孟慶宇　于洪巖　鄭秋月(天津市天重江天重工有限公司，天津300408)

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新開發(fā)材質(zhì)ZG42CrNi2Mo4大齒圈焊接工藝研究

孟慶宇于洪巖鄭秋月
(天津市天重江天重工有限公司，天津300408)

摘要:通過分析新開發(fā)材質(zhì)ZG42CrNi2Mo4的化學(xué)成分以及力學(xué)性能，進(jìn)行焊接工藝評定，生產(chǎn)出合格的齒圈。

關(guān)鍵詞:ZG42CrNi2Mo4;齒圈;焊接

大齒圈是我公司今年主要的開發(fā)產(chǎn)品。大齒圈是回轉(zhuǎn)窯重要的構(gòu)成部件，安裝在窯體上，與其嚙合的小齒輪一起組成回轉(zhuǎn)窯整個傳動系統(tǒng)的最后一組齒輪組［1］，要承受高溫及交變載荷，對力學(xué)性能和焊接修補要求非常嚴(yán)格，尤其是齒面硬度，所以對于焊接修補質(zhì)量及焊補處硬度差要求尤為嚴(yán)格。若焊補質(zhì)量不好會造成在運行過程中開裂，焊補處硬度差偏大，就會對其它設(shè)備造成磨損。在生產(chǎn)過程中這都會造成重大的經(jīng)濟損失。

1　大齒圈的成分、性能對比及分析

1．1成分對比

近年來大型低合金鋼鑄件被廣泛使用于回轉(zhuǎn)窯大齒圈，如: ZG35Mn( ZG35SiMn)、ZG35CrMo及ZG42CrMo等是較為常用的材料，標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)成分取自JB/T 6402—2006，與新開發(fā)材質(zhì)ZG42CrNi2Mo4對比如表1所示。

由表1可看出，相比之下，ZG42CrNi2Mo4合金含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于表中其他標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)，其材料造價較高。Mn、Cr、Mo、Ni對鑄鋼力學(xué)性能及焊接性影響如下:

( 1)錳( Mn) :鋼中含錳量在0．70%以上時較一般含量0．3%～0．5%的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強度和硬度，可提高鋼的淬透性，改善鋼的熱加工性能。焊接方面，錳的作用與硅相似，但脫氧能力比硅稍差一些。除了脫氧作用外，還能和硫化合生成了硫化錳( MnS)，從而減少低熔點化合物在晶間的分布，降低了焊縫金屬的結(jié)晶裂紋敏感性，降低由硫引起的熱裂紋的傾向。

( 2)鉻( Cr) :在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中，鉻能顯著提高強度、硬度和耐磨性、抗氧化性和耐腐蝕性，但同時降低塑性和韌性。鉻對提高焊縫的淬透傾向作用比較強烈，焊態(tài)焊縫金屬的硬度隨含鉻量的增加而逐漸提高，并可以提高脆性轉(zhuǎn)變溫度，這對焊接是不利的。當(dāng)焊縫中含一定鉻時，在氧化性介質(zhì)中可在表面形成致密、穩(wěn)定氧化膜，從而提高其耐蝕性，但是使焊接變得更困難。

表1　各材質(zhì)成分對比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1　Comparison of chemical compositions of various materials ( mass fraction，%)

表2　性能對比Table 2　Comparison of mechanical properties

( 3)鎳( Ni) :提高鋼的強度，而不降低其塑性，改善鋼的低溫韌性，降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性，擴大奧氏體區(qū)，是奧氏體化的有效元素，本身具有一定耐蝕性，對一些還原性酸類有良好的耐蝕能力。當(dāng)鎳的含量較高時，可能與焊縫中的雜質(zhì)(如硫)形成低熔點化合物，而使熱裂紋敏感性明顯增大。在低錳時，鎳對抗解理斷裂是有益的，而在高錳時是有害的，在含0．6%錳時得到最佳韌性，消除應(yīng)力處理對錳鎳匹配的焊縫韌性幾乎沒有影響，但在鎳與錳含量不匹配時產(chǎn)生嚴(yán)重脆性。

( 4)鉬( Mo) :鉬能使鋼的晶粒細(xì)化，能提高力學(xué)性能，提高淬透性和熱強性能，在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力，還可以抑制合金鋼由于回火而引起的脆性。鉬含量小于0．6%時，可以提高塑性，減少產(chǎn)生裂紋的傾向，提高沖擊韌性。鉬是提高熱強性的有效元素，能提高熱影響區(qū)的淬硬傾向，使裂紋敏感性增大。添加鉬后由于焊縫金屬固溶硬化，先共析鐵素體量逐漸減少，針狀鐵素體比例開始時增多，隨后減少，提高了柱晶區(qū)、粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和不完全相變區(qū)的硬度，并減少了這些不同區(qū)域之間硬度的差別。

