冷轧工作辊堆焊修复气保护药芯焊丝的研制

2020-12-28许立宝张健李仕臣黄锐姜雪

焊接 2020年9期

许立宝，张健，李仕臣，黄锐，姜雪

(1.天津市金桥焊材集团股份有限公司，天津 300300；2.天津市高端装备制造焊接材料及技术企业重点试验室，天津 300300)

0 前言

作为冷轧机的关键部件，冷轧工作辊大部分由9Cr2Mo，9Cr3Mo及Cr5材料整体制造；使用过程轧制压力大、速度快、温升较高，受到交变载荷和热循环作用，易产生较严重的疲劳裂纹，导致表面剥落、磨损、划伤、粘辊。冷轧工作辊苛刻的服役工况要求其工作表面强韧性高、硬度均匀性好、耐磨损性能强[1-3]。目前国内没有成熟的堆焊修复材料产品应用，研制一种高硬度、高韧性的堆焊材料，不但能够解决钢厂冷轧工作辊堆焊修复的难题；同时也可为其它中高碳钢零部件的修复提供良好的理论与应用基础[4-5]。

文中通过大量配方试验，不断优化堆焊金属合金体系，开发了一种高硬高韧的气保护堆焊药芯焊丝，在修复冷轧工作辊方面具有独特的优势。

1 堆焊药芯焊丝的设计

1.1 渣系的选择与确定

冷轧工作辊材质为调质+表面淬火的中高碳钢，其堆焊金属的脆性倾向极大，要求焊材堆焊过程中脱氧充分，熔敷金属杂质含量低，因此研制的药芯焊丝应为净化作用强的碱性熔渣，但大幅度提高碱度并不能明显的改善韧性，反而导致焊丝工艺性能恶化，综合考虑选用CaF2-TiO2-MgO-Al型弱碱性渣系，其基础配方见表1。

表1 试验焊丝渣系主要组分含量比例范围(质量分数，%)

氟化物(BaF2，Na2SiF6，NaF)能提高堆焊金属的碱度；利用Si，Mn，Al，Mg等还原剂脱氧，降低熔敷金属氧的残余量；在酸性氧化物(TiO2，SiO2)中加入高碱度高熔点氧化物(MgO，CaO)调整熔滴过渡形态、焊接飞溅及焊道成形；开发出工艺性能优良，能实现多位置堆焊的弱碱性药芯焊丝。堆焊完成后，收集熔渣测定其含量，换算为相应氧化物，按照IIW推荐的公式(1)，计算得到该焊丝熔渣碱度为1.4～1.9。

(1)

1.2 合金系元素的选定和含量

冷轧辊堆焊层金属应满足以下性能要求：①表面具有高而均匀的硬度；②高冲击韧性和抗剥落性能；③高耐磨性和粗糙度保持能力。根据国内外的研究成果[6-8]，结合自身的实践探索，选用C-Cr-W-Mo-V-Ni多元合金元素强化，提升堆焊金属硬度、韧性和抗裂性。表2显示了试验研究的堆焊金属成分范围。

表2 试验焊丝熔敷金属化学成分范围(质量分数，%)

碳能提高堆焊金属的硬度，但同时也会极大降低其韧性，须严格控制碳含量；在抗裂性、耐磨性及热疲劳性能较优良的Cr-Mo-Ni系基础上，参考高速钢冷轧辊合金体系，添加W，V产生二次硬化作用，进一步在确保韧性的条件下提高堆焊金属的硬度和高温耐磨性[9-10]。

2 堆焊试验条件与方法

研制的焊丝选用0.6 mm×14 mm的低碳钢带125～250 μm药粉通过钢带成形法制备为直径1.6 mm的有缝药芯焊丝，填充系数为25%。

2.1 堆焊试验条件

堆焊制备硬度、化学成分、组织及耐磨性的测试件，堆焊工艺参数见表3。焊前不预热，焊后缓冷。在无焊道搭接的平整堆焊熔敷金属试板上测定硬度，并依次取金相组织观察块、摩擦磨损试验块、冲击试验件；采用HBRV-187.5型布洛维硬度计测定堆焊层硬度，采用奥林巴斯GX51倒置式金相系统观察金相组织，采用MMW-1A摩擦磨损试验机测试耐磨性(加载载荷150 N，磨损1 h，选用60 HRC的9Cr3Mo钢球对磨)，采用JB-300B型摆锤式试验机进行常温冲击吸收能量测定。

