鄒宏軍

(攀枝花鋼城集團(tuán)有限公司協(xié)力分公司，四川攀枝花 617000)

1 引言

由于堆焊復(fù)合冶金軋輥的制造方法，是目前國(guó)內(nèi)外復(fù)合軋輥生產(chǎn)中較為先進(jìn)的方法之一，可替代傳統(tǒng)的軋輥制造方法。堆焊復(fù)合軋輥在性能上較其它方法制造的軋輥有較大的優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品綜合性能好，使用壽命高，而且可反復(fù)修復(fù)多次，制造成本低。另外，堆焊復(fù)合軋輥可解決軋鋼行業(yè)生產(chǎn)中的斷輥問(wèn)題，可提高軋輥的作業(yè)率，降低輥耗，從而為軋鋼企業(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，由于軋輥輥心材料的多次反復(fù)使用，大大節(jié)約了金屬合金材料，充分合理利用了資源，符合國(guó)家要求的再制造工程理念，具有較好的社會(huì)效益。同時(shí)，隨著堆焊材料(堆焊金屬)性能以及堆焊技術(shù)的不斷改善及提高，軋輥的堆焊修復(fù)和制造已絕不僅僅限于普通鋼質(zhì)軋輥。國(guó)內(nèi)外科技人員已在堆焊材料方面進(jìn)行了大量的研究工作，焊材已從過(guò)去單一的實(shí)心焊絲擴(kuò)展到焊帶、預(yù)合金粉、藥芯焊絲等多種形式。但要使得堆焊材料既要滿足軋輥十分惡劣的工況條件，又要具備良好的焊接工藝性能，加之軋輥的種類繁多，性能要求差異很大，使得這項(xiàng)研究工作和實(shí)際應(yīng)用過(guò)程進(jìn)展比預(yù)期的要慢。特別是一些高硬度要求的硬面輥，如熱軋地下卷取機(jī)的重要部件，助卷輥的堆焊制造，依然面臨冶金行業(yè)亟待解決的重大攻關(guān)難題。

助卷輥的主要作用是牽引已軋制好的薄板入卷和收卷。根據(jù)其工況條件，要求輥面金屬具有很高的耐高溫性、熱疲勞性和耐磨損性能，且要求在使用過(guò)程中輥身表面不粘鋼。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些軋輥制造廠家在堆焊制造、修復(fù)助卷輥時(shí)，選用的焊絲一直采用馬氏體型合金焊絲，堆焊金屬具有空淬特性，堆焊工作層金屬的金相組織為馬氏體+碳化物，為達(dá)工作硬度要求，焊后還需進(jìn)行焊后熱處理，具體使碳化物能夠在基體組織上彌散析出，形成二次硬化。由于這類合金成分的裂紋敏感性高，焊前需預(yù)熱200～400℃，焊接過(guò)程要保溫，且焊后要有緩冷措施;為改善熔合區(qū)性能，還需堆焊過(guò)渡層，之后才能堆焊工作層，工藝流程復(fù)雜。經(jīng)此方法修復(fù)、制作的助卷輥，表面硬度可達(dá)HRC45及以上，有較好的耐高溫性能和耐磨性能，使用壽命為3～4個(gè)月，但在使用中輥面存在“粘鋼”現(xiàn)象，且一直未能解決。所謂粘鋼［1］，即在輥?zhàn)颖砻娲嬖诖笮〔煌?、?shù)量一定的凸出物，使接觸的帶鋼表面產(chǎn)生壓痕。這些凸出物是粘在輥?zhàn)颖砻娴膸т摬牧?，俗稱粘鋼。粘鋼對(duì)板材質(zhì)量產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)還導(dǎo)致其提前失效報(bào)廢，縮短使用壽命。為此，作者經(jīng)過(guò)多年的研究，設(shè)計(jì)并制作了一種NiC鎳基藥芯焊絲作為助卷輥的堆焊用焊絲，應(yīng)用效果好。

