（工程力学专业论文）掺杂超细WC复合合金敷层的埋弧堆焊及过程模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 连铸机输送辊是连铸连轧设备中的关键部件，易于产生热疲劳和磨损破坏。常采用 表面敷层的方法加以修复。近年来，埋弧堆焊用药芯焊丝在国内外得到了广泛的应用， 被称为是代替实芯焊丝的新型焊接材料。药芯焊丝由于具有易于制造、成分调整灵活、 焊接质量高、综合成本低等优点，正在逐渐成为自动化焊接材料开发、应用的主流，而 药芯焊丝埋弧焊敷层的性能可与激光表面处理敷层相比拟。本文研究了一种应用于连铸 辊的含超细w c 粉末的埋弧堆焊复合敷层材料。 本文针对c r l 3 系堆焊焊丝的特点，重点考察铬、镍、碳、钒等合金元素在堆焊层 中的强化作用，通过堆焊实验和计算确定合金元素过渡系数和合适的含量，最终设计优 选出弥散强化耐热不锈钢复合敷层材料。为了改善焊接工艺性和敷层材料的耐磨性，本 文还采用高能球磨法制备了超细w c 粉末，并将超细w c 粉末以不同形式加入到药芯焊 丝合金粉末中，分析了几种焊接工艺条件对堆焊层显微组织和力学性能的影响，试验考 察了堆焊合金的耐磨损性能、耐热疲劳性能，探讨了该堆焊敷层的耐热耐磨机理。 该焊丝以一般的马氏体c r l 3 系药芯焊丝为基础，与c r l 3 系药芯焊丝的单一相组织 不同的是，它通过添加的多种合金化元素与加入到合金粉中的超细w c 粉末的相互作 用，使最终堆焊层为含多种形态的碳化物的弥散强化复合合金层，使敷层在保持热疲劳 性能的基础上，还具有较高的硬度，增强了堆焊层的耐磨性，这对于超细粉末在堆焊材 料方面的应用有重要的意义。 本文在结合有限元理论的基础上，对三维焊接温度场和应力场进行了实时的动态模 拟研究。针对平板堆焊进行了实例计算，以a n s y s 软件为平台，选取高斯函数分布的 热源模型，利用a p d l 语言编写程序，重点解决了焊接热源的移动问题，为优化焊接工 艺条件以及复杂情况的焊接温度场、应力场分析提供了理论依据，促进了有限元分析技 术在焊接工程中的应用。 关键词：埋弧堆焊；超细w c 粉末：复合合金敷层；热疲劳；过程模拟 塑垄塑塑! 竺叁童鱼垒墼星塑望墼苎墼塾翌垡垫 s u b m e r g e do v e r l a y i n gw e l d i n g o fc o r r l p o s i t ea 1 1 0 yc o a t i l l g w i mu l t m f i n ew ca i l ds i m u l a t i o no f i t sp r o c e s s a b s t r a c t r 0 1 l e r so fc o m m u o i l sc a s t i n gm a 曲d n e sa r em a i l lp a n so fc o n t i l l u o l l sc 枷n ga 1 1 dr o l l i l 培 e q l l i p m e n t s ，a z l dm e ya l i a b l et ob ed e s 廿o y e db y 也e l a l 觚g u ea n da b r 船i o n ，s o 也e yh a v e b e e no f t 蛳r e p a i r e db yv a r i o u ss i l r f a c ec l a d 曲1 9p r o c e s s es f l u x - c o r e dw i r e s 船s “b m e r g e da r c s u 血c eh a r d e l l i n gm a t e r i a l s 盯ew i d e l yu s e da th o m ea n da b r o a di 1 1r e c e m ”a r s t h e ya r e c o n s i d e r e d 觞an e wt y p eo fw e l d i n gm a t e r i a l sa n dc a nr 印l a c es o l i dw i r e sc 锄p l e t e l y t h e f 1 u x - c o r c dw i r e sa r eo fm a n ya ( 1 v 锄：t a g e ss 1 1 c ha sg o o df l e x i b i l 酊i 1 1a 由u 5 t i n gc h 锄i c a l c o m p o s “i o n ，g o o dw e l d i n