（材料加工工程专业论文）连铸辊埋弧堆焊层组织与性能的研究.pdf

摘要 连铸辊是连铸设备的核心部件。其使用性能直接影响连铸设备的作业率、炼钢的生 产成本和铸坯的质量。连铸辊使用一段时间后，除了产生辊体弯曲变形外，辊面还会出 现不同程度的网状裂纹、氧化腐蚀、磨损损伤等破坏，利用堆焊工艺来修复连铸辊，不 但可以提高连铸辊的使用寿命，而且可以降低成本和连铸辊的消耗量，合理使用及节约 合金元素，并能够提高连铸设备的作业率和产品的质量。因此，连铸辊的堆焊修复是冶 金业的重大课题。 试验过程中，利用金相显微镜、洛氏硬度仪、磨损实验机等实验设备对堆焊层显微 组织、堆焊层的硬度、堆焊层的耐磨性以及不同堆焊层的化学成分等进行分析，并对焊 接过程中可能出现的问题和防止措施进行了讨论。 论文结论如下： 1 焊接线能量为1 9 k j c m 、2 1k j e r a 、2 7k j e r a 时，2 1 c r m o v 5 1 1 钢连铸辊埋弧堆 焊第一层堆焊金属的稀释率不高于5 0 ，分别为2 7 、3 0 和4 4 ；4 2 c r m o 钢连铸辊 埋弧堆焊试验选用y 儿0 1 n s 焊丝时，第三层堆焊金属中氮元素的含量为0 0 6 4 左右； 第三层堆焊金属成分不受母材稀释作用的影响。 2 选择专用埋弧堆焊材料，2 1 c r m o v 5 11 钢和4 2 c r m o 钢连铸辊堆焊金属组织特征 为：马氏体基体中分布着一定量的铁素体组织，焊接热输入增大时，铁素体的含量略有 增加。 3 埋弧堆焊金属每层的硬度分布较均匀；2 1 c r m o v 5 1 1 钢连铸辊第三层堆焊金属 的硬度平均值分别为3 9 0 h r c 、3 9 5 h r c 、3 8 6 h r c 。焊接热输入的变化对硬度值影响 不大；直径较大的4 2 c r m o 钢连铸辊第三层堆焊金属的硬度值较高，平均为4 8 9 h r c 。 4 焊接热输入量为2 1 k j c m 时，2 1 c r m o v 5 1 1 钢连铸辊埋弧堆焊第三层耐磨性较 好，相对耐磨系数为o 6 8 8 0 ；0 1 5 0 m m 的4 2 c r m o 钢连铸辊埋弧堆焊第三层耐磨性较好， 相对耐磨系数为0 5 9 1 2 。 关键词：药芯焊丝埋弧堆焊；超低碳氮强化：堆焊层；组织；性能 大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t n l ec o n t i n u o u sc a s t i n gr o l li st h ec o r ep a r to fc o n t i n u o u sc a s t i n ge q u i p m e n t , t h eu s et o t h er o l ld i r e c t l yi m p a ao nt h ep e r f o r m a n c eo fc o n t i n u o u sc a s t i n ge q u i p m e n to p e r a t i n gr a t e ， t h ec o s t so fs t e e ls l a ba n dt h eq u a l i t y a f t e ru s e dap e r i o do ft i m e ，b e s i d e sh a st h er o l l e rb o d y b e n d i n gs t r a i n ，t h es u r f a c eo fr o l l sp r e s e n tc r a c k , o x i d a t i v ec o r r o s i o n ，a t t r i t i o nd a m a g e u s i n g s u r f a c i n gp r o c e s st or e p a i rt h er o l l ，n o to n l ym a ye n h a n c et h ec o n t i n u o u sc a s t i n gr o l l e r s s e r v i c el i f e ，b u ta l s or e d u c ec o s t sa n dt h ec o n s u m p t i o no fr o l l e r ，a n db ea b l et oi m p r o v et h e c o n t i n u o u sc a s t i n ge q u i p m e n to p e r a t i n gr a t ea n dp r o d u c tq u a l i t y s o ，t h ec o n t i n u o u sc a s t i n g r o l lr e p a i r i n gi sa l w a y sam e a n i n g f u lr e s e a r c hp r o je e li nt h em e t a l l u r g ic a li n d u s t r y i nt h et e s t i n g ，u s em i c r o s c o p e ? r o c k w e l lh a r d n e s st e s t e r ，w e a rt e s te q u i p m e n tt oa n a l y z e t h em i c r o s t r u c t u r e ，h a r d n e s s ，c h e m i c a lc o m p o s i t i o n , w e a rr e s i s t a n c ea b o u ts u r f a c i n gl a y e r ， a n dc a r r yo nt h ed i s c u s s i o na b o u tw h a tp r o b l e m si nt h ep r o c e s sw e l d i n gp o s s i b l ya p p e a ra n d h o wt op r e v e n t c o n c l u s i o n so ft h ep a p e ri sa sf o l l o w s ： i w h e n2 1 c r m o v 5 1 1s t e e ir o l la r ew e l d e dw i t h t h eh e a ti n p u to f1 9 i c l c m ，2 1 k 2 c m ， 2 7 k j c m ：t h er a t eo fd i l u t i o no ft h eb o t t o mo ft h ew e l d i n gm e t a li sn oh ig h e rt h a n5 0 ，t h e y a r e2 7 ，3 0 a n d4 4 ；w h e nt h es u b m e r g e da r cw e l d i n ga r ep l a y e do n4 2 c r m os t e e lr o l l w i t hy j101n sw i r e ，t h ew o r kl a y e rw e l d i n gm e t a lc o n t e n tn i t r o g e na b o u to 0 6 4 ，a n d n o n - d i l u t i o ni nt h ew o r kl a y e r 2 ：w h e ns u b m e r g e da r cw e l d i n gc a r r i e do nw i t hs p e c i f i c w e l d i n gm a t e r i a l s ，t h e o r g a n i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fd e p o s i t e dm e t a lo ft h e2 1c r m o v 5 1 1s l e e ia n dt h e4 2 c r m o s t e e lc o n t i n u o u sc a s t i n gr o l l e ri s ：m a r t e n s i t i cs u b s t r a t ed i s t r i b u t e dac e r t a i na m o u n to ff e r r i t e ， w e l d i n gh e a ti n p u ti n c r e a s e s ，f e r r i t ec o n t e n ts l i 曲t l yh a si n c r e a s e s 3 a f t e rs u b m e r g e da r cw e l d i n g ，t h ed i s t i l b u t i o no f h a r d n e s si sm o r ee v e no ne a c hl a y e r ， t h ea v e r a g eh a r d n e s so ft h ew o r k1 a y e rw e l d i n gm e t a lo ft h e2 1c r m o v 5 11s t e e lr o l la r e 3 9 o h r c 3 9 5 h r c 3 8 6 h r c w e l d i n gh e a ti n p u to nt h ec h a n g e sd on o ta f f e c tt h ev a l u eo f h a r d n e s s ；t h eh a r d n e s so fw o r kl a y e rw e l d i n gm e t a lo f4 2 c r m os t e e lr o l lw i t hl a r g e rd i a m e t e r i sh i g h e r ，w i t ha na v e r a g eo f4 8 9 h r c 4 w h e nw e l d i n gh e a ti n p u tf o r21k j c mt i m