CN1182270C - 耐高温磨耗轧辊修护用焊接合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种耐高温磨耗轧辊修护用焊接合金材料，该焊接合金材料的化学成份重量百分比范围为＂C：0.1～0.25%、Si：0.2～1.5%、Mn：0.6～3.0%、Cr：2.5～4.5%、Ni：2～4.5%、Mo：1.8～3.5%、W：～3.5%、V：0.3～1%、Nb：～0.5%＂组成，由C及Cr的降低，焊缝的网状组织呈现较不稳定状态，而使其易于消除，使组织硬度更加均匀，以避免造成焊痕，另配合欲焊接时先进行300℃～400℃的预热及层温程序，而焊后的热处理温度，即回火温度控制于550℃～600℃间，使焊后焊缝与焊缝交界的硬度差不得大于0.5HRC。
Description
技术领域
本发明关于一种耐高温磨耗轧辊修护用焊接合金材料，尤指一种可确实解决于高温金属与金属磨耗的环境中，二对磨物体所产生的烧附现象及降低由加焊硬面熔接法所产生的焊痕于研磨过程中所造成的影响，而不仅使研磨的效果佳，且避免被研磨物表面受伤而形成次级品。
背景技术
于制钢工厂的热轧制程中，是在高温状态下进行金属与金属的磨耗，因此轧辊表面的磨耗相当大，根据统计一新品的铸钢轧辊平均辊轧钢片5500吨时，即须进行车削一次，而若车削五次左右，此轧辊即须报废，因此热轧制程中所花费的轧辊成本相当高，为此即有业者研发出加焊硬面熔接法，此熔接法不仅应用于轧辊表面的加焊硬面处理，也广泛应用于土木建设、农业用机械、制铁、制钢用机械等磨耗部份须再生修理处，以提高磨耗产品的耐久度。
目前所使用的加焊硬面熔接法有多种，如瓦斯熔接、包覆电弧熔接、潜弧熔接、钝气电弧熔接等，各种熔接法各有其特色，因此可视欲施行之处及条件而作选择，然除了依所需而选用不同的熔接法外，更须考量磨耗的种类、加焊硬面熔接的母材及加焊硬面用的焊材等等因素。
以上述制钢工厂的热轧制程来论，其磨耗的种类即属金属间滑动的高应力磨耗，此磨耗是因金属间相接触而引起的现象，使金属表面的微小突起面凝著，而较软的金属即被拉裂而发生磨耗，而于滑动磨耗产生时，磨耗面间的接触压力为可承受磨耗的金属硬度三分之一以下时，磨耗通常较小，因此硬度越高的金属，其耐磨耗性越优良，但若磨耗面间的接触压力为硬度的三分之一以上时，塑性域扩大到磨耗面使磨耗量急增，而在此状态时，接触压力大于磨耗金属的屈服应力，故会造成磨耗面的塑性变形，增加磨耗面间的实质接触面积。
因此于热轧制程中，欲进行轧辊的加焊硬面熔接法，即须顾及轧辊与钢带间因金属间滑动的高应力磨耗，因此焊接合金材料进行焊接程序后所形成焊缝组织，可具备一定的硬度，乃是必要的要求，而除了此要求外，于滑动磨耗中易产生的烧附(heat adhesion)现象，也是须待改善的，尤其在磨耗的二金属面是属同一类材料时，此烧附的情形更是明显，再者，于进行加焊硬面熔接法时，是以多道焊接的方式进行，因此焊缝中间的组织与焊缝间交界，即热影响区的组织有明显不同，若未经适当制程处理，会于交界处即会形成焊痕，而当轧辊与钢带间的接触压力较大时，焊痕及烧附会更加明显，而影响研磨后的钢带表面。
因在上述种种因素下，热轧制程中，对于轧辊加焊硬面熔接法中所选用的焊接合金材料有所选择，希能达到上述高硬度、避免烧附现象及减少焊痕的目的，而于目前市售的主要产品，为类似ASTM H12的热作工具钢焊材，该焊材ASTM H12的化学成分为“C：0.3～0.4％，Cr：4.75～5.5％，Mo：1.25％～1.75％，V：0.2～0.5％ W：1.0～1.7％”。
