熱軋輥堆焊材料及工藝研究.doc

熱軋輥堆焊材料及工藝研究 2008-01-31 14:23來源: 網(wǎng)絡 作者：admin 網(wǎng)友評論 0 條 瀏覽次數(shù) 50 沈風剛盧學剛陳自強許冷千薛錦(西安交通大學) 摘要研究了Cr-W-V和Cr-Mo-V堆焊金屬在熱疲勞試驗過程中組織的變化行為以及化學成分和組織對耐熱疲勞性能和耐磨性能的影響，并制定了合理可行的夾送輥和助卷輥的堆焊工藝。研究結果表明，起彌散強化作用的鎢的碳化物在熱疲勞試驗過程中易于聚集長大，從而降低熱疲勞強度；在Cr-Mo-V堆焊金屬中加入小于1 %的鎳，會提高熱疲勞性能，但加入過多的鎳則顯著降低相變溫度(Ac1)，并對耐磨性不利；基體組織為均一、穩(wěn)定的板條馬氏體，且在其上分布著彌散、穩(wěn)定的釩的碳化物，有利于抗熱疲勞和抗磨損。關鍵詞熱軋輥堆焊熱疲勞性能磨損STUDY ON SURFACING MATERIALS AND TECHNOLOGYFOR HOT ROLLING MILL ROLLS SHEN FenggangLU XuegangCHEN ZiqiangXLengqianXUE Jin(Xian Jiaotong University)ABSTRACTIn the paper,the change of microstructure of Cr-W-V & Cr-Mo-V building up metals during thermal fatigue test has been investigated,and the effects of chemical composition and microstructure on the resistance to thermal fatigue and wear have been analyzed.It is shown that tungsten carbides which are contributor of dispersed phase hardening are easy to gather and grow up and the resistance to thermal fatigue is reduced consequently,the thremal fatigue resistance will be raised by adding Ni less than 1 % in surfacing metals,excessive Ni will reduce the transformation temperature (Ac1)evidently and also do harm to wear resistance.The structure of homogeneous and stable lath martensite as matrix with stable fine vanadium carbides on is of advantage to resist thermal fatigue and wear.KEY WORDShot rolling rolls,surfacing,thermal fatigue property,wear冶金熱軋輥是鋼鐵企業(yè)軋鋼設備上的關鍵零件。軋輥質量的好壞、使用壽命的長短影響到軋機的作業(yè)率、鋼材的質量、維修費用等，最終將直接影響到鋼材的成本。軋輥的工作表面直接接觸軋材，由于受到工作壓力、沖擊、磨損、熱作用等，經(jīng)過一段工作時間以后，軋面會發(fā)生損壞，因此，需采用表面堆焊技術對其進行修復。有關熱疲勞問題，國內外雖然進行了大量的研究工作1，但主要是在如何分析、計算及控制熱應力方面，而對于成分和組織對熱疲勞性能的影響及有關熱疲勞過程中的組織變化機制的研究卻不多。提高材料的熱疲勞性能和耐磨性能有時是矛盾的，如何處理好這一矛盾，使熱軋輥表面堆焊金屬獲得良好的綜合性能是一個重要課題。本文擬對這些內容加以研究和探討，摸索出一定的規(guī)律。1表面堆焊金屬合金系統(tǒng)的選擇和組織的確定 1.1合金系統(tǒng)的選擇從影響熱疲勞和磨損的內在因素來看，選擇熱軋輥表面堆焊材料的合金系統(tǒng)首先應滿足熱穩(wěn)定性好這一要求，在此基礎上再通過調整堆焊金屬的化學成分和組織來滿足其它各方面的性能要求，從而最終獲得具有良好耐熱疲勞和耐磨損性能的堆焊金屬。熱穩(wěn)定性較好的耐熱合金系統(tǒng)有：Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-W-V、Cr-W-V-B和Cr-Mo-V-Ti-B等。