e ，w e a rr e s i s t a n c eo fw o r kl a y e rw e l d i n g m e t a lo f2 1c r m o v 5 1 1s t e e lr o l li sb e t t e r t h er e l a t i v e l yw e a rc o e f f i c i e n ti s0 6 8 8 0 ；w e a r r e s i s t a n c eo fw o r kl a y e rw e l d i n gm e t a lo f4 2 c r m os t e e lr o l lw i t ht h ed i a m e t e ro f015 0 m mi s b e a e r t h er e l a t i v e l yw e a rc o e f f i c i e n ti s0 5 9 12 k e yw o r d s ：f l u x - c o r e d r i r es u b m e r g e da r cw e l d i n g ；u l t r a - l o wc a r b o na n dn i t r i d es o l i d s o l u t i o ns t r e n 季h e n i n g ；s u r f a c i n gl a y e r ；m i c r o s t r u c t u r e ；p r o p e r t y 。 i i 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬交通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：鼍辐 日期：年 月 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太董塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太董塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名搦 日期：咖罗年2 月厂户 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱i 导师签名：丁茹安幺司 日期：如罗年a 月，7 日 电话： 邮编： 第一章绪论 1 1 本课题的选题背景 第一章绪论 1 1 1 连铸辊的应用 钢铁工业是国家重要的基础性行业之一，其发展的速度与水平对整体国民经济的发 展具有着重大影响。 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。进入2 1 世纪，钢铁工业将面临激烈的竞 争，但轧钢仍将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【l 】。提高钢材内在质量和精度、降低生产成本是当今钢铁领域的重要研究课题。新 技术的应用可有效地提高钢材的质量，但同时也对各类轧辊的耐磨性、耐热性、抗冲击 性等各种性能提出了更高的要求。 在钢铁工业中，连铸是衡量工艺先进性的一个重要标志，是提高钢产量、降低能耗、 提高成材率的有效途径。因此，连铸技术已成为世界各国钢铁企业的主要工艺手段。 作为连铸工艺中不可或缺的关键部件就是连铸辊，它是保证连铸机顺利生产的必要 条件，其高温强度和使用寿命直接影响连铸的产量。一台板坯连铸机约配有3 5 0 至7 5 0 支连铸辊，因而连铸辊的质量和寿命在连铸生产中至关重要，直接影响到产品成本、钢 坯质量及连铸机的作业率。每个钢厂每年都要消耗大量的连铸辊，由于消耗量大，连铸 辊价格昂贵，越来越引起各钢厂技术人员和备件管理部门的重视。连铸辊质量的优劣， 不仅直接影响其使用寿命，而且对钢材的质量、生产率和生产成本都有很大影响。 影响连铸生产的连铸辊主要是二冷辊和拉矫辊。连铸钢液在结晶器凝固成壳，形成 半凝固状态的铸坯，铸坯进入冷却段，高压水直接喷淋在铸坯表面进行二次冷却，促进 铸坯内的钢液凝固，此时铸坯由于内部钢液的静压和热应力而产生变形，引起表面滑移， 因此二冷辊主要是控制铸坯的引导、冷却、驱动和成型。完成凝固成形的铸坯，通过拉 矫辊的拉拔和矫直，送入输送辊道。由此可知，连铸辊的作用是铸流成型、铸坯冷却、 铸坯引导与驱动、铸坯弯曲与矫直、铸坯输送等，其高温性能和使用寿命直接影响着铸 坯的质量和连铸机的作业率。 1 1 2 连铸辊的失效形式 由于工作环境复杂，通常连铸辊主要有三种失效方式：永久性弯曲变形、磨损和裂 纹。 大连交通大学工学硕士学位论文 工作过程中连铸辊连续不断地与内部还未凝固的高温铸坯接触，不仅承受着局部高 温加热和水冷的交变冷热应力、氧化与腐蚀反复作用，而且还受到板坯鼓肚力和静压力 等机械应力的作用，同时还承受由于滞坯和漏钢等异常浇钢情况、润滑和冷却不良等设 备异常情况及更换中间包和滑动水口等造成的非平衡热和非平衡应力的作用，工况条件 十分苛刻。