CN101444794A - 爆炸焊接3Cr13Mo/42CrMo高耐磨耐蚀复合轧辊 - Google Patents

Abstract

爆炸焊接3Cr13Mo/42CrMo高耐磨耐蚀复合轧辊是一种表面具有高硬度、高耐磨、耐腐蚀、抗热疲劳，而辊芯具有高温强度、塑性、耐冲击的产品。相对于传统表面堆焊工艺，其包覆层从铸态改为轧制态，不会出现因堆焊焊层铸态引起的裂纹和磨损，并且相比堆焊和离心浇铸复合轧制生产工艺，本发明生产的爆炸焊接复合轧辊具有生产成本低、效率高、生产工艺简单等特点。本发明生产的复合轧辊经反复承受局部高温加热和水冷等交变机械应力的作用，不会出现包覆层和辊芯的脱层、表面网状裂纹、氧化腐蚀等现象。经理化分析，其包覆层多项性能指标均可满足其在冷热交变冲击条件下工作的要求，满足了冶金工业轧机或连铸机对关键部件轧辊的要求。

Description

爆炸焊接3Cr13Mo/42CrMo高耐磨耐蚀复合轧辊

技术领域：

本发明涉及采用爆炸焊接技术制造在冷热交变工况条件下使用的复合轧辊或连铸机复合辊子，属于冶金设备技术和爆炸焊接领域。

背景技术：

1999(2)《铸造》杂志《国外高速钢复合轧辊研究的进展》一文，简述了国外高速钢复合轧辊的研究进程及其在轧钢行业的应用现状，以及国外高速钢复合轧辊的制造方法，其制造方法主要有：

(1)、离心铸造法(CF)

(2)、连续浇铸复合铸造法(CPC)

(3)、喷射沉积成型法(OSPREY)

(4)、热等静压法(HIP)

(5)、电渣重熔法(ESR)

用上述方法制造的复合轧辊虽然具有良好的高温耐磨性，但生产工艺复杂，设备投资大，并且使用中磨损系数大，轧制负荷高，热膨胀系数大，使轧辊热凸度增大，轧制的钢板型变差，易出现氧化铁皮缺陷，研磨复合轧辊时，脱落的硬质碳化物容易划伤辊面等。

最新的复合轧辊生产工艺文献《离心铸造高速钢复合轧辊生产工艺探讨》一文，发表于2008年《轧钢》杂志第25卷25期上，该文献介绍了卧式离心机两次复合制造离心铸造高速钢复合轧辊的生产技术，重点介绍了轧辊外层、中间层和辊芯材料的化学成分、工艺流程、钢水的熔炼和处理方法、热处理工艺以及组织性能等。使用该工艺制造的复合轧辊同样存在生产成本高、工艺复杂等缺点，并且成型后的轧辊为铸态，受其力学性能的局限，在冷热交变的工况条件下使用时，极易出现表面剥离、裂纹甚至断裂等重大事故。

和本发明比较接近的两篇文献《表层堆焊轧辊在带钢生产中的应用》和《新型复合连铸辊套的研制》分别发表于2005年第6期的《河北冶金》杂志和2003年第10期的《铸造》杂志上。上述两篇文献分别就开坯轧辊使用寿命短，轧槽磨损严重等问题，对轧辊实施了表面堆焊技术以及试制出了用于连铸辊的离心铸造辊套，为轧辊和连铸辊磨损后的再利用提供了技术解决方案，但上述两篇文献未涉及使用爆炸焊接方法制造或修复轧辊的信息。

到目前为止，关于复合轧辊的制造和修复技术，所有文献报道均涉及离心铸造、连续铸造、堆焊等技术工艺，尚未见有关爆炸复合工艺生产复合轧辊的文献资料。

发明内容：

本发明的目的在于采用爆炸焊接技术制造一种在冷热交变，重负荷工况条件下，冶金设备所需的耐高温、耐腐蚀、高硬度、高耐磨，且机械性能优良的复合轧辊和连铸辊。不仅复合轧辊性能优良、使用寿命高，而且制造成本大大降低。

