CN1032305A - 钢制件表面的修复方法 - Google Patents

Abstract

推荐于此的钢制件表面的修复方法包括：将制件 预热到制件金属的Ms温度以上，而实际上预热的最 低温度被控制在300℃。然后将钢堆焊于已预热制 件的待修复表面，因而形成焊道。温度Ms低于预热 温度的钢堆焊在保护介质中实现。堆焊的速度保证 着至少三个先堆焊道中的每一个加热到温度AI以 上，但低于制件金属的熔解温度Tsol。然后在制件 待修复表面由成排的连续焊道形成堆焊层，随后进行 冷却。

Description

本发明属于冶金学范畴，更确切地说是涉及钢制件表面的修复问题。

本发明用于修复在循环性负载和大温差等复杂条件下工作的轧辊是最成功的。这种轧辊是用过共析体钢制造的、配用于轧钢机的万能轧机座上、热轧制带平行翼缘的H和I型钢。

工业的不断发展，包括黑色冶金领域在内，带来了对钢制件的高要求。例如轧辊要在动力加载和温度变化的复杂条件下工作。轧制工艺的改进对轧辊和轧辊的工作面提出了高要求。为使轧钢机达到高生产率，轧辊必须具备足够的硬度、抗压强度、抗弯强度、碰撞和热冲击强度、高耐磨强度、承受静力负荷的能力;以及对轧制型钢的表面质量和几何尺寸提出了高要求，所以应该具有质量良好的工作面。

在轧钢机使用的许多情况下，轧辊的工作面经常出现不均匀的磨损，由此而降低轧制件的表面质量，使规定的线性尺寸产生偏差。目前，由过共析体钢轧辊修复到原始尺寸的问题尚未得到解决。磨损的轧辊只能进行重车到较小的尺寸或者重做辊套，或者送去重新熔炼;这样导致铬、钼、镍等合金钢的消耗量明显增加。现有的轧辊工作面修复工艺不能使堆焊层可靠地固定在轧辊的待修复表面上。

过共析体钢制件磨损表面的修复工艺大家都是了解的，例如用钢堆焊的方法。过共析体钢即是含碳量0.8%以下的钢。众所周知，含碳量0.4%以下的过共析体钢具有良好的焊接性。一般以焊条或焊丝的形式，使用选定的焊堆材料可用任意焊接方法焊在制件上。焊接的结果形成焊道、成排的连续焊道在制件待修复表面形成堆焊层。假如轧钢机的轧辊是一制件，则将其固定在车床上，使其在旋转过程中进行堆焊;焊道按螺旋线的轨迹堆起并形成堆焊层。在堆焊过程中焊条或焊丝的材料熔化，落到轧辊的待修复钢质表面、冷却、变硬、形成与钢制轧辊表面紧密结合的堆焊层。

但是在已修复件的使用过程中，在制件的修复表面上出现强度不一致的明显条痕，而且强度小的条痕对着堆焊轧辊的接触部位。堆焊层强度的不均匀会引起轧制件表面质量不好。钢堆焊层与制件金属的接触区域内出现马氏体转变，其结果会形成马氏体或马氏体-贝氏体层，从而降低制件待修复表面上堆焊层的牢固性。

磨损轧辊堆焊钢层的表面强度均匀试验及轧制件质量的改进试验详述于，专利特许证SU，A，3549410内。

人所共知的方法包括：将制件（如轧辊）预热，然后将钢堆焊在预热过的轧辊待修复表面上，其结果形成焊道，接着在待修复表面上由成排连续的焊道形成堆焊层。使形成的堆焊层在空气中冷却到预热轧辊的温度。待堆焊钢的温度Ms低于轧辊预热的温度。在此情况下，使轧辊预热的温度略高于待堆焊钢的温度Ms，但要低于1300°F。这样，待堆焊的钢在焊于轧辊待修复表面过程中将不会出现马氏体的转变。因此便可排除堆焊过程中焊道之间接触表面的回火，从而使堆焊层冷却到环境温度的过程中强度可达到高度的均匀。

但是，在循环性负载和大温差复杂条件下使用轧辊时，被修复轧辊表面的堆焊层固定的可靠性便突出地摆到了首位。以上方法并不保证可靠的固定。之所以出现这个问题专利特许证内有说明。堆焊钢的标准温度在350°～750°F范围内。正象大家所知道的那样，许多轧辊是用钢制成的，钢的Ms温度要高于堆焊钢的Ms温度。这样，轧辊材料的Ms温度便提高着轧辊的预热温度。结果，在堆焊过程中，轧辊金属与每个焊道堆焊金属的接触区域内出现马氏体转变。