连铸辊使用一段时间后，除了产生辊体弯曲变形外，辊面则出现不同程度的 网状裂纹、氧化腐蚀、磨损损伤等破坏，不仅其消耗量大，费用昂贵，而目其材质的好 坏直接影响连铸机的作业率、产品的产量和质量、单位轧辊的消耗及轧材的成本。因此， 提高连铸辊的使用寿命，是实际生产中提高生产效率，实行增产节约，降低消耗的措施 之一。 不同使用位置的连铸辊工况条件差异很大。位于结晶器下方的称作足辊的连铸辊和 支导辊的板坯工作温度最高( 1 2 0 0 c 左右) ，辊体冷却条件较差，辊面易产生高温氧化， 同时由于连铸保护渣产生的氟离子和氢离子生成的氢氟酸易造成辊面高温腐蚀；足辊的 直径较小，辊体刚度较差，承受钢坯内部钢液的静压力以及在非正常操作时由于钢坯在 辊间停留而使辊温不均匀产生的热弯曲应力。当静压力与热弯曲应力叠加超过连铸辊材 料的高温屈服强度时，连铸辊产生永久性弯曲变形【2 】。足辊和托辊因弯曲变形失效的数 量约占其报废量的5 0 ，磨损失效则为另外的5 0 。连铸辊的磨损主要是因高温氧化引 起的，在高温和由于钢坯水冷而造成的潮湿工作环境中，连铸辊因氧化而使表面顺次脱 落，使得辊径减小而致报废。位于连铸机弧形段称作导辊的连铸辊主要用于钢坯的变曲、 压送，由于它们的直径较足辊大，因而弯曲变形较少发生，约占报废量的3 0 ，磨损占 7 0 。而位于连铸机校直段的称作拉拔辊和校直辊的连铸辊，由于机械负荷增加，机械 力较大，由于强行押送钢坯而使辊温升高，在周期性的机械应力和热应力的作用下，使 因热疲劳产生的裂纹源点扩展以致断裂。同时铸坯表面的氧化铁皮对辊面造成严重的磨 损，因此失效形式以辊面龟裂和磨损为主【3 4 】。这一部位的连铸辊因裂纹和磨损报废各占 半【5 1 。 为了确保生产安全顺行，防止断辊事故发生，目前连铸辊一般都采用周期下线的管 理模式，即使用至一定的周期便更换下线检查、修复。现场使用情况表明：除了断辊事 故外，连铸辊辊面大面积龟裂和弯曲变形情况比较严重，单周期裂纹深度一般都超过 1 5 r a m ，大多数下线连铸辊都要经过修复后再使用，一般弧形段连铸辊的平均使用寿命 为3 0 0 0 炉左右，水平段连铸辊的平均使用寿命为5 0 0 0 炉左右。不仅使用寿命较短，修 复成本很高，而且直接影响连铸机的作业率和板坯的表面质量1 6 1 。 因此，对连铸辊材料的要求是：高温屈服强度高；有好的耐高温氧化性能；高的抗 高温疲劳裂纹形成及扩展的能力。 2 第一章绪论 为了提高连铸辊的使用寿命、满足生产的需要，国内外大型钢铁企业无不对连铸辊 进行重点研究和开发【7 以1 1 。国外2 0 世纪六、七十年代辊体材料以普通碳素钢和普通 c 卜- m 0 钢为主，在2 0 世纪八十年代以后向c 卜n i m 删多元低合金钢发展，主要 是通过增加合金元素的种类及含量改善辊体材料的热处理性能，提高材料的断裂韧性和 其它性能。 随着连铸辊材料和制造工艺的不断改进，连铸辊由最初的低合金整体锻钢辊发展到 堆焊复合辊，堆焊是一种低成本地提高连铸辊使用寿命的有效方法，主要是通过堆焊改 进连铸辊辊面工作层的成分，提高其耐高温和氧化腐蚀的性能，降低生产成本。使用结 果表明：堆焊复合连铸辊的一次使用寿命比低合金整体锻钢辊提高3 倍以上，因此目前 国内外大型钢铁企业的连铸辊广泛应用堆焊复合辊。连铸辊的辊体材料和热处理工艺、 堆焊材料和堆焊工艺都是提高连铸辊使用寿命研究的热点和难剧1 2 】。 1 2 堆焊技术的现状和发展趋势探讨 堆焊技术主要用于修复零件表面因磨损而导致尺寸和形状的变化，或赋予零件表面 一定的特殊性能。用堆焊方法修复零件表面具有结合强度高和不受堆焊层厚度限制，以 及随所用堆焊材料的不同而得到不同耐磨性能的修复层的优点。因此，堆焊既可用于修 复材料因服役而导致的失效部位，亦可用于强化材料或零件的表面，其目的都在于延长 零件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本。 1 2 1 堆焊技术的特点 ( 1 ) 堆焊层与基体金属结合强度高、抗冲击性能好，因而堆焊技术更适用于高应力 交变负荷的工况条件以及抗高应力磨料磨损、削式磨损的工况要求。 ( 2 ) 通过正确设计堆焊层的合金体系，可以获得抗磨损、冲击、腐蚀、擦伤和气蚀 等多种性能的堆焊层，而且堆焊层金属的成份和性能调节方便。 ( 3 ) 堆焊层的厚度大，常用厚度范围为2 m m 3 0 m m ，由于抗磨损储备尺寸大，更适 用于磨损严重的工况条件。 ( 4 ) 熔敷率高。用手工电弧堆焊每小时在工件表面堆焊的金属量可达3 k g ，双带极 埋弧自动焊熔敷率可达到6 8 k g 。 ( 5 ) 堆焊所用的设备比较简单，经常可与焊接设备通用。 1 2 2 国内外堆焊技术韵发展概况 国内外制造业对堆焊技术的发展十分重视，i i w 以及各工业发达国家的相关学术机 构均设置了专门委员会，似协调和促进堆焊技术的发展。堆焊技术在我国起源于2 0 世 3 大连交通大学工学硕士学位论文 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，即恢复零件的 形状尺寸，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 年代受先进制造技术 理念的影响，堆焊方法与智能控制技术和精密磨削技术相结合的近净形技术( n e a rn e t s h a p e ) 引起了制造业的广泛关注，这也是堆焊技术从技艺走向科学的重要标志。