CN115722827A - 无锰Cr13堆焊材料及堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法 - Google Patents
无锰Cr13堆焊材料及堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种无锰Cr13堆焊材料及堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法，其中的无锰Cr13堆焊材料，按重量百分比计包括以下成分：C：0.41％～1.0％、Cr：11.2％～14.9％、W：0.2％～2.9％、Mo：0.2％～6.0％、Co：0.1％～1.9％、Li+Ba+RE：0.01～0.4％、Ni：0～0.99％、V：0％～5.8％，余量为Fe。利用本发明，能够解决现有的Cr13堆焊材料热稳定性不高、堆焊后容易断裂等问题。
Description
技术领域
本发明涉及堆焊技术领域，更为具体地，涉及一种无锰Cr13堆焊材料及堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法。
背景技术
热轧带钢连轧机是生产热轧板卷的主体轧制设备。卷取机的工作条件在整个连轧机组中是最恶劣、最容易出事故的，而夹送辊和助卷辊是卷取机最关键的部件。夹送辊、助卷辊工作时辊身承受的弯矩、辊面接触应力一般小于同一轧线上其他轧辊的轧制力矩及接触应力，且夹送辊、助卷辊必须在大修时(每年一次)才进行更换，而且工作时它们的表面温度一般为550℃～750℃。
堆焊复合制造是焊接领域中的一个重要分支，其中堆焊材料中Cr13是在一种马氏体不锈钢材料具有较高的硬度和抗腐蚀性能，可以在多种基材上进行堆焊焊接，属于一种通用型堆焊材料。随着国内技术的发展，Cr13系列的堆焊焊接材料越来越多，但是这些材料均存在着焊后其堆焊层硬度不均匀、使用过程中易产生裂纹等问题。研究发现其主要因素是随着堆焊层碳含量的增加，易使Cr元素产生便析，从而产生“Cr贫化”现象。
同时，这种堆焊材料一般采用锰进行脱氧和合金化，但由于焊接时焊丝中近10％锰，在电弧高温作用下蒸发、凝结和氧化而成烟尘。锰的气熔胶粒子虽然直径极小，但在通风性欠缺的车间不容易降落，长时间在空气中飘浮。是焊工职业病锰中毒的主要来源。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种无锰Cr13堆焊材料及堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法，以解决现有的Cr13堆焊材料热稳定性不高、堆焊后容易断裂等问题。
本发明提供的一种无锰Cr13堆焊材料，按重量百分比计包括以下成分：C：0.41％～1.0％、Cr：11.2％～14.9％、W：0.2％～2.9％、Mo：0.2％～6.0％、Co：0.1％～1.9％、Li+Ba+RE：0.01～0.4％、Ni：0～0.99％、V：0％～5.8％，余量为Fe。
此外，优选的方案是，所述C包括游离碳和化合态碳，并且所述游离碳与所述化合态碳的质量比为0.05～0.5：1。
此外，优选的方案是，还包括：碳酸锂、碳酸钡、稀土重稀土硅铁以及钾水玻璃，所述碳酸锂、碳酸钡、稀土重稀土硅铁与钾水玻璃的质量比为2：1～1：2；其中，
所述碳酸锂、碳酸钡、稀土重稀土硅铁、钾水玻璃与所述游离碳混合后烧结、破碎形成混合粉末，所述混合粉末与所述无锰Cr13堆焊材料中的其他组分混合形成无锰Cr13堆焊材料的药芯焊丝。
此外，优选的方案是，所述烧结温度为：180℃～280℃；
混合粉末的粒度为：80目～160目。
此外，优选的方案是，所述无锰Cr13堆焊材料的焊态硬度≥55HRc；
在温度为20℃～750℃，所述无锰Cr13堆焊材料的冷热疲劳超过1000次后的硬度大于42HRC，疲劳裂纹小于0.80mm。
本发明还提供一种采用上述无锰Cr13堆焊材料堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法，所述堆焊方法包括：
对所述轧辊进行预热，其中，所述预热温度为240～280℃；
对预热后的轧辊的辊面上堆焊打底材料形成打底层，在堆焊所述打底材料的过程中，所述轧辊的温度为220～260℃；
对堆焊所述打底层的辊面进行冷却，冷却到160～200℃；