当焊接完后，并施以500℃的应力消除回火，一般而言，上述材料并无法完全满足使用上的需求，主要原因为上述材料与制程的配合，并无法完全消除热影响区组织差异的问题，而造成此差异的原因，是因熔接金属受到下一焊缝热的影响，而在热影响区产生不同形状的网状组织，如图1所示，即为上述材料于焊接后于热影响区产生不同形状网状组织的显微组织照片，故导致于交界处的耐磨耗性及耐蚀性与其他部份相异，此即为造成焊痕主要原因之一。
为解决上述问题，本发明者乃思及应就焊接材料进行开发，并提供可与新材料搭配的焊接制程条件，而解决目前轧辊进行加焊硬面熔接法时所存在的问题。
发明内容
本发明设计的主要目的，是提供一种耐高温磨耗轧辊修护用焊接合金材料，其不仅不会降低焊缝的耐磨性，且可防止焊痕的发生。
本发明设计的另一主要目的，是将本发明的合金材料欲焊接时先进行300℃～400℃的预热及层温程序，焊后再施以550℃～600℃间的回火处理，使不同网状组织的硬度差低于0.5HRC，并防止焊痕发生。
本发明一种耐高温磨耗轧辊修护用焊接合金材料，其特征在于，该焊接合金材料的化学成份重量百分比范围为″C：0.1～0.25％、Si：0.2～1.5％、Mn：0.6～3.0％、Cr：2.5～4.5％、Ni：2～4.5％、Mo：1.8～3.5％、W：～3.5％、V：～1％、Nb：～0.5％″。
本发明一种耐高温磨耗轧辊修护用焊接合金材料的制作方法，其特征在于，其中该合金材料所配合的制程，于焊接时先进行300℃～400℃的预热及层温程序，而焊后的热处理温度，即回火温度控制于550℃～600℃间，使焊后焊缝与焊缝交界的硬度差不得大于0.5HRC。
本发明一种用于二氧化碳焊接的耐高温磨耗轧辊修护用焊接合金材料，其特征在于，该焊接合金材料的化学成份重量百分比范围为″C：0.1～0.25％、Si：0.2～1.5％、Mn：0.6～3.0％、Cr：2.5～4.5％、Ni：2～4.5％、Mo：1.8～3.5％、W：～3.5％、V：0～1％、Nb：～0.5％″。
本发明一种用于潜弧焊的耐高温磨耗轧辊修护用焊接合金材料，其特征在于，该焊接合金材料的化学成份重量百分比范围为″C：0.1～0.25％、Si：0.2～1.5％、Mn：0.6～3.0％、Cr：2.5～4.5％、Ni：2～4.5％、Mo：1.8～3.5％、W：～3.5％、V：0～1％、Nb：～0.5％″。
本发明一种用于自遮护焊接的耐高温磨耗轧辊修护用焊接合金材料，其特征在于，该焊接合金材料的化学成份重量百分比范围为″C：0.1～0.25％、Si：0.2～1.5％、Mn：0.6～3.0％、Cr：2.5～4.5％、Ni：2～4.5％、Mo：1.8～3.5％、W：～3.5％、V：0～1％、Nb：～0.5％″。
附图说明
为使审查员了解本发明的焊接合金材料特性及制程，特配合附图加以说明，其中：
图1是现有焊料于焊缝交界的显微组织照片。
具体实施方式
本发明是提供一种耐高温磨耗轧辊修护用焊接合金材料，主要是欲使轧辊具备良好的耐焊痕性，而耐焊痕性与焊缝组织及硬度分布有关，焊缝组织及硬度越均匀，其耐焊痕性越好，且除了欲使轧辊具备良好的耐焊痕性外，更须使经过修护后的轧辊硬度维持于一定值，并避免烧附的情形产生。
本发明的焊接合金得以制成焊线，其是将钢制铁皮轧制成管状，并于管内填充焊接合金即可形成焊线，而焊接合金的化学成分重量百分比范围为：
C：0.1～0.25％、Si：0.2～1.5％、Mn：0.6～3.0％、Cr：2.5～4.5％、Ni：2～4.5％、Mo：1.8～3.5％、W：～3.5％、V：0～1％、Nb：～0.5％″组成，由以上成份范围的合金，其网状组织较不稳定而易于消除，而不仅不会降低焊缝的耐磨性及耐蚀性，且可防止焊痕的发生，而为使审查员了解各成分合金所界定范围的特性，特一一说明如下：