2 NiC鎳基藥芯焊絲設(shè)計(jì)

針對(duì)前述現(xiàn)有助卷輥堆焊修復(fù)、制作存在的問(wèn)題，本次在助卷輥堆焊焊絲設(shè)計(jì)時(shí)需要解決的主要問(wèn)題是粘鋼。根據(jù)卷取機(jī)的工作過(guò)程，作者分析了產(chǎn)生粘鋼的原因?yàn)?在卷取帶鋼時(shí)，帶鋼對(duì)助卷輥產(chǎn)生沖擊力，使帶鋼與助卷輥的接觸點(diǎn)產(chǎn)生瞬時(shí)高溫。在高溫和高壓的聯(lián)合作用下，帶鋼和助卷輥表面局部發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，并與助卷輥表面粘附或焊合。助卷輥旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶鋼與助卷輥的接觸點(diǎn)在切應(yīng)力作用下，強(qiáng)度較低的帶鋼被撕裂，并粘附在助卷輥表面，形成粘鋼(積瘤)。

從粘附的角度上講，降低帶鋼與助卷輥之間的親和力，如助卷輥噴涂陶瓷涂層或采用顆粒增強(qiáng)的方式，則助卷輥的粘鋼現(xiàn)象將會(huì)減輕。然而，助卷輥在工作過(guò)程中承受較大的沖擊力，其堆焊層需要一定的韌性要求，以陶瓷涂層減輕粘鋼現(xiàn)象是不可行的。作者經(jīng)過(guò)分析，如果助卷輥的高溫硬度越高，則助卷輥在高溫和高壓作用下發(fā)生塑性變形困難，助卷輥的輥面就越不容易粘鋼。

另外，根據(jù)熱軋地下卷取機(jī)的工況，助卷輥除了解決輥面粘鋼問(wèn)題，還必須具有以下性能要求:

(1)耐壓力:在卷鋼板時(shí)承受將鋼板壓彎的壓力;

(2)耐沖擊:鋼板咬入助卷輥時(shí)的瞬間沖擊力而不受損傷;

(3)耐磨損:輥?zhàn)颖砻嫘枰^高的硬度;

(4)耐腐蝕:輥面耐高堿度循環(huán)反復(fù)沖蝕冷卻。

根據(jù)上述分析，作者將奧氏體不銹鋼設(shè)計(jì)為助卷輥的堆焊基體組織，這是因?yàn)?奧氏體不銹鋼具有顯著的冷加工硬化性，可通過(guò)冷變形方法提高奧氏體不銹鋼的硬度和強(qiáng)度，即充分利用該類奧氏體不銹鋼具有顯著的冷加工硬化性，可通過(guò)冷變形方法提高強(qiáng)度［2］。為了進(jìn)一步提高奧氏體不銹鋼基體組織的高溫強(qiáng)度、耐磨性，添加Mo、W、V等合金元素形成碳化物彌散強(qiáng)化基體，添加Co提高高溫?zé)岣g性能，表1為設(shè)計(jì)的奧氏體不銹鋼焊絲組分。

表1 NiC鎳基藥芯焊絲藥芯組分(wt%)

焊絲為鎳基藥芯焊絲，外皮為鎳帶，藥芯組分占焊絲比重的50% ～60%。該鎳基藥芯焊絲申請(qǐng)了發(fā)明專利并已授權(quán)［3］。

由于奧氏體不銹鋼常溫焊接時(shí)不會(huì)淬硬，因此采用本次設(shè)計(jì)的焊絲堆焊助卷輥不需要焊前預(yù)熱和堆焊過(guò)程中保溫，在沒(méi)有應(yīng)力腐蝕或結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性等特別要求時(shí)，也不需要焊后熱處理。在具體堆焊時(shí)，不需要堆焊過(guò)渡層，只堆焊工作層。

3 堆焊試驗(yàn)