采用无锰Cr13堆焊材料的药芯焊丝在冷却后的所述打底层上进行堆焊；
对焊接所述无锰Cr13堆焊材料的轧辊进行缓冷、回火热处理；
对回火热处理后的轧辊冷却至室温。
此外，优选的方案是，所述打底材料为低碳低合金材料。
此外，优选的方案是，在采用无锰Cr13堆焊材料在冷却后的所述打底层上进行堆焊的过程中，焊接电流：360～480A，焊接电压：27V～32V，焊接速度：380mm/min～500mm/min，焊道搭接：相邻焊道搭接须大于50％，焊接极性：采用直流反接，焊丝伸出长度：16mm～28mm，焊道层间温度：120℃～180℃。
此外，优选的方案是，在对焊接所述无锰Cr13堆焊材料的轧辊进行缓冷过程中，所述缓冷速度为：55℃/h～75℃/h，缓冷温度为：40℃～60℃。
此外，优选的方案是，在对缓冷处理后的轧辊进行回火热处理过程中，回火温度为：530℃～560℃，恒温时间不小于4h；
在室温至100℃范围内，升温速度不高于40℃/h；大于100℃之后，升温速度不高于50℃/h，均匀加热。
此外，优选的方案是，在对回火热处理后的轧辊冷却至室温的过程中，
所述轧辊随炉降温，当炉温降低到260℃时，将所述轧辊出炉空冷至室温。
此外，优选的方案是，对焊接所述无锰Cr13堆焊材料的轧辊进行回火热处理后，所述无锰Cr13堆焊材料包括>90％的马氏体、奥氏体、铁素体以及碳化物。
从上面的技术方案可知，本发明提供的无锰Cr13堆焊材料及堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法，通过优化药芯焊丝(无锰Cr13堆焊材料)中游离碳和化合态的碳的比例固溶强化和沉淀强化熔敷金属，同时烧结游离态碳、碳酸锂、碳酸钡、稀土重稀土硅铁，从而利于焊缝金属的均匀性，两方面共同避免铬的贫化，提高熔敷金属的均匀性能；同时优化热疲劳性能和硬度，从而减缓硬度和热疲劳性能的衰减，提高堆焊材料的热稳定性能。其中，Cr含量在11.2％～14.9％之间，焊态硬度不低于55HRC；冷热疲劳(20℃～750℃)超过1000次后硬度大于42HRC，疲劳裂纹小于0.80mm，具有良好的抗回火软化性能和抗热疲劳裂纹能力堆焊合金。通过无锰Cr13堆焊材料堆焊轧辊，轧辊上机使用后表面抗氧化性能良好，且表面无黏渣，明暗相间条纹不显著，表面光滑等优点，能够满足轧辊工况要求，使用寿命比市场普通堆焊材料明显提高，降低轧辊消耗成本，从而完全解决轧辊(夹送辊、助卷辊)使用寿命低的问题。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的采用无锰Cr13堆焊材料堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法流程示意图。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
针对前述提出的现有的Cr13堆焊材料热稳定性不高、容易断裂等问题。，本发明提供了一种无锰Cr13堆焊材料及堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法。
本发明提供的一种无锰Cr13堆焊材料，按重量百分比计包括以下成分：C：0.41％～1.0％、Cr：11.2％～14.9％、W：0.2％～2.9％、Mo：0.2％～6.0％、Co：0.1％～1.9％、Li+Ba+RE：0.01～0.4％、Ni：0～0.99％、V：0％～5.8％，余量为Fe。
无锰Cr13堆焊材料还包括：碳酸锂、碳酸钡、稀土重稀土硅铁以及钾水玻璃，所述碳酸锂、碳酸钡、稀土重稀土硅铁与钾水玻璃的质量比为2：1～1：2；其中，所述碳酸锂、碳酸钡、稀土重稀土硅铁、钾水玻璃与所述游离碳混合后烧结、破碎形成混合粉末，所述混合粉末与所述无锰Cr13堆焊材料中的其他组分混合形成无锰Cr13堆焊材料的药芯焊丝。所述烧结温度为：180℃～280℃；混合粉末的粒度为：80目～160目。
在本发明的实施例中，无锰Cr13堆焊材料以满足轧辊在550℃～750℃高温下工作，具有良好的热稳定性，使用寿命提高，降低轧辊消耗成。其中，无锰Cr13堆焊材料，一方面通过优化药芯焊丝中游离碳和化合态的碳的比例固溶强化和沉淀强化熔敷金属，同时烧结游离态碳、碳酸锂、碳酸钡、稀土重稀土硅铁，从而利于焊缝金属的均匀性，两方面共同避免了铬的贫化；此外，优化药芯焊丝合金含量，减缓硬度和热疲劳性能的衰减，提高堆焊材料的热稳定性能。最后，未添加锰元素利于绿色焊接。
