高硬度耐磨辊堆焊技术的研究与应用

张 杨

（河钢唐钢检修分公司，河北 唐山 063000）

随着冶金工业技术工艺和装备水平的迅猛发展，对冶金设备零(部)件也提出了更高的技术要求。冶金设备很多是在高温、高压、高负荷、高磨损条件下工作，要求表面有较高的耐磨，耐冲击，耐疲劳(交变应力、热应力)，耐冲蚀、腐蚀等性能。采用表面工程技术对零部件表面进行强化修复再制造，能够极大提高冶金零部件耐疲劳、耐磨损、耐腐蚀等性能，延长使用寿命，在冶金部件的制作和修复中应用广泛。堆焊技术作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，其具有堆焊层金属成分和性能调整方便，堆焊层厚度大，生产效率高，操作性强等一系列特点，所获得的再制造产品在技术性能上和质量上都能达到甚至超过新品的水平，被广泛应用于轧钢系统中各种输送辊道的制作和再制造修复。典型应用就是卷取机夹送辊、精除鳞夹送辊、热卷箱弯曲等高硬度辊的堆焊修复。卷曲夹送辊是热连轧机组地下卷取机的重要备件，分别负责着将热轧后的钢板导向和辅助成卷的任务。夹送辊工作时辊面温度在550℃～650℃之间，还要承受较大的压力，因此辊面易出现粘钢、龟裂和磨损等问题导致失效[1]，这就要求夹送辊辊辊面具有良好的高温耐磨性、抗高温氧化性、耐粘钢性和较好的中高温强韧性能[2]。热卷箱弯曲辊作为辅助热轧板坯中间成卷保温的重要部件，其辊面的抗粘钢性能、耐冷热疲劳性能和耐磨性能的好坏将直接影响带钢表面质量。因此通过对不同辊道的使用工况进行分析，从优化表面堆焊材料合金体系入手，系统研究堆焊材料的金相组织、硬度及耐磨性的关系，制定合理的堆焊工艺，满足上述输送辊类产品的所需的抗磨损、耐高温、耐冷热疲劳、抗粘钢性能，对于保证板材质量，减少停机换辊时间，提高作业效率具有重要意义。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

工作层堆焊熔敷金属各组分的质量百分比：碳0.20%~0.32%；铬5.0%~7.0%；硅1.40%~1.80%；锰1.20%~1.80%；钒0.20%~0.60%；钼0.20%~0.70%；镍、钛、铌＜1.0%，铁余量。

采用 DC-1000 堆焊电源进行埋弧堆焊试验，采用直流反接，焊丝直径为 Φ3.2。基体材质为Q235B，试板规格为25mm×200mm×200mm，过渡层堆焊厚度为 1.5mm～2mm，工作层堆焊厚度为 5mm~6mm， 具体堆焊工艺参数见表1。

表1 堆焊工艺参数

1.2 试验方法

采用DMM-480C 型光学显微镜下观察堆焊层的金相组织。HL-200里氏硬度计测量堆焊硬度值，ML- 10磨粒磨损试验机进行常温耐磨性试验，试验载荷为 3kg，转速为 100 转 / 分，磨损时间为 30min。

2 试验结果及分析

2.1 显微组织分析

堆焊后的试板经530℃×2h 回火后，随炉冷却到室温。取堆焊层横截面金相试样，用 4%硝酸酒精溶液腐蚀，在DMM-480C型光学显微镜下观察堆焊层的显微组织，如图1 所示。

图1 熔覆金属组织形貌

从熔覆金属组织形貌图分析，少部分的马氏体存在于这一组织形态中，另外还发现一些少量的残余奥氏体和马氏体，枝晶间均匀分布碳化物，实施堆焊操作，大量溶入基体组织的碳化物起固溶强化作用，回火时 Mo、W、V 等合金元素以细小碳化物的形式弥散析出，起到弥散强化的作用。

2.2 硬度测试分析

采用 HL-200 里氏硬度计测量堆焊试样的硬度值，结果见表2。

表2 硬度检测结果

从表2中可以看出，焊态组织的硬度为HRC53 -55，经过530℃ 回火后，硬度为HRC57-59，说明经过回火处理后，熔覆组织中成分更均匀，碳化物硬质相析出数量增多。