gq u a l j t y ，l o wc o s te t c ，s o 血e yh v e b e e nb e c o m i n g 也em a i ns 廿e a m o fd e v e l o p m e ma i l da p p l i c a t i o no fa m o m a t i cw e l d i n gm a t e r i a l s t h ep r o p e n i e so fa l l o y c o a t i n gf o rs u b m e r g e do v e r l a y i l l gw e l d i n g 缸et h es 锄e 鹊t h a to fl 够e rc l a dc o a t i l l g an e w t y p eo fm a t e r i a l so fc o m p o s i t ea l l o yc o a t i n gw i 血1 1 1 t r a f i n ew c 矗竹s u b m e r g e do v e d a y i l l g w e l d i n go n 也es u r f h c eo f c o n l 盘l l l o u sc 郐；t i n gm a c h i n e sr o u e r si s 洲i e di n t h i sp a p e r a c c o r d i 士l gt o 也ec l l a r a c t e r i s 石c so fc r l 3s e r i e so fn u x - c o r e dw i r e s ，也es t r e n g m e n i l l g 五m c 墩mo fn l ea l l o ve l e m e m ss u d l 嬲c r ，n i ，ca n dvi ss t u d i e d t h e 虹a n s m o nc o e 施c i e n t a n dt 1 1 e 印p r o p r ia _ t ec o n t e n t so fa l l o ye l e m e n t sa r ed c t e m l i n e dt h r o u g hs e r i e so fe x p 商m e n t s 髓dc a l c u l a t i o n a sar e s u kh e a t r e s i s t a ms t a i l l l e s s - b a s e dc o m p o s i t 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sa r ed i s c u s s e d 1 1 1 ed e s i 弘o fm ew e l d i n gw i r ei sb 鹤e do nt 1 1 ec o m m o nc r l 3s e r i e so fn u x c o r e dn 讯 d i f r e r e n t 丘d mt h es i l l 9 1 en l i c r o s 劬c t u r eo fc r l 3s e r i e so f0 v e d a y i n gc o a 痂1 9 ，t 1 1 e 丘i l a l o v e d a y i l l gm a 矧a l so b t a i n e di n t h ep r e s e ms n l d yi sak i n do fc o m p o s i t ea l l o yc o 幽g r e m f o r c e d 稍t l ld i 位r e mk i n d so fd i s p e r s i o nc a r b i d e sb y l ei t e m c t i o n so f 也em a 仃讧a l l o y e l e m e m sa n du l 订a f i n ew cp o 、d e r sb l e n d e di n t o 也ea l l o yp o 、v d e r s t h eu 芏l i q u ec o m p o s i t e m i c r o s m 上c t u r ec a l lb o 血r a i s et h eh a r d n e s sa n di 瑚【p r o v e a p p l i c a t i o np r o p e r t i e so ft h e 大连理工大学硕士学位论文 o v e