CN102528222B - Cr4、Cr5系热轧工作辊、支撑辊堆焊复合再制造打底材料 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种Cr4、Cr5系热轧工作辊、支撑辊堆焊复合再制造的打底材料，该材料的成分配比如下：C 0.02～0.10％；Mn 0.8～1.8％；Si 0.2～0.5％；Ni4.0～8.0％；Ti 0.4～1.4％；V 0.1～0.2％；余量为Fe。该打底层材料具有与辊面良好的结合性能和优异的理化性能，能有效克服原辊与堆焊材料在使用过程中产生微小裂纹及层状撕裂脱落的缺陷。

Description

Cr4、Cr5系热轧工作辊、支撑辊堆焊复合再制造打底材料

技术领域

本发明涉及堆焊技术领域，具体涉及热轧工作辊、支撑辊堆焊再制造打底材料。

背景技术

大型冶金轧辊为轧钢生产中主要备件，工作过程中轧辊轧制约1000℃左右高温金属板，轧辊表面冷却采用气雾冷却，内部采用内周向通水冷却方式，高温磨损及冷热疲劳交错的影响易使工作辊出现裂纹、剥落等表面缺陷，造成轧辊报废。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工作辊、支撑辊当作原料回炉冶炼，造成资源和能源的巨大浪费。为了满足市场的需要，对现有大型冶金轧辊再制造是解决问题的主要途径之一。

堆焊再制造是焊接领域中的一个重要分支，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。堆焊再制造在轧辊、尤其是热轧辊的修复领域获得了较好的应用。研究发现，对轧辊表面进行堆焊处理，可以明显延长轧辊寿命，降低轧钢消耗。而对废旧大型工作辊、支撑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。

目前常用工作辊、支撑辊的材质多为60CrMnMo、9Cr2、86CrMoV7、MC3A、MC5、MC6、YB-70、SHSS、70Cr3Mo、70Cr3NiMo、H13等，即热轧辊从最初的Cr2系发展至Cr5系锻钢工作辊，同时发展了价格相对昂贵的锻造半高速钢材质。工作辊材质有向Cr6、Cr7发展的趋势。轧辊母材向着高合金化、高性能发展，目前市场上主要应用的新型母材有Cr4、Cr5系锻钢，由于Cr4、Cr5轧辊中碳及合金含量比较高，所以碳当量大，辊的表面硬度高约50HRC，下线后辊内部存在着大量的沿晶裂纹。堆焊修复时不能直接在其表面堆焊硬度高的堆焊材料，需首先采用打底层。

当前堆焊再制造轧辊技术中主要存在的问题是原辊与堆焊材料在使用过程中易于产生微小裂纹及层状撕裂脱落的缺陷，因此，除调整工艺参数外亟待开发具有良好结合性能及优异理化性能的打底层材料。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种适用于Cr4、Cr5系热轧工作辊、支撑辊，且具有良好结合性能及优异理化性能的堆焊复合再制造的打底材料。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种Cr4、Cr5系热轧工作辊、支撑辊堆焊复合再制造的打底材料，该材料的成分配比如下：

C     0.02～0.10％

Mn    0.8～1.8％

Si    0.2～0.5％

Ni    4.0～8.0％

Ti    0.4～1.4％

V     0.1～0.2％

余量为Fe。

如上所述的打底材料，优选该打底材料的P含量低于0.018％，且S含量低于0.009％。

如上所述的打底材料，其中，该打底材料还可包括以下成分中的至少一种：

Cr      ＜2.0％

稀土元素＜0.5％

Nb      ＜3.0％。

本发明的有益效果在于，本发明的打底材料为一种奥氏体堆焊材料，其成分中较低的碳含量可提高材料的韧性及防裂纹扩散能力；Ni是奥氏体形成元素，有利于材料韧性和裂纹的控制；添加微合金元素Nb、V可细化晶粒；Ti、稀土元素等可起到细化晶粒、结晶强化的作用。本发明通过优化打底材料成分及含量，使打底材料的强度、韧性、工艺性和物理化学性能得到良好的匹配，测试结果显示，该材料的冲击韧性为48～60AKv，抗拉强度为420～490MPa，收缩率为65～76％，延伸率为31～38％；径向拉伸测试和电镜照片显示堆焊后形成的打底层与母材结合良好，无堆焊缺陷。

附图说明

图1：本发明优选实施方式中大型热轧工作辊、支撑辊堆焊修复工艺流程图。

图2：显示母材与打底材料结合处结构的电镜照片(200x)。

图3：显示打底材料微观结构的电镜照片(500x)。

具体实施方式

本发明的Cr4、Cr5系热轧工作辊、支撑辊堆焊复合再制造打底材料的化学成分如表1所示：

表1打底材料堆焊熔敷金属的质量百分比(wt％)

其中，主要合金元素的作用为：

1、C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，随含碳量的降低，堆焊材料的韧性及防裂纹扩散能力加强。