表3 堆焊工艺参数

2.2 配方试验方法

设计药芯焊丝配方秉持以下原则：①保证硬度≥55 HRC，调整堆敷金属中C及Cr，V等强碳化物形成元素；②满足硬度要求的前提下，通过调整Ni，RE和Ti的添加量，优化Mo，W与C的含量及比例，提升冲击吸收能量和耐磨性；③保证强韧性的同时，兼顾合金匹配的经济型指标。

该试验药芯焊丝的研制通过配方试验完成，首先调整并优化焊丝渣系配方，制定焊接规范；然后通过合金系组合调整焊丝的技术指标，选取合理的合金组分配比；最后观察组织，根据硬度和组织变化制定热处理规范。

3 试验结果及讨论

试验通过调整氟化物和氧化物比例，改善工艺性能；添加适量多元合金元素和稀土、Ti等细化晶粒元素，提高堆焊金属的强韧性和耐磨性；制定适用于该焊丝堆焊的工艺参数。最终研制了使用性能良好的高硬度高韧性气保护药芯焊丝。

3.1 研制焊丝的试验结果

该试验研制的气保护药芯焊丝能实现平、横、立多种位置堆焊，焊接过程电弧稳定、飞溅小、成形良好、易脱渣，堆焊焊道如图1所示，工艺指标测试结果见表4，能满足冷轧辊现场局部或整体堆焊修复的工艺性要求。表中的测试结果均在26 V/250 A、平焊条件下测定；测试方法参照GB/T 25776—2010《焊接材料焊接工艺性能评定方法》。

图1 研制的焊丝堆焊焊道情况

表4 试验焊丝工艺指标测试结果

该试验研制的气保护药芯焊丝堆焊金属硬度高且均匀性好，焊后无裂纹、冲击韧性良好，耐金属间摩擦磨损性能优良。下面给出两种典型合金系的堆焊熔覆层成分及硬度分别见表5、表6，组织及耐磨性分别如图2、图3所示。

表5 典型试验焊丝熔敷金属化学成分(质量分数，%)

表6 典型试验焊丝熔敷金属硬度、冲击韧性及耐磨性

图2 1号焊丝熔敷金属金相组织

研制的1号和2号焊丝堆敷金属经580 ℃×6 h回火后，硬度均有明显增加，特别是2号焊丝的硬度层提高了7 HRC；常温冲击吸收能量均有所下降；摩擦磨损性能均提升，其中2号焊丝堆焊金属热处理后的相对耐磨性是9Cr3Mo(60 HRC)对磨钢球的1.14倍。两种焊丝的堆敷金属组织均为马氏体基体+残余奥氏体+碳化物。1号焊丝Mn含量为3.56%，其组织中的残余奥氏体的占比较高，回火后在部分区域内连成片分布，但回火析出的鱼骨状二次穿晶碳化物增多，且体积长大的比较明显；2号焊丝堆焊金属的共晶碳化物为块状，回火析出的二次碳化物更细小弥散，但残余奥氏体分解在晶界处形成了脆硬的高碳针状马氏体组织。

图3 2号焊丝熔敷金属金相组织

3.2 试验结果讨论

3.2.1C对硬度的影响

在该试验研究的合金体系中，当堆敷金属中其他元素含量同2号焊丝，C含量从0.45%增加至0.80%时，堆焊层硬度先增后降，C含量为0.69%时硬度达到最高，如图4所示(热处理态为580 ℃×6 h回火处理)。分析认为，随着C含量增加，Ms点降低，残余奥氏体含量增多；但同时形成碳化物的数量增多，其质点间距减小，对马氏体基体的硬化作用加强；C含量在0.45%～0.69%区间内，碳化物强化作用大于残余奥氏体增加的软化作用，但其含量超过0.69%时，马氏体数量不断减少，残余奥氏体占比不断增多，碳化物的强化效果难以弥补基体软化造成的影响，导致堆焊层宏观硬度降低。