1．2性能對比

表2為性能對比。標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)性能取自JB/T 6402—2006，新開發(fā)ZG42CrNi2Mo4為實測值。

新開發(fā)ZG42CrNi2Mo4大齒圈采取正回火為性能熱處理，本體硬度均在300～340HBW，由此可見，此材質(zhì)淬透性很好。

對比其它性能，除收縮率比其它材料低，抗拉強度、屈服強度、延伸率、硬度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它材質(zhì)，這也印證了成分對比所分析的性能關(guān)系。由此看出，新材質(zhì)ZG42CrNi2Mo4性能完全能符合大齒圈使用要求。

2　焊接工藝研究

2．1新材質(zhì)ZG42CrNi2Mo4可焊性分析

根據(jù)新材質(zhì)ZG42CrNi2Mo4大齒圈實際化學(xué)成分計算碳當(dāng)量CE( IIW)，并估算預(yù)熱溫度T0。

采用國際焊接協(xié)會推薦公式CE( IIW)計算碳當(dāng)量:

考慮到Si的含量較高，再采用美國推薦的評定焊接性的碳當(dāng)量公式計算:

由碳當(dāng)量可見新開發(fā)材質(zhì)ZG42CrNi2Mo4淬硬性高，可焊性很差，焊前必須采取預(yù)熱降低焊接應(yīng)力以及熔合線硬度，焊后必須立即退火去除內(nèi)應(yīng)力。但考慮到鑄件可能出現(xiàn)較多缺陷，預(yù)熱溫度過高會大大降低工人操作性，降低生產(chǎn)效率，因此我們采用較低的預(yù)熱溫度300℃并保持溫度，在焊接過程中的熱輸入會逐步提高母材焊補范圍的溫度。

2．2焊接工藝評定

針對新材質(zhì)ZG42CrNi2Mo4力學(xué)性能及大齒圈的使用條件，我們進(jìn)行了嚴(yán)格的焊接工藝評定。

焊接工藝評定分為兩種焊材分別進(jìn)行，焊條牌號THJ107Cr，直徑?3．2 mm、?4．0 mm，藥芯焊絲型號THY—J107Ni( M)，直徑?1．2 mm。具體成分及性能見表3。

2．2．1焊接工藝評定試驗大綱

焊接工藝評定鑄件試板采用( 500×350× 100) mm規(guī)格，與大齒圈同爐澆鑄，加工采用中間摳槽形式，摳槽深度為42 mm。

其工藝流程為:工藝評定試板澆鑄→熱處理(正火+回火)→本體性能試驗→(性能合格后)外形尺寸加工→無損檢測( UT)→摳槽→無損檢測( MT)→試板焊接→焊后熱處理→焊縫無損檢

表3　焊材成分及性能Table 3　Chemical composition and mechanical properties of welding materials

圖1　焊接坡口細(xì)節(jié)Figure 1　 Details of welding groove

圖2　焊道順序示意圖Figure 2　Schematic drawing of welding pass sequence

圖3　硬度測試點位置Figure 3　 Locations of hardness test

測( UT、MT)→試板再加工→性能試驗。

焊接坡口細(xì)節(jié)見圖1，焊道順序示意見圖2。具體性能試驗細(xì)節(jié)是:

( 1)性能試驗取樣為整個焊縫橫斷面。

( 2)焊縫橫向拉伸試驗:試件做兩組拉伸，每組分為焊縫上端與下端兩個試樣，覆蓋整個焊縫橫斷面。

表4　THJ107Cr焊接工藝評定( SMAW)結(jié)果Table 4　Evaluated results of THJ107Cr welding procedure ( SMAW)

表5　THY—107Ni( M)焊接工藝評定( FCAW)結(jié)果Table 5　Evaluated results of THY—107Ni( M) welding procedure ( FCAW)

圖4　焊接表層以下2 mm～4 mm硬度分布圖Figure 4　Distribution diagram of hardness at the positions of 2mm～4mm below welding surface