也就是说，为了保证材料的均匀性，特别是避免晶界“贫铬”，一方面通过优化药芯焊丝中游离碳和化合态的碳的比例固溶强化和沉淀强化熔敷金属；另一方面更好的发挥碳酸锂、碳酸钡、稀土重稀土硅铁与游离态碳的作用，将四种材料混加钾水玻璃均匀混合后，进行250℃烧结，经破碎获得80目～160目的混合粉末，与其它金属合金粉末混合均匀形成无锰Cr13堆焊材料的药芯焊丝。
其中，所述C包括游离碳和化合态碳，并且所述游离碳与所述化合态碳的质量比为0.05～0.5：1。所述无锰Cr13堆焊材料的焊态硬度≥55HRc；在温度为20℃～750℃，所述无锰Cr13堆焊材料的冷热疲劳超过1000次后的硬度大于42HRC，疲劳裂纹小于0.80mm。
其中，无锰Cr13堆焊材料中各元素的设计依据为：
Mn危害及替代：在焊接时锰硅起到联合脱氧的效果，且一定量的锰能过改善强度及塑性，调节铁水的流动性，但由于焊接时焊丝中近10％锰，在电弧高温作用下蒸发、凝结和氧化而成烟尘。锰的气熔胶粒子虽然直径极小，但在通风性欠缺的车间不容易降落，长时间在空气中飘浮。是焊工职业病锰中毒的主要来源。因此本发明，采用无锰元素的添加，其在焊缝中的作用通过在游离碳及碳酸锂、碳酸钡及稀土四种材料烧结破碎替代。
C主要作用是与W、Mo、Ti、V、Cr等形成大量的细小弥散分布的碳化物，大大提高堆焊熔敷金属中的硬度、热稳定性、高温耐磨性等性能。但是碳含量高，对热疲劳性能损害较大，同时C也是在Cr13系不锈钢中起到促使形成奥氏体的主要元素，因此碳含量的优化是重中之重，本发明主要通过硬度和热疲劳性能的优化，最终确定碳含量在0.41％～1％之间，其中堆焊熔敷金属中的碳主要来源于堆焊焊丝游离碳与化合碳的碳，且两者质量比控制在：0.05～0.5：1之间。
Cr(铬)含量提高，增加熔敷金属的淬透性和抗氧化、抗腐蚀性能力，而且能与碳形成碳化铬固溶强化基体。但是在高碳含量的影响下，Cr13不锈钢合金体系随着铬含量的变化，熔敷金属组织中马氏体、铁素体、奥氏体会发生质的变化。因此，本发明通过改变碳铬比，结合微观组织来确保宏观性能，从而优化出铬含量。
W、Mo、V、Co、Ni等合金：钒、钼、钨等合金对高碳Cr13系的金相组织影响很大，是平衡铁素体，马氏体和奥氏体的重要合金，合金的优化主要对微观组织、热疲劳性能及力学均匀性能进行研究，优化合金，最终能够形成马氏体组织占90％以上，同时兼有良好的硬度、热疲劳性能及高温氧化性能等优良力学性能。
Li+Ba+RE：Li+Ba合金元素在焊丝中采用碳酸锂和碳酸钡两种形式加入，稀土以重稀土硅铁的形式加入，碳酸锂和碳酸钡主要起到分解气体保护焊道和同时提高焊缝的侵润性能；重稀土硅铁在高温阶段形核，细化晶粒。两者结合在熔敷金属中起到纯化基体、细化晶粒的作用，从而提高堆焊材料的抗裂性能、强韧性能等工艺性能及力学性能。
所述盖面堆焊材料中，熔敷金属组织为回火后马氏体(≥90％)及少量奥氏体和铁素体，基体上分布着一定数量的碳化物。
所述的盖面堆焊材料具有以下性能：焊态下熔敷金属的硬度：≥55HRc。
采用高频淬火迅速升温至750℃后水急冷至室温20℃，在20℃～750℃循环热疲劳实验能够满足：200次：主裂纹长度≤0.05mm；表面硬度≥52HRC；1000次：主裂纹长度≤0.80mm；表面硬度≥42HRC。
本发明还提供一种采用无锰Cr13堆焊材料堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法，图1示出了根据本发明实施例的采用无锰Cr13堆焊材料堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法流程，如图1所示，采用无锰Cr13堆焊材料堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法包括：
S110：对所述轧辊进行预热，其中，所述预热温度为240～280℃；
S120：对预热后的轧辊的辊面上堆焊打底材料形成打底层，在堆焊所述打底材料的过程中，所述轧辊的温度为220～260℃；
S130：对堆焊所述打底层的辊面进行冷却，冷却到160～200℃；
S140：采用无锰Cr13堆焊材料的药芯焊丝在冷却后的所述打底层上进行堆焊；
