CN102049593B

CN102049593B - 冷轧支撑辊盖面埋弧堆焊方法及堆焊焊丝材料

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Publication number: CN102049593B
Application number: CN 200910237100
Authority: CN
Inventors: 王清宝; 刘景凤; 宁宇; 石立鹏; 张迪; 段斌; 眭向荣
Original assignee: MCC WELDING TECHNOLOGY Co Ltd; Central Research Institute of Building and Construction Co Ltd MCC Group
Current assignee: Central Research Institute of Building and Construction Co Ltd MCC Group; China Jingye Engineering Corp Ltd
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2029-11-04
Also published as: CN102049593A

Abstract

本发明公开了一种冷轧支撑辊盖面埋弧堆焊方法及堆焊焊丝材料，涉及轧辊制造技术，该方法在堆焊复合制造过程中，根据冷轧支撑辊使用工况，堆焊复合制造或修复过程中，在轴向上分为两端和中间两部分进行堆焊工艺，两端对称相等，总长度占总辊长度的20％～40％，其余为中间部位。冷轧支撑辊两端和中间两部分分别采用两种堆焊焊丝材料，均含有碳、铬、锰、硅、硫、磷、镍、钼、钒、钨、铌、铁，其中，两端焊态硬度45～50HRC，回火硬度46～52HRC；中间焊态硬度48～52HRC，回火硬度49～53HRC。本发明可大量节约钢材料，减排、节能和降耗，以提高资源、环保和社会效益。

Description

冷轧支撑辊盖面埋弧堆焊方法及堆焊焊丝材料

技术领域

本发明涉及轧钢轧辊的复合制造技术领域，是一种冷轧支撑辊盖面埋弧堆焊方法及堆焊材料。

背景技术

近几年我国钢产量不断增加，根据国际钢铁协会(IISI)统计，2008年中国粗钢产量超过5亿吨，作为轧钢生产中主要备件的大型冶金支承辊的年需求量约为10万吨，将耗资近百亿元。大型冶金支承辊尺寸、重量大且性能要求高、制造周期长。传统制造工艺需历经电炉冶炼、炉外精炼、铸造、锻造、多次热处理和机加工等繁杂工序，需要消耗大量能源，而且要排出大量的废水、废气和废渣。而且大型冶金支承辊服役条件恶劣，工作过程中磨损严重，易出现裂纹、剥落等表面缺陷，造成过早的报废，通常轧辊报废时其金属损耗仅为总重的15％左右。目前国内大部分报废支承辊当作原料回炉冶炼，造成资源和能源的巨大浪费。

支撑辊堆焊材料分成热轧支撑辊堆焊材料和冷轧支撑辊堆焊材料两大类。冷轧支撑辊又分成冷轧碳钢支撑辊和冷轧不锈钢支撑辊两大类。冷轧支撑辊的轧制力大都大于2000吨，特别是冷轧不锈钢支撑辊，轧制对象为不锈钢，材质的变形阻力大，轧制工况条件较恶劣，支撑辊辊面经常出现各种缺陷，而不能继续应用。

堆焊再制造是焊接领域中的一个重要分支，是一种表面技术处理工艺方法，它是采用焊接方式在零件表面堆敷一层具有一定性能材料的工艺过程。对废旧大型支承辊进行再制造工程处理，可挖掘出巨大的剩余价值，再制造新品的成本约为原品的50％，而使用寿命能达到甚至超过原品，且能降低能耗60％以上，节约材料70％以上。因此堆焊再制造大型冶金支承辊可以大幅度减排、节能和降耗，具有明显的资源、环保和社会效益，具有可持续发展前景。