其中鎢、釩均能析出強化，這對進一步提高材料的高溫性能有利，但含鎢較高的材料，其耐熱疲勞性能較差2；鈦、硼雖可提高鋼的晶界強度和韌性等，但鈦、硼不易過渡。故基于以上的考慮，本文選用Cr-W-V和Cr-Mo-V合金系統(tǒng)作為熱軋輥表面堆焊金屬的基本合金系統(tǒng)。1.2組織的確定為獲得良好的耐熱疲勞性和耐磨性，堆焊金屬應具有合適的組織。從材料的力學性能對熱疲勞性和耐磨性的影響看，提高材料的強度和硬度有利于提高熱疲勞性和耐磨性，但熱疲勞性還要求材料的組織要有較好的塑性、韌性，以減緩熱疲勞裂紋的擴展。在焊接條件下，板條馬氏體是比較理想的組織。從材料的耐磨性角度來看，基體組織中第二相對材料耐磨性有重要影響。在馬氏體基體上分布著均勻細小的碳化物尤其是高硬度的合金碳化物比單一的馬氏體組織具有更高的耐磨性3。所以，熱軋輥表面堆焊金屬為了能夠滿足耐熱疲勞和耐磨性能的要求，應該具有板條馬氏體的基體組織，在回火時能彌散析出特殊碳化物，使材料性能得到進一步的改善。2試驗材料及方法 2.1試驗材料堆焊母材采用Q235鋼板。試驗選用H3Cr2-W8V和H25Cr3Mo2MnVA兩種焊絲，焊劑為HJ260和研制的MgO-CaF2-SiO2-Al2O3渣系的堿性燒結焊劑。表1為焊絲的化學成分。2.2試驗設備和方法表 1焊絲的化學成分%Table 1The chemical composition of welding wire%焊絲CMnSiSPCrWMoVH3Cr2W8V0.3280.3000.2252.5507.980.35H25Cr3Mo2MnVA0.2601.2100.4960.030.023.1801.520.51采用M11000埋弧焊機在Q235鋼板上堆焊來制備試樣，焊接工藝參數(shù)見表2。不同的試樣編號見表3。表面堆焊金屬試樣的熱疲勞試驗和耐磨性能試驗分別在Gleeble150熱模擬試驗機和ML10磨料磨損試驗機上進行。在薄膜透射電鏡(TEM)下對表面堆焊金屬在熱疲勞試驗前后的微觀組織進行觀察分析。 表 2埋弧堆焊工藝參數(shù)Table 2Process parameters of submerged arc surface welding焊接極性焊絲直徑/mm焊接電流/A焊接電壓/V焊接速度/m*h-1層溫/焊后狀態(tài)直流反接440045029322025100150空冷3試驗結果與分析 3.1組織和成分對熱疲勞性能的影響圖1為兩種合金系統(tǒng)(Cr-W-V和Cr-Mo-V)的堆焊金屬板狀試樣在不同焊后狀態(tài)下的熱疲勞試驗結果。從中可看到，試樣在焊態(tài)下的熱疲勞強度最低，經(jīng)600 回火后的熱疲勞強度最高，而經(jīng)900 退火后的熱疲勞強度居于以上兩者之間。以上三種試驗狀態(tài)下，Cr-Mo-V合金系統(tǒng)堆焊金屬的熱疲勞表 3試樣編號Table 3The numbers of specimen試樣號焊絲焊劑試驗前狀態(tài)1-1H3Cr2W8VHJ260焊態(tài)1-2H3Cr2W8VHJ260600 回火4 h1-3H3Cr2W8VHJ260900 退火4 h2-1H25Cr3Mo2MnVAHJ260焊態(tài)2-2H25Cr3Mo2MnVAHJ260600 回火4 h2-3H25Cr3Mo2MnVAHJ260900 退火4 h3-1H25Cr3Mo2MnVA研制燒結焊劑1號600 回火4 h3-2H25Cr3Mo2MnVA研制燒結焊劑2號600 回火4 h3-3H25Cr3Mo2MnVA研制燒結焊劑3號600 回火4 h3-4H25Cr3Mo2MnVA研制燒結焊劑4號600 回火4 h注：試樣3-1、3-2、3-3、3-4采用了四種不同的研制燒結劑配方，其主要區(qū)別在于使制備的堆焊金屬試樣化學成分中鎳的含量發(fā)生變化。強度均高于Cr-W-V合金系統(tǒng)堆焊金屬在相應狀態(tài)下的熱疲勞強度。在焊態(tài)下，堆焊金屬由于物理化學上的不均勻，造成組織性能上的不均勻，加上焊接過程中的組織應力和殘余應力，從而使得材料的熱疲勞性能降低。通過焊后熱處理，使材料的組織得以改善，并降低了殘余應力，因而使得熱疲勞強度得到顯著提高。這說明，材料的組織對其熱疲勞性能有著重要影響，焊后熱處理對保證材料的熱疲勞性能有著重要的作用。用TEM法觀察1-2和2-2號試樣熱疲勞前后的組織，發(fā)現(xiàn)其基體組織在本質上并無大的差別(均為板條馬氏體+塊狀鐵素體)，但通過透射電鏡碳一級復型法觀察碳化物的變化情況，發(fā)現(xiàn)它們有很大的不同(圖2)。