S150：对焊接所述无锰Cr13堆焊材料的轧辊进行缓冷、回火热处理；
S160：对回火热处理后的轧辊冷却至室温。
在本发明的实施例中，在步骤S110中，在对轧辊预热过程中：预热温度最优为260℃，安置到堆焊专机后温度不低于220℃。
在步骤S120中，所述打底材料为ZY-YD003-S或类似于低碳低合金材料。
在步骤S130中，适当冷却辊面，即堆焊打底层后空冷，冷到160～200度后，再进行堆焊本堆焊无锰Cr13堆焊材料。
在步骤S140中，堆焊参数要求：以Φ3.2mm药芯焊丝为例，对于Φ3.2mm药芯焊丝的要求：焊接电流：360～480A，焊接电压：27V～32V，焊接速度：380mm/min～500mm/min，焊道搭接：相邻焊道搭接须大于50％，具体搭接量应视焊道平整光滑情况，焊接极性：采用直流反接，焊丝伸出长度：16mm～28mm，焊道层间温度：120℃～180℃。
在步骤S150和S160中，在对焊接所述无锰Cr13堆焊材料的轧辊进行缓冷过程中，所述缓冷速度为：55℃/h～75℃/h，缓冷温度为：40℃～60℃。
在对缓冷处理后的轧辊进行回火热处理过程中，回火温度为：530℃～560℃，恒温时间不小于4h；在室温至100℃范围内，升温速度不高于40℃/h；大于100℃之后，升温速度不高于50℃/h，均匀加热。
在对回火热处理后的轧辊冷却至室温的过程中，所述轧辊随炉降温，当炉温降低到260℃时，将所述轧辊出炉空冷至室温。
其中，对焊接所述无锰Cr13堆焊材料的轧辊进行回火热处理后，所述无锰Cr13堆焊材料包括>90％的马氏体、奥氏体、铁素体以及碳化物。
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以这些具体实施例来限制本发明的范围。
实施例1～8
选用具有表1所示的化学成分的焊丝，进行性能测试。
表1无锰Cr13堆焊材料中各成分的质量百分比(wt％)
将实施例1～8中制备的无锰Cr13堆焊材料，分别在母材为45#钢的轧辊上(Φ400mm×600mm)堆焊，先在基体上堆焊一层低合金打底层，单边堆焊厚度约为2.5mm，后堆焊实施例1～8中的无锰Cr13堆焊材料，单边堆焊厚度为15mm。堆焊操作的具体工艺参数如表2所示。
表2堆焊工艺参数
堆焊后，缓冷速度：55℃/h～75℃/h，缓冷到40℃～60℃后进炉进行回火温度为550℃，恒温时间6h的回火热处理；随炉冷却到260℃时，将轧辊出炉空冷室温。
最后，经磁粉及超声波探伤表面无裂纹等缺陷，分别在轧辊盖面层上制取：热疲劳试样和冲击试样，与其对比的试样为调质后硬度为60HRC的3Cr2W8V，其结果如表3所示，可见硬度及热疲劳裂纹的衰减程度要优于3Cr2W8V，具有优良的热强性能。
表3不同温度下实施例1～8的无锰Cr13堆焊材料的部分力学性能
通过上述实施方式可以看出，本发明提供的无锰Cr13堆焊材料及堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法，通过优化药芯焊丝(无锰Cr13堆焊材料)中游离碳和化合态的碳的比例固溶强化和沉淀强化熔敷金属，同时烧结游离态碳、碳酸锂、碳酸钡、稀土重稀土硅铁，从而利于焊缝金属的均匀性，两方面共同避免铬的贫化，提高熔敷金属的均匀性能；同时优化热疲劳性能和硬度，从而减缓硬度和热疲劳性能的衰减，提高堆焊材料的热稳定性能。其中，Cr含量在11.2％～14.9％之间，焊态硬度不低于55HRC；冷热疲劳(20℃～750℃)超过1000次后硬度大于42HRC，疲劳裂纹小于0.80mm，具有良好的抗回火软化性能和抗热疲劳裂纹能力堆焊合金。通过无锰Cr13堆焊材料堆焊轧辊，轧辊上机使用后表面抗氧化性能良好，且表面无黏渣，明暗相间条纹不显著，表面光滑等优点，能够满足轧辊工况要求，使用寿命比市场普通堆焊材料明显提高，降低轧辊消耗成本，从而完全解决轧辊(夹送辊、助卷辊)使用寿命低的问题。
如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的无锰Cr13堆焊材料及堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的无锰Cr13堆焊材料及堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
Claims (12)