d a ) r i n gc o a t i i l gg r e a t l y 辄c ha s 也e 蹦g u eh e a t r c s i s t a n ta n d t h e 、e a r - r e s i s t a n c ep r o p e n i e s t h u si ti sv e r yi m p o r t a n tt ot h ea p p l i c a 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i n gw e l d i n g ；u t 糟f m ew c p o w d e r ；c o m p o s i t ea l l o y c o a t i g ；h e a tf a t i g i l e r e s i s t a n t ；s i m u l a 6 0 no fp r o c 姻s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：王二壬蓉 翩躲闺定 进年月卫日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 药芯焊丝及焊接形式 我国是世界钢铁生产第一大国，也是焊接材料生产第一大国。在焊接自动化水平较 高的工业发达国家，焊接材料消耗量占钢材消费总量的o 3 一o 5 ，焊接自动化水平 较低的不发达国家，焊接材料的消耗量为钢材消费量的o 7 一o 8 【“。焊接材料，主要 包括焊条、焊丝、焊带、焊剂等，随着工业技术的不断发展，焊接自动化、智能化程度 的不断提高，焊接材料经历了光焊丝、药皮焊条、实芯焊丝及药芯焊丝等一系列变化1 2 】。 药芯焊丝也称为管状焊丝或粉芯焊丝，是由外皮金属( 钢带或钢管) 的里面裹着药粉 而构成的。外皮金属不一定选择与焊缝金属成分相当的材料，因为合金元素可以很方便 地从药粉中加入。药粉一般由非金属和金属两类物质构成。其适应了焊接生产向自动化、 焊接质量好、焊接低成本、生产效率高的发展趋势，是目前发展最快的先进的焊接材料 之一【3 4 5 矾。 药芯焊丝之所以能得到如此的重视和发展，与它自身的许多特点是密不可分。其主 要特点有以下几方面【。q ( 1 ) 焊接生产效率高。焊接生产率与熔敷速度有直接关系。 f c e 功 一 魁 煅 巅 缝 1 w1 5 口z 口口z ，口j 口口j 5 口口口5 口 o 口 焊接电流( a ) 图1 1 药芯焊丝与实芯焊丝和手工焊条熔敷速度对比 f i g 1 1m e l t i n gr a t eo ff l u x - c o r e dw i r e 、s 0 1 i dw i r ea n de l e c t r o d e l 一金属粉型药芯焊丝，o = 1 2 i i l n i ；2 一实芯焊丝，中= 1 _ 2 m 3 一钛铁矿型焊条，中= 4 ；4 一钛铁矿型焊条，o = 5 i l l m 掺杂超细w c 复合合金敷层的埋弧堆焊及过程模拟 图1 1 为药芯焊丝与实芯气体保护焊和手工焊实测熔敷速度的对比，由图可知，药 芯焊丝与实芯焊丝和手工焊的熔覆速度相比有明显提高。除此之外，焊接生产率与有效 焊接时间也有关系，药芯焊丝能够实现半自动化和自动化焊接，所以有效时间利用率大 大提高。综合熔敷速度和有效时间利用率两个因素，手工电焊条的焊接生产率与药芯焊 丝是不可比的，并且随着劳动力价格的不断提高，药芯焊丝焊接的综合成本也将是最低 的。 ( 2 ) 焊接工艺性能好：与实芯焊丝气保护焊相比，药芯焊丝电弧软，飞溅少。 ( 3 ) 生产成本低：相当于手工焊条综合成本的一半。 ( 4 ) 药芯成分可随意调整：对于合金元素含量要求高的焊丝有很大优势，如硬面堆 焊用药芯焊丝。 药芯焊丝的分类方法有多种。按制造方法不同分为有缝和无缝两种，按焊接时保护 气不同分为自保护和气保护( 二氧化碳) ，按填充药粉的组成不同分为熔渣型( 钛型、钛钙 型、碱性) 和金属粉型，按用途不同分为低碳钢、高强钢、低温钢、耐热钢、不锈钢和 硬面堆焊用药芯焊丝蝉j 。 硬面堆焊领域是药芯焊丝一个很大的发展领域。硬面堆焊作为焊接领域的一个重要 的分支，在冶金机械、石油化工机械、矿山机械、农业机械、原子能工程和航天工业等 领域的零件制造和修复中，有着广泛的应用【1 0 1 。硬面堆焊技术在我国起源于2 0 世纪5 0 年代末，几乎与焊接技术同步发展。发展初期主要用于修复领域，及对磨损而不能使用 的机械零件，以及对新的零件上预知的磨损部位，先施以硬面堆焊，谋求延长使用寿命。 