3．1 焊接材料

堆焊焊絲采用NiC鎳基藥芯焊絲;焊劑選用HJ 107。

3．2 試驗(yàn)工件

以攀鋼熱軋助卷輥為例，輥面尺寸(輥面長(zhǎng)度×輥面直徑)為1450 mm×380 mm?；w材質(zhì)為20CrNiMo。試驗(yàn)工件采用基體良好的報(bào)廢熱軋助卷輥，堆焊試驗(yàn)前，將輥面直徑車削至φ374±0.10 mm。粗車后都必須進(jìn)行探傷檢驗(yàn)，以確保軋輥堆焊前基體表面和軋輥內(nèi)部沒(méi)有影響使用和輥?zhàn)颖砻娑押傅娜毕?，否則不允許再進(jìn)行堆焊修復(fù)工作。

3．3 堆焊方法及工藝參數(shù)

采用埋弧自動(dòng)焊(直流反接)，埋弧焊機(jī)的型號(hào)為MZ－1250，工藝參數(shù)見表2，在具體堆焊時(shí)堆焊厚度要保證軋輥成品加工后的單邊有效使用厚度不少于3.0 mm。

表2 堆焊工藝參數(shù)

3．4 試驗(yàn)內(nèi)容

由于助卷輥的堆焊用焊絲設(shè)計(jì)為鎳基藥芯焊絲，其堆焊金屬的金相組織主要為奧氏體，在堆焊過(guò)程中不發(fā)生相變，因此其試驗(yàn)內(nèi)容主要包括:

(1)堆焊金屬的化學(xué)成分分析。

(2)堆焊金屬的金相組織分析。

(3)進(jìn)行旋壓加工試驗(yàn)。采用作者的授權(quán)專利《焊縫硬化刀具》(專利號(hào):ZL2009 2 0316287．3)對(duì)堆焊金屬進(jìn)行旋壓加工，具體是將堆焊部位按圖紙要求加工，表面粗糙度達(dá)技術(shù)要求，設(shè)定預(yù)留旋壓加工余量，分別測(cè)定表面硬度、表面粗糙度、輥面在直徑方向的尺寸變化等情況。

4 結(jié)果與討論

4．1 堆焊金屬化學(xué)成分、金相組織

表3為助卷輥堆焊層的化學(xué)成分，助卷輥工作層中含有較多的Cr、Ni合金，為典型的奧氏體不銹鋼化學(xué)成分，為鎳基高溫合金。其中，Mo、W、V等合金元素形成碳化物，對(duì)基體進(jìn)行彌散強(qiáng)化;Co能提高高溫?zé)岣g性能。因此，熱軋助卷輥的工作層金屬具有很好的耐高溫性能、熱疲勞性能、耐磨損性能。從粘附的角度上講，輥面金屬的高溫性能降低了帶鋼與助卷輥之間的親和力，且輥面金屬的高溫硬度越高，發(fā)生塑性變形困難，則輥面就越不容易“粘鋼”。這才是解決助卷輥“粘鋼”的關(guān)鍵因素。

表3 堆焊工作層化學(xué)成分(wt，%)

圖1為助卷輥堆焊層的金相組織，堆焊層組織為枝晶形態(tài)，枝晶內(nèi)為奧氏體組織以及析出的彌散強(qiáng)化相，枝晶間為塊狀碳化物和奧氏體混合組織。

圖1 助卷輥堆焊層金相組織 ×100

4．2 助卷輥輥面的旋壓加工

由于助卷輥堆焊層為奧氏體組織，焊后硬度較低，因此需要進(jìn)行焊后的加工硬化處理。奧氏體組織為面心立方結(jié)構(gòu):(1)面心立方金屬的冷作變形量大，冷作硬化使金屬中位錯(cuò)密度大大增加，從而提高金屬的強(qiáng)度;(2)奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的相變點(diǎn)均在室溫以上，由室溫冷變形增加的金屬能使部分奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，從而促進(jìn)了金屬的組織硬化。表4為助卷輥經(jīng)車削加工、磨削后的原始尺寸，表面精度Ra(um)及經(jīng)4次旋壓加工后的尺寸，表面精度Ra(um)助卷輥輥面旋壓加工檢測(cè)結(jié)果。