1.一种无锰Cr13堆焊材料，其特征在于，按重量百分比计包括以下成分：C：0.41％～1.0％、Cr：11.2％～14.9％、W：0.2％～2.9％、Mo：0.2％～6.0％、Co：0.1％～1.9％、Li+Ba+RE：0.01～0.4％、Ni：0～0.99％、V：0％～5.8％，余量为Fe。
2.如权利要求1所述的无锰Cr13堆焊材料，其特征在于，
所述C包括游离碳和化合态碳，并且所述游离碳与所述化合态碳的质量比为0.05～0.5：1。
3.如权利要求2所述的无锰Cr13堆焊材料，其特征在于，
还包括：碳酸锂、碳酸钡、稀土重稀土硅铁以及钾水玻璃，所述碳酸锂、碳酸钡、稀土重稀土硅铁与钾水玻璃的质量比为2：1～1：2；其中，
所述碳酸锂、碳酸钡、稀土重稀土硅铁、钾水玻璃与所述游离碳混合后烧结、破碎形成混合粉末，所述混合粉末与所述无锰Cr13堆焊材料中的其他组分混合形成无锰Cr13堆焊材料的药芯焊丝。
4.如权利要求3所述的无锰Cr13堆焊材料，其特征在于，
所述烧结温度为：180℃～280℃；
混合粉末的粒度为：80目～160目。
5.如权利要求1所述的无锰Cr13堆焊材料，其特征在于，
所述无锰Cr13堆焊材料的焊态硬度≥55HRc；
在温度为20℃～750℃，所述无锰Cr13堆焊材料的冷热疲劳超过1000次后的硬度大于42HRC，疲劳裂纹小于0.80mm。
6.一种采用权利要求1-5任一项所述的无锰Cr13堆焊材料堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法，其特征在于，所述堆焊方法包括：
对所述轧辊进行预热，其中，所述预热温度为240～280℃；
对预热后的轧辊的辊面上堆焊打底材料形成打底层，在堆焊所述打底材料的过程中，所述轧辊的温度为220～260℃；
对堆焊所述打底层的辊面进行冷却，冷却到160～200℃；
采用无锰Cr13堆焊材料的药芯焊丝在冷却后的所述打底层上进行堆焊；
对焊接所述无锰Cr13堆焊材料的轧辊进行缓冷、回火热处理；
对回火热处理后的轧辊冷却至室温。
7.如权利要求6所述的采用无锰Cr13堆焊材料堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法，其特征在于，
所述打底材料为低碳低合金材料。
8.如权利要求6所述的采用无锰Cr13堆焊材料堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法，其特征在于，
在采用无锰Cr13堆焊材料在冷却后的所述打底层上进行堆焊的过程中，焊接电流：360～480A，焊接电压：27V～32V，焊接速度：380mm/min～500mm/min，焊道搭接：相邻焊道搭接大于50％，焊接极性：采用直流反接，焊丝伸出长度：16mm～28mm，焊道层间温度：120℃～180℃。
9.如权利要求6所述的采用无锰Cr13堆焊材料堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法，其特征在于，
在对焊接所述无锰Cr13堆焊材料的轧辊进行缓冷过程中，所述缓冷速度为：55℃/h～75℃/h，缓冷温度为：40℃～60℃。
10.如权利要求9所述的采用无锰Cr13堆焊材料堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法，其特征在于，
在对缓冷处理后的轧辊进行回火热处理过程中，回火温度为：530℃～560℃，恒温时间不小于4h；
在室温至100℃范围内，升温速度不高于40℃/h；大于100℃之后，升温速度不高于50℃/h，均匀加热。
11.如权利要求6所述的采用无锰Cr13堆焊材料堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法，其特征在于，
在对回火热处理后的轧辊冷却至室温的过程中，
所述轧辊随炉降温，当炉温降低到260℃时，将所述轧辊出炉空冷至室温。
12.如权利要求6所述的采用无锰Cr13堆焊材料堆焊热轧带钢连轧机的轧辊的方法，其特征在于，
对焊接所述无锰Cr13堆焊材料的轧辊进行回火热处理后，所述无锰Cr13堆焊材料包括>90％的马氏体、奥氏体、铁素体以及碳化物。
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