6 0 年代已经将恢复形状尺寸与强化表面及表面改性相结合，改革开放后堆焊技术的应 用领域进一步扩大，堆焊技术从修理业扩展到制造业，9 0 年代以后堆焊技术在制造业也 得到了广泛的应用，现堆焊技术已不仅是延长材料或零件服役寿命的工艺方法，而且已 逐渐成为先进制造技术的发展基础。从焊接高效率、高质量以及低成本化的观点出发， 药芯焊丝堆焊法是最有前途的，焊接操作性最好的药芯焊丝现被大多数人所公认。 硬面堆焊药芯焊丝通常可分为气保护、自保护和埋弧焊三种【9 】： ( 1 ) 气保护硬面堆焊药芯焊丝一般均使用c 0 2 或混合气。目前最热门的施焊方法就 是气保护( n g ) 焊。气保护焊药芯焊丝硬面堆焊最大的特点是适用范围广且使用方便。 ( 2 ) 自保护硬面堆焊药芯焊丝具有高熔敷效率、低稀释率、操作便宜等优越性。欧 洲许多国家常用高合金的自保护硬面堆焊。 ( 3 ) 埋弧硬面堆焊药芯焊丝主要应用于钢铁制造的轧辊和轮子的大型部件的堆焊。 通常硬面堆焊所用材料成分大都是加工硬化倾向严重的材料，为此实芯焊丝的生产和供 应受到限制，由于药芯焊丝的成分调整很方便，因此，埋弧堆焊领域就成为药芯焊丝的 大连理工大学硕士学位论文 一个主要应用方面。目前，从效率方面来看，埋弧焊要优于m a g 焊，许多大型部件应 用的还都是埋弧堆焊。 图1 2 埋弧焊接基本原理 f i g 1 2b 越i cp r i n c i p l eo f s u b m e r g e dw e l d i l l g 1 一金属焊丝：2 一导电杆：3 一一导电嘴：4 一焊剂：5 一堆焊电弧：6 一钢轧辊 7 一堆焊熔池：8 一焊渣壳：9 一未熔化的焊剂：1 0 - 堆焊层金属：l l 一堆焊电源 埋弧焊接如图1 2 所示，焊接过程是：焊接电弧在焊剂层下的焊丝与母材之间产生， 电弧热使其周围的母材、焊丝和焊剂熔化以致部分蒸发，金属和焊剂的蒸发气体形成一 个气泡，电弧就在这个气泡内燃烧。气泡的上部被一层熔化了的焊剂一熔渣构成的外膜 所包围，这层外膜以及覆盖在上面的未熔化焊剂共同对焊接起隔离空气、绝热和屏蔽光 辐射的作用。焊丝熔化的熔滴落下与已局部熔化的母材混合而构成金属熔池，部分熔渣 因密度小而浮在熔池表面。随着焊丝向前移动，电弧力将熔池中的熔化金属推向熔池后 方，在随后的冷却过程中，这部分熔化金属凝固成焊缝【l0 】。 埋弧焊是在自动或半自动下完成焊接的，与其它焊接方法相比较，具有很多自身的 优点： ( 1 ) 生产率高：埋弧焊时，焊丝从导电嘴伸出长度短，可以提高焊接电流，一般可提 高4 5 倍。因此，熔透能力和焊丝熔敷率大大提高；另一方面，由于焊剂和熔渣的隔热 作用，电弧热散失少，飞溅少、故热效率高，可提高焊接速度。 ( 2 ) 焊缝质量高：埋弧焊时，焊剂和熔渣能有效地防止空气侵入熔池而免受污染， 还可以降低焊缝冷却速度，从而可以提高接头的力学性能：由于焊接工艺参数可以通过 自动调节保持稳定，焊缝表面光洁平直，焊缝金属的化学成分和力学性能均匀而稳定； 对焊工技术水平要求不高。 掺杂超细w c 复合合金敷层的埋弧堆焊及过程模拟 ( 3 ) 节省焊接材料和能源：熔渣的保护作用避免了金属元素的烧损和飞溅损失；不 象焊条电弧焊那样，有焊条头的损失。 埋弧焊与其它表面改性方法相比，如激光表面处理技术还是有其自身的优点的。与 激光表面熔敷( 采用激光加热将预先涂敷在材料表面的涂层与基体表面一起熔化后迅速 凝固，得到成分与涂层基本一致的熔敷层) 技术相比较，在激光表面熔敷过程中，经常 会产生裂纹的问题，熔敷层中的硬质相分布不均匀，而在埋弧堆焊中这方面可控制性较 强，且能得到很大改善“。 1 2 国内外药芯焊丝发展及研究现状 自7 0 年代以来，药芯焊丝在先进国家得到迅速发展。美国于5 0 年代大力发展使用 药芯焊丝，至6 0 ，7 0 年代已广泛地应用这一材料，6 0 ，7 0 年代在美国大量使用的是直径 为2 4 l i n 的粗药芯焊丝，主要用于平焊和平角焊，用于焊接建筑机械、重型机械、桥 梁、钢架等。7 0 年代中期研制的e 7 1 t 1 型细直径为1 6 m m 药芯焊丝。至8 0 年代在美 国的用量急剧增加，该焊丝属钛型，焊接工艺性优良，从厚板至薄板，从大中型企业到 小型企业厂家，广泛应用于建筑、桥梁、化工、冶金、电力制造与修复等行业。在美国 药芯焊丝占全部焊接材料的比例，从1 9 6 2 年的1 增加至1 9 8 3 年的1 5 ，1 9 8 3 年美国 药芯焊丝的总产量为4 2 万吨左右，到1 9 8 9 年药芯焊丝的产量达到7 6 万吨，目前约 占4 0 左右【挖】。