CN116713637B - 扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝及其制备方法和应用，属于焊接材料技术领域。本发明在药芯中加入适量Mo以及微合金化元素V、Nb、Ti，合金元素Mo可以提高堆焊合金淬透性，微合金化元素可以在高温即形成V、Nb和Ti的碳氮化物，细化奥氏体晶粒，起到细晶强化作用，而细小的碳氮化物可以弥散均匀分布在钢的基体上，起到沉淀强化作用。通过采用特定配比的Mo以及微合金化元素，可以获得抗回火稳定性、高温耐磨性及抗冷热疲劳性能的扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝。堆焊增材制造后扇形段连铸辊单位时间内磨损量小于新品连铸辊材料的2/3；其单周期的过钢量达到90万吨左右，为新品连铸辊的1.5倍。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝及其制备方法和应用。
背景技术
连铸辊是连铸生产线上使用数量最多、工作环境最恶劣的核心部件，其直接与高温铸坯相接触，担负着支承、导向、夹送、矫直铸坯的任务，经受着高温、高湿、大负荷、小直径化的考验。稳定状态下，连铸辊辊面在超过500℃的高温高湿环境下承受多重应力作用的冷热循环，使用一段时间后辊面会出现程度不同的网状裂纹、氧化腐蚀、磨损损伤等破坏，导致连铸辊消耗量大、轧材成本升高和轧材表面质量下降等严重问。因此，提高辊面耐磨层的使用寿命是连铸生产线节能降耗提质的关键。扇形段连铸辊作为连铸设备的核心部件，主要用于高温钢坯的弯曲和压送，工作环境更加苛刻。因此，其质量的好坏将不仅会影响到连铸设备的作业率，而且将影响到产品的质量。
扇形段连铸辊在工作时，承受着冷热疲劳、高温氧化以及磨擦载荷。在使用过一段时间之后，扇形段连铸辊往往由于辊面产生冷热疲劳裂纹或过度磨损而报废。
表面技术是绿色再制造的核心技术之一，许多零件的失效是从表面开始，通过对零件表面进行适当的处理，使其能满足耐磨、耐蚀、耐高温等许多方面的要求，从而延长其使用寿命，节约材料及成本，最大限度的利用废旧产品中的零部件具有重大意义。
堆焊增材制造技术是表面技术中的关键技术之一，它是利用焊接方法在零部件表面堆敷一层或多层具有一定特殊性能材料的工艺过程。采用堆焊增材制造技术，可以使零件表面获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的表面合金层。近年来，随着我国在重工业方向的迅速发展，堆焊增材制造技术已经广泛应用于石油化工、矿山、冶金、大型建筑、核电力等领域。
一些冶金企业希望通过表面堆焊的方法对报废的扇形段连铸辊进行增材制造，以恢复其形状、尺寸，并获得更好的综合性能后重新使用。目前，传统连铸辊堆焊焊丝成分以Cr13系马氏体不锈钢为主。在此基础上，添加Ni、Mo等合金强化元素提高堆焊层的综合性能，并以N元素替代C元素强化，开发了以414N为典型代表的第三代堆焊合金。
微合金化元素包括V、Nb和Ti三种元素。研发过程中发现，在钢中加入微合金化元素，可以与钢中的C、N元素发生反应，形成碳氮化物，一方面可以成为钢中奥氏体的异质形核核心，细化奥氏体晶粒，起到细晶强化作用；另一方面，细小的碳氮化物可以弥散均匀分布在钢的基体上，起到沉淀强化作用。
连铸辊表面硬度要求较高，一般采用42CrMo 钢制造。连铸辊堆焊时其表面碳当量也较高，在堆焊过程中存在着开裂或者剥落的危险；同时，扇形段连铸辊苛刻的工作环境，对抗冷热疲劳和抗高温耐磨性的要求较高。
专利（CN110539101A）公开了一种连铸机扇形段连铸辊堆焊用明弧自保护药芯焊丝，药粉占焊丝总重量为39-42%，药粉各组分占药粉的质量百分比为：4-6.5%金属镍粉，1-2.6%钼铁，1-1.2%铌铁，19.5-26%微碳铬铁，1.2-2.6%氮化铬，0.8-1.5%45#硅铁，1.8-3.1%电解锰，0.12-0.26%氟铝酸钠，1.0-2.6%白云石，4-8.5%金红石，1.5-3.6%萤石，0.2-0.5%铝粉，0.2-0.4%镁粉，其余为铁粉。基本材料为冷轧低碳钢带，含碳量为0.05-0.08%。但是该技术方案制备的药芯焊丝焊接性能仅为良好，并且没有获得理想的耐磨损性能。
