專利名稱：Cr4、Cr5系熱軋工作輥、支撐輥堆焊復(fù)合再制造打底材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及堆焊技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及熱軋工作輥、支撐輥堆焊再制造打底材料。
技術(shù)背景
大型冶金軋輥為軋鋼生產(chǎn)中主要備件，工作過(guò)程中軋輥軋制約1000°C左右高溫金屬板，軋輥表面冷卻采用氣霧冷卻，內(nèi)部采用內(nèi)周向通水冷卻方式，高溫磨損及冷熱疲勞交錯(cuò)的影響易使工作輥出現(xiàn)裂紋、剝落等表面缺陷，造成軋輥報(bào)廢。通常軋輥報(bào)廢時(shí)其金屬損耗僅為總重的15%左右。目前國(guó)內(nèi)大部分報(bào)廢工作輥、支撐輥當(dāng)作原料回爐冶煉，造成資源和能源的巨大浪費(fèi)。為了滿足市場(chǎng)的需要，對(duì)現(xiàn)有大型冶金軋輥再制造是解決問(wèn)題的主要途徑之一。
堆焊再制造是焊接領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，它是采用焊接方式在零件表面堆敷一層具有一定性能材料的工藝過(guò)程。堆焊再制造在軋輥、尤其是熱軋輥的修復(fù)領(lǐng)域獲得了較好的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)軋輥表面進(jìn)行堆焊處理，可以明顯延長(zhǎng)軋輥壽命，降低軋鋼消耗。而對(duì)廢舊大型工作輥、支撐輥進(jìn)行再制造工程處理，可挖掘出巨大的剩余價(jià)值，再制造新品的成本約為原品的50%，而使用壽命能達(dá)到甚至超過(guò)原品，且能降低能耗60%以上，節(jié)約材料70%以上。
目前常用工作輥、支撐輥的材質(zhì)多為60CrMnMo、9Cr2、86CrMoV7、MC3A、MC5、MC6、 TO-70、SHSS、70Cr3Mo、70Cr3NiMo、H13等，即熱軋輥從最初的Cr2系發(fā)展至Cr5系鍛鋼工作輥，同時(shí)發(fā)展了價(jià)格相對(duì)昂貴的鍛造半高速鋼材質(zhì)。工作輥材質(zhì)有向Cr6、Cr7發(fā)展的趨勢(shì)。 軋輥母材向著高合金化、高性能發(fā)展，目前市場(chǎng)上主要應(yīng)用的新型母材有Cr4、Cr5系鍛鋼， 由于Cr4、Cr5軋輥中碳及合金含量比較高，所以碳當(dāng)量大，輥的表面硬度高約50HRC，下線后輥內(nèi)部存在著大量的沿晶裂紋。堆焊修復(fù)時(shí)不能直接在其表面堆焊硬度高的堆焊材料， 需首先采用打底層。
當(dāng)前堆焊再制造軋輥技術(shù)中主要存在的問(wèn)題是原輥與堆焊材料在使用過(guò)程中易于產(chǎn)生微小裂紋及層狀撕裂脫落的缺陷，因此，除調(diào)整工藝參數(shù)外亟待開(kāi)發(fā)具有良好結(jié)合性能及優(yōu)異理化性能的打底層材料。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種適用于Cr4、Cr5系熱軋工作輥、支撐輥，且具有良好結(jié)合性能及優(yōu)異理化性能的堆焊復(fù)合再制造的打底材料。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種Cr4、Cr5系熱軋工作輥、支撐輥堆焊復(fù)合再制造的打底材料，該材料的成分配比如下
C 0.02 0.10%
Mn 0.8 1.8%
Si 0.2 0.5%
Ni 4.0 8.0%
Ti 0.4 1.4%
V 0.1 0.2%
余量為！^e。
如上所述的打底材料，優(yōu)選該打底材料的P含量低于0. 018 %，且S含量低于 0. 009%。
如上所述的打底材料，其中，該打底材料還可包括以下成分中的至少一種
Cr < 2. 0%
稀土元素<0.5%
Nb <3.0%。