美国的药芯焊丝品种有8 0 余种，其中林肯( l i n c o l ，n ) 公司的产品多 达5 0 余种，包括通用药芯焊丝( 牌号u t 盯s l l i e l d ) 、低合金药芯焊丝( 牌号l a c ) 、自 保护药芯焊丝( 牌号n r ) 和堆焊药芯焊丝( 牌号l i n c o r e ) 等。其次是麦克凯( m c k a y ) 公司的产品，该公司主要生产碳钢和低合金钢用气体保护药芯焊丝，牌号以 ”s p e e d a u o y ”开头，共2 9 种1 ”j 。 目前，美国共有四个药芯焊丝电弧填充材料规程： a w sa 5 2 2 铬及铬镍耐腐蚀药芯焊丝 a w sa 5 2 0 碳钢药芯焊丝 a w sa 5 2 6 碳钢和低合金高强钢电力焊药芯焊丝 a w sa 5 2 9 低合金钢药芯焊丝 日本在1 9 5 9 年从欧洲引进药芯焊丝生产技术，但直到1 9 7 9 年也只有几千吨，随着 成功研制细直径药芯焊丝后才得到迅速发展。药芯焊丝占焊接材料的构成比从1 9 8 1 年 的1 增加到1 9 9 1 年的1 7 ，目前年产8 万多吨，占焊接材料总量的3 0 左右，超过了 焊条的比例【l4 1 。以日本造船业自1 9 8 1 年大力推广药芯焊丝为例，目前药芯焊丝已占其 大连理工大学硕士学位论文 造船工业用焊接材料的8 5 。在日本，药芯焊丝的型号也达到8 0 余种，品种涵盖各种 型号。 日本肛s 共有六种药芯焊丝填充材料标准【l 副： j i sz 3 3 1 3 电弧焊用低碳钢、高强钢和低温钢药芯焊丝； j i sz 3 3 1 8 钼及铬钼钢m a 0 焊接药芯焊丝； j i sz 3 3 1 9 气电焊用药芯焊丝； j i sz 3 3 2 0 c 0 2 气体保护焊用耐腐蚀药芯焊丝： j i sz 3 3 2 3 不锈钢药芯焊丝； j i sz 3 3 2 6 硬面堆焊用药芯焊丝； 药芯焊丝在欧洲、韩国和台湾等国家和地区也得到飞速发展，逐步成为焊接工业的 主导产品。 我国对药芯焊丝的研制始于上世纪6 0 年代初，但由于投放的人力物力不够，且受 当时技术水平、市场情况等方面制约，在生产中的应用很少。国产药芯焊丝生产始于1 9 8 7 年北京焊条厂从英国c p v 公司引进一条全连轧式药芯焊丝生产线。1 9 9 3 1 9 9 8 年，我 国有十几个企业先后从英国、美国、日本等国家引进焊丝生产线药芯焊丝生产设备。至 2 0 0 2 年，我国药芯焊丝制造厂已有2 9 家，生产线总计4 8 条。( 引进生产线为2 4 条) 目 前我国药芯焊丝年消费量1 2 万吨左右，国产药芯焊丝市场占有率只有3 5 ，大部分需 要依靠进口。与重复引进药芯焊丝制造设备形成反差的是科研投入( 科研经费和科研人 员) 太少，对药芯焊丝冶金过程及机理的认识仍然停留在涂料焊条的冶金机理上。再加 上引进配方对药芯焊丝原材料要求过高，不适应我国的国情，导致我国药芯焊丝存在品 种少、产量小、质量差、整体水平低等问题，鉴于以后对药芯焊丝需求量的逐步加大， 更需要加强开发，完善我国焊材体系，研制新产品焊丝，摆脱这种局面。 我国目前能够正常批量生产药芯焊丝的企业并不多，规模较大的几个如表1 1 表述： 袭1 1 药芯焊丝生产企业 t a b 1 1s o m ec o r p o r a t i o nw h i c hp r o d u c ef l u x - c o r e dw j r e 生产企业销量侔( 吨) 天津三英焊业 北京宝钢 北京廉钢 上海司特立 河南京漯 1 0 0 0 6 0 0 5 0 0 2 0 0 2 0 0 堡塑塑里竺堡鱼鱼垒墼星塑望壁堡墨蕉堡垡垫 相对国外药芯焊丝生产企业，国内药芯焊丝品种少、规格型号不全。长期质量稳定 性差，同种型号不同批次的药芯焊丝焊接工艺和熔敷金属力学性能变化较大。 国外在药芯焊丝修复材料方面的研究非常早，有较完善的药芯焊丝标准：美国药芯 焊丝协会( a w s ) 研究标准、日本药芯焊丝协会( j i s ) 研究标准。在j i s 硬面堆焊药芯 焊丝标准中，如1 4 a 1 3 类焊丝是c r l 3 型焊丝，形成马氏体组织，硬度为h v 2 5 0 - 5 5 0 ， 适用于对抗氧化性、耐热性及抗裂纹性能有较高要求的冶金机械制品，如连铸机用的轧 辊和输送辊。 国内在药芯焊丝研制方面与国外的差距还很大，无论是从标准还是从专利的数量 上，但是，我国在硬面埋弧堆焊方面的研究还是比较多的：西安交通大学机械工程学院 焊接研究所沈凤刚等研究出了用于热轧辊表面堆焊的c r w v 和c r m o v 合金系统，取 得了较好的效果【1 6 l ；天津大学焊接研究所李午申教授、冯灵芝等也研制成功了y d 3 0 卜4 和y d 4 0 卜4 药芯焊丝，并对轧辊厂的连铸辊进行了实地修复，性能优良，且寿命显著提 高【1 7 】。