堆焊 技术在我国历经近5 0 年的风雨历程，不仅是延长材料或零件服役寿命的工艺方法，而 且成为先进制造技术的发展基础。 堆焊技术的显著特点是堆焊层与母材具有典型的冶金结合，堆焊层在服役过程中的 剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设计堆焊合金，使材料或零件表面具有良好 的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等性能，在工艺上有很大的灵活性。我国堆 焊专家围绕提高堆焊质量和效率开展了大量工作1 1 引。堆焊方法方面，相继开发了电弧堆 焊( 单丝、多丝、单带极、多带极) 、电渣堆焊( 窄带极、宽带极、躺极) 、m i g 堆 焊、等离子弧粉末堆焊、高能光束( 激光、聚焦光束) 粉末堆焊等，就熔敷效率而言， 已从单丝电弧堆焊的1 1k g 屈发展到多带极电弧堆焊的7 0 k g h i l 4 】，而稀释率从电弧堆焊 的3 0 6 0 降低到等离子弧、激光、聚焦光束堆焊的5 左右【3 】。堆焊材料方面，针 对被修复零件的服役要求，相继开发了耐磨的硬质合金复合堆焊材料( 包w c 的管状焊 条以及含碳化物的钴基合金、镍基合金、铁基合金粉末) ，耐冷热疲劳的c r n i w m 心晒 及镍马氏体时效钢等模具堆焊材料，以及用于轧辊修复的低合金钢堆焊材料( 3 0 c r m n s i ， 4 0 c r m n ) 、热作模具钢堆焊材料( 3 c r 2 w 8 ，c r 5 m o ) 、弥散硬化钢堆焊材料( 1 5 c r 3 m 0 2 m n v ， 2 5 c r 5 w m o v ，2 7 c r 3 m 0 2 w 2 m n v s i ) 、马氏体不锈钢堆焊材料( 1 c r l 3 n i m o 配s j l1 烧结 焊剂，0 c r l 4 n i 2 s i 配s j l1 烧结焊剂) 等。在堆焊材料的使用形式方面，已从堆焊发展 初期的以焊条为主转向焊条、实心焊丝配焊剂、焊带配焊剂、药芯焊丝及粉末等多种使 用形式，而且药芯焊丝的使用比例呈逐年增长趋势。与堆焊技术的国际发展前沿相比较， 我国在堆焊基础理论方面( 如堆焊合金的设计、堆焊缺陷的形成机理等) 并不落后于工 业发达国家，但堆焊材料和设备的工业发展水平与发达国家存在较大差距，我国堆焊材 料方面的突出特点是“焊条多焊丝少、熔炼焊剂多烧结焊剂少、实心焊丝多药芯焊丝少”， 而堆焊设备方面的现状则是“改装设备多专用设备少、机械化设备多智慧化设备少”，因 此，无论是堆焊材料的品种和质量，还是堆焊设备的自动化、智慧化水平等方面均亟待 发展和提高t 6 1 。 各国对于连铸辊堆焊技术的研究和开发都很重视，堆焊材料方面的研究尤其活跃。 4 第一章绪论 早期连铸辊的堆焊材料成分变化是很大的，这实际反映了研究工作处于不成熟阶 段。目前药芯焊丝和焊带的成分则以1 c r l 3 系为主，通过加入适量的n i 、m o 、w 、v 、 n 等高温强化合金元素、增加稀土元素等来细化晶粒，改进堆焊层的性能【1 5 1 。 日本等国家对连铸辊堆焊材料的研究比较深入，因此近年很多国家尤其是日本的研 究人员推出大量的药芯焊丝和焊带材料配方的专利。对于不同工作位置的连铸辊采用不 同的材料，如结晶器足辊采用n i 基高温合金、弧形段二冷辊采用1 c r l 3 系高n i 不锈钢 材料、矫直段采用1 c r l 3 系低n i 不锈钢材料、连铸辊恢复尺寸修复则采用与辊体材料接 近的低合金钢焊材等。 目前，国内外专家学者研究发展较多同时也较快的堆焊材料是超低碳的氮合金 0 c r l 3 n i 4 m o n ( 4 1 4 n ) 药芯焊丝，其以氮代碳，可显著提高堆焊层抗高温氧化和腐蚀性能， 其高温力学性能也可得到显著改善【l5 1 。 从试验结果看，在堆焊材料中加入过多的n i 、m o 等合金元素对于提高抗冷热疲劳 性能的效果并不明显，但是对于连铸辊的综合性能的提高是有必要的。因此，堆焊材料 的设计思想是：c r 的含量是以确保耐氧化腐蚀性能为前提的，应有足够的含量，但是过 量将劣化堆焊层的综合性能。n i 是保证堆焊层高韧性和针对马氏体组织的脆性而添加 的，含量过高将降低堆焊层的相变点温度。c 的含量应与n i 的含量平衡，防止铁素体 的析出，并且以不生成残余奥氏体和不降低耐氧化腐蚀性为限。加入m o 、v 、w 、n b 、 n 等合金元素是为了固定c 和细化晶粒，提高堆焊层的屈服强度、耐氧化腐蚀能力等综 合性能【j 6 】。 一 堆焊时，焊剂对焊接工艺性和堆焊层的性能有影响，各国采用的成分配方都处于保 密状态，目前连铸辊堆焊用焊剂多数为中性偏碱性的烧结焊剂。 由于各国采用的堆焊材料不同，堆焊工艺参数也相差较大，稳定控制焊层温度和焊 后热处理温度也是提高堆焊层性能的主要方法之一，因此发达国家的连铸辊堆焊一般都 采用全过程自动控制工艺，避免了人为操作的不稳定因素。 