本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明的打底材料為一種奧氏體堆焊材料，其成分中較低的碳含量可提高材料的韌性及防裂紋擴(kuò)散能力；M是奧氏體形成元素，有利于材料韌性和裂紋的控制；添加微合金元素Nb、V可細(xì)化晶粒；Ti、稀土元素等可起到細(xì)化晶粒、結(jié)晶強(qiáng)化的作用。本發(fā)明通過(guò)優(yōu)化打底材料成分及含量，使打底材料的強(qiáng)度、韌性、工藝性和物理化學(xué)性能得到良好的匹配，測(cè)試結(jié)果顯示，該材料的沖擊韌性為48 60AKv，抗拉強(qiáng)度為 420 490MPa，收縮率為65 76%，延伸率為31 38%;徑向拉伸測(cè)試和電鏡照片顯示堆焊后形成的打底層與母材結(jié)合良好，無(wú)堆焊缺陷。


圖1 本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式中大型熱軋工作輥、支撐輥堆焊修復(fù)工藝流程圖。
圖2 顯示母材與打底材料結(jié)合處結(jié)構(gòu)的電鏡照片QOOx)。
圖3 顯示打底材料微觀結(jié)構(gòu)的電鏡照片(500x)。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的Cr4、Cr5系熱軋工作輥、支撐輥堆焊復(fù)合再制造打底材料的化學(xué)成分如表1所示
表1打底材料堆焊熔敷金屬的質(zhì)量百分比(wt% )
CCrMnSiSPNiTiV稀土NbFe打底材料0.02 0.8 0.2—4.0 0.4~0.卜0 2.0<0.009<0.0180 0.50 3.0余量0.101.80.58.01.40.2
其中，主要合金元素的作用為
1、C是影響堆焊熔覆金屬?gòu)?qiáng)度、硬度、韌性和接觸疲勞性能的主要因素，隨含碳量的降低，堆焊材料的韌性及防裂紋擴(kuò)散能力加強(qiáng)。
2、Ni是奧氏體形成元素，是保持堆焊熔敷金屬奧氏體的重要元素，同時(shí)增加堆焊熔敷金屬的強(qiáng)度、韌性、耐熱性，有利于韌性和裂紋的控制。在本發(fā)明的打底材料中，當(dāng)M 含量低于4. 0%時(shí)，材料與母材結(jié)合處易產(chǎn)生裂紋；當(dāng)Ni含量高于8%時(shí)，奧氏體化嚴(yán)重，且組織較大，造成柱狀晶粗大，強(qiáng)度、韌性下降。中的C可形成TiC微細(xì)質(zhì)點(diǎn)，該析出粒子具有沉淀強(qiáng)化的作用。TiC具有很高的熔點(diǎn)，且硬度是在MC系碳化物中最高的，是耐磨堆焊材料中極為理想的強(qiáng)化相。細(xì)小彌散分布的TiC對(duì)阻礙晶粒的長(zhǎng)大起到良好的作用。同時(shí)，鈦可以與溶解于焊接熔池中的氮形成TiN或Ti (N，C)。并且這種顆粒在1150°C以上就開(kāi)始形成。TiN和Ti(N，C)顆粒均能阻止形變奧氏體的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生及奧氏體再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用。Ti還能與鋼中的S、Mn作用形成粒狀的復(fù)合夾雜物，從而提高了鋼的冷彎性能。因?yàn)門i與S的結(jié)合比Mn與S的結(jié)合容易，Ti能從MnS中奪走S，減少M(fèi)nS的夾雜。 Ti元素既能細(xì)化晶粒又能減少夾雜物數(shù)量，改善夾雜物的形態(tài)，在提高強(qiáng)度的同時(shí)對(duì)塑性有利。在本發(fā)明的打底材料中，當(dāng)Ti含量高于1.4%時(shí)，堆焊過(guò)程中脫渣困難，容易使堆焊熔敷金屬產(chǎn)生夾渣等缺陷。