国内对于连铸辊的修复基本都是采用c r l 3 系埋弧堆焊用药芯焊丝，焊后组织主 要是马氏体加少量的残余奥氏体。目前在焊接材料中添加超细粉末方面，主要集中在对 堆焊焊条中添加纳米粉末，其作用主要是利用纳米颗粒的表面效应与化学活性，从而加 快熔池的冶金反应速度，比较彻底的去除焊缝中的各种有害杂质，此外纳米颗粒的加入， 可以使焊缝晶粒细化，不仅提高焊缝金属的强度也使焊缝金属的塑性和韧性得到较大的 提高【1 8 】。目前国内外应用较多的是在喷焊中使用w c 粉末来改善焊后组织表面性能，而 在药芯焊丝中添加超细w c 粉末来改善组织方面的研究却很少。 1 3 课题的背景与意义 在钢铁工业生产中，轧钢工业的出现是现代工业革命的产物，高效能的轧钢工业和 技术是钢铁冶金工业中钢材主要的成型方式。目前，钢铁工业正面临激烈的竞争，而轧 钢一直是钢材成型的支柱技术，对世界经济的发展和社会文明起到基础性支持作用【3 j 。 轧钢技术在提高钢材产品质量方而起着重要的作用，而轧辊作为轧机的关键部件， 其质量的好坏将对最终产品的质量以及轧机的生产效率起着举足轻重的作用。如何提高 产品的竞争能力，最终的关键在于产品的质量和价格。据统计，我国某轧钢厂热轧每吨 钢材需消耗1 4 6 蚝轧辊，折合人民币2 5 元，冷轧每吨钢材消耗轧辊1 2 4 埏轧辊，折 合人民币3 5 元。我国年产钢材己超过0 1g t ，年消耗轧辊约3 0 亿元。因此，采用堆焊 方法修复旧轧辊以提高轧辊的使用寿命己成为我国轧钢企业降低成本、提高效益的重要 举措，也是符合我国节能节材、清洁生产的基本国策。到2 0 世纪9 0 年代，绝大多数大 6 中型钢铁企业均具有了轧辊堆焊修复的能力，并为企业节能降耗奠定了技术基础，也取 得了显著的经济效益【2 4 2 5 1 。 2 l 世纪轧钢技术进步将集中于生产工艺流程的连续化、紧凑化，过程控制将实现轧 材性能的高品质化、品种规格多样化及控制和管理的计算机化和信息化【3 ，所有这些要 求作为主要部件的轧辊具有更高的表面质量和使用寿命，因为轧辊的质量直接影响着轧 材表面质量和尺寸精度，而使用寿命将决定产品的生产效率，直接关系至产品的最终成 本。 在轧钢工业中，板坯连铸连轧( 以下简称连铸) 是近年来应用在我国钢铁行业的一 项新技术。许多大、中型钢厂先后自行研制或引进了多条板坯连铸生产线。在连铸生产 线上，辊子是最为重要的元件之一，在结晶器、支撑导向段、扇形段都有使用。它的作 用是输送、夹持引锭杆和拉拔板坯【2 6 1 。连铸导辊和输送辊的工作条件都非常恶劣，钢坯 经若干对辊子导出，辊子同时承受冷热疲劳、高温氧化和磨损，其主要失效形式是辊面 产生冷热疲劳裂纹和过度磨损。 连铸机辊子的工况如下f 2 7 2 8 2 9 】： ( 1 ) 热冲击 辊子由于接触热金属而被加热，然后又喷冷却水被冷却。加热的最高温度以及加热 与冷却频率会发生变化，但这些热冲击总是会在辊子上产生表面裂纹。最高温度、接触 时间、冷却速率以及频率影响磨损的速度，而且还影响磨损表面的化学成分。 ( 2 ) 腐蚀 表面腐蚀是由于与冷却水接触而引起的。冷却水的成分由于局部影响，诸如水源、 水与高温渣接触以及与绝热材料接触等而变化。p h 值测量常常为5 ，有时甚至为4 ，这 可导致应力腐蚀或晶间腐蚀，这两种腐蚀都会增大表面裂纹。 ( 3 ) 磨损 连铸坯与铸机下部的辊子之间的摩擦，此处钢坯表面上发生的氧化会促使较高的磨 损。 ( 4 ) 疲劳 辊子的疲劳是由于辊子表面的高应力造成的弯曲而引起的。由热冲击或腐蚀形成的 裂纹集中了疲劳应力最终导致辊子断裂。 ( 5 ) 侵蚀 这是由于在辊子表面与热坯之间接触而产生的蒸汽所引起的。很高的压力并造成高 速冲击。 掺杂超细w c 复合合金敷层的埋弧堆焊及过程模拟 目前，对辊子使用的条件要求越来越严，通常要求辊子芯部具有一定的韧性，以便 承受扭转和弯曲应力，辊子表面则要求具有良好的耐热疲劳、耐磨性等，而这两方面的 要求在冶金辊子生产上是相互矛盾的。 在衡量连铸辊及输送辊的性能方面，“高效”连铸辊是个非常重要的相对概念，一 般指连铸机扇形段平均过钢量达到1 2 0 万吨以上。我国目前相当一部分企业使用的连铸 辊其扇形段的寿命仍停留在3 0 万吨左右，实际投入的维护费用与长寿命连铸辊相比要 高出许多，给生产也带来了较多的问题。现在国外提及的“高效”连铸辊，一般指连铸 机扇形段平均过钢量达到1 2 0 万吨以上。