劉 震，高安陽(yáng)，趙士光，潘愛(ài)勝，江 濟(jì)，邢學(xué)強(qiáng)

(安徽馬鋼重型機(jī)械制造有限公司，安徽馬鞍山243000)

連鑄輥是連鑄生產(chǎn)線(xiàn)上使用數(shù)量最多、工作環(huán)境最?lèi)毫拥暮诵牟考?，其直接與高溫鑄坯相接觸，擔(dān)負(fù)著支承、導(dǎo)向、夾送、矯直鑄坯的任務(wù)，經(jīng)受著高溫、高濕、大負(fù)荷、小直徑化的考驗(yàn)[1]。穩(wěn)定狀態(tài)下，連鑄輥輥面在超過(guò)500 ℃的高溫高濕環(huán)境下承受多重應(yīng)力作用的冷熱循環(huán)[2]，使用一段時(shí)間后輥面會(huì)出現(xiàn)程度不同的網(wǎng)狀裂紋、氧化腐蝕、磨損損傷等破壞，導(dǎo)致連鑄輥消耗量大、軋材成本升高和軋材表面質(zhì)量下降等嚴(yán)重問(wèn)題[3]。因此，提高輥面耐磨層的使用壽命是連鑄生產(chǎn)線(xiàn)節(jié)能降耗提質(zhì)的關(guān)鍵。目前，工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的是在連鑄輥表面堆焊耐高溫腐蝕的耐磨硬化層[4]。

根據(jù)連鑄輥堆焊層的性能特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研發(fā)機(jī)構(gòu)和鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)已成功開(kāi)發(fā)了四代馬氏體不銹鋼堆焊材料[5]，其中：第二代堆焊材料在第一代Cr13系馬氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上添加Ni，Mo，V，Co等合金強(qiáng)化元素提高堆焊層的綜合性能[6]；第三代材料以414N為典型代表，主要特征是以N元素替代C元素強(qiáng)化，極大地增強(qiáng)了堆焊層冷熱疲勞性能和耐腐蝕性能[7]；為提高連鑄輥在中高溫區(qū)域的韌性和綜合性能，最近研發(fā)了以PH17-4為代表的馬氏體沉淀硬化不銹鋼焊材。因第四代焊材焊接成本高、焊接工藝不成熟，目前第三代焊材仍是連鑄輥的主要堆焊材料[5]。綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在新型焊材的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用上，著重于利用合金元素提高堆焊層的性能。獲得適中的堆焊層合金成分是焊接工藝設(shè)計(jì)和實(shí)施的重要依據(jù)，因此中華人民共和國(guó)黑色冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《連鑄輥焊接復(fù)合制造技術(shù)規(guī)范》(YB/T 4326—2013)嚴(yán)格規(guī)定414N合金堆焊層的成分要求[8]。堆焊是一個(gè)復(fù)雜的冶金過(guò)程，在這一過(guò)程中合金元素不但發(fā)生稀釋?zhuān)€產(chǎn)生一定的燒損[9]。為保證414N堆焊層的冶金結(jié)合和成分要求，首先在42CrMo輥坯上堆焊430合金焊絲，然后根據(jù)要求堆焊單層或多層414N合金硬面層。但這會(huì)導(dǎo)致連鑄輥堆焊層橫截面上不但存在成分的梯度分布，而且存在顯微組織和性能的演化。在連鑄輥的磨損過(guò)程中，新暴露的輥面性質(zhì)決定著連鑄輥進(jìn)一步的工作性能。為滿(mǎn)足414N硬面層Cr，Ni，Mo等合金元素的成分要求，研究堆焊過(guò)程中合金元素的稀釋和燒損，開(kāi)發(fā)在430堆焊層上堆焊2層414N硬面層的工藝。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