( 3)硬度測試:試樣的硬度采用維氏硬度，硬度測試線為近表面，分別在焊縫、熱影響區(qū)和母材中總計測39個點，見圖3。

( 4)焊縫橫向側(cè)彎:彎曲試樣為4組，試樣壓頭直徑為?40 mm，彎曲角度參考母材彎曲角度。

2．2．2 THJ107Cr及THY—107Ni( M)焊接工藝評定結(jié)果

THJ107Cr焊接工藝評定( SMAW)結(jié)果見表4。THY—107Ni( M)焊接工藝評定( FCAW)結(jié)果見表5。

2．3焊接工藝評定分析

由焊接工藝評定試驗結(jié)果可明顯看出，THJ107Cr及THY—107Ni( M)拉伸試驗結(jié)果其焊材抗拉強度及彎曲試驗結(jié)果符合新材質(zhì)ZG42CrNi2Mo4力學(xué)性能要求。若只考慮焊材與母材力學(xué)性能匹配性，兩種焊材均適用于ZG42CrNi2mo4的焊接。

焊接接頭熱影響區(qū)的性能主要取決于母材的化學(xué)成分、加熱溫度和冷卻速度。把兩種焊材焊接工藝評定的硬度用圖直觀的表現(xiàn)出來，見圖4。

從硬度試驗結(jié)果可看出:無論是焊條THJ107Cr還是焊絲THY—107Ni( M)，第一層焊接的焊接熱影響區(qū)( HAZ)硬度明顯要比表層以下2 mm～4 mm處的硬度高。并且，根據(jù)焊接記錄，隨著焊接的進(jìn)行，焊材的熱輸入逐步提高母材的溫度，最后一層焊接70 mm范圍內(nèi)的母材溫度最高。也就是說，為了達(dá)到HAZ與母材較小的硬度差，我們可以提高母材的預(yù)熱溫度。

焊絲THY—107Ni( M)焊后硬度明顯偏高，熱影響區(qū)硬度平均為362HBW (其中有一點405HBW為異常點，我們舍棄不要)，焊縫硬度均為351HBW，母材硬度平均為303HBW。其中表面熱影響區(qū)第6點硬度最高，為383HBW，母材硬度最小值302HBW，其差值為81HBW。

焊條THJ107Cr焊后硬度較THY—107Ni ( M)好很多，熱影響區(qū)硬度平均為329HBW，焊縫硬度均為311HBW，母材硬度平均為292HBW。其中表面熱影響區(qū)第20點硬度最高，為345HBW，母材硬度最小值為290HBW，其差值為55HBW。

焊絲THY—107Ni ( M)的熱輸入比焊條THJ107Cr熱輸入大很多。在相同母材、同種熱處理工藝的情況下，焊接熱輸入對熱影響區(qū)的硬度起著重要作用，所以焊接工藝評定中FCAW較SMAW的熱影響區(qū)明顯偏硬。

若在齒圈工作面上焊接，對硬度差要求嚴(yán)格，由此可看出，采用焊條THJ107Cr的焊接性比THY—107Ni( M)的焊接性好。

3　結(jié)論

( 1)為了保證齒圈焊后滿足使用要求，預(yù)熱采用碳當(dāng)量公式計算的預(yù)熱溫度及現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況作為參考，焊前預(yù)熱300℃可以滿足使用要求。

( 2)由焊縫底部及表面硬度情況可看出，提高預(yù)熱溫度可有效降低硬度差，滿足更高的使用要求。

( 3)控制層間溫度，以保證力學(xué)性能要求及硬度差要求。

( 4 )由焊絲THY—107Ni ( M )與焊條THJ107Cr成分及焊后性能、硬度對比，可看出焊材中加入Ni可提高焊縫強度，增加硬度。

( 5)為保證使用質(zhì)量，在非工作面我們可以采取藥芯焊絲THY—107Ni ( M)，工作面采用THJ107Cr焊接。

參考文獻(xiàn)

［1］李少康．回轉(zhuǎn)窯傳動大齒圈振動分析及處理辦法．輕金屬，2003( 9)．

［2］大慶油田焊接研究與培訓(xùn)中心．手工電弧焊技術(shù)培訓(xùn)．北京:機械工業(yè)出版社，2007．1．

編輯傅冬梅

Research on Welding Technology for the Big Gear Ring Made of Newly Developed Material ZG42CrNi2Mo4

Meng Qingyu，Yu Hongyan，Zheng Qiuyue

Abstract:The chemical composition and mechanical property of the newly developed material ZG42CrNi2Mo4 is analyzed to evaluate the welding procedure，and the qualified gear ring is produced．

Key words:ZG42CrNi2Mo4; gear ring; welding

收稿日期:2014—08—13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:TG44