专利（CN109014654B）公开了一种复合(再)制造连铸辊用埋弧堆焊药芯焊丝及工艺。该药芯焊丝的熔敷金属按照重量百分比计含有以下成分：C：0.02%-0.3%；Mn：0.8%-2.8%；Si：0.1%-1.0%；Cr：12.0%-15.0%；Mo：0.3%-2.0%；Ni：1.5%-5.0%；稀土元素：0.01-1.5%；V+Nb：0%-1.2%；N：0%-0.16%；S，P＜0.03%；余量为Fe。工艺包括以下步骤：(1)将轧辊车削到堆焊前尺寸；(2)焊前进行轧辊的检测；(3)确定堆焊工艺，并按照堆焊工艺确定工艺参数；(4)进行单层堆焊成型；(5)对焊后不同位置的成分、硬度及组织进行检测。但是该技术方案未关注抗回火稳定性、高温耐磨性及抗冷热疲劳性能。
基于此，有必要提供一种抗回火稳定性、高温耐磨性及抗冷热疲劳性能的扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供了扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝及其制备方法和应用，本发明在药芯中加入适量Mo以及微合金化元素V、Nb、Ti，合金元素Mo可以提高堆焊合金淬透性（特别是堆焊合金的抗回火性能），微合金化元素可以在高温即形成V、Nb和Ti的碳氮化物，一方面可以成为钢中奥氏体的异质形核核心，细化奥氏体晶粒，起到细晶强化作用；另一方面，细小的碳氮化物可以弥散均匀分布在钢的基体上，起到沉淀强化作用。通过采用特定配比的Mo以及微合金化元素，可以获得抗回火稳定性、高温耐磨性及抗冷热疲劳性能的扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝，药芯的化学成分质量百分比为：C 0.1-0.15%、Si 0.7-1.1%、Mn 1.0-1.6%、Cr 12.5-14.5%、Ni 2.7-3.6%、Mo 1.2-2.0%、N 0.1-0.2%、微合金化元素0.2-0.4%，余量为Fe；所述微合金化元素由质量比为（0.05-0.15）:（0.1-0.15）:（0.05-0.1）的V、Nb、Ti组成。
在一项优选的实施方案中，Mo与微合金化元素的质量比为（5-7）:1。
在一项优选的实施方案中，药芯的化学成分质量百分比为：C 0.1%、Si 0.7%、Mn1.0%、Cr 12.5%、Ni 2.7%、Mo 1.2%、N 0.1%、微合金化元素0.2%，余量为Fe；所述微合金化元素由质量比为0.05:0.1:0.05的V、Nb、Ti组成。
在一项优选的实施方案中，药芯的化学成分质量百分比为：C 0.13%、Si 0.9%、Mn1.3%、Cr 13.5%、Ni 3.1%、Mo 1.6%、N 0.15%、微合金化元素0.29%，余量为Fe；所述微合金化元素由质量比为0.1:0.12:0.07的V、Nb、Ti组成。
在一项优选的实施方案中，药芯的化学成分质量百分比为：C 0.15%、Si 1.1%、Mn1.6%、Cr 14.5%、Ni 3.6%、Mo 2.0%、N 0.2%、微合金化元素0.4%，余量为Fe；所述微合金化元素由质量比为0.15:0.15:0.1的V、Nb、Ti组成。
在一项优选的实施方案中，所采用的药芯原料为硅铁粉、锰铁粉、铬铁粉、氮化铬、镍粉、钼粉、钒粉、铌粉、钛粉和铁粉。
在一项优选的实施方案中，药芯原料的粒度为60-120目。
在一项优选的实施方案中，药芯原料占药芯焊丝材料的重量百分比为30-45%，余量为带钢。
第二方面，本发明提供了上述扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：
将药芯原料混合均匀后装填入带钢，拉拔成药芯焊丝。
在一项优选的实施方案中，所述扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝的制备方法，具体包括如下步骤：
1）将硅铁粉末加热，在720-750℃保温0.5-2小时，将铬铁粉末加热，在550-600℃保温0.5-2小时，将锰铁粉末加热，在300-350℃保温1小时将硅铁粉加热，在720℃保温0.5-2小时；
2）将上述经保温钝化处理的原料与剩下的药芯原料放入混料机混合20-40小时，得混合均匀的药芯原料；
3）将混合均匀的药芯原料填装入带钢，药芯粉末占焊丝材料的重量百分比为30-45%，其余为带钢，在药芯焊丝生产线上进行滚压，拉拔成规定尺寸的药芯焊丝