平均过钢量能否提高和辊面材质( 主要指堆焊 层的材质状况) 、辊坯材质、连铸生产设备等多方面都是有关系的。目前，就国内现有 连铸设备，从堆焊层方面来讲，通过对药芯焊丝的研制，提高堆焊层的综合力学性能， 进而提高连铸辊平均过钢量的空间还是很大的。 由于国内药芯焊丝的品种少，研究没有形成系统化，且研究方向较为单一，而本文 从向药芯粉中加入超细粉体的方法来研究，拓展了药芯焊丝的研究领域，从实际意义上 来讲，使堆焊层的耐热疲劳性与耐磨性达到一个较高的水平，在实际生产中可以产生大 幅度的经济效益。 1 4 本文研究工作 本文研究一种埋弧硬面堆焊药芯焊丝。首先，以现有广泛应用在连铸辊的1 c r l 3 系 焊丝为基础，在分析连铸辊的失效原因和工作条件的基础上，关键考察各主要合金元素 的作用和工艺的特点，在大量实验基础上，设计堆焊药芯焊丝配方，实验过程中，不断 调整合金元素配方尤其是一些少量的能够生成硬质增强相的合金的作用，并根据焊接情 况及焊后组织找出最佳的焊接电流、焊接速度等工艺方案，优选出适合连铸辊的合金元 素系统及药芯焊丝配方。 为改善堆焊工艺性及堆焊层耐磨等性能，本文还进一步采用高能球磨法，制备出超 细的碳化钨粉末，并将碳化钨以不同分散形式按不同比例加入到药芯粉中，确定合适的 添加量和合理的掺杂方式。通常碳化钨与熔融的钢铁合金会发生复杂的相互作用形成脆 性相，而本文的目的就是试图通过掺杂超细w c 药芯焊丝埋弧堆焊使其在堆焊层中的弥 散相存在，并通过与堆焊层其他多元合金化元素相互作用，生成形态各异的大量弥散增 强相均匀分布在基体中，以提高堆焊层的硬度和综合力学性能。该课题的研究，有助于 超细粉末在药芯焊丝方面的应用，推动药芯焊丝在我国的不断发展，同时此种药芯焊丝 在实际生产中应用，也将能产生较大的经济效益。 大连理工大学硕士学位论文 2 焊丝成分设计 2 1 合金元素作用及合金系统选择 连铸辊及输送辊工作条件极为恶劣，它处于复杂的高应力状态之下，除残余应力外， 还受接触应力、弯曲应力、扭曲应力的作用。此外还存在由于截面温度分布不均匀所引 起的热应力，以及由辊子本身的材质决定的性能等综合作用，导致轧制事故时常发生。 因此，我们要针对辊子的工况条件和失效原因，再根据母材的成分、组织和性能要求正 确选用堆焊材料，以保证在其表面生成一种具有特殊性能的堆焊层，满足工况条件和轧 制要求。而堆焊层的特殊性能则是由合金元素赋予的，不同的合金元素在堆焊层内具有 不同的作用，且不同的合金系统其堆焊层性能差异也很大。下面，对焊丝中的主要合金 元素及合金系统作一些具体介绍。 2 1 1 合金元素的作用 各种主要合金元素的作用如下：【3 0 3 13 2 】 ( 1 ) 碳( c ) 碳在堆焊耐磨表面时是一个非常重要的元素。若含碳量过低，即使在含有很多其它 元素的情况下，也不能获得所要求的耐磨堆焊层。当碳含量低时，虽然可以增加韧性， 但强化基体作用不足而且减少了碳化物的形成，因而硬度较低，耐磨性亦差。当增加碳 的含量时，即能增加堆焊层组织中的碳化物的数量，同时达到提高基体金属强度和硬度 的目的。就碳钢而言，当碳含量增高至共析浓度时，虽然淬硬性很好，但残余应力相应 增大，极易产生裂纹，可焊性变差：特别是当含有更多的合金元素时，则开裂的危险性 就更大了。因此，在合金钢的的堆焊层中，碳的含量应作适当的控制。连铸辊堆焊用焊 丝的合金元素有2 0 多，因此，要保持较低的含碳量。 碳对焊后材料的基体和组织有很重要的影响。马氏体的强度和硬度等主要取决于马 氏体的碳浓度。在碳浓度小于0 5 时，马氏体的强度和硬度随碳浓度的升高而急剧增大。 但当含碳量超过o 6 时，碳浓度的变化对马氏体的组织和性能几乎不发生影响。应当指 出，碳是强烈地促进马氏体孪晶化的元素，在f e c 合金相图中，当含碳量小于o 3 时， 通过淬火得到的马氏体是板条马氏体，当含碳量大于o 8 时则基本上都是针状马氏体。 含碳量在0 3 o 8 之间的钢，正常淬火后为混晶马氏体，只是随着含碳量增加，组织 中板条马氏体减少而孪晶马氏体含量增加而已。板条状马氏体具有高的强度和良好的塑 性和韧性，而孪晶马氏体虽有高的强度，但韧性很差。 ( 2 ) 氮( n ) 掺杂超细w c 复合合金敷层的埋弧堆焊及过程模拟 为了提高辊子的热疲劳性，要适当减少合金中碳的含量，而在堆焊金属中，氮可以 代替碳来弥补因碳的降低造成的硬度损失。氮和碳一样，在高温经常与铬反应形成氮化 物，但它与聚集在晶界的大块碳化物不同，其析出即小又均匀分布，不会造成铬盼供不 应求。不形成敏化区，避免了晶界腐蚀，提高了耐热疲劳性。