將42CrMo連鑄輥車(chē)削到待堆焊尺寸，采用磁粉探傷確定軋輥無(wú)表面缺陷，超聲波探傷確定軋輥無(wú)內(nèi)部缺陷后，對(duì)軋輥進(jìn)行250 ℃的焊前預(yù)熱，升溫速度為30 ℃/h。42CrMo輥坯、打底層430焊絲與硬面層414N焊絲的化學(xué)成分如表1。其中焊絲直徑為3.5 mm，焊劑為SJ604，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。按YB/T 4326—2013《連鑄輥焊接復(fù)合制造技術(shù)規(guī)范》的要求，對(duì)焊劑在350 ℃下烘焙1 h以去除水分，然后進(jìn)行連鑄輥的堆焊。埋弧堆焊工藝具體參數(shù)：堆焊電壓為26～32 V，電流為300～400 A，焊絲伸長(zhǎng)量為20～35 mm，焊接速度為500～700 mm/min，搭接量為50%，層間溫度為150～250 ℃，層厚約3 mm。每層堆焊后，分別制取組織觀(guān)察、成分檢測(cè)和性能測(cè)試的待測(cè)試樣若干。

表1 堆焊材料的化學(xué)成分，w/%Tab.1 Chemical compositions of the welding materials，w/%

表2 堆焊焊劑的化學(xué)成分，w/%Tab.2 Chemical composition of the welding flux，w/%

1.2 試驗(yàn)方法

采用ARL3460光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，金相試樣經(jīng)拋光并腐蝕后采用Olympus金相顯微鏡觀(guān)察其組織形貌。腐蝕劑為1 g苦味酸+5 mL鹽酸(分析純，體積分?jǐn)?shù)為36%～38%)+95 mL酒精(分析純，體積分?jǐn)?shù)≥99.7%)溶液。通過(guò)Nova Nano SEM430 型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)進(jìn)一步觀(guān)察試樣的組織特征，并由其自帶能譜儀(energy disperse spectroscopy，EDX)分析試樣的成分分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆焊層合金元素的稀釋與燒損

為保證連鑄輥硬面層的性能要求，YB/T 4326—2013《連鑄輥焊接復(fù)合制造技術(shù)規(guī)范》規(guī)定414N堆焊層主要合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%～0.08%的C，0.06%～1.50%的Mn，0.30%～1.00%的Si，12.0%～14.5%的Cr，2.50%～4.30%的Ni，0.20%～0.70%的Mo[8]。埋弧堆焊是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)冶金過(guò)程，不但發(fā)生元素相互擴(kuò)散造成的堆焊合金元素稀釋?zhuān)也豢杀苊獾禺a(chǎn)生元素的氧化燒損。為使硬面層的成分滿(mǎn)足YB/T 4326—2013的要求，常規(guī)做法是在42CrMo輥坯上堆焊430打底層合金，然后根據(jù)要求堆焊厚度各異的單層或多層414N合金硬面層。Ni元素在焊接過(guò)程中幾乎不參與氧化反應(yīng)，可認(rèn)為焊絲中的Ni含量全部轉(zhuǎn)化為熔敷金屬，堆焊層中Ni含量相對(duì)于焊絲本身的減少只受焊接稀釋作用影響，所以化學(xué)法計(jì)算稀釋率以Ni元素為準(zhǔn)[10]，其他元素的稀釋率D由式(1)計(jì)算[11]。

式中w0，wb，wd分別為元素在堆焊層、母材和非稀釋熔覆金屬中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表3為經(jīng)ARL3460光譜儀檢測(cè)的堆焊層合金元素的化學(xué)成分、稀釋率及Cr的燒損，根據(jù)表3中堆焊層合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由式(1)計(jì)算得到合金的稀釋率。

表3 堆焊層合金的化學(xué)成分、稀釋率及Cr的燒損Tab.3 Chemical compositions,dilutions and burning loss of Cr for the welding layers

