高硬度耐磨輥堆焊技術的研究與應用

張 楊

（河鋼唐鋼檢修分公司，河北 唐山 063000）

隨著冶金工業技術工藝和裝備水平的迅猛發展，對冶金設備零(部)件也提出了更高的技術要求。冶金設備很多是在高溫、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(交變應力、熱應力)，耐沖蝕、腐蝕等性能。采用表面工程技術對零部件表面進行強化修復再制造，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中應用廣泛。堆焊技術作為材料表面改性的一種經濟而快速的工藝方法，其具有堆焊層金屬成分和性能調整方便，堆焊層厚度大，生產效率高，操作性強等一系列特點，所獲得的再制造產品在技術性能上和質量上都能達到甚至超過新品的水平，被廣泛應用于軋鋼系統中各種輸送輥道的制作和再制造修復。典型應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。卷曲夾送輥是熱連軋機組地下卷取機的重要備件，分別負責著將熱軋后的鋼板導向和輔助成卷的任務。夾送輥工作時輥面溫度在550℃～650℃之間，還要承受較大的壓力，因此輥面易出現粘鋼、龜裂和磨損等問題導致失效[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量。因此通過對不同輥道的使用工況進行分析，從優化表面堆焊材料合金體系入手，系統研究堆焊材料的金相組織、硬度及耐磨性的關系，制定合理的堆焊工藝，滿足上述輸送輥類產品的所需的抗磨損、耐高溫、耐冷熱疲勞、抗粘鋼性能，對于保證板材質量，減少停機換輥時間，提高作業效率具有重要意義。

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。基體材質為Q235B，試板規格為25mm×200mm×200mm，過渡層堆焊厚度為 1.5mm～2mm，工作層堆焊厚度為 5mm~6mm， 具體堆焊工藝參數見表1。

表1 堆焊工藝參數

1.2 試驗方法

采用DMM-480C 型光學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，轉速為 100 轉 / 分，磨損時間為 30min。

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織分析

堆焊后的試板經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中，另外還發現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，結果見表2。

表2 硬度檢測結果

從表2中可以看出，焊態組織的硬度為HRC53 -55，經過530℃ 回火后，硬度為HRC57-59，說明經過回火處理后，熔覆組織中成分更均勻，碳化物硬質相析出數量增多。

2.3 耐磨性試驗分析

磨損試驗時，固定砂紙，試盤壓在其上并發生轉動。用千分之一分析天平稱量試盤磨損前后的質量，結果見表3。

表3 磨損試驗結果

3 堆焊技術的實際應用

3.1 卷曲夾送輥堆焊實例

3.1.1 卷曲上夾送輥修復工藝流程

卷曲上夾送輥修復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）焊前預熱：將待焊夾送輥裝入電加熱爐內預熱，升溫速度為50℃/h，預熱保溫溫度為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備上，進行雙機頭單絲圓周方向連續螺旋自動埋弧堆焊，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型焊劑以改善高溫脫渣性。堆焊規范：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，并一直連續堆焊至夾送輥使用直徑并預留6mm~8mm加工余量[3]。

采用自主設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，沒有發現砂眼，氣孔，夾雜物、微裂紋等缺陷。

圖2 修復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，也沒有出現粘鋼的現象，夾送輥全壽命周期過鋼量達到80萬噸，使用壽命超過行業60萬噸的水平，使用效果良好。

3.2 熱卷箱托輥堆焊應用實例

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，有效堆焊層厚度6mm，出廠硬度為HRC56-58，成品見圖3。經上線使用證實，彎曲輥輥面硬度均勻，沒有發生粘鋼和異常磨損現象，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 結論

通過優化表面堆焊材料合金體系，研究堆焊材料的金相組織、硬度及耐磨性的關系，制定合理的堆焊工藝，開發出一套成熟的高硬度耐磨輥道堆焊修復技術工藝流程。采用該技術成功對軋鋼關鍵部件卷曲上夾送輥、熱卷箱彎曲輥等輥道實施堆焊修復，修復后輥面硬度在HRC57-59之前。經上線使用證實，輥面具有優良的抗磨損、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，提高作業效率，保證軋鋼產線順行具有重要推廣意義。