 它們均能與碳形成較穩定的碳化物， 可有效提高堆焊層硬度。 回火時， 這些合金元素能夠以細小碳化物的形式進行彌散強化， 使堆焊層具有較好的熱硬性、 硬度和耐磨性。

1.2.3 堆焊層表面硬度

使用TH110 里氏硬度計檢測堆焊層的硬度，檢測結果見表3。 由表3 可見， 試樣堆焊后具有較高硬度， 且分布均勻， 硬度值滿足技術要求。

表3 堆焊層硬度檢測結果HRC

1.2.4 磨損性能

采用由自動金相研磨拋光機改制的試樣磨損機進行磨損試驗， 試樣規格為Φ10 mm×15 mm，水磨砂紙600#， 設定轉速200 r/s， 壓力200 N，旋轉時間25 s。 對比試樣采用硬度為55HRC 的鍛鋼淬火件。 通過測出試樣磨損前后的質量， 計算出的差值及磨損量見表4。

表4 堆焊層質量的測量及磨損量計算結果

磨損試驗結果表明， ZJ-12 堆焊耐磨層平均質量損失率僅為0.57%， 而淬火鋼的平均質量損失率為4.79%， 可見， ZJ-12 堆焊層的耐磨性能較優。

1.2.5 拉伸、 沖擊性能

按照GB/T 228.1—2010 《金屬材料拉伸試驗第1 部： 室溫試驗方法》 進行拉伸試驗取樣， 在焊縫部位 （高于過渡層3 mm） 取3 個試樣， 尺寸為M16×120， 拉伸試驗結果見表5。 按照GB/T 12778—2007 《金屬夏比沖擊斷口測定方法》在焊縫部位 （高于過渡層3 mm） 取3 個試樣，尺寸均為10 mm×10 mm×55 mm， U 形缺口， 常溫 （20 ℃） 下的沖擊試驗結果見表6。

表5 堆焊層焊縫拉伸試驗結果

表6 常溫 （20 ℃） 下的沖擊試驗結果J

由表5 和表6 可以看出， 其沖擊韌性較好，抗裂性也較好， 可有效阻礙裂紋擴展， 并能夠防止軋輥輥身表面出現剝落等缺陷的產生。

1.2.6 熱疲勞性能

冷熱疲勞試樣尺寸為40 mm×40 mm×10 mm，其中40 mm×40 mm 面為試驗面， 試樣在制取加工過程中要保證足夠的冷卻， 確保試樣表面不過熱。40 mm×40 mm 的試驗面磨削加工后， 拋光成鏡面，4%硝酸酒精侵蝕烏化。

熱疲勞試驗機為自制試驗機， 加熱方式為高頻表面感應加熱。 將試樣固定在試驗臺支座上， 調整試樣與平面感應器的間隙至固定距離， 開啟循環冷卻系統、 記錄系統和控制系統。 設定加熱峰值溫度、 循環次數、 加熱功率及冷卻時間等試驗參數。 調整紅外測溫儀， 使之透過感應器小孔直接測溫。 對循環溫度的變化及循環次數需做記錄， 溫度測量裝置的誤差不應超過±10 ℃。

堆焊層試樣在25～600 ℃條件下進行1 000 次加熱和水冷的熱疲勞試驗， 試驗后未發現疲勞裂紋， 說明堆焊層在溫度為25～600 ℃條件下具有良好的熱疲勞性能。

2 夾送輥再制造工藝研究

夾送輥堆焊再制造過程為： 焊前準備→預熱→堆焊→中間熱處理→堆焊→最終熱處理。

2.1 焊前準備

為保證夾送輥良好的焊接性能與使用性能，首先應將原疲勞層進行粗車， 然后進行著色與超聲波探傷， 確保無裂紋等缺陷。

2.2 預熱

夾送輥開始堆焊前， 為降低堆焊過程中熔敷金屬的冷卻速度， 減少焊接熱應力， 需先對夾送輥進行預熱處理， 預熱溫度應在馬氏體開始轉變溫度以上， 最終設定為280～320 ℃， 加熱完成后對軋輥進行保溫， 以保證輥芯溫度能達到所要求的預熱溫度。 保溫時間大致按照軋輥直徑范圍確定， 輥坯直徑越大， 保溫時間就越長， 以保證軋輥內外均溫， 最終確定軋輥保溫時間為3 h， 從而保證輥坯完全熱透。

2.3 堆焊與層間溫度控制

焊前熱處理后開始進行堆焊。 考慮夾送輥直徑為400～900 mm， 熱傳輸較快， 過渡層與硬層焊絲均采用Φ3.2 mm 藥芯焊絲， 通過對焊接行走速度的規定來控制堆焊螺距， 焊絲的縱向移動速度應讓相鄰的焊道之間能重疊1/2 左右， 以保證堆焊層平整無焊漏。 層間溫度控制在230～270 ℃為宜，考慮焊接過程中中間溫度較高， 兩端降溫較快，為保證層間溫度均勻， 制作專用加熱裝置 （采用煤氣管加熱， 在堆焊輥身端部做成扇形， 增加加熱面積， 保證快速加熱） 進行層間溫度控制。

2.4 最終熱處理

堆焊完成后爐冷到150 ℃， 按照40 ℃/h 升溫到510 ℃， 保溫10 h 后爐冷， 冷卻至100 ℃后開爐空冷。 最終熱處理可消除堆焊過程產生的部分組織應力和熱應力， 使堆焊層組織產生 “二次硬化”， 進一步提高堆焊層的耐磨性及耐熱疲勞性。

2.5 檢測

堆焊完成后， 經著色探傷沒有檢測到表面裂紋， 經超聲波探傷儀檢驗堆焊層內無直徑大于2 mm 的氣孔， 其缺陷判定符合GB/T 13316—1991 《鑄鋼軋輥超聲波探傷方法》 中B 級標準要求， 并檢測輥身硬度約為53HRC， 具體數據見表7。 由表7 可以看出， 再制造夾送輥具有良好的常溫硬度， 滿足硬度大于50HRC 的技術要求。

表7 再制造夾送輥硬度

3 結束語

使用優選的ZJ-12 藥芯焊絲進行堆焊試驗，金相組織較原來馬氏體不銹鋼更加細化， 且碳化物顆粒明顯增加， 提升了材料的硬度與耐磨性。使用ZJ-12 藥芯焊絲對某鋼廠再制造的夾送輥未出現裂紋、 氣孔等缺陷， 在同等使用條件下， 堆焊修復后的輥面磨損量明顯好于未堆焊的新輥輥面， 上機使用后， 輥面無粘鋼、 砂眼、 凹坑及裂紋等缺陷， 使用效果良好， 上機一次使用過鋼量均超過45×104t， 顯著提高了夾送輥的使用壽命， 其修復成本為新輥成本的25%～30%， 經濟效益顯著， 為各鋼廠降低成本提供參考。