4）干燥：在100-200℃对药芯焊丝进行干燥。
第三方面，本发明提供了上述扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝在扇形段连铸辊堆焊增材中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用本发明的药芯焊丝，不仅减少了制造工序，而且堆焊增材再制造的大型扇形段连铸辊单周期的过钢量平达到90万吨，是新辊的单周期过钢量的1.5倍；堆焊增材制造连铸辊的磨损量为0.07-0.09mm/万吨，堆焊增材制造后扇形段连铸辊单位时间内磨损量小于新品连铸辊材料的2/3。
2、本发明的药芯焊丝降低了药芯中C含量从而使堆焊材料的碳当量显著降低，有效避免了焊接过程的开裂和剥落等现象。在药芯中加入适量Mo以及微合金化元素V、Nb、Ti，合金元素Mo可以提高堆焊合金淬透性（特别是堆焊合金的抗回火性能）。微合金化元素V、Nb和Ti可以在高温即形成V、Nb和Ti的碳氮化物，并以弥散装细小质点均匀分布在堆焊合金层中，从而有利于细化晶粒，提高合金层强度和耐磨性，并改善抗冷热疲劳性能，微合金化元素碳氮化物的沉淀析出有利于二次硬化，提高了堆焊合金层的抗回火稳定性。通过采用特定配比的Mo以及微合金化元素，可以获得抗回火稳定性、高温耐磨性及抗冷热疲劳性能的扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝。
3、本发明的药芯焊丝堆焊后合金层硬度为HRC38-41，在560℃回火32h后，其显微组织为回火马氏体、贝氏体和微量碳氮化物，堆焊合金层硬度为HRC42-45。
4、本发明的药芯焊丝不仅可以广泛的应用到冶金机械对扇形段连铸辊进行堆焊增材制造，而且也可以应用于应力载荷较小条件下热轧辊的堆焊增材制造，并可替代进口药芯焊丝，其市场空间十分广阔。
具体实施方式
值得说明的是，本发明中使用的原料均为普通市售产品，对其来源不做具体限定。
实施例1
以硅铁粉、锰铁粉、铬铁粉、氮化铬、镍粉、钼粉、钒粉、铌粉、钛粉和铁粉为原料按比例取料并混匀，取料比例以使原料混合后的化成成分重量配比满足下述要求：C 0.1%、Si0.7%、Mn 1.0%、Cr 12.5%、Ni 2.7%、Mo 1.2%、N 0.1%、V 0.05%、Nb 0.10%、Ti 0.05%，Fe81.5%。
1）将硅铁粉加热，在720℃保温1小时，将铬铁粉加热，在550℃保温1小时，将锰铁粉加热，在300℃保温1小时；
2）将经保温钝化处理的原料与剩下的药芯原料放入混料机混合24小时，得混合均匀的药芯原料；
3）将混合均匀的药芯原料填装入带钢，药芯粉占焊丝材料重量的30%，在药芯焊丝生产线上进行滚压，拉拔成直径为3.2mm的药芯焊丝；
4）在100℃对药芯焊丝进行干燥。
在42CrMo连铸辊上进行堆焊增材制造，焊后硬度范围为HRC38；焊后经560℃回火32小时，回火硬度为HRC42。在单个生产周期内，其过钢量为90.1万吨，平均磨损量为0.09mm/万吨。
实施例2
以硅铁粉、锰铁粉、铬铁粉、氮化铬、镍粉、钼粉、钒粉、铌粉、钛粉和铁粉为原料按比例取料并混匀，取料比例以使原料混合后的化成成分重量配比满足下述要求：C 0.13%、Si 0.9%、Mn 1.3%、Cr 13.5%、Ni 3.1%、Mo 1.6%、N 0.15 %、V 0.1%、Nb0.12%、Ti 0.07%和Fe79.03%。
1）将硅铁粉加热，在730℃保温1小时，将铬铁粉加热，在580℃保温1小时，将锰铁粉加热，在320℃保温1小时；
2）将上述经保温钝化处理的原料与剩下的药芯原料放入混料机混合24小时，得混合均匀的药芯原料；
3）将上述混合均匀的药芯原料填装入带钢，药芯粉占焊丝材料重量的38%，在药芯焊丝生产线上进行滚压，拉拔成直径为3.2mm的药芯焊丝；
4）在150℃对药芯焊丝进行干燥。
在42CrMo连铸辊上进行堆焊增材制造，焊后硬度范围为HRC40；焊后经560℃回火32小时，回火硬度为HRC44。在单个生产周期内，其过钢量为90.4万吨，平均磨损量为0.08mm/万吨。
实施例3