C：0.1～0.25％：因C可提高熔接金属的硬度，并预期可提高材料的耐磨耗性，若C含量低于0.1％时，则效果无法显现，当C含量超过0.25％时，则焊缝的网状组织会变得较稳定而不易消除，因此C含量需介于0.1～0.25％间。
Si：0.2～1.5％：Si具有脱氧作用，若含量不超过0.2％，则脱氧效果不佳，若超过1.5％，则效果达饱和，且容易形成高温龟裂，所以Si含量应介于0.2～1.5％间。
Mn：0.6～3.0％：Mn与Si相同具有脱氧的作用，另外它亦可提高材料的硬化能，因此若含量不足0.6％，则将不十分有效果，若含量超过3％，则效果已达饱和，所以Mn含量应介于0.6～3.0％之间。
Cr：2.5～4.5％：Cr不足2.5％则焊缝硬度及耐蚀性无法维持，超过4.5％时会使焊缝的网状组织趋于稳定而不易消除，更甚者发生烧附现象，因此Cr含量必须介于2.5～4.5％。
Ni：2～4.5％：Ni可增加焊缝的韧性及耐蚀性，于本发明的焊料合金中为与C、Cr及Mo同为最重要的合金元素之一，用来恢复因Cr降低而失去的耐蚀性，其含量若低于2％，则耐蚀效果不佳，含量高于4.5％的效果已达饱和，且会导致高温龟裂，因此适量的含量为2～4.5％之间。
Mo：1.8～3.5％：Mo具有抗回火软化的功能，尤其在高温高压的场合，若无适当高温强度支撑，则磨耗会加速，且焊痕及烧附的发生机率亦会提高，Mo含量在1.8％以下则效果不佳，若超过3.5％则效果已达饱和，因此Mo含量应介于1.8～3.5％之间。
W：～3.5％：W同Mo具有抗回火软化及提高硬度的功能，由于W比Mo更易形成碳化物，因此对耐磨耗性的提升亦有效果，含量超过3.5％则效果达到饱和，所以含量应在3.5％内。
V：0～1％、Nb：～0.5％：上述二元件均具有细化晶粒及二次析出硬化的效果，可增加耐耗性，而若V含量超过1％时效果已达饱和，Nb含量超过0.5％会使焊渣剥离性变差，因此两者适当的含量分别为V0～1％，而Nb～0.5％。
而上述焊接合金材料的焊材并不会因使用焊接型态的不同而改变其特性，如潜弧焊、自遮护焊、二氧化碳焊接等均可适用。
另本发明更可配合下列的制程而获得更佳的效果，而目前市售焊材所使用的制程是于焊接后采以500℃的回火处理，选择此温度的考量，除了应力消除外，更重要的是为维持焊缝的硬度不受温度的影响，以获最佳的耐磨耗性，但此条件在高应力的金属与金属磨耗的场合却无法避免焊痕的发生；因此本发明者除了上述焊接合金材料的研发外，更发现施以适当温度的回火处理，可使不同网状组织的硬度差低于0.5HRC，并防止焊痕发生，然于实验中发现当回火处理的温度高于600℃时，虽亦可让网状组织的硬度差值低于0.5HRC，但当温度提高时，时让焊缝的硬度下降而造成磨耗速率加快，因此适当的回火处理温度为550℃～600℃间为最佳，由此温度的设定，不仅可使网状组织硬度差值不大于0.5HRC，进而防止焊痕发生，又能维持耐磨耗性。
另为使焊接合金材料于焊接温度从空气自然冷却至室温时即能硬化，在焊接终了前，若能使工件维持在麻田散铁的起始温度(Ms)是重要的，根据Ms温度的经验公式：
(°F)＝1020-630(％c)-72(％Mn)-63(％V)-36(％Cr)-31(％Ni)-18(％Cu)-18(％Mo)-9(％W)+27(％Co)+54(％Al)