国内外在轧辊的复合制造过程中，轧辊表面材料(轴向)采用单一堆焊材料，但由于各轧辊受力状态不一致，轧辊两端和中间的失效形式往往不同，如冷轧支撑辊辊面剥落的三种形态为：复合层剥落、辊面剥落、端剥落。其中端部剥落是由于支撑辊不是整个辊身与工作辊接触，而仅仅是两端端部的局部接触，因此辊身两端部位容易出现剥落。所以，根据上述剥落原因，两端可通过优化和净化堆焊合金元素，提高材料的强韧性和抗接触疲劳强度等力学性能可最大范围的避免复合层的剥落。而中间材料要有足够的辊面硬度以抵抗高硬度耐磨材料工作辊对其造成的磨损，同时还应具有一定的抗热冲击性能等力学性能。所以单一材料不能满足工况应用。

发明内容

本发明的目的是公开一种冷轧支撑辊盖面埋弧堆焊方法及堆焊焊丝材料，以节约钢材料，减排、节能和降耗，并提高资源、环保和社会效益。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种冷轧支撑辊盖面埋弧堆焊方法，其在埋弧堆焊复合制造或修复的过程中，在轴向上，分两端和中间两部分进行盖面堆焊工艺；

a)两端对称相等，总长度占总辊长度的20％～40％，其余为中间部位；

b)两端堆焊熔敷金属材料具有良好的强韧性及抗疲劳性能、塑性的力学性能，焊态硬度45～50HRC，回火硬度46～52HRC；

c)中间堆焊熔敷金属材料具有良好的硬度及热疲劳、热冲击的性能，焊态硬度48～52HRC，回火硬度49～53HRC；

d)堆焊工作层时，逐层堆焊；单层堆焊时，先堆焊两端，两端堆焊完再堆焊中间部位层；两端堆焊的盖面长度采用逐渐减少法，直至最上层约占总辊长度的20％～40％，即两端堆焊的盖面轴向剖面为梯形结构；如此往复式逐层堆焊至所需厚度。

一种所述的方法使用的盖面埋弧堆焊焊丝材料，其冷轧支撑辊两端金相组织以贝氏体为主，马氏体为辅，同时堆焊材料的强韧性为Rm＞1200MP，HV₂＞10J；而中间部位金相组织以马氏体为主，贝氏体为辅，堆焊材料硬度较高，耐磨、耐疲劳，其Rm＞1300MP，HV₂＞8J；两者堆焊时可溶性好，硬度落差为ΔHRC＜3。

所述的盖面埋弧堆焊焊丝材料，其所述两端的堆焊熔敷金属材料：

按堆焊熔敷金属质量百分比计算，包括：碳C：0.1～0.26、铬Cr：3.0～5.0、锰Mn：1.0～2.8、硅Si：0.2～0.5、硫S：＜0.08、磷P：＜0.015、镍Ni：1.0～3.0、钼Mo：1.0～3.0、钒V：0.2～1.0、钨W：0～1.2、铌Nb：0～1.0、铁Fe：余量。

所述的盖面埋弧堆焊焊丝材料，其所述中间的堆焊熔敷金属材料：

按堆焊熔敷金属质量百分比计算，包括：碳C：0.16～0.3、铬Cr：4.0～8.0、锰Mn：1.0～3.0、硅Si：0.2～0.5、硫S：＜0.08、磷P：＜0.015、镍Ni：1.0～3.0、钼Mo：1.0～3.0、钒V：0.2～1.0、钨W：0～1.2、铌Nb：0～1.0、铁Fe：余量。

本发明可大量节约钢材料，减排、节能和降耗，大大提高了资源、环保和社会效益。

具体实施方式

1、本发明的一种大型冷轧支撑辊盖面埋弧堆焊方法：

采用埋弧药芯焊丝堆焊复合制造大型冷轧支撑辊。堆焊复合制造过程中，根据受力情况及失效形式，堆焊复合制造(或修复)过程中在轴向上，分两端和中间两部分，两端对称相等，总长度占总辊长度的20％～40％。采用两种堆焊材料，两端堆焊熔敷金属具有良好的强韧性及抗疲劳性能、塑性等力学性能；中间堆焊熔敷金属材料具有良好的硬度及热疲劳、热冲击等性能；两端焊态硬度45～50HRC，回火硬度46～52HRC；中间焊态硬度48～52HRC，回火硬度49～53HRC。