马氏体的转变促使产生裂纹并恶化堆焊层与轧辊金属的结合。这一点对于用含碳量偏高的钢，其中包括用过共析体钢和人造刚玉制成的轧辊，在修复其磨损表面的情况下特别危险。

尤其在堆焊过程中，在堆焊层与轧辊金属的接触区域内会造成化学成分明显不均匀，这是由于焊道堆上时在该区域快速加热所引起的。当轧辊冷却到环境温度时，上述不均匀性便导致组织转变的不均匀，例如转变成马氏体、贝氏体、珠光体等，这就造成了接触区域内微观体积的非均相组织。这样便降低了接触区域的塑性和冲击韧性，并使产生裂纹和在使用过程中堆焊金属今后起鳞造成了良好的条件。

确定钢制件表面修复方法的任务作为本发明的基础。制件预热的规范、焊道堆上速度的选择保证了制件金属与堆焊层可靠的结合。

面前任务的解决靠钢制件表面的修复方法，其中包括：预热制件、进而将钢堆焊于预热过的制件待修复表面上，钢堆焊的温度Ms控制在预热温度以下，结果形成焊道，成排的连续焊道在制件待修复表面上形成堆焊层;随后使堆焊层在空气中冷却到制件预热的温度。按照本发明，预热制件达到的温度高于制件金属的Ms温度，加热的最低温度实际控制在300℃，实现堆焊所采用的速度，保证着至少三个先堆焊道中的每一个加热到温度A1以上，但低于制件金属的溶解温度Tsol。

此方法的实施保证着堆焊层与待修复钢制件表面，例如轧辊修复表面的可靠结合，而且是在保持住堆焊层表面强度性能高度均匀的情况下达到的。

将制件金属预热到它本身的Ms温度以上，而最低的加热温度实际控制在300℃。这对于消除马氏体转变和降低制件金属与堆焊层金属接触区域的热应力是必要的。当制件金属加热温度低于它本身在上述接触区域内的Ms温度时，即形成马氏体或马氏体-贝氏体组织，这样应力便急剧升级。堆焊金属焊道的连续堆叠会导致在温度高梯度的接触区域内出现回火，其结果增加了附加的热应力，并促使裂纹的形成。制件金属预热最低温度降到300℃以下，同样会导致接触区域内热应力的上升，这也不利于堆焊层在制件修复表面上可靠的固定，因而导致在制件使用过程中堆焊金属的起鳞。制件预热的最低温度是与降低动力费用和制件的成本联系在一起的。很明显，制件预热温度的上限不应超过堆焊层金属结晶终至的温度。钢堆焊于制件修复表面所采用的速度保证着至少三个先堆焊道中的每一个加热到温度A1以上，但要低于制件金属的温度Tsol。堆焊层形成的过程中，向堆焊层增长的方向每个前面的焊道保证着一个温度场，在此温温度场存在的情况下在待堆下一个焊道的制件金属表层内形成微粒奥氏体或者奥氏体-碳化物组织。此外，与制件金属接触的区域内焊道造成了一个A₁～Tsol范围的温度场，在那里至少三个先堆焊道中的最后一个与上一个衔接。另一方面受制件质量制约的高导热速度显著地缩短着接触区域在温度A₁以上的存在时间，籍以保证上述接触区域内的微粒组织保持下来。

与此同时在上述接触区域微观体积内出现了金属化学成分（主要是碳C和氮N）的平衡。

修复后的制件冷却到环境温度下，在上述奥氏体的分解过程中，微粒奥氏体或奥氏体-碳化物组织的形成和组织内化学成分的平衡会促使生成阻抗裂纹的均匀的微粒马氏体和马氏体碳化物等组织的产生。

用上述速度堆叠的焊道可降低堆焊层与制件金属接触区域内的金属热应力。

在制件金属的修复表层中，每一个堆叠焊道的温度场造成了一个含碳C和合金元素高的熔化区域，结果在熔化区域的金属结晶之后，生成了Ms温度20℃以下的合金奥氏体。这种合金奥氏体形成一层在堆焊层与制件金属之间的夹层。这种夹层在修复后的制件冷却到环境温度的情况下保护着奥氏体组织，因而这种夹层在制件使用过程中对于在堆焊层与制件金属中正在发展着的裂纹起着隔栏的作用。裂纹被隔的情况下改变自己的方向、分叉并停止发展。