同时这些析出物有防止晶 粒长大和阻碍位错移动的趋势，能够改善堆焊金属的高温强度，而且，氮化物与碳化物 相比，有较高的抗实效能力。 ( 3 ) 铬( c r ) 铬主要起提高钢的淬透性，从而影响轧辊辊身淬硬层的深度。铬降低淬火临界冷却 速度，可用较小的冷却速度达到淬火的目的，从而减少淬火应力。由于铬在钢中有偏析， 会导致产生碳化物和硬度分布的不均匀性。铬是较强的碳化物形成元素。实践证明，这 一特征是导致轧辊辊身表面粗糙化的直接原因。当铬含量较低( c r 5 8 时，随铬含量的增加，堆焊层的硬度反而会下降，这是因 为随着铬含量的提高，组织中因碳化物的形成而使基体中的碳含量下降；另外，随钢中铬 含量增大，将使奥氏体中铬的合金度增大，从而奥氏体稳定性增加，淬火后残余奥氏体 量增大的缘故。 ( 4 ) 镍叫i ) 镍是扩大奥氏体相区的合金元素。镍与碳能形成不稳定的化合物。钢中加入镍，可 提高奥氏体的稳定性，使马氏体相交温度显著下降。含镍的钢淬透性较大。镍不氧化， 可以提高钢的塑性和韧性，镍和铬同时存在时，可保证钢在韧性高时仍具有高的强度和 硬度。所以，在堆焊层中加少量镍，可以提高其抗疲劳破坏的能力，由于镍是奥氏体稳 定元素，加入镍后会提高奥氏体的稳定性，促使基体组织中的残余奥氏体量的增加。 ( 5 ) 钒) 钒是极强的碳化物和氮化物形成元素，它和碳，氮，都有很强的亲合力，在钢中主 要是以碳化物的形式存在，钒的碳化物几乎可以说是金属碳化物中最硬和最耐磨的碳化 物。一般说来，在钢中当钒的含量达o 5 时，就能有效地形成碳化物。钒在钢中具有 弥散强化、细化晶粒的作用，是提高耐磨性的重要元素之一。随着钢中钒的含量的增加， 耐磨性能提高。但是，在增加钒的同时，必须要相应提高碳和n 的含量，才能保证碳化 物的形成。否则，随着钢中钒含量的增加，使基体组织中含钒量过低后硬度会反而下降。 ( 6 ) 锰n ) 锰是扩大奥氏体相区的合金元素。在实际生产中，应把硅和锰的含量控制在o 3 5 以下，当锰大于o 4 时，将使高温下的晶粒长大，但在堆焊条件下，由于含碳量大， 大连理工大学硕士学位论文 热裂倾向增大，必然提高含锰量，以利于脱硫，对于锰在高温状态下会促使晶粒长大的 倾向的弱点，可增加铝、钒等元素，以抑制焊层金属的晶粒长大a ( 7 ) 钼o ) 钼是形成铁索体元素，可以增加钢中的钝化作用和耐蚀性，阻止点腐蚀倾向。 2 1 2 合金元素系统选择 在堆焊修复中应用的合金系统主要有镍基台金系统、钴基合金系统和铁基合金系 统，尽管前两种合金系统修复后材料的性能相对较好，但由于成本过高，所以大多数情 况下都选用铁基合金系统，且其性能也并不比前两种差很多。 下面介绍一下常见的用于轧辊的铁基合金系统： ( 1 ) c r w 系 堆焊金属类型：3 c r 2 w 8 、4 0 c r w 3 v 、5 0 c r w l 5 v 、3 5 w 9 c r 3 s i v 等 特点：高温耐磨能力强；热裂倾向大；抗热疲劳能力低 ( 2 ) c r w m o 系 堆焊合金类型：4 0 c r 4 w 2 m 0 3 v s i 、5 c r 4 w 2 m o v 、3 0 c r 4 w 2 m 0 2 v s i 特点：抗高温磨损能力强；抗热裂性和热疲劳能力有所改善；抗氧化能力较好 ( 3 ) c r m o 系 堆焊金属类型：3 5 c r 5 m n m o2 5 c r 3 m 0 2 m n v 等。 特点：高温耐磨性较c r _ - w 系稍差；抗裂性和抗热疲劳能力较c r w 系好：抗氧化 性能好 “) c r m o n i 系 堆焊金属类型：3 5 c r 5 m o n i v 、3 0 c r 2 m 0 2 n i v 等。 特点：抗热裂性好；耐磨性与c r m o 系相当；抗热疲劳性比c r m o 系高。 ( 5 ) c r l 3 系 堆焊金属类型：1 c r l 3 、2 c r l 3 、3 c r l 3 特点：c r l 3 系抗氧化性、耐腐蚀性优良，当含碳量低时，常温和高温硬度低，耐磨 性差，含碳量高时，焊接性和抗热疲劳性差，易产生裂纹，若在c r l 3 系中在保持低碳 含量的条件下加入m o 、y 、n i 等元素则在保持优良抗氧化性、耐腐蚀性的同时，可提高 热硬性和抗热疲劳性能。 上面所列的合金系统主要用于连铸辊及热轧辊堆焊，其中，c r l 3 系主要用于连铸辊 的表面堆焊，如c r l 3 m o n i v 合金体系即作为连铸辊堆焊用药芯焊丝的合金体系。目前国 内修复连铸扇形段输送辊道夹送辊也大都是采用c 订3 系埋弧堆焊用药芯焊丝。其他合 金系则主要用于热轧辊