4、Mn能夠降低Y -a相變溫度，而Y _a相變溫度的降低對(duì)于熱軋態(tài)或正火態(tài)鋼材的鐵素體晶粒尺寸有細(xì)化作用。在C-Mn低合金高強(qiáng)鋼焊縫組織中，Mn含量在0. 6% 1. 8% 范圍內(nèi)時(shí)，隨著Mn含量的增加，可使焊縫金屬中AF含量顯著增加，先共析鐵素體含量明顯減少，側(cè)板條鐵素體的數(shù)量稍有下降，同時(shí)使AF細(xì)化；當(dāng)Mn含量高于1. 8%時(shí)，金屬韌性下降，出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象。
5、Si可以提高強(qiáng)度，又能降低焊縫中的氧，但Si不宜過(guò)高，若Si含量超過(guò)0. 5% 將引起焊縫金屬塑性和韌性的下降。在低氫型焊條中合理控制Μη/Si比，不僅可以體現(xiàn)聯(lián)合脫氧效果，使焊縫金屬達(dá)到較高純度，在提高強(qiáng)度的同時(shí)，還可獲得良好塑性和韌性。
6、Nb、V是強(qiáng)的碳、氮化物形成元素，同鋼中的氧、硫又有極強(qiáng)的親和力，在鋼中主要以MeC、MeN或Me (C，N)的形式存在。在C、C-Mn, C-Mn-Mo等鋼中添加這些微合金元素， 通過(guò)細(xì)化晶粒，改變相變動(dòng)力學(xué)，以及借助于過(guò)飽和狀態(tài)的脫溶過(guò)程，使鋼的強(qiáng)度、韌性、工藝性和物理化學(xué)性能得到較好的匹配，從而在較大幅度內(nèi)調(diào)整鋼鐵材料的性能。
7、稀土元素在堆焊融覆金屬中可以細(xì)化晶粒，凈化晶界，提高堆焊層質(zhì)量。
8、為消除非金屬夾雜物等雜質(zhì)而產(chǎn)生的低塑性撕裂，本發(fā)明打底材料中減少或消除了非金屬夾雜物(S、p、0、N、H)等雜質(zhì)，特別是P含量要低于0.018%，S含量要低于 0. 009%。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，采用下述工藝流程對(duì)大型熱軋工作輥、支撐輥進(jìn)行堆焊修復(fù)(參見(jiàn)圖1)
1)堆焊用輥坯整備
堆焊修復(fù)前，對(duì)舊輥輥坯進(jìn)行疲勞層車削、超聲和磁粉(或滲透)探傷、局部缺陷焊補(bǔ)、保證堆焊工作層厚度車削的整備工作。
a)輥頸探傷
在輥面加工前，對(duì)輥頸進(jìn)行超聲波和滲透探傷，若發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重缺陷(特別是輥身與輥頸過(guò)渡區(qū)內(nèi))，則終止對(duì)該輥的后道加工。
b)輥面車削加工
將輥面疲勞層完全去除，并車削至保證堆焊層厚度要求。
c)輥面探傷
對(duì)已車削輥面進(jìn)行檢測(cè)，檢查疲勞層是否車削凈及輥身是否存在裂紋等缺陷，若仍有缺陷，則需繼續(xù)車削，消除隱患。如果超聲探傷出輥坯有嚴(yán)重內(nèi)傷，則不允許再進(jìn)行該5輥坯的堆焊修復(fù)工作。
d)局部缺陷焊補(bǔ)
對(duì)于局部缺陷首先要確保缺陷完全清除，車削較深之處，可采用打底和過(guò)渡層焊材焊補(bǔ)使之平整。
2)焊前準(zhǔn)備工作
輥坯預(yù)熱前，要在輥身的兩端裝上擋環(huán)。擋環(huán)為焊接式(一次性)，用薄鋼板(厚度>6mm)制成，并環(huán)向?qū)狱c(diǎn)焊在輥身兩端。擋環(huán)的作用是托住焊劑，防止在堆焊時(shí)發(fā)生熔渣流淌，從而保證在輥身兩端得到良好的堆焊層形狀。
3)預(yù)熱
在300 400°C預(yù)熱。預(yù)熱的主要目的是降低堆焊過(guò)程中堆焊金屬及熱影響區(qū)的冷卻速度，降低淬硬傾向并減少焊接應(yīng)力，防止母材和堆焊金屬在堆焊過(guò)程中發(fā)生相變導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。
4)打底層保溫堆焊作業(yè)
a)施焊前，選用焊絲和配用燒結(jié)焊劑分別按其要求進(jìn)行烘焙，以去除水份。
b)使用具有下降電源特性的直流電源，配備帶自動(dòng)測(cè)溫、控溫系統(tǒng)的電加熱(或燃?xì)饧訜?保溫罩裝置和焊劑自動(dòng)送給裝置，在大型軋輥?zhàn)詣?dòng)埋弧堆焊專用設(shè)備上，進(jìn)行多機(jī)頭單絲圓周方向連續(xù)螺旋自動(dòng)埋弧堆焊。焊接速度為350 450mm/min。