近年来，日本等少数国家在工况条件较差区段的连铸辊采用自熔合金喷焊技术取得 了较好的效果，但通过对比试验，多数发达国家认为连铸辊采用这种制造技术是不经济 的，修复工艺也过于繁琐。 目前国内外用于连铸辊辊面处理技术及性能比较见表1 1 所示。 大连交通大学工学硕士学位论文 表1 1国内外用于连铸辊辊面处理技术及性能比较【1 4 】 t a b l e1 is u r f a c i n gt r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n dp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o na th o m ea n da b r o a d 连铸辊表面处理技术研究的发展趋势已经由原来抗冷热疲劳研究，进一步深化到连 铸辊的氧化腐蚀机理研究，结果表明连铸辊的表面裂纹萌生与酸性介质腐蚀密切相关， 承受冷热交变载荷之后进一步扩展为龟壳状裂纹分布，这就为表面处理新技术的应用提 供了更加科学的依据。 除了堆焊技术以外，连铸辊的使用寿命直接取决于现场使用技术，研究连铸辊的操 作使用规范和判废标准，对于提高连铸辊的使用寿命具有极其重要的价值i l 5 1 。 1 3 堆焊技术在轧辊上的应用 早在5 0 - - 6 0 年代，我国就开始采用堆焊的方法修补普通钢质轧辊。近年来，随着 科学技术的不断进步，使得这一技术逐步成为修复和制造轧辊的一种全新的工艺途径。 在高强度、高韧性的低合金或中碳合金钢辊芯表面堆焊高合金耐磨工作层，以替代传统 的整体锻造和离心铸造方法，已经有了一定的基础。同时，随着堆焊材料( 堆焊金属) 性能以及堆焊技术的不断改善及提高，轧辊的堆焊修复和制造已绝不仅仅限于普通钢质 轧辊。 1 3 1 轧辊堆焊方法 目前在国内外冶金行业使用的堆焊技术有喷镀、气体保护焊、埋弧焊、电渣焊，其 中轧辊埋弧焊是应用最广泛的工艺，较喷涂法、气体保护焊、电渣法具有较好的综合优 势，具有生产效率高、质量好、经济效益较好的优点，为把金属堆焊到辊子表面提供一 简单而有效的手段。各种工艺特点如表1 2 所示。 6 表i2 各种工艺特点【” t a b l e12t e c h n o l o g i c a lf e a t u r e so f d i f f e r e n tp r o c e s s 电弧在焊剂层下燃烧并进行焊接的焊接方法称为埋弧焊。埋弧焊分埋弧自动焊和埋 弧半自动焊两种( 如图1 1 ) 1 一金属焊丝2 一导电杆3 一导电嘴 4 一焊剂杯 5 堆焊电孤6 钢轧辊卜堆焊熔池8 捍渣壳 9 一未熔化的焊剂1 0 一堆焊层金属1 1 一堆捍电源 圈11 钢轧辊自动埋弧堆焊方注示意图 t h es c h e m a t i co f a m o m a t i cs u b m e r g e da m w e l d i n g m e t h o do ns t e e lr o l 大连交通大学工学硕士学位论文 因埋弧半自动焊劳动强度大，目前已很少应用。埋弧自动焊主要用于焊接厚板各种 接头形式的直缝、环缝和平面圆缝，亦可用于堆焊。可适于低碳钢、低合金钢、不锈钢、 铜及其合金的焊接【1 4 】。 埋弧堆焊虽然稀释率偏大，但其堆焊效率是各种堆焊方法中最高的一种，其单层堆 高可达3 - - s m m ，钨极氩弧焊单层堆焊稀释率可控制在1 0 - - 一2 0 ，但堆高偏小，必须 堆焊2 - 3 层方能达到3 m m 的有效堆高。用于堆焊的等离子弧堆焊技术有两种，粉末等 离子弧堆焊单层有效堆高可达2 m m ，稀释率可达5 3 0 ；送丝等离子弧单层堆焊稀 释率可控制在5 - - - 15 ，但一般需堆焊2 层以上方能保证3 m m 以上的有效堆高，同时 埋弧自动堆焊焊接熔深大、可减少填充金属量，渣保护效果优越，且冶金反应充分，降 低了气孔、裂纹等缺陷存在的可能性，焊接质量稳定可靠。 1 3 2 堆焊材料的选择 1 焊丝 焊丝是直接影响堆焊层金属质量的一个最主要因素。堆焊的目的不仅是修复轧辊尺 寸，更重要的是提高其耐热耐磨性能，故要选择优于母材材质的焊丝，焊丝材料有以下 几种【1 8 】： ( 1 ) 低合金高强度钢类牌号3 0 c r m n s i ，其堆焊金属硬度不高，只有h r c 3 5 - - 4 0 。 价钱便宜，只能起恢复孔型作用，不能提高轧辊的使用寿命。 ( 2 ) 热作模具钢类牌号3 c r 2 w s v ，堆焊和消除应力退火后硬度是h r c 4 0 5 0 。需 用硬质合金刀具切削。其寿命比原轧辊可提高1 - - 3 倍。用于堆焊初轧机、型钢轧机、管 带轧机的锻钢辊。 ( 3 ) 马氏体不锈钢类牌号c r l 3 、2 c r l 3 、3 c r l 3 ，其堆焊硬度h r c 4 5 - - - - 5 0 。用于堆 焊开坯轧辊、型钢轧辊的锻钢辊。 ( 4 ) 高合金高碳工具钢类瑞典牌号t 0 2 b r o d b ( 8 0 c r 4 m o8 w 2 v m n s i ) 。这种焊丝 含c 及合金元素高，易出现裂纹，要求有高的预热温度和层间温度，堆焊后硬度达 h r c 5 0 6 0 。