兩種試樣經(jīng)600 回火處理后，均在板條馬氏體基體上彌散析出細小的特殊碳化物，1-2號試樣的碳化物以M2C(Mo2C)和MC(WC及VC)為主，2-3號試樣的碳化物以MC(VC)為主，它們的大小相當，但所占的比例不同。2-2號試樣的碳化物(VC)比例要明顯大于1-2號試樣；熱疲勞后，1-2號試樣部分碳化物長大明顯，而2-2號試樣的碳化物除少量聚集外變化不大。由此可見，Cr-W-V和Cr-Mo-V合金系統(tǒng)堆焊金屬試樣組織變化的顯著不同點是基體上分布的特殊碳化物在熱疲勞過程中的聚集長大傾向。原因在于鎢的碳化物較容易聚集長大，使碳化物的彌散度減小，與相的共格聯(lián)系被破壞。相的固溶碳量減小，碳化物對位錯和晶界的釘扎作用減弱，從而降低了Cr-W-V合金系統(tǒng)堆焊金屬試樣熱疲勞過程中的強度和硬度，最終使其熱疲勞強度降低。所以，第二相(碳化物)的分布形態(tài)是影響熱疲勞性能的主要因素之一。圖 1堆焊金屬板狀試樣熱疲勞試驗結果Fig.1Thermal fatigue testing results of theplate specimen對于棒狀試樣，從圖3可看到不同鎳含量對堆焊金屬熱疲勞強度的影響，當鎳含量小于1 %時，熱疲勞強度隨鎳含量的增加而增大；但當鎳含量大于1 %以后，熱疲勞強度的總趨勢是減小的。其原因主要有兩方面：一是堆焊金屬中加入較多的鎳以后，降低了相變點Ac1；二是鎳含量大于1 %以后，力學性能的降低會對熱疲勞性能產(chǎn)生不利影響(圖4)。因此，綜合考慮鎳的影響，要提高堆焊金屬的熱疲勞性能，鎳含量控制在1 %以下是有利的。圖 21-2和2-2號試樣熱疲勞前后的碳化物TEM復型照片F(xiàn)ig.2Carbide TEM pictures of No.1-2,2-2 specimen before and after thermal fatigue test(a)1-2號試樣熱疲勞前的碳化物；(b)1-2號試樣熱疲勞后的碳化物；(c)2-2號試樣熱疲勞前的碳化物；(d)2-2號試樣熱疲勞后的碳化物圖 3堆焊金屬棒狀試樣的鎳含量及其熱疲勞試驗結果Fig.3Ni content and its thermal fatigue test results of rod specimen圖 4鎳含量對堆焊金屬力學性能的影響Fig.4Effect of the Ni content on the mechanical behaviours of surfacing metal3.2組織和成分對耐磨性能的影響堆焊金屬的耐磨性能試驗結果表明(圖5，其中相對耐磨性2-2號試樣的絕對磨損量/其他堆焊試樣的絕對磨損量)，耐磨性能與硬度有關，隨硬度的提高也相應提高。堆焊金屬的耐磨性和硬度是由堆焊金屬的化學成分和組織決定的。具有均一的板條馬氏體組織，比板條馬氏體+鐵素體組織具有更高的耐磨性和硬度。在堆焊金屬的化學成分中，碳含量對硬度和耐磨性的影響最大，一般隨碳含量的增加，硬度也增大，從而耐磨性得到提高。碳化物形成元素Cr、W、Mo、V通過提高馬氏體的回火穩(wěn)定性，從而提高馬氏體高溫硬度和耐磨性。而且鎢、釩在高溫回火時產(chǎn)生彌散的特殊碳化物，產(chǎn)生二次硬化效果，進一步提高了堆焊金屬的硬度和耐磨性。在高溫階段，釩的碳化物比鎢的碳化物穩(wěn)定，將對堆焊金屬的高溫耐磨性更有利。圖 5堆焊金屬的硬度與耐磨性Fig.5The hardness and wear resistance of the surfacing metal綜上所述，采用均一的穩(wěn)定性高的板條馬氏體基體組織，其上彌散分布著穩(wěn)定的釩的碳化物，對堆焊金屬的抗熱疲勞和抗磨損有利。4夾送輥和助卷輥堆焊工藝熱軋卷板機上夾送輥輥芯為35號鋼。助卷輥的材質為9Cr，屬于冷軋輥用鋼，它經(jīng)調質和高頻表面淬火后使用，由于碳含量高，淬硬傾向大，必須先堆焊過渡層。最終確定的夾送輥和助卷輥的堆焊工藝路線見圖6，其中夾送輥堆焊工藝路線去掉項。經(jīng)檢驗和評定，證明此堆焊工藝是完全合理、可行的。5結論(1) 熱軋輥的損壞形式主要是熱疲勞和磨損。使堆焊金屬基體組織為均一、穩(wěn)定性高的板條馬氏體，且其上分布著彌散、穩(wěn)定的釩的碳化物，將有利于其抗熱疲勞和抗磨損。(2) 堆焊金屬中起彌散強化作用的鎢的碳化物不穩(wěn)定，在熱疲勞過程中容易聚集長大，最終將降低堆焊金屬的熱疲勞強度。圖