表4 助卷輥旋壓加工檢測(cè)情況

由表4可知，助卷輥輥面經(jīng)旋壓加工后，硬度的增加隨加工次數(shù)的增加而提高，提高的幅度由大變小，最終的輥面硬度達(dá)到了HRC52～54范圍內(nèi)，達(dá)到了助卷輥上機(jī)使用的硬度(HRC52～58)要求，輥面尺寸、表面精度也分別達(dá)到圖紙 Ф380±0．20 mm、Ra0.8 um的技術(shù)要求。

4．3 助卷輥堆焊技術(shù)分析

(1)工序流程簡(jiǎn)單

由于以前的方法采用馬氏體型合金焊絲來(lái)堆焊制作、修復(fù)助卷輥(后稱“傳統(tǒng)輥”)，堆焊金屬具有空淬特性，堆焊工作層金屬的金相組織為馬氏體+碳化物。為達(dá)工作硬度要求，焊后還需進(jìn)行熱處理，具體使碳化物能夠在基體組織上彌散析出，形成二次硬化。同時(shí)，又因這類合金成分的裂紋敏感性高，焊前需預(yù)熱200～400℃，焊接過(guò)程要保溫，且焊后要有緩冷措施;為改善熔合區(qū)性能，還需堆焊過(guò)渡層，之后才能堆焊工作層，工藝流程復(fù)雜。而將采用NiC鎳基藥芯焊絲制作、修復(fù)后(后稱“鎳基輥”)，堆焊金屬為奧氏體不銹鋼組織。由于奧氏體不銹鋼在常溫焊接時(shí)不會(huì)淬硬，焊前不需預(yù)熱，堆焊過(guò)程中也不需保溫;在工作時(shí)，因沒(méi)有應(yīng)力腐蝕或結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性等特別要求，也不需要焊后熱處理;在具體堆焊時(shí)，不需要堆焊過(guò)渡層，只堆焊工作層。因此，相對(duì)傳統(tǒng)輥的堆焊制作、修復(fù)工藝方法而言，鎳基輥減少了焊前預(yù)熱、過(guò)渡層堆焊、堆焊過(guò)程保溫、焊后熱處理等工序流程，工序流程簡(jiǎn)單。

(2)堆焊量少，焊絲、焊劑消耗量低

傳統(tǒng)輥在堆焊修復(fù)時(shí)，先要焊過(guò)渡層，為保證其工作層金屬的化學(xué)成份達(dá)到性能要求，工作層通常要堆焊至少3層及以上，為保證其成品表面工作層有效厚度及預(yù)留車削余量加工，通常要堆焊4～5層。在正常情況下堆焊，輥面直徑需車削至 Ф364±0．10 mm，并以此作為堆焊的起始尺寸至加工尺寸。而鎳基輥在堆焊修復(fù)時(shí)，可直接堆焊工作層，不需要堆焊過(guò)渡層，輥面直徑只需車削至Ф374±0.10 mm。這樣，在保證成品加工尺寸一樣的情況下，鎳基輥的堆焊金屬量比傳統(tǒng)輥大大減少，減少的堆焊金屬量即為Ф364±0.10 mm至Ф374±0.10 mm之間堆焊金屬量的差值。按此計(jì)算，約需焊絲108 kg、焊劑130 kg，這也是鎳基輥比傳統(tǒng)輥所用焊絲、焊劑節(jié)省的量。

然而，很多教師在課堂教學(xué)過(guò)程中，由于個(gè)人教學(xué)側(cè)重點(diǎn)和對(duì)課標(biāo)理解的差異以及對(duì)教材深度把握的不同，在對(duì)課本插圖處理方面常存在一些不妥之處。結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為教師在課本插圖處理方面易出現(xiàn)以下問(wèn)題。