用于精轧机成品轧机工作锻钢辊，冷、热轧支撑辊。 2 焊剂 焊剂在堆焊过程中的作用是使熔融金属的熔池与空气隔开，并使熔融的焊剂和液态 的金属在电弧热的作用下，起化学作用调节成分，焊剂在堆焊中起关键的作用。 焊剂一般分为两大类：熔炼焊剂、非熔炼焊剂。 ( 1 ) 熔炼焊剂 8 第一章绪论 熔炼焊剂分为酸性、碱性焊剂两类。前者氧化性强，使焊丝中的碳、铬元素大量烧 损，而硅、锰元素过渡到堆焊金属中去。后者氧化性弱，对堆焊金属成分影响不大。故 常用后者进行。国产牌号焊剂2 6 0 、4 3 1 、4 3 0 等等。 ( 2 ) 非熔炼焊剂即陶瓷焊剂 它是由各种原料的粉末用水玻璃结合而成的小颗粒，可以加入所需要的任何材料成 分。它的主要特点是能灵活而稳定地向焊接金属内渗合金，调整堆焊金属化学成分，降 低有害杂质的含量，细化金属组织，提高性能。 陶质焊剂与熔炼焊剂比较，其优点表现于：陶质焊剂堆焊的表面平整，质量好，热 脱渣性很好( 温度达5 0 0 时仍能自动脱渣，渣壳成形) 。而熔炼焊剂是做不到的。其 次，采用熔炼焊剂，金属化学成分中的碳、铬、钒等有效元素大量烧损，而p 、s 等有 害元素有所增加，从而降低了堆焊金属的耐磨性能，提高了焊接金属的裂纹倾向，而陶 质焊剂，不但可以减少易烧损的有用元素，而且还可以过渡一些有用的元素l l 引。 1 3 3 基体金属的堆焊性 金属的堆焊性是指金属材料对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件下，金 属材料经过焊接加工后，能获得优良焊接接头的可能性和难易程度。 影响堆焊性的最主要因素是化学成分。对于钢材，可将各种合金元素对堆焊性的影 响折合成相当的碳元素含量( 称为碳当量) ，来判断钢材堆焊性的好坏。下面是国际焊 接协会推荐的估算碳钢及低合金钢的碳当量公式i l9 】： c e 口= c + 丝+ c r + m o + v + n i + c u ( 1 1 ) 6515 式中，c 。表示碳当量，元素符号表示该元素在钢中的含量的百分数。c 。值越低堆 焊性越好。由于埋弧自动堆焊工艺一般是用高合金材料进行异种金属焊接，因此总体而 言，基体金属的堆焊性比焊接性差。当基体的c 。乏0 4 时，焊前需预热，层间要控温， 堆焊层要及时热处理【2 0 】。 1 3 4 轧辊的堆焊工艺 通用的轧辊堆焊修复制造工艺流程如图1 2 所示： 9 大连交通大学工学硕士学位论文 l 器坼前预热h 1 l 嚣霜萋 j 簇l _ - 一 _ 一 i 一 1 _ ，b 匿口锢一图1 2 冶金轧辊堆焊修复或复合制造工艺流程【2 1 】 f i g 1 2t h et e c h n o l o g yf l o wc h a r to fr e b u i l d i n ga n d c o m p o s i t em a n u f a c t u r i n gf o rm e t a l l u r g i c a lr o l l e r sb yh a r ds u r f a c i n g ( 1 ) 轧辊辊芯的制各 堆焊复合轧辊辊芯可采用强韧性满足要求的低碳低合金或中碳结构锻钢( 铸钢) 制 造，新辊芯通常由专业机械厂来制作。若取用旧轧辊辊坯，焊前必须进行探伤、车削疲 劳层、焊补局部缺陷以及保证堆焊工作层车削的整备工作。如果探伤出旧辊辊坯( 包括 辊颈和辊面) 有严重内伤，则不允许再进行该辊坯的堆焊修复工作。 对于一些下线的重要轧辊( 或辊面硬度较高的轧辊) ，其旧辊坯在进行辊面疲劳层 车削前，建议先进行消除应力( 回火) 热处理。目的是消除旧辊坯及其辊面上的复杂残 留应力，同时可使辊面硬度降低，从而使辊面易于车削，并降低机加工成本。消除应力 ( 回火) 热处理温度的选取，应确定为比原新辊回火温度低3 5 - - 一4 0 左右，该温度对 于大多数冶金钢辊来说，通常在4 8 0 - - 5 6 5 * ( 2 范围内。消除应力( 回火) 保温时间按辊 直径方向0 5 h 英寸来确定。加热升温时，在温度 2 6 0 时，要求升温速度为3 5 - 6 5 h 。 轧辊堆焊前必须用车削加工除去表面的全部缺陷。要保证有一个致密的金属表面， 可采用超声波探伤来检查。对大型旧轧辊堆焊前，要进行5 5 0 * ( 2 - 6 5 0 退火来消除其疲 劳应力。 ( 2 ) 轧辊的预热 预热的主要目的是降低堆焊过程中堆焊金属及热影响区的冷却速度，降低淬硬倾向 并减少焊接应力，防止母材和堆焊金属在堆焊过程中发生相变导致裂纹和气孔产生。并 改善开始堆焊时焊层与母材的熔合。因此，必须在堆焊前对轧辊预热。 堆焊过程中应控制预热及层间温度高于m s 点，避免堆焊金属发生马氏体相变及淬 回火效应，应使整个堆焊层焊完之后在热处理电炉中同时进行马氏体转变，只有这样才 能保证堆焊层的组织、硬度均匀性。在预热过程中要求的原则是确保辊坯从外到里热透。 1 0 第一章绪论 辊芯( 旧辊坯) 的预热，原则上要求必须在电炉内进行。对于预热温度及层间温度 要求不高的冶金轧辊，也可在堆焊设备上边旋转边用火焰加热。 ( 3 ) 焊接 焊接是堆焊成败的关键环节，要获得理想的堆焊层必须综合考虑某些可变因素，如： 焊接电压、焊接速度、轧辊转数、轧辊的保温、焊接电流、焊接材料等，对一些含碳及 合金元素高的辊芯，为防止脆性区的裂纹，除一定的预热措施外，多采用低碳低合金过 渡层进行预先堆焊过渡层。 h ) 焊后处理 堆焊完后，为了减少由于表面和内部冷速不一造成体积应力而引起裂纹，要控制冷 速。一般控制冷速和加热速度大致相同，冷至1 0 0 时要保温一定时间，冷至5 0 c 以下 可不再控制冷速。同时焊后也必须进行回火处理。焊后热处理的主要目的是为改善焊后 组织和消除焊接应力，同时使碳化物能够在基体组织上弥散析出，从而形成二次硬化， 进一步提高轧辊堆焊工作层的硬度和耐磨性。回火温度高，内应力消除彻底，但硬度降 低。因而回火温度的选择，既要保证轧辊表面一定的硬度，又要尽量消耗内应力。回火 的保温时间通常按轧辊直径方向1 2 7 h c m 确定，多在4 1 0 小时内选取，冷却大部分是 随炉缓冷，降至1 5 0 后可空冷。热处理工艺曲线如图1 3 所示： 图1 3 热处理工艺曲线【2 1 】 f i g 1 3t h ec u r v eo fh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s 出炉 ( 5 ) 热处理后检查、机加工和成品检测 对经过焊后回火热处理后的堆焊轧辊进行粗j j n - r ，然后进行半成品检验，包括：超 声波探伤、硬度检查、外观检查、几何形状及粗加工尺寸检查等。堆焊层的着色探伤( p t ) 或磁粉探伤( m t ) 检查在轧辊最终机械加工完成后进行。 大连交通大学工学硕士学位论文 1 4 本课题研究的目的和内容 1 4 1 研究目的 连铸辊是连铸机顺利生产的关键部件，其高温强度和使用寿命直接影响连铸的产 量，每个钢厂每年都要消耗大量连铸辊，由于消耗量大，连铸辊价格昂贵，越来越引起 技术人员和备件管理部门的重视。连铸辊质量的优劣，不仅直接影响其使用寿命，而且 对钢材的质量、生产率和生产成本都有很大影响。而采用堆焊方法修复的复合辊，不但 成本低，节约能源、减少污染，而且能提高连铸辊使用寿命，降低连铸辊消耗量，合理 使用及节约合金元素，堆焊复合辊在性能上较其它方法制造的连铸辊有较大优势，产品 综合性能好，使用寿命高，而且可反复修复多次，制造成本低。另外，堆焊复合冶金连 铸辊( 替代部分铸铁辊) 可解决钢铁行业生产中的断辊问题，可提高轧机的生产作业率， 降低总辊耗，从而能为轧钢企业创造巨大的经济效益。另一方面，由于连铸辊辊芯材料 的多次反复使用，大大节约了金属合金材料，充分合理地利用了资源，符合国家要求的 再制造工程理念，具有较好的社会效益。 本课题旨在研究堆焊工艺规范和焊后冷却速度对堆焊层性能影响规律等问题，合理 提高埋弧堆焊堆焊层的使用性能，为连铸辊堆焊工艺的优化提供理论依据。为工艺研究 人员提供有益的参考，以进一步推进连铸辊埋弧堆焊工艺在工业生产上的应用。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 不同焊接规范对堆焊层组织与性能的影响 选用w l d c 专用焊材在2 1 c r m o v 5 11 钢连铸辊基体上进行药芯焊丝埋弧堆焊工艺 试验，利用光学显微镜、硬度仪、磨损试验机等仪器对堆焊层进行了化学成分检测、显 微组织分析，并测试了堆焊金属的硬度以及耐磨性，讨论了堆焊层的组织状态和分布对 性能的影响。 ( 2 ) 不同焊后冷却速度对堆焊层组织与性能的影响 选用y j l 0 2 s ，y j l 0 1 n s 两种焊材在4 2 c r m o 钢连铸辊基体上进行药芯埋弧堆焊工 艺试验，利用光学显微镜、硬度仪、磨损试验机等仪器对堆焊层进行了化学成分检测、 显微组织分析，并测试了堆焊金属的硬度以及耐磨性，对堆焊层中n 元素的存在行式以 及组织状态对性能的影响进行了讨论。 1 2 第二章试验材料与方法 第二章试验材料与方法 2 1 试验材料 连铸辊基体分别采用2 1 c r m o v 5 1 1 钢( 规格：1 5 0 m m x 3 0 0 m m ) 和4 2 c r m o 钢( 规 格：0 1 0 0 m m x 3 0 0 m m 、m 1 5 0 m m 3 0 0 m m 、3 0 0 m m x 3 0 0 m m ) 。其化学成分如表2 1 所 示【2 2 】。 表2 1 基体化学成分( w t ) t a b l e2 1t h ec o m p o s i t i o no f s u b s t r a t em a t e r i a l 材料 cm ns in ic rm on b v f e 最大 0 2 50 5 00 6 00 6 01 5 01 2 00 3 5 余量 2 1 c r m o v 5 1 1 最小 0 】7o 3 0o 3 00 6 01 2 01 0 0o 2 5 余量 测试值 o 2 00 4 00 4 50 6 01 4 01 0 00 3 0 余量 最大 0 4 50 8 00 3 71 2 00 2 5余量 4 2 c r m o 最小 o 3 80 5 00 1 70 9 00 1 5 余量 测试值 0 4 0o 6