含合金奥氏体组织的金属夹层和有均匀微粒马氏体、马氏体-碳化物等组织的接触区域的金属具有足够的塑性和冲击韧性;因此能自然减弱裂纹形成的趋势并保证堆焊层金属与制件金属的可靠结合。

建议采用含以下配比成分（按质量%计）的钢用于堆焊：

0.1～0.25C    0.6～5.9Mn    0.7～1.1Si

5.0～20.2Cr    0～9.6Ni    0～1.2Mo

0～0.4V    S0.03以下    P0.03以下

其余为Fe

由于采用了上述成分的钢将焊道堆于制件修复表面，在熔化区域的金属结晶之后，形成一个Ms温度20℃以下的由合金奥氏体组成的夹层。该夹层的组织不会因修复后的制件冷却到环境而转变，这样便提高了堆焊层金属与制件金属结合的可靠性。

本发明的其它目标和优点可从为完成本发明而采用的具体措施中更加清楚地了解到。

钢制件（例如用过共析体钢制成的、配用于轧钢机万能机座的、用于热轧带平行翼缘的H和I型钢的轧辊）表面的修复方法，按照本发明包括下列内容：

将轧辊预热到Ms温度以上，而最低的加热温度实际控制在300℃。进而用任意适宜的方法在保护介质（如氩气）中将钢堆焊于已预热的轧辊待修复表面。堆焊用的钢含下列的配比成分（按质量%计）：

0.1～0.25C    0.6～5.9Mn    0.7～1.1Si

5.0～20.2Cr    0～9.6Ni    0～1.2Mo

0～0.4V    S    0.03以下    P    0.03以下

其余为Fe。温度Ms控制在预热温度以下。堆焊的结果产生焊道，成排连续的焊道在轧辊待修复表面上形成堆焊层。在上述温度范围内预热轧辊可避免马氏体转变并可降低制件金属与堆焊层金属接触区内的热应力。钢堆焊于待修复表面采用的速度保证着至少三个先堆焊道中的每一个加热到A₁温度以上，但低于轧辊金属的Tsol温度。每一个堆焊道的温度场在轧辊金属的修复表层中造成了一个含碳和合金元素高的熔化区域。此熔化区域依靠由轧辊质量制约的高导热速度结晶;而且形成一个由合金奥氏体组成的Ms温度20℃以下的夹层。此外，制件每一个堆焊道的温度场在轧辊金属与堆焊层金属接触区的金属内形成微粒奥氏体或奥氏体-碳化物组织。当修复后的轧辊冷却到环境温度时，夹层的组织尚不变化，而接触区的金属都有均匀的微粒马氏体、马氏体-碳化物等组织，这些组织有足够的塑性和冲击韧性，这样便自然减弱了裂纹形成的趋势。含合金奥氏体组织的金属夹层及有均匀微粒马氏体、马氏体-碳化物等组织的接触区域的金属保证堆焊层金属与制件金属的可靠结合。按照上述方法表面修复过的轧辊具有相当于或者超过新轧辊的耐用性。

实施例1

对GONTERMANN-PEIPERS总公司制造的、型号为GMBH的轧辊的工作面进行修复。该轧辊的直径为1410毫米，它的配比成分（按质量%计）是：1.51C、0.70Mn、0.35Si、1.15Cr、1.00Ni、0.30Mo、S    0.030以下、P    0.030以下其余为Fe。它用于在万能钢樑轧机上轧制H-型钢。堆焊用的钢焊条含以下配比成分（按质量%计）：0.25C、0.60Mn、1.10Si、5.20Cr、1.20Mo、0.40V、S    0.030以下、P    0.030以下、其余为Fe。轧辊的金属Ms温度为190℃。焊条金属的Ms温度为Ms＝260℃。将轧辊预热到温度320℃并在形成堆焊层的全过程中保持此温度。堆焊层是在保护介质（如氨气）中以成排连续的焊道形成的。

堆焊层形成的过程中，在轧辊金属的表层往堆焊层增长的方向堆上前一个焊道，每堆前一个焊道都是为堆后一个焊道作准备。温度场的范围为870～1020℃。此温度场存在的情况下，上述轧辊表层内生成微粒奥氏体-碳化物组织。此外，每个焊道在三个先堆焊道的金属与轧辊金属接触区域内造成温度为1150…810℃的、深度距接触线2毫米的温度场。微粒奥氏体-碳化物组织保持下来，而且在上述区域的微观体积内达到金属化学成分（主要是碳和氮）的平衡。