2、大型冷轧支承辊埋弧堆焊复合制造盖面的材料，即所用药芯焊丝中的焊丝材料。

堆焊再制造大型的热轧支撑辊主要技术指标应达到：辊身表面硬度HS60-70，其偏差为±3HS；辊身表面硬化层深度≥45mm；轧辊辊面各部位不允许存在裂纹或夹渣等堆焊缺陷；上机考核使用寿命要满足轧钢需求。

鉴于冷轧支撑辊堆焊盖面材料硬度高，堆焊厚，而且承受的轧制力大，易产生端部剥落等特点，所以埋弧堆焊焊丝材料必须考虑以下几个方面：

(1)可通过优化和净化堆焊合金元素，即减少或消除非金属夹杂物(S、P、O、N、H)等杂质，特别是S、P含量要低于0.020％，优化合金体系及元素，提高材料的强韧性和抗接触疲劳强度。

(2)针对大型冷轧支撑辊的主要失效形式——端部剥落，在选用堆焊材料时，辊面材料应采用不同力学性能的材料。支撑辊两端选择金相组织以贝氏体为主，马氏体为辅，同时堆焊材料的强韧性要好(Rm＞1200MP，HV₂＞10J)；而中间部位应选择硬度较高，耐磨、耐疲劳等综合性能优良，以马氏体为主，贝氏体为辅的堆焊合金体系(Rm＞1300MP，HV₂＞8J)。两者堆焊时可溶性要好，硬度落差小(ΔHRC＜3)，最大范围地避免复合层的剥落。即堆焊支撑辊时既要有轴向的硬度落差，又要有径向的硬度落差。

表1埋弧堆焊焊丝材料的化学成分及硬度

C

Cr

Mn

Si

S

P

Ni

Mo

V

W

Nb

Fe

焊态硬度HRC

盖面层(两端)

0.1～0.26

3.0～5.0

1.0～2.8

0.2～0.5

＜0.008

＜0.015

1.0～3.0

0.2～1.0

0～1.2

0～1.0

余量

45~50

盖面层(中间)

0.16～0.3

4.0～8.0

1.0～3.0

0.2～0.5

＜0.008

＜0.015

1.0～3.0

0.2～1.0

0～1.2

0～1.0

余量

48~52

本发明的堆焊冷轧支撑辊盖面埋弧堆焊焊丝材料主要合金元素的作用为：

1、碳是影响堆焊熔覆金属强度、硬度、韧性和接触疲劳性能的主要因素，随含碳量的提高，熔敷金属的强度增加，疲劳极限提高。碳含量分为固溶碳和未溶碳化物相的碳，未溶碳化物硬度很高，具有较高的耐磨性。但碳含量过高，脆性增大，必须优化合金体系，使堆焊材料的强韧性、强塑性最优。

2、铬是堆焊熔敷金属中最重要的合金元素，固溶于基体的碳元素能显著增加奥氏体的稳定性，降低马氏体转变温度，并随含Cr量的提高，使CCT曲线、珠光体、贝氏体转变区右移，提高堆焊熔敷金属纵截面(即径向)硬度落差稳定性，并能提高堆焊熔敷金属的硬度和耐磨性。

3、钼可以提高淬透性，细化晶粒，提高回火稳定性，钼在堆焊熔覆金属中即可强化基体，又可强化碳化物同时本身又易形成碳化钼，明显提高堆焊熔敷金属的硬度及红硬性。

4、钒：即能强化基体又能与碳、氮形成极为稳定的碳氮化合物，以细小颗粒形态分布在组织中，并在结晶过程中作为外来结晶核心，明显抑制晶粒长大和碳化铬晶界的移动，细化组织，改善碳化物的分布，提高钢的硬度和耐磨性，提高堆焊熔敷金属的强韧性、强塑性作用明显，含量稍高。但含量过高，易引起焊剂的粘渣，所以一般控制在1.0％以下。