2.3 耐磨性试验分析

磨损试验时，固定砂纸，试盘压在其上并发生转动。用千分之一分析天平称量试盘磨损前后的质量，结果见表3。

表3 磨损试验结果

3 堆焊技术的实际应用

3.1 卷曲夹送辊堆焊实例

3.1.1 卷曲上夹送辊修复工艺流程

卷曲上夹送辊修复工艺的具体的操作步骤如下：

（1）焊前车削加工：将夹送辊的辊面缺陷及疲劳层去除，并将辊身直径车削至876mm。

（2）无损探伤检测：对已车削的辊坯分别进行渗透检测和超声波检测无缺陷。

（3）焊前预热：将待焊夹送辊装入电加热炉内预热，升温速度为50℃/h，预热保温温度为350℃，恒温6小时后开始堆焊。

（4）堆焊过渡层：在轧辊自动埋弧堆焊设备上，进行双机头单丝圆周方向连续螺旋自动埋弧堆焊，采用前述过渡层堆焊合金药芯焊丝，直径￠3.2mm，匹配焊剂HJ260，堆焊一层过渡层。

过渡层堆焊规范为：焊接电流360A~400A，电弧电压30V~34V，焊接线速度480mm/min~500mm/min，焊道搭接量50%~52%，层间温度控制在320℃~350℃。

（5）堆焊工作层：采用前述工作层堆焊合金成分药芯焊丝，焊丝直径￠3.2mm，匹配熔炼焊剂HJ260，亦可匹配高碱度烧结型焊剂以改善高温脱渣性。堆焊规范：焊接电流360A~380A，电弧电压28V~30V，焊接线速度460mm/min~480mm/min，焊道搭接量50%~52%，层间温度控制在300℃~320℃。单层堆焊厚度2mm左右，并一直连续堆焊至夹送辊使用直径并预留6mm~8mm加工余量[3]。

采用自主设计的陶瓷加热保温罩对夹送辊堆焊过程进行加热保温，确保层间温度不低于320℃，保证组织均匀性和硬度的均匀性，降低裂纹敏感性。

（6）焊后热处理：堆焊完毕的夹送辊在350℃均温一小时，然后以50℃/小时降温速度冷却到100℃~150℃，准备进退火炉回火。

将夹送辊入炉进行回火处理，温度为530℃，升温速度50℃/h，保证辊坯堆焊工作层温度均匀；保温时间6~8小时。随炉缓冷至100℃以下出炉，并在静止空气中冷却至室温[4-6]。

（7）辊身半精加工：根据图纸对辊身进行半精车加工，留0.8mm~1mm加工余量。

（8）无损探伤检测：对辊面进行渗透探伤，堆焊层没有气孔、夹渣、微裂纹等缺陷。

（9）辊身磨削：采用数控外圆磨床对辊身进行精密磨削，尺寸和精度满足图纸要求。

（10）成品硬度检测：对辊面按A,B, C,D四条母线进行硬度检测，相邻母线间剖面夹角为90°，每条母线上测10点硬度值,经检测硬度平均值为57-59HRC，满足图纸要求。

（11）无损探伤检测：对夹送辊辊身堆焊层进行超声波检测，没有发现砂眼，气孔，夹杂物、微裂纹等缺陷。

图2 修复的卷曲上夹送辊成品

3.1.2 上线使用效果

上夹送辊在使用1个周期后，辊面磨损量为1mm，硬度基本上没有变化，也没有出现粘钢的现象，夹送辊全寿命周期过钢量达到80万吨，使用寿命超过行业60万吨的水平，使用效果良好。

3.2 热卷箱托辊堆焊应用实例

采用上述工艺方案对唐钢1810线热卷箱弯曲辊进行堆焊修复，有效堆焊层厚度6mm，出厂硬度为HRC56-58，成品见图3。经上线使用证实，弯曲辊辊面硬度均匀，没有发生粘钢和异常磨损现象，使用寿命由不足6个月提升至12个月以上，使用效果良好。

图3 热卷箱弯曲辊成品

4 结论

通过优化表面堆焊材料合金体系，研究堆焊材料的金相组织、硬度及耐磨性的关系，制定合理的堆焊工艺，开发出一套成熟的高硬度耐磨辊道堆焊修复技术工艺流程。采用该技术成功对轧钢关键部件卷曲上夹送辊、热卷箱弯曲辊等辊道实施堆焊修复，修复后辊面硬度在HRC57-59之前。经上线使用证实，辊面具有优良的抗磨损、耐高温、耐冷热疲劳、抗粘钢等性能，使用寿命得到较大提高，对于减少停机换辊时间，提高作业效率，保证轧钢产线顺行具有重要推广意义。