(3)加工工期短

傳統(tǒng)輥焊前預(yù)熱的工藝曲線見圖2，鎳基輥同比節(jié)約預(yù)熱升溫時(shí)間、保溫時(shí)間共計(jì)21 h。

圖2 傳統(tǒng)輥焊前預(yù)熱的工藝曲線

傳統(tǒng)輥焊后熱處理的工藝曲線見圖3，鎳基輥同比節(jié)約升溫時(shí)間，保溫時(shí)間，降溫時(shí)間共計(jì)19.2 h。

對(duì)于直徑為Ф4 mm的焊絲，其在正常的工藝參數(shù)下進(jìn)行堆焊時(shí)，焊絲的熔化速度通常為7 kg/h左右，那么要堆焊完108 kg焊絲所需的時(shí)間為15.4 h。

圖3 傳統(tǒng)輥焊后熱處理的工藝曲線

因此，在不考慮其它因素的情況下，僅焊前預(yù)熱、堆焊、熱處理三項(xiàng)，鎳基輥的修復(fù)、制作時(shí)間同比減少近56 h。

(4)節(jié)約能源

采用鎳基焊絲堆焊助卷輥，由于焊前不預(yù)熱、堆焊過(guò)程不需保溫，節(jié)約了煤氣;焊后不做熱處理、堆焊量少，節(jié)約了電。傳統(tǒng)輥和鎳基輥能源消耗對(duì)比見表5，鎳基輥同比節(jié)約煤氣7185 m3，節(jié)約電量8232 kWh。

表5 堆焊用能源對(duì)比

5 工業(yè)應(yīng)用

采用前述方法修復(fù)了編號(hào)1#、2#、3#助卷輥，經(jīng)旋壓加工后，輥面硬度在HRC52～54范圍內(nèi)。它們的輥面尺寸和表面精度均達(dá)到了圖紙技術(shù)要求，并安裝在攀鋼熱軋板廠1#地下卷取機(jī)上試驗(yàn)。鎳基輥與傳統(tǒng)輥的使用效果對(duì)比情況見表6。

表6 傳統(tǒng)輥、鎳基輥使用效果

從使用情況上看:采用NiC鎳基藥芯焊絲加HJ107堆焊修復(fù)的助卷輥，堆焊金屬具有很高的耐高溫性能、熱疲勞性能和耐磨性能，而且輥面不粘鋼，使用時(shí)間和卷鋼量都成數(shù)倍增長(zhǎng)。

6 結(jié)論

(1)采用NiC鎳基藥芯焊絲加HJ107應(yīng)用于熱軋助卷輥的堆焊修復(fù)，堆焊金屬為奧氏體組織，冷作變形量大，可通過(guò)冷作硬化的方法提高輥面金屬的強(qiáng)度和硬度;并有優(yōu)良的耐高溫性能、熱疲勞性能、耐磨性能，在使用中輥面不“粘鋼”。

(2)鎳基輥在使用過(guò)程中輥面狀態(tài)好，板材質(zhì)量穩(wěn)定，使用壽命和卷鋼量成數(shù)倍增長(zhǎng)，提高了卷取機(jī)的作業(yè)率，降低了輥耗。

(3)鎳基輥有工序流程簡(jiǎn)單、堆焊量少、焊接材料消耗量低、加工工期短、節(jié)省能源等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

［1］ 趙慶華，李林，邵玲，等．熱軋助卷輥的粘鋼與對(duì)策［J］．寶鋼技術(shù)，2004(4):4-6．

［2］ 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)．焊接手冊(cè):材料的焊接［M］．2版．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001:377．

［3］ 楊建明，鄒宏軍．用于堆焊制造熱軋卷取機(jī)助卷輥的藥芯焊絲及堆焊方法:中國(guó)，200810305875.7［P］．2009-04-22．