Cr、V、Mo的碳化物先溶解到奥氏体中去，再从奥氏体相中析出的碳化物较细小，并弥散分布，明显提高了堆焊层的强韧性及塑性。

典型的堆焊熔敷金属力学性能为：

表2大型热轧支撑辊堆焊盖面层力学性能

冲击韧性a_Kv

抗拉强度

收缩率

延伸率

焊态硬度HRC

回火硬度

盖面层(两端)

12～22J

1200～1660Mpa

20～45.0％

6～20％

45～50

46～52

盖面层(中间)

8～18J

1350～1800Mpa

18～40％

4～18％

48～52

49～53

实施例：

本发明的一种冷轧支撑辊盖面埋弧堆焊焊丝材料，含有碳C、铬Cr、锰Mn、硅Si、硫S、磷P、镍Ni、钼Mo、钒V、钨W、铌Nb、铁Fe；在轴向上，分为两端和中间两部分，其中，

两端焊态硬度45～50HRC，回火硬度46～52HRC；其中堆焊熔敷金属质量百分比包括：碳C：0.1～0.26、铬Cr：3.0～5.0、锰Mn：1.0～2.8、硅Si：0.2～0.5、硫S：＜0.08、磷P：＜0.015、镍Ni：1.0～3.0、钼Mo：1.0～3.0、钒V：0.2～1.0、钨W：0～1.2、铌Nb：0～1.0、铁Fe：余量；

中间焊态硬度48～52HRC，回火硬度49～53HRC；其中堆焊熔敷金属质量百分比包括：碳C：0.16～0.3、铬Cr：4.0～8.0、锰Mn：1.0～3.0、硅Si：0.2～0.5、硫S：＜0.08、磷P：＜0.015、镍Ni：1.0～3.0、钼Mo：1.0～3.0、钒V：0.2～1.0、钨W：0～1.2、铌Nb：0～1.0、铁Fe：余量。

Claims

1.一种冷轧支撑辊盖面埋弧堆焊方法，其特征在于，在埋弧堆焊复合制造或修复的过程中，在轴向上，分两端和中间两部分进行盖面堆焊工艺：

c)中间堆焊熔敷金属材料具有良好的硬度及抗疲劳、抗冲击的性能，焊态硬度48～52HRC，回火硬度49～53HRC；

2.一种如权利要求1所述的方法使用的盖面埋弧堆焊焊丝材料，其特征在于，冷轧支撑辊两端金相组织以贝氏体为主，马氏体为辅，同时堆焊材料的强韧性为Rm＞1200MP，HV₂＞10J；而中间部位金相组织以马氏体为主，贝氏体为辅，堆焊材料硬度较高，耐磨、耐疲劳，其Rm＞1300MP，HV₂＞8J；两者堆焊时可溶性好，硬度落差为ΔHRC＜3；

其中，所述两端的堆焊熔敷金属材料：按堆焊熔敷金属质量百分比计算，包括：碳C：0.1～0.26、铬Cr：3.0～5.0、锰Mn：1.0～2.8、硅Si：0.2～0.5、硫S：＜0.08、磷P：＜0.015、镍Ni：1.0～3.0、钼Mo：1.0～3.0、钒V：0.2～1.0、钨W：0～1.2、铌Nb：0～1.0、铁Fe：余量；

所述中间的堆焊熔敷金属材料：按堆焊熔敷金属质量百分比计算，包括：碳C：0.16～0.3、铬Cr：4.0～8.0、锰Mn：1.0～3.0、硅Si：0.2～0.5、硫S：＜0.08、磷P：＜0.015、镍Ni：1.0～3.0、钼Mo：1.0～3.0、钒V：0.2～1.0、钨W：0～1.2、铌Nb：0～1.0、铁Fe：余量。