2、Ni是奥氏体形成元素，是保持堆焊熔敷金属奥氏体的重要元素，同时增加堆焊熔敷金属的强度、韧性、耐热性，有利于韧性和裂纹的控制。在本发明的打底材料中，当Ni含量低于4.0％时，材料与母材结合处易产生裂纹；当Ni含量高于8％时，奥氏体化严重，且组织较大，造成柱状晶粗大，强度、韧性下降。

3、Ti与钢中的C可形成TiC微细质点，该析出粒子具有沉淀强化的作用。TiC具有很高的熔点，且硬度是在MC系碳化物中最高的，是耐磨堆焊材料中极为理想的强化相。细小弥散分布的TiC对阻碍晶粒的长大起到良好的作用。同时，钛可以与溶解于焊接熔池中的氮形成TiN或Ti(N，C)。并且这种颗粒在1150℃以上就开始形成。TiN和Ti(N，C)颗粒均能阻止形变奥氏体的动态再结晶的发生及奥氏体再结晶晶粒的长大，细化晶粒，起到细晶强化的作用。Ti还能与钢中的S、Mn作用形成粒状的复合夹杂物，从而提高了钢的冷弯性能。因为Ti与S的结合比Mn与S的结合容易，Ti能从MnS中夺走S，减少MnS的夹杂。Ti元素既能细化晶粒又能减少夹杂物数量，改善夹杂物的形态，在提高强度的同时对塑性有利。在本发明的打底材料中，当Ti含量高于1.4％时，堆焊过程中脱渣困难，容易使堆焊熔敷金属产生夹渣等缺陷。

4、Mn能够降低γ-a相变温度，而γ-a相变温度的降低对于热轧态或正火态钢材的铁素体晶粒尺寸有细化作用。在C-Mn低合金高强钢焊缝组织中，Mn含量在0.6％～1.8％范围内时，随着Mn含量的增加，可使焊缝金属中AF含量显著增加，先共析铁素体含量明显减少，侧板条铁素体的数量稍有下降，同时使AF细化；当Mn含量高于1.8％时，金属韧性下降，出现偏聚现象。

5、Si可以提高强度，又能降低焊缝中的氧，但Si不宜过高，若Si含量超过0.5％将引起焊缝金属塑性和韧性的下降。在低氢型焊条中合理控制Mn/Si比，不仅可以体现联合脱氧效果，使焊缝金属达到较高纯度，在提高强度的同时，还可获得良好塑性和韧性。

6、Nb、V是强的碳、氮化物形成元素，同钢中的氧、硫又有极强的亲和力，在钢中主要以MeC、MeN或Me(C，N)的形式存在。在C、C-Mn、C-Mn-Mo等钢中添加这些微合金元素，通过细化晶粒，改变相变动力学，以及借助于过饱和状态的脱溶过程，使钢的强度、韧性、工艺性和物理化学性能得到较好的匹配，从而在较大幅度内调整钢铁材料的性能。

7、稀土元素在堆焊融覆金属中可以细化晶粒，净化晶界，提高堆焊层质量。

8、为消除非金属夹杂物等杂质而产生的低塑性撕裂，本发明打底材料中减少或消除了非金属夹杂物(S、P、O、N、H)等杂质，特别是P含量要低于0.018％，S含量要低于0.009％。

在本发明的优选实施方式中，采用下述工艺流程对大型热轧工作辊、支撑辊进行堆焊修复(参见图1)：

1)堆焊用辊坯整备

堆焊修复前，对旧辊辊坯进行疲劳层车削、超声和磁粉(或渗透)探伤、局部缺陷焊补、保证堆焊工作层厚度车削的整备工作。

a)辊颈探伤

在辊面加工前，对辊颈进行超声波和渗透探伤，若发现有严重缺陷(特别是辊身与辊颈过渡区内)，则终止对该辊的后道加工。

b)辊面车削加工

将辊面疲劳层完全去除，并车削至保证堆焊层厚度要求。

c)辊面探伤

对已车削辊面进行检测，检查疲劳层是否车削净及辊身是否存在裂纹等缺陷，若仍有缺陷，则需继续车削，消除隐患。如果超声探伤出辊坯有严重内伤，则不允许再进行该辊坯的堆焊修复工作。

d)局部缺陷焊补

对于局部缺陷首先要确保缺陷完全清除，车削较深之处，可采用打底和过渡层焊材焊补使之平整。

2)焊前准备工作

辊坯预热前，要在辊身的两端装上挡环。挡环为焊接式(一次性)，用薄钢板(厚度≥6mm)制成，并环向对接点焊在辊身两端。挡环的作用是托住焊剂，防止在堆焊时发生熔渣流淌，从而保证在辊身两端得到良好的堆焊层形状。

3)预热

在300～400℃预热。预热的主要目的是降低堆焊过程中堆焊金属及热影响区的冷却速度，降低淬硬倾向并减少焊接应力，防止母材和堆焊金属在堆焊过程中发生相变导致裂纹产生。