由表3可知：由于42CrMo輥坯中合金含量較低，430打底層的合金稀釋率較大，為27.3%；經(jīng)2層414N合金堆焊，414N第二層堆焊層合金的稀釋率下降到12.5%，高Cr含量的430打底層為最終獲得滿(mǎn)足成分要求的硬面層起到了良好的成分過(guò)渡作用；經(jīng)3層堆焊后硬面層的C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%，說(shuō)明42CrMo輥坯的C向硬面層擴(kuò)散有限。C和Cr是強(qiáng)的馬氏體(M)形成元素，能為堆焊層的高硬度和耐磨性提供基本保證。若C含量過(guò)高，C會(huì)與Cr形成Cr23C6，一方面降低Cr的有益效果；另一方面Cr23C6易偏析于晶界，使晶界附近產(chǎn)生一高碳低鉻區(qū)，從而導(dǎo)致晶間腐蝕，在連鑄輥工作時(shí)可能產(chǎn)生裂紋，甚至產(chǎn)生早期的硬面層剝落現(xiàn)象[12]。因此，理論上硬面層中的C含量應(yīng)盡可能的低。Mn主要起固溶強(qiáng)化的作用，其能與S結(jié)合而減少堆焊層中有害元素S的含量，故Mn的含量控制在上限[13]。Si能提高硬面層的耐點(diǎn)蝕能力，但同時(shí)也促進(jìn)δ鐵素體的形成，導(dǎo)致堆焊層耐冷熱疲勞性能下降。在堆焊過(guò)程中存在Si和Mn的稀釋與燒損，但焊劑中含較多的Si和Mn元素，因此硬面層應(yīng)含較佳的Si，Mn含量。此外，由于輥坯和414N中Mo含量相差不大，且Mo不易燒損[14]，故硬面層的Mo含量相對(duì)容易控制。事實(shí)上，42CrMo輥坯硬面層中Cr含量最難控制，Cr元素的燒損可認(rèn)為等于焊絲與非稀釋熔覆金屬中Cr 含量之差。將各層稀釋率代入式(1)計(jì)算出各層中Cr 元素的燒損率分別為1.17%，1.55%和0.82%。Cr 是硬面層具有高硬度、高耐磨和高耐蝕性、最重要的合金元素，此外，Cr和Si均能形成致密的氧化膜，可保護(hù)堆焊金屬不被進(jìn)一步氧化。由于Cr強(qiáng)烈地促進(jìn)δ鐵素體的形成，故Cr含量不易過(guò)高，最佳控制在12.5%左右[15]。由表3可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)1層430和2層414N合金焊材的堆焊，可獲得接近最佳Cr含量的硬面層。

2.2 堆焊層組織結(jié)構(gòu)演變

圖1 42CrMo連鑄輥堆焊層截面形態(tài)Fig.1 Cross section morphology of the welding layer on 42CrMo continuous casting roller

圖1為42CrMo連鑄輥堆焊層截面形態(tài)。由圖1可看出，42CrMo 基體上分布著3 層結(jié)構(gòu)。為分析42CrMo連鑄輥堆焊層截面的結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)金相顯微鏡觀(guān)察橫截面的顯微組織，如圖2。由圖2(a)可知，42CrMo連鑄輥坯的組織為細(xì)珠光體(P)+鐵素體(F)。堆焊時(shí)，輥坯表面遭受較大的熱輸入，向內(nèi)熱輸入逐漸減小。最外層42CrMo基體與430堆焊合金發(fā)生重熔，堆焊冷卻時(shí)形成過(guò)渡層；而過(guò)渡層稍向內(nèi)一定厚度范圍的熱輸入不足以使基體熔化，但足以使基體發(fā)生重結(jié)晶，從而產(chǎn)生組織粗大的熱影響區(qū)。圖2(b)顯示：熱影響區(qū)組織為粗大的P，而F含量大幅減少；結(jié)合圖1可發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有堆焊工藝下，產(chǎn)生的熱影響區(qū)厚度約1.4 mm。圖2(c)顯示厚度約1.8 mm的過(guò)渡層組織為貝氏體(B)+少量的F。而430堆焊層和414N堆焊層的組織均為板條馬氏體(M板)(圖2(d)～(f))。比較圖2(d)，(e)和(f)可發(fā)現(xiàn)，414N 堆焊層的組織比430堆焊層的細(xì)小，這是因?yàn)?14N合金中有較多的Ni和Mo元素，這些元素起到細(xì)化晶粒的作用，細(xì)化的顯微組織結(jié)構(gòu)有利于硬面層韌性、耐磨性和耐冷熱疲勞性能的提高[16]。盡管414N堆焊內(nèi)外層的組織均為M(圖2(e)～(f))，但由圖1可知兩層界面清晰，結(jié)合表3檢測(cè)的堆焊層成分，可推測(cè)414N堆焊層從內(nèi)到外存在一定的合金成分梯度，這將導(dǎo)致其性能沿著徑向發(fā)生變化。