每一根熔融轧辊的温度场在碳和合金元素含量高（例如碳达1.50质量%，铬达5质量%等）的熔化区域的轧辊金属待修复表层内形成。该熔化区域依靠由轧辊质量制约的导热高速度结晶，并形成一个温度为Ms负150℃的由合金奥氏体组成的夹层。高熔化区2毫米深处的轧辊金属的冷却平均速度约每秒30℃。

带堆焊层的轧辊冷却到环境温度，其夹层的金属组织不变，而轧辊金属与堆焊层金属接触区域的金属出现微粒马氏体-碳化物等组织。这样，接触区域的金属具有足够的塑性和冲击韧性，便自然减弱了裂纹产生的趋势。合金奥氏体组织的金属夹层和有均匀微粒马氏体-碳化物等组织的接触区域的金属保证着堆焊层金属与轧辊金属的可靠结合。

堆焊层金属的硬度为HB520。因此，为了将堆焊层的硬度降到交货状态的轧辊硬度，则将修复后的轧辊加热到温度650℃，并在此温度下静置4小时。这样处理之后轧辊的硬度为HB380，此硬度符合交货状态的硬度。

经过修复工作面的轧辊显示出了与GONTERMANN-PEIPERS总公司制造的、型号为GMBH的新轧辊具有相同的耐用性。

实施例2

对同一总公司制造的轧辊的工作面进行修复。堆焊用的钢焊条含以下配比成分（按质量%计）：0.10C、5.90Mn、0.70Si、20.20Cr、9.60Ni、S    0.030以下、P    0.030以下、其余为Fe。焊条金属的Ms温度为负60℃。轧辊工作面的修复工序与上面例举的实施例1相似。堆焊层金属的硬度为HB220。由于此硬度对于轧辊是明显不足的，所以轧辊的工作面必须作硬化处理。在硬化处理后轧辊的表面硬度达到HB380。经过修复的轧辊的耐用性可与GONTERMANN-PETPERS，GMBH的新轧辊的耐用性比拟。

必须指出，本发明不仅仅限用于轧辊表面的修复，而且有更加广泛的用途。其中包括用于高碳镍铬耐磨铸铁制品。

推荐的这一方法用于修复由过共析体钢制造的，用于万能钢樑轧机上和配有万能轧机座的轧机上的水平和垂直的轧辊。

为推荐的这一方法制定出了轧辊侧工作面和轧辊身的堆焊工艺规程。这一工艺规程保证取得与轧辊身可靠结合的堆焊层，并且当堆焊厚度达10～12毫米时可通过一次行程即可将磨损的表面彻底强化而不留下底层。

推荐的上述过共析体钢和高碳镍铬耐磨铸铁轧辊的修复工艺规程可达到下列各项要求：

-被修复轧辊的耐用性按一次开机轧制检测可以达到或超过交货状态轧辊的耐用性;

-根据待轧的型材和钢号，用万能钢樑轧机轧制H-型钢，一次填料2500～3500吨进行轧制时，可减少精轧机轧辊工作面的精加工量达0.04～0.20毫米;

-改进轧辊的表面质量，并由此而提高轧制件的质量。

Claims (3)

1、钢制件的表面修复方法包括：预热制件、然后将温度低于预热温度的钢堆焊于已预热制件的待修复表面；结果形成堆焊道，继而由成排的连续焊道在制件待修复表面上形成堆焊层，再使堆焊层在空气中冷却到预热制件的温度。此法的特点是：将制件预热到制件金属的Ms温度以上，而实际上预热的最低温度被控制在300℃；钢的堆焊在保护介质中实现，堆焊的速度保证着至少三个先堆焊道中的每一个加热到温度AI以上，但低于制件金属的Tsol温度。

2、根据权利要求1钢制件表面修复方法的特点是采用下列配比成分（按质量%计）的钢进行堆焊：

碳  0.10～0.25

锰  0.60～5.90

硅  0.70～1.10

铬  5.00～20.20

镍  0～9.60

钼  0～1.20

矾  0～0.40

磷  0.03以下

硫  0.03以上

其余为Fe。

3、根据权利要求1的钢制件表面修复方法的特点是上面所指的制件为轧辊。