以硅铁粉、锰铁粉、铬铁粉、氮化铬、镍粉、钼粉、钒粉、铌粉、钛粉和铁粉为原料按比例取料并混匀，取料比例以使原料混合后的化成成分重量配比满足下述要求：C 0.15%、Si 1.1%、Mn 1.6%、Cr 14.5%、Ni 3.6%、Mo 2.0%、N 0.2 %、V 0.15%、Nb0.15%、Ti 0.1%和Fe76.45%。
1）将硅铁粉加热，在750℃保温1小时，将铬铁粉加热，在600℃保温1小时，将锰铁粉加热，在350℃保温1小时；
2）将上述经保温钝化处理的原料与剩下的药芯原料放入混料机混合24小时，得混合均匀的药芯原料；
3）将上述混合均匀的药芯原料填装入带钢，药芯粉占焊丝材料重量的45%，在药芯焊丝生产线上进行滚压，拉拔成直径为3.2mm的药芯焊丝；
4）在200℃对药芯焊丝进行干燥。
在42CrMo连铸辊上进行堆焊，焊后硬度范围为HRC41；焊后经560℃回火32小时，回火硬度为HRC45。在单个生产周期内，其过钢量为91.3万吨，平均磨损量为0.07mm/万吨。
对比例1
除取料比例以使原料混合后的化成成分重量配比满足下述要求：C 0.1%、Si0.7%、Mn 1.0%、Cr 12.5%、Ni 2.7%、Mo 1.25%、N 0.1%、V 0.0375%、Nb 0.075%、Ti 0.0375%、Fe 81.5%以外（即Mo由1.2%增至1.25%，V 由0.05%降至0.0375%、Nb由0.10%降至0.075%、Ti由0.05%降至0.0375%，Mo与微合金化元素的质量比为8.33:1），其余同实施例1。
对比例2
除取料比例以使原料混合后的化成成分重量配比满足下述要求：C 0.15%、Si1.1%、Mn 1.6%、Cr 14.5%、Ni 3.6%、Mo 1.9%、N 0.2 %、V 0.1875%、Nb0.1875%、Ti 0.125%和Fe 76.45%以外（即Mo由2.0%降至1.9%，V 由0.15%增至0.1875%、Nb由0.15%增至0.1875%、Ti由0.1%增至0.125%，Mo与微合金化元素的质量比为3.8:1），其余同实施例3。
对比例3
除将药芯原料钛粉换成钨粉，取料比例以使原料混合后的化成成分重量配比满足下述要求：C 0.1%、Si 0.7%、Mn 1.0%、Cr 12.5%、Ni 2.7%、Mo 1.2%、N 0.1%、V 0.05%、Nb0.10%、W 0.05%、Fe 81.5%以外，其余同实施例1。
对比例4
除将药芯原料钛粉换成钒粉和铌粉，取料比例以使原料混合后的化成成分重量配比满足下述要求：C 0.1%、Si 0.7%、Mn 1.0%、Cr 12.5%、Ni 2.7%、Mo 1.2%、N 0.1%、V0.067%、Nb 0.133%、Fe 81.5%（即Ti由0.05%降至0，V 由0.05%增至0.067%、Nb由0.10%增至0.133%）以外，其余同实施例1。
对比例5
除将药芯原料钼粉换成铜粉，取料比例以使原料混合后的化成成分重量配比满足下述要求：C 0.1%、Si 0.7%、Mn 1.0%、Cr 12.5%、Ni 2.7%、Cu 1.2%、N 0.1%、V 0.05%、Nb0.10%、Ti0.05%，Fe 81.5%以外，其余同实施例1。
对比例6
除将药芯原料钼粉换成铈稀土，取料比例以使原料混合后的化成成分重量配比满足下述要求：C 0.1%、Si 0.7%、Mn 1.0%、Cr 12.5%、Ni 2.7%、Ce 1.2%、N 0.1%、V 0.05%、Nb0.10%、Ti0.05%、Fe 81.5%以外，其余同实施例1。
对比例7
除将药芯原料钼粉部分换成铜粉和铈稀土，取料比例以使原料混合后的化成成分重量配比满足下述要求：C 0.1%、Si 0.7%、Mn 1.0%、Cr 12.5%、Ni 2.7%、Mo 0.7%、Cu 0.1%、Ce 0.4%、N 0.1%、V 0.05%、Nb 0.10%、Ti 0.05%、Fe 81.5%以外，其余同实施例1。
对比例8
现有技术CN1597233A实施例5（Re采用铈）。
试验例
取实施例1-3和对比例1-8的药芯焊丝测试进行性能测试。
物理性能测试
堆焊合金硬度、回火硬度（经560℃回火32小时）：采用HR-150硬度计测试；
平均磨损量：采用MLD-10 型的动载冲击三体磨损试验机测试。
实施例1-3和对比例1-8的药芯焊丝的物理性能见表1。
表1