圖2 堆焊42CrMo連鑄輥顯微組織Fig.2 Microstructure of the welded 42CrMo continuous casting roller

為探明42CrMo連鑄輥堆焊過(guò)程中顯微組織的演變過(guò)程，采用SEM/EDX進(jìn)一步分析試樣截面的組織特征與合金元素的分布。圖3為過(guò)渡層與430堆焊層界面區(qū)域的SEM組織和相應(yīng)的EDX分析結(jié)果。

圖3 過(guò)渡層與430堆焊層界面SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM micrographs of interface between of the transition layer and 430 welding layer

由圖3可看出：過(guò)渡層與430堆焊層界面分明，說(shuō)明顯微組織不同、成分存在較大的濃度梯度；過(guò)渡層和430堆焊層的組織分別為粒狀B(B粒)+少量F和M板；過(guò)渡層B粒組織由細(xì)小的顆粒狀碳化物分布在α-Fe基體上而構(gòu)成，碳化物顆粒分布具一定的方向性。一方面，說(shuō)明過(guò)渡層中具有較高的C含量，能為B粒組織提供碳化物顆粒形成的C含量；另一方面，說(shuō)明過(guò)渡層的M形成能力較差，促進(jìn)M形成的合金元素含量較低，特別是M形成元素Cr的含量比430合金中的要低得多。圖3(d)為圖3(a)中沿直線(xiàn)EDX線(xiàn)掃描的能譜圖，由圖3(d)發(fā)現(xiàn)，過(guò)渡層中Cr平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約3.5%，而430堆焊層Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)約14%。由此可知，堆焊430合金時(shí)，42CrMo輥坯外層與部分430合金在大的焊接熱輸入下發(fā)生重熔，導(dǎo)致過(guò)渡層的形成和430堆焊層合金含量的大幅下降，即堆焊430打底層時(shí)具有較大的元素稀釋率(見(jiàn)表3)。綜上所述，堆焊的42CrMo連鑄輥截面組織從心部到硬面層可分為基體、約1.4 mm厚的熱影響區(qū)、約1.8 mm厚的過(guò)度層(重熔區(qū))、約3.0 mm厚的430堆焊層和約5.0 mm厚的414N堆焊層。