故为测知较佳的Ms温度，即以本发明三件焊材试件进行测试，如表一中，七个试件的成份表中的NO.1、NO.2及NO.3均为本发明熔接合金材料范围中的试件，另四个试件则为非属本发明范围内的比较例，而表二则为七个试件进行各种试验的数值，而将本发明试件NO.1、NO.2及NO.3的成份资料输入上述公式中，得知其Ms温度分别为～260℃、～160℃及～290℃，因此依此试验，将预热温度设定于300℃以上为最佳，另于层温温度的设定，以预热温度再加上50℃～100℃为最佳，若温度再提高，即会产生热龟裂的现象，并使焊渣剥离性变差。
因此本发明熔接合金材料的最佳制程为300℃～400℃的预热及层温控制，焊后再施以550℃～600℃的回火处理，以使焊接焊缝的粗、细网状组织硬度差不高于0.5HRC。
而由表一、表二中比较试件的NO.5及NO.6试件中可看出，当C及Cr的含量降低时，可使不同粗细的网状组织硬度差缩小，亦可改善材料的耐焊痕性，而由于Cr含量降低会降低耐蚀性，因此于本发明设定的成份中以添加Ni来弥补所减低的耐蚀性，另因C降低会有耐磨耗性降低的疑虑，故本发明设定的成份中藉由提高Mo或W含量以增加材料抗回火软化能力，以维持耐磨耗性，另外V及Nb均比Cr、Mo及W更易形成碳化物，在回火处理时，有明显的二次析出硬化效果，可增加材料的耐磨耗性。
表一是本发明焊接合金材料成份表与比较例的成份表
| No | 焊材全焊缝化学成分(重量百分比) | |||||||||
| C％ | Si％ | Mn％ | Cr％ | Mo％ | Ni％ | V％ | Nb％ | W％ | ||
| 1 | 0.17 | 0.5 | 1.6 | 3.6 | 1.9 | 3.2 | 0.6 | - | 0.5 | 本发明例 |
| 2 | 0.23 | 0.3 | 2.5 | 4.2 | 3.0 | 4.0 | 0.3 | 0.2 | 2.5 | |
| 3 | 0.13 | 0.2 | 0.7 | 3.1 | 2.0 | 4.5 | 0.5 | - | 1.5 | |
| 4 | 0.15 | 0.5 | 1.4 | 4.2 | 1.0 | 2.5 | 0.2 | - | - | 比较例 |
| 5 | 0.33 | 0.5 | 1.5 | 6.0 | 1.0 | - | 0.2 | - | 1.5 | |
| 6 | 0.27 | 0.4 | 1.4 | 5.0 | 1.0 | - | 0.2 | - | 1.4 | |
| 7 | 0.09 | 0.5 | 0.5 | 4.1 | 2.0 | 1.5 | 0.6 | - | - | |
表二是本发明焊接合金材料的试验数据值与比较例的试验数据值
| No | 粗细网状组机硬度差值(HRC) | 焊痕有无(3个月使用状况) | 备注 | ||||||||
| 450℃ | 500℃ | 550℃ | 600℃ | 650℃ | 450℃ | 500℃ | 600℃ | 650℃ | |||
| 1 | 0.9 | 0.3 | 0.1 | 0.04 | 0.05 | - | - | 无 | 无 | 550℃的磨耗深度0.8mm | 本发明例 |
| 2 | 1.0 | 0.6 | 0.3 | 0.1 | 0.06 | - | 轻微 | 无 | - | 550℃的磨耗深度0.3mm | |
| 3 | 0.8 | 0.2 | 0.1 | 0.03 | 0.04 | - | - | 无 | - | 磨耗深度(4.8mm) | |
| 4 | 0.9 | 0.3 | 0.1 | 0.05 | 0.05 | - | * | - | - | 磨耗太快0.3mm | 比较例 |