c)堆焊過(guò)程必須連續(xù)施焊，中途不允許停止。如遇意外情況停焊時(shí)，在層間溫度保溫裝置不能保證支撐輥層間溫度時(shí)，應(yīng)盡快進(jìn)爐按預(yù)熱溫度要求保溫。
d)進(jìn)行圓周方向螺旋線堆焊時(shí)，由于輥面長(zhǎng)為防止在輥身兩端出現(xiàn)“缺肉”現(xiàn)象， 在輥身的兩端，即始焊部位和終焊部位，均應(yīng)先沿圓周方向堆焊一周(即在不移動(dòng)堆焊機(jī)頭的情況下堆焊一周)，然后再進(jìn)行螺旋線堆焊。同時(shí)為保證各堆焊層間硬度的均勻性，要求堆焊時(shí)應(yīng)使各堆焊層間的焊道位置相互錯(cuò)開(kāi)1/2焊道寬度。
e)焊接工藝參數(shù)必須合適，應(yīng)調(diào)整達(dá)到電弧穩(wěn)定，焊道成形美觀，無(wú)工藝缺陷?？刹捎枚嗯_(tái)焊機(jī)同時(shí)作業(yè)，其工藝參數(shù)必須保持一致。
f)堆焊過(guò)程中要精心操作，嚴(yán)密監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)工藝缺陷，特別是斷弧，必須暫停焊接， 把缺陷處理干凈后重新引弧堆焊。
5)中間去應(yīng)力熱處理
堆焊熱軋輥單邊高于20 25mm，需要進(jìn)行中間熱處理，熱處理溫度在420 560°C之間。
6)再次堆焊，參數(shù)同上，堆焊厚度為車完所需尺寸+10mm。
7)焊后熱處理，熱處理溫度一般在420 560°C之間。
焊后熱處理的主要目的是為改善焊后組織和消除焊接應(yīng)力。
8)車削加工及無(wú)損檢測(cè)輥坯先進(jìn)行車削、后進(jìn)行硬度及超聲和磁粉(或滲透) 探傷，若堆焊出現(xiàn)缺陷，應(yīng)重新堆焊或缺陷過(guò)大評(píng)估后報(bào)廢。
以下結(jié)合具體實(shí)例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)施例1打底材料的制備
( 一)Cr4、Cr5系熱軋工作輥、支撐輥堆焊復(fù)合再制造打底材料1和2的成分如表 2所示
表2堆焊熔敷金屬的質(zhì)量百分比(wt % )
權(quán)利要求
1.一種Cr4、Cr5系熱軋工作輥、支撐輥堆焊復(fù)合再制造的打底材料，其特征在于，該材料的成分配比如下C 0.02 0.10% Mn 0. 8 1. 8% Si 0. 2 0. 5% Ni 4. 0 8. 0% Ti 0. 4 1. 4% V 0.1 0.2% 余量為狗。
2.如權(quán)利要求1所述的打底材料，其特征在于所述打底材料的P含量低于0.018%, 且S含量低于0. 009%。
3.如權(quán)利要求2所述的打底材料，其特征在于所述打底材料還包括以下成分中的至少一種Cr < 2. 0% 稀土元素< 0. 5% Nb <3.0%。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種Cr4、Cr5系熱軋工作輥、支撐輥堆焊復(fù)合再制造的打底材料，該材料的成分配比如下C 0.02～0.10％；Mn 0.8～1.8％；Si 0.2～0.5％；Ni4.0～8.0％；Ti 0.4～1.4％；V 0.1～0.2％；余量為Fe。該打底層材料具有與輥面良好的結(jié)合性能和優(yōu)異的理化性能，能有效克服原輥與堆焊材料在使用過(guò)程中產(chǎn)生微小裂紋及層狀撕裂脫落的缺陷。
文檔編號(hào)B23K35/24GK102528222SQ201010605670
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者劉景鳳, 湯春天, 沈亞威, 王清寶, 王立志, 白波, 眭向榮, 肖靜 申請(qǐng)人:中冶建筑研究總院有限公司, 中冶焊接科技有限公司