本发明的技术解决方案：

高硬度、高耐磨、耐高温、耐腐蚀复合轧辊，其生产方法包括：爆前包覆层成型、爆前处理、爆炸焊接、消应力处理等工艺。

一、所述的爆前包覆层成型工艺为：

1、按工艺要求的规格尺寸使用退火后的轧制板材下料。

2、使用专用工具卷制圆筒，用417焊条组焊。

3、校圆。

二、所述的爆前预处理工艺为：

1、轧辊包覆层采用专用工具对内圆打磨、抛光。轧辊轴芯采用沙轮和布轮打磨、抛光外圆，使两待结合面露出新鲜的金属层。

2、基、复层的现场安装，圆周上预留的包覆层加速距离要均匀，炸药爆速确定后确定布药厚度尺寸。

3、药框的现场安装，确定开孔木制基座位置，以利间隙内气体的排放，药框相对复层外表面圆度误差≤1mm。

4、基、复层安装前，用汽油或丙酮洗刷两待结合面，保证待结合面无尘土、油渍等污物。

三、所述的爆炸焊接工艺为：

选用低爆速的粉状铵油炸药，并按比例添加占总质量30-34％的粉状工业颗粒盐，3-5％的珍珠岩，2％的自来水，配制的特种炸药爆轰波速度可以在预定的间隙距离内，以预定的速度值推动包覆层沿周边同时倾斜碰撞基层圆柱表面，从而实现包覆层内表面和辊芯外表面冶金的结合在一起。

四、所述的消应力处理工艺为：

升温速度≤200℃/h，最高温度750℃-850℃，保温时间范围根据复合轧辊直径和总装炉量制定，一般为40-120分钟。

爆炸焊接3Cr13Mo/42CrMo高耐磨耐蚀复合轧辊，其结构包括：有足够锻造比的合金结构钢锻材作为辊芯，与位于其圆周表面的高硬度、高耐磨的3Cr13Mo包覆层冶金而强固的结合在一起，其中3Cr13Mo包覆层厚度为4-10mm，辊芯为合金结构钢锻材42CrMo，其直径为150-400mm。

使用的包覆层3Cr13Mo的主要化学成分组成为：

(以质量分数的百分比计)

 

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo
							0.29	0.75	0.92	0.033	0.028	13.38	0.8

基层辊芯42CrMo主要化学成分组成为(以质量分数的百分比计)：

 

C	Si	Mn	Cr	Mo
					0.42	0.23	0.62	0.98	0.24

本发明的优点：

1、轧辊包覆层3Cr13Mo具有较高的硬度和耐磨性能，是轧辊表层堆焊技术中优选的材料，但堆焊表层为铸态，而本发明采用的是轧制态，其力学性能和化学成分均优于铸态；基层辊芯采用与35CrMo性能相近的42CrMo，由于其碳和铬元素含量增高，因而其强度和淬透性均优于35CrMo，调质后具有较高的疲劳强度和抗冲击能力，并且低温冲击韧度良好，无明显的回火脆性，利用爆炸焊接工艺，实现两金属材料的完美组合，充分发挥了单一材料的性能优势。

2、采用了特殊木制基座加锥形装药框，实现了连续装药，且药厚上下截面为梯形的工艺，利用固定模板，保证装药圆周面厚度误差≤1mm，消除了爆炸焊接中下部能量较大而引起的缩颈及变形现象。

3、爆前的打磨和抛光工艺，实现了两金属待结合圆周面的清洁光滑。经炸药爆轰使得两金属能强固的冶金结合在一起，且界面的结合强度完全达到了预定的指标(≥300MPa)。经消应力处理后，轧制的包覆层和机械性能优良的辊芯之间不仅具有很高的结合强度，而且包覆层和辊芯的物理，化学性能均保持不变，在后续的机械加工，表面淬火等冷热加工工程中，不会出现界面开裂或分离现象。

具体实施方式：

实施例1

工业化规模生产3Cr13Mo/42CrMo爆炸焊接高强度、高耐磨腐蚀复合轧辊，其产生方法为：

一、爆前成型工艺：

1、按工艺要求规格尺寸，使用订制的3Cr13Mo轧制板材下料。

2、使用专用工具卷制圆筒，并用417焊条组焊。

3、校圆到工艺要求圆度。

二、爆前预处理工艺

1、轧辊包覆层内圆采用专用工具打磨、抛光至工艺要求粗糙度，轧辊轴芯外圆采用沙轮和布轮打磨、抛光，使两待结合面露出新鲜的金属层。

2、基、复层的现场安装：包覆层内圆面相对辊芯外圆预留的包覆层加速距离要保证误差≤0.5mm，炸药爆速确定后确定布药厚度尺寸。

3、药框的现场安装：确定开孔木制基座的摆放位置，以利间隙内气体的顺利排放。药框相对包覆层外表面圆度误差≤1mm。

4、基复层安装前，用汽油或丙酮洗刷两待结合面，保证两待结合面无尘土、油渍等污物。

三、爆炸焊接工艺

选用低爆速的粉状铵油炸药，并按比例添加占总质量30％的粉状工业颗粒盐，3％的珍珠岩，2％的自来水，利用上述配制的特种炸药的爆轰特性，驱使3Cr13Mo包覆层以预定的速度范围值倾斜碰撞基层辊芯外圆，从而实现包覆层和辊芯的强固冶金结合。