| 5 | 3.5 | 1.5 | 1.2 | 0.9 | 0.5 | - | 有 | 有 | 有 | 650℃的磨耗深度6.8mm | |
| 6 | 1.5 | 1.2 | 0.9 | 0.6 | 0.4 | - | 有 | 有 | 轻微 | 650℃的磨耗深度6.5mm | |
| 7 | 0.8 | 0.2 | 0.08 | 0.06 | 0.05 | - | * | - | - | 腐蚀过于严重 | |
另以下列的实施状况说明：实施例的焊材均是以钢制铁皮轧制成管状，再以焊药充填其间而成的焊线，焊径3.2mm，采用潜弧焊接，而焊接条件为：450A-30V-30cpm(焊六层)，母材：下夹引辊，而以热轧钢带的下夹引辊作实机测试，三个月后，测量其最深磨耗量，若此磨耗量在1mm以内视为良好，在使用中及使用后调查轧辊表面是否有焊痕等缺陷，而如表二所示，于本发明实施例中，即表现良好的耐痕性及耐磨耗性，但在NO.4因Mo含量不足造成耐磨耗性不足，而No.5及No.6则因C及Cr超出本发明的范围，因此有明显的焊痕，而NO.7因为Ni含量不足而造成腐蚀过于严重而无法使用。
另在本发明范围中的NO.1、NO.2及NO.3三种试件中，均能获得极佳的效果，而若将NO.3与NO.1相较，NO.3因添加W含量较高而使磨耗性提高。
故由上述说明及实验可知，本发明的焊接合金材料具有优良的耐焊痕性及耐磨耗性，可解决目前市售的问题，因此应符合发明专利条件，故依法提出申请。
Claims (5)
1.一种耐高温磨耗轧辊修护用焊接合金材料，其特征在于，该焊接合金材料的化学成份重量百分比范围为″C：0.1～0.25％、Si：0.2～1.5％、Mn：0.6～3.0％、Cr：2.5～4.5％、Ni：2～4.5％、Mo：1.8～3.5％、W：～3.5％、V：0.3～1％、Nb：～0.5％″。
2.按照权利要求1所述的一种耐高温磨耗轧辊修护用焊接合金材料的制作方法，其特征在于，其中该合金材料所配合的制程，于焊接时先进行300℃～400℃的预热及层温程序，而焊后的热处理温度，即回火温度控制于550℃～600℃间，使焊后焊缝与焊缝交界的硬度差不得大于0.5HRC。
3.一种用于二氧化碳焊接的耐高温磨耗轧辊修护用焊接合金材料，其特征在于，该焊接合金材料的化学成份重量百分比范围为″C：0.1～0.25％、Si：0.2～1.5％、Mn：0.6～3.0％、Cr：2.5～4.5％、Ni：2～4.5％、Mo：1.8～3.5％、W：～3.5％、V：0.3～1％、Nb：～0.5％″。
4.一种用于潜弧焊的耐高温磨耗轧辊修护用焊接合金材料，其特征在于，该焊接合金材料的化学成份重量百分比范围为″C：0.1～0.25％、Si：0.2～1.5％、Mn：0.6～3.0％、Cr：2.5～4.5％、Ni：2～4.5％、Mo：1.8～3.5％、W：～3.5％、V：0.3～1％、Nb：～0.5％″。
5.一种用于自遮护焊接的耐高温磨耗轧辊修护用焊接合金材料，其特征在于，该焊接合金材料的化学成份重量百分比范围为″C：0.1～0.25％、Si：0.2～1.5％、Mn：0.6～3.0％、Cr：2.5～4.5％、Ni：2～4.5％、Mo：1.8～3.5％、W：～3.5％、V：0.3～1％、Nb：～0.5％″。
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Granted publication date: 20041229 Termination date: 20171016 |
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