4)打底层保温堆焊作业

a)施焊前，选用焊丝和配用烧结焊剂分别按其要求进行烘焙，以去除水份。

b)使用具有下降电源特性的直流电源，配备带自动测温、控温系统的电加热(或燃气加热)保温罩装置和焊剂自动送给装置，在大型轧辊自动埋弧堆焊专用设备上，进行多机头单丝圆周方向连续螺旋自动埋弧堆焊。焊接速度为350～450mm/min。

c)堆焊过程必须连续施焊，中途不允许停止。如遇意外情况停焊时，在层间温度保温装置不能保证支撑辊层间温度时，应尽快进炉按预热温度要求保温。

d)进行圆周方向螺旋线堆焊时，由于辊面长为防止在辊身两端出现“缺肉”现象，在辊身的两端，即始焊部位和终焊部位，均应先沿圆周方向堆焊一周(即在不移动堆焊机头的情况下堆焊一周)，然后再进行螺旋线堆焊。同时为保证各堆焊层间硬度的均匀性，要求堆焊时应使各堆焊层间的焊道位置相互错开1/2焊道宽度。

e)焊接工艺参数必须合适，应调整达到电弧稳定，焊道成形美观，无工艺缺陷。可采用多台焊机同时作业，其工艺参数必须保持一致。

f)堆焊过程中要精心操作，严密监控，发现工艺缺陷，特别是断弧，必须暂停焊接，把缺陷处理干净后重新引弧堆焊。

5)中间去应力热处理

堆焊热轧辊单边高于20～25mm，需要进行中间热处理，热处理温度在420～560℃之间。

6)再次堆焊，参数同上，堆焊厚度为车完所需尺寸+10mm。

7)焊后热处理，热处理温度一般在420～560℃之间。

焊后热处理的主要目的是为改善焊后组织和消除焊接应力。

8)车削加工及无损检测：辊坯先进行车削、后进行硬度及超声和磁粉(或渗透)探伤，若堆焊出现缺陷，应重新堆焊或缺陷过大评估后报废。

以下结合具体实例详细说明本发明。

实施例1打底材料的制备

(一)Cr4、Cr5系热轧工作辊、支撑辊堆焊复合再制造打底材料1和2的成分如表2所示：

表2堆焊熔敷金属的质量百分比(wt％)

(二)材料1和2的制备过程如下：

A.按照表2所示的配比将各组成成分的粉体在混粉器中混合均匀；

B.用纵剪机将冷轧钢带纵剪成宽12～16mm钢带，在轧丝机上将钢带轧制成截面呈U形，向钢带的U形凹槽中填加混合后的打底材料粉体，随后将U形钢带轧制成Φ3～5mm的焊丝坯管；

C.用多联直线拉丝机将焊丝坯管拉拔至成品尺寸Φ2.4～4.0mm，随后用层绕机分绕标准层绕卷。制成打底材料1、2焊丝。

实施例2支撑辊堆焊修复及性能测试

(一)支撑辊堆焊修复

应用实施例1中制备的打底材料1、2焊丝，分别在Cr5支撑辊母材上取一厚度为100mm的基体，并在基体上堆焊两层打底层，后堆焊盖面层，其工艺流程如上文所述，堆焊操作的具体工艺参数如表3所示：

表3打底丝堆焊工艺参数

堆焊两层打底材料后，打底材料1的焊态硬度(HB)为186HB，打底材料2的焊态硬度(HB)为240HB。

(二)性能测试

(1)按表3的堆焊工艺，将打底材料分别堆焊在Cr5支撑辊母体上，堆焊厚度为20mm以上，取Φ10的拉伸试棒及55×10×10mm的冲击试样，测量力学性能，结果如表4所示：

表4

(2)将打底材料1，2在Cr5支撑辊母体上堆焊两层，随后堆焊多层盖面层，取径向拉伸，测量的结果如表4所示。

打底材料1和2径向拉伸试验均观察到拉伸断口在打底丝底层和打底丝第二层之间断裂，而打底丝与母材结合良好。

(3)母材与打底材料结合处的微观结构

图2为母材与打底材料1结合处结构的电镜照片(200x)，下层为Cr5母材，照片中显示母材与打底丝结合良好，无堆焊缺陷。

图3为反映打底材料1微观结构的电镜照片(500x)，照片中显示打底丝为马氏体和一些板条类组织，均略有回火。

Claims (3)

1.一种Cr4、Cr5系热轧工作辊、支撑辊堆焊复合再制造的打底材料，其特征在于，该材料的成分配比如下：

C  0.02～0.10％

Mn 0.8～1.8％

Si 0.2～0.5％

Ni 4.0～8.0％

Ti 0.4～1.4％

V  0.1～0.2％

余量为Fe。

2.如权利要求1所述的打底材料，其特征在于：所述打底材料的P含量低于0.018％，且S含量低于0.009％。

3.如权利要求2所述的打底材料，其特征在于：所述打底材料还包括以下成分中的至少一种：

Cr      ＜2.0％

稀土元素＜0.5％

Nb      ＜3.0％。