2.3 堆焊層硬度分布特征

為分析組織結(jié)構(gòu)與合金成分對(duì)堆焊層硬度的影響，采用SEM/EDX對(duì)42CrMo連鑄輥堆焊層進(jìn)行成分分析，并通過(guò)顯微硬度儀測(cè)試維氏硬度(HV)的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖4。由圖4 可看出：從基體到硬面層C含量下降，這是由堆焊合金的稀釋以及氧化燒損所致，硬面層低的C含量有利于改善連鑄輥耐腐蝕性和耐冷熱循環(huán)性；Si 和Mn 含量在堆焊層中變化不大，這與試樣的光譜分析結(jié)果一致；而Ni 和Mo含量從430堆焊層與414N堆焊內(nèi)層的界面處開(kāi)始快速提高，到414N 堆焊外層時(shí)基本保持穩(wěn)定。硬面層的Ni和Mo主要由414N合金焊絲提供，堆焊第1層414N合金時(shí)，Ni和Mo向430堆焊層中擴(kuò)散，導(dǎo)致界面處Ni 和Mo 含量較414N 合金中的有較大降低，隨著414N堆焊層的增厚，Ni和Mo含量快速增加，且在414N堆焊外層基本達(dá)到穩(wěn)定。Cr含量的變化趨勢(shì)與上述元素明顯不同，重熔導(dǎo)致430焊絲中的Cr進(jìn)入重熔層，因此從過(guò)渡層開(kāi)始Cr元素的含量沿徑向快速增加；在其上堆焊含Cr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.5%）的414N 合金時(shí)，430 堆焊層中Cr 向414N 堆焊層擴(kuò)散，從414N 堆焊內(nèi)層到外層，Cr 含量呈增加的趨勢(shì)；經(jīng)埋弧堆焊工藝堆焊后，414N 堆焊外層的平均Cr 含量在YB/T 4326—2013規(guī)定成分范圍的中值附近。

由圖4還可發(fā)現(xiàn)，42CrMo基體的顯微硬度約270 HV，熱影響區(qū)對(duì)顯微硬度的影響不大。由于貝氏體組織強(qiáng)化和Cr元素的固溶強(qiáng)化，過(guò)渡層的硬度快速增加，且Cr含量越高，顯微硬度越大。M的硬度強(qiáng)烈依賴(lài)C含量，430堆焊層中C的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.15%，大大高于硬面層的C含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.06%)。此外，430堆焊層中最高的Cr含量也貢獻(xiàn)了最高的強(qiáng)化作用，所以硬度最高。隨馬氏體中強(qiáng)化元素C和Cr含量的下降，414N堆焊層硬度由430堆焊層最高500 HV下降至460 HV。YB/T 4326—2013規(guī)定Cr13系馬氏體不銹鋼焊絲堆焊硬面層洛氏硬度需在37～47 HRC之間，對(duì)應(yīng)的維氏硬度在365～470 HV之間[8]。與之對(duì)比，42CrMo連鑄輥經(jīng)1層430合金和2層414N合金焊材堆焊后，硬面層的硬度接近規(guī)定的上限，且厚度約3 mm硬面層(即414N堆焊外層)的整體成分和硬度基本一致，可為硬面層的穩(wěn)定工作提供良好保證。

圖4 堆焊層的合金元素分布和硬度變化Fig.4 Alloy element distribution and hardness variation of the welding layer

3 結(jié) 論

采用埋弧堆焊工藝對(duì)42CrMo連鑄輥的表面進(jìn)行1層430合金和2層414N合金焊材堆焊，計(jì)算堆焊層合金元素的稀釋率和燒損率，研究連鑄輥堆焊層的組織演變、合金成分分布與硬度之間的關(guān)系，得到如下主要結(jié)論：

1)430 合金焊絲堆焊、第1 層和第2 層414N 合金焊絲堆焊的稀釋率分別為27.3%，22.3%和12.5%，而Cr元素的燒損率分別為1.17%，1.55%和0.82%；

2)堆焊42CrMo連鑄輥結(jié)構(gòu)沿徑向由心部到硬面層可分為42CrMo基體、熱影響區(qū)、過(guò)渡層、430堆焊層、414N堆焊內(nèi)層和414N堆焊外層，過(guò)渡層的組織為B+少量F，430堆焊層與414N堆焊層的組織均為M板，但414N堆焊層的M板組織更細(xì)小；

3)42CrMo連鑄輥經(jīng)1層430合金和2層414N合金焊材埋弧堆焊后可獲得厚度約3 mm、化學(xué)成分適中、顯微硬度約460 HV的硬面層。