图4 熔敷金属C含量对硬度的影响

3.2.2Cr/V, Mo/W对耐磨性的提高

在该试验研究的合金体系中，Cr能提高堆焊金属的淬透性；W, Mo的对组织转变和性能的影响大致相同，差别在于Mo引起组织转变的温度较低，热稳定性不如W，且W原子半径大、弹性模量高，与位错产生交互作用更强，形成固溶强化的作用更强；V是主要的二次硬化元素，不仅有利于MC型碳化物的形成，而且能促使层片状M2C型碳化物的形成，抑制骨骼状M6C型碳化物。

该试验合金系中Cr, Mo, W, V四种碳化物共存，仅提高某单一元素的含量未必能增加堆焊金属的耐磨性。试验发现，熔敷金属Cr, Mo, W, V四种元素总量低于6%时，堆焊层耐摩擦磨损性能提高不明显，与60 HRC的9Cr3Mo钢球对磨时，失重量是对磨钢球的2倍；但总量超过10%时，堆敷金属的冲击吸收能量和抗裂性会出现大幅度降低，因此，熔敷金属(Cr+Mo+W+V)总量在6%～10%时，堆焊组织耐磨性较优。此外，熔敷金属中(Cr+V)/(Mo+W)=1～1.4时，碳化物(包括共晶碳化物和二次碳化物)在马氏体基体中的含量最多，耐磨骨架排列较致密，方向性也较好，堆焊层抗磨损性能较优。

3.2.3Ni, RE+Ti对抗裂性和韧性的改善

在该试验研究的合金体系中，Ni是除Mn外唯一添加的非碳化物元素，可降低相变温度，提高堆焊金属的韧性。该焊丝熔敷金属中Ni含量为1.0%左右时，韧化作用较为明显。

该研究从冶金变质角度出发，采用RE/Ti微合金化方法细化堆焊金属组织，改善抗裂性和韧性。在2号焊丝合金组成中添加稀土元素、Ti元素考察其对韧性的改善，试验结果分别如图5、图6所示。试验结果表明，加入稀土元素后，使得原堆敷金属中弥散分布的细小夹杂物数量增多，这些夹杂物可在结晶冷却过程

图5 焊丝不同(RE+Ti)添加量时熔敷金属金相组织

图6 焊丝(RE+Ti)添加量对冲击性能的影响

中作为一次碳化物的异质形核核心，进而起到净化堆敷金属和球化夹杂物的作用；加入强碳化物形成元素Ti后，与原熔敷金属中的C结合生成TiC，可在结晶过程中作为异质核心促进形核，进而减少晶界上鱼骨状共晶碳化物的数量，使得块状碳化物增多，细化晶粒并增加位错马氏体的数量，改善韧性。但冶金变质剂的添加量超过一定值时，其异质形核能力受限，对堆焊金属的净化作用将减弱，反而会变为杂质存在，使得冲击吸收能量下降。该焊丝(RE+Ti)的添加量在2%时，韧性最优。

3.2.4回火温度对堆焊金属硬度的影响

轧辊堆焊后必须立即进行及时的回火处理，以消除堆焊层产生的热应力，避免冷裂纹的产生。该研究考察了不同回火温度对硬度的影响，其结果如图7所示。最终制定了该试验焊丝堆焊金属热处理规范为580 ℃×6 h。

图7 回火温度对硬度的影响

试验结果显示:该试验焊丝堆敷金属在490～580 ℃回火处理时，堆焊层硬度随回火温度升高而增大；到580 ℃达到最高；但在580～640 ℃区间内，堆焊层硬度随回火温度升高而降低。分析认为，随着回火温度提高，弥散碳化物析出的数量增多，二次硬化作用增强；但同时二次碳化物析出将导致基体中的碳含量下降，进而引起堆敷金属硬度下降，减弱二次碳化物析出的强化作用。该焊丝在580 ℃以下回火时，析出强化作用大于基体的软化，堆敷金属的宏观硬度有所提高，直到580 ℃时，强化作用与弱化达到平衡，堆敷金属硬度达到最高值；此后随回火温度提高，合金元素的扩散速度加快，析出的碳化物颗粒以及分解产生的复合渗碳体颗粒将进一步长大，呈网状分布，使二次硬化效果逐渐降低，同时基体中C及合金元素的含量进一步降低，基体软化，堆敷金属硬度下降。