四、消应力处理工艺

最高温度750℃，保温时间45分钟，温升速度≤200℃/h。爆炸焊接3Cr13Mo/42CrMo高耐磨耐蚀复合轧辊，其结构包括合金结构钢42CrMo辊芯作为基层；高硬度、高耐磨耐蚀3Cr13Mo轧制板材作为其上的包覆层，基层与位于其上的包覆层在爆炸焊接后强固的冶金结合在一起，其中包覆层3Cr13Mo厚度为6mm，合金结构钢锻件辊芯42CrMo直径为220mm。

实施例2

工业化规模生产3Cr13Mo/42CrMo爆炸焊接高硬度、高耐磨耐蚀复合轧辊，其产生方法为：

一、爆前包覆管材下料工艺

1、按工艺要求，把订制的3Cr13Mo管材按规格尺寸截取。

2、修复断口毛刺。

二、爆前预处理工艺

1、包覆层内圆采用专用工具打磨、抛光至工艺要求粗糙度。轧辊轴芯外圆采用沙轮和布轮打磨、抛光，使两待结合面露出新鲜的金属层。

2、基复层的现场安装。包复层内圆面相对辊芯外圆预留的包复圆面加速距离要保证圆度误差≤0.5mm，炸药爆速确定布药厚度尺寸。

3、药框的现场安装。确定开孔木制基座的摆放位置，以利间隙内气体的顺利排放。药框相对复层外表面圆度误差≤1mm。

4、基复圆安装前，用汽油或丙酮洗刷两待结合面，保证两待结合面无尘土、油渍等污物。

三、爆炸焊接工艺

选用低爆速的粉状铵油炸药，并按比例添加占总质量34％的粉状工业颗粒盐，4％的珍珠岩，2％的自来水，利用上述配制的特种炸药的爆轰特性，使包覆层3Cr13Mo管材以预定的速度范围值倾斜碰撞基层辊芯外圆，从而实现包覆层和辊芯的强固冶金结合。

四、消应力处理工艺

最高温度750℃，保温时间60分钟，温开速度≤200℃/h。爆炸焊接3Cr13Mo/42CrMo高耐磨高耐蚀复合轧辊，其结构包括合金结构钢42CrMo辊芯作为基层，高硬度、高耐磨耐蚀3Cr13Mo管材作为其上的包覆层，基层与位于其上的包覆层在爆炸焊接后强固的冶金结合在一起，其中包覆层壁厚3Cr13Mo厚度为8mm，锻件辊芯42CrMo直径为240mm。

经检测，本发明所述的爆炸复合轧辊，其复合面剪切强度≥330MPa，加工成品并经表面淬火后，表面硬度值达HRC48-52。可以看出，经消应力处理和表面淬火后的爆炸复合轧辊具有很高的界面结合强度和表面硬度值。因此，爆炸焊接复合轧辊产品在后续的服役中，不会因负荷重，多次承受冷热交变载荷等恶劣工况而出现表面崩钢、裂纹、分层、脱层等现象，相比传统堆焊、离心铸造轧制，具有使用寿命长，工艺简单，制造成本低等特点。

Claims (4)

1、高硬度、高耐磨耐蚀3Cr13Mo/合金结构钢42CrMo爆炸焊接复合轧辊，其特征为合金结构钢锻件辊芯与位于其上的3Cr13Mo包覆层冶金而强固的结合在一起。其中包覆层厚度为4～8mm，锻件辊芯为42CrMo，其直径为200～400mm。其生产方法包括：包覆层预成型、预处理、爆炸焊接复合、消应力处理工艺。

2、根据权利要求1所述的预处理工艺为：

(1)采用专用工具对包覆层打磨、抛光，采用砂轮和布轮对辊芯外圆打磨、抛光至工艺规定的粗糙度。

(2)、包覆层和辊芯的现场安装：包覆层和辊芯之间预留包覆层加速距离。

(3)、现场安装前用汽油或丙酮洗刷包覆层和辊芯两待结合面，保证两待结合面无尘土、油渍等污物。

3、根据权利要求1所述的爆炸焊接复合工艺为：选用低爆速的粉状铵油乳化炸药，并按比例添加占总质量30～34％的粉状工业颗粒盐，3～4％的珍珠岩，2％的自来水，利用炸药爆轰波的特性，使包覆层3Cr13Mo轧制板或管材以预定的速度范围值倾斜碰撞辊芯外圆，实现包覆层和辊芯的强固冶金结合。

4、根据权利要求1所述的消应力处理工艺为：最高温度750℃，温开速度≤200℃/h，保温时间根据复合轧辊直径大小和装炉量制定，一般为40～120分钟。