可以看出，本发明实施例1-3的技术方案均具有适当的硬度、优异的耐磨性和过钢量，其中，堆焊增材制造后扇形段连铸辊单位时间内磨损量小于新品连铸辊材料的2/3；其单周期的过钢量达到90万吨左右，为新品连铸辊的1.5倍。
而比较实施例1、实施例3和对比例1-2 可以看出，Mo与微合金化元素的质量比对堆焊合金的性能的影响很大，二者配比需要保持在一定范围内才能获得良好的综合性能。对比例1中Mo与微合金化元素的质量比过大，虽然Mo可以改善抗回火性能，但微合金化元素过少，不利于细化晶粒、提高合金层强度和耐磨性，因此最终降低了堆焊合金的综合性能。对比例2中Mo与微合金化元素的质量比过小，微合金化元素较多，微合金化元素形成的碳氮化物会粗化、团聚在堆焊合金的冲击断口上，使韧窝尺寸粗大且不均匀，而Mo发挥的作用亦有所降低，因此最终降低了堆焊合金的综合性能。
比较实施例1和对比例3-4可以看出，Ti对堆焊合金的性能亦有较大的影响，当将Ti替换成W，或者替换成V 和Nb时，会造成堆焊合金抗回火性能和综合性能均下降。
比较实施例1和对比例5-7可以看出，Mo对堆焊合金的性能亦有较大的影响，并且相较于Cu和/或稀土Ce，Mo有利于提高堆焊合金的抗回火性能以及耐磨性等综合性能。
比较实施例1和对比例8，可以看出本发明的药芯焊丝有利于提高堆焊合金的抗回火性能以及耐磨性综合性能。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝，其特征在于，药芯的化学成分质量百分比为：C0.1-0.15%、Si 0.7-1.1%、Mn 1.0-1.6%、Cr 12.5-14.5%、Ni 2.7-3.6%、Mo 1.2-2.0%、N0.1-0.2%、微合金化元素0.2-0.4%，余量为Fe；所述微合金化元素由质量比为（0.05-0.15）:（0.1-0.15）:（0.05-0.1）的V、Nb、Ti组成；Mo与微合金化元素的质量比为（5-7）:1；
所采用的药芯原料为硅铁粉、锰铁粉、铬铁粉、氮化铬、镍粉、钼粉、钒粉、铌粉、钛粉和铁粉。
2.如权利要求1所述的扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝，其特征在于，药芯的化学成分质量百分比为：C 0.1%、Si 0.7%、Mn 1.0%、Cr 12.5%、Ni 2.7%、Mo 1.2%、N 0.1%、微合金化元素0.2%，余量为Fe；所述微合金化元素由质量比为0.05:0.1:0.05的V、Nb、Ti组成。
3.如权利要求1所述的扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝，其特征在于，药芯的化学成分质量百分比为：C 0.13%、Si 0.9%、Mn 1.3%、Cr 13.5%、Ni 3.1%、Mo 1.6%、N 0.15%、微合金化元素0.29%，余量为Fe；所述微合金化元素由质量比为0.1:0.12:0.07的V、Nb、Ti组成。
4.如权利要求1所述的扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝，其特征在于，药芯的化学成分质量百分比为：C 0.15%、Si 1.1%、Mn 1.6%、Cr 14.5%、Ni 3.6%、Mo 2.0%、N 0.2%、微合金化元素0.4%，余量为Fe；所述微合金化元素由质量比为0.15:0.15:0.1的V、Nb、Ti组成。
5.如权利要求1所述的扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝，其特征在于，药芯原料的粒度为60-120目。
6.如权利要求1所述的扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝，其特征在于，药芯原料占药芯焊丝材料的重量百分比为30-45%，余量为带钢。
7.如权利要求1-6任一项所述的扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将药芯原料混合均匀后装填入带钢，拉拔成药芯焊丝。
8.如权利要求1-6任一项所述的扇形段连铸辊堆焊增材用药芯焊丝在扇形段连铸辊堆焊增材中的应用。
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