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(lái)源: 網(wǎng)絡(luò) 作者：admin 網(wǎng)友評(píng)論 0 條 瀏覽次數(shù) 50 沈風(fēng)剛盧學(xué)剛陳自強(qiáng)許冷千薛錦(西安交通大學(xué)) 摘要研究了Cr-W-V和Cr-Mo-V堆焊金屬在熱疲勞試驗(yàn)過(guò)程中組織的變化行為以及化學(xué)成分和組織對(duì)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(jié)果表明，起彌散強(qiáng)化作用的鎢的碳化物在熱疲勞試驗(yàn)過(guò)程中易于聚集長(zhǎng)大，從而降低熱疲勞強(qiáng)度；在Cr-Mo-V堆焊金屬中加入小于1 %的鎳，會(huì)提高熱疲勞性能，但加入過(guò)多的鎳則顯著降低相變溫度(Ac1)，并對(duì)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(guān)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(shè)備上的關(guān)鍵零件。軋輥質(zhì)量的好壞、使用壽命的長(zhǎng)短影響到軋機(jī)的作業(yè)率、鋼材的質(zhì)量、維修費(fèi)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(guò)一段工作時(shí)間以后，軋面會(huì)發(fā)生損壞，因此，需采用表面堆焊技術(shù)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。有關(guān)熱疲勞問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外雖然進(jìn)行了大量的研究工作1，但主要是在如何分析、計(jì)算及控制熱應(yīng)力方面，而對(duì)于成分和組織對(duì)熱疲勞性能的影響及有關(guān)熱疲勞過(guò)程中的組織變化機(jī)制的研究卻不多。提高材料的熱疲勞性能和耐磨性能有時(shí)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(gè)重要課題。本文擬對(duì)這些內(nèi)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(nèi)在因素來(lái)看，選擇熱軋輥表面堆焊材料的合金系統(tǒng)首先應(yīng)滿足熱穩(wěn)定性好這一要求，在此基礎(chǔ)上再通過(guò)調(diào)整堆焊金屬的化學(xué)成分和組織來(lái)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(qiáng)化，這對(duì)進(jìn)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(qiáng)度和韌性等，但鈦、硼不易過(guò)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(yīng)具有合適的組織。從材料的力學(xué)性能對(duì)熱疲勞性和耐磨性的影響看，提高材料的強(qiáng)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(kuò)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(lái)看，基體組織中第二相對(duì)材料耐磨性有重要影響。在馬氏體基體上分布著均勻細(xì)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(yīng)該具有板條馬氏體的基體組織，在回火時(shí)能彌散析出特殊碳化物，使材料性能得到進(jìn)一步的改善。2試驗(yàn)材料及方法 2.1試驗(yàn)材料堆焊母材采用Q235鋼板。試驗(yàn)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(jié)焊劑。表1為焊絲的化學(xué)成分。2.2試驗(yàn)設(shè)備和方法表 1焊絲的化學(xué)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(jī)在Q235鋼板上堆焊來(lái)制備試樣，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。不同的試樣編號(hào)見(jiàn)表3。表面堆焊金屬試樣的熱疲勞試驗(yàn)和耐磨性能試驗(yàn)分別在Gleeble150熱模擬試驗(yàn)機(jī)和ML10磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。在薄膜透射電鏡(TEM)下對(duì)表面堆焊金屬在熱疲勞試驗(yàn)前后的微觀組織進(jìn)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(yàn)結(jié)果與分析 3.1組織和成分對(duì)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(yàn)結(jié)果。從中可看到，試樣在焊態(tài)下的熱疲勞強(qiáng)度最低，經(jīng)600 回火后的熱疲勞強(qiáng)度最高，而經(jīng)900 退火后的熱疲勞強(qiáng)度居于以上兩者之間。以上三種試驗(yàn)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(hào)Table 3The numbers of specimen試樣號(hào)焊絲焊劑試驗(yàn)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(jié)焊劑1號(hào)600 回火4 h3-2H25Cr3Mo2MnVA研制燒結(jié)焊劑2號(hào)600 回火4 h3-3H25Cr3Mo2MnVA研制燒結(jié)焊劑3號(hào)600 回火4 h3-4H25Cr3Mo2MnVA研制燒結(jié)焊劑4號(hào)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(jié)劑配方，其主要區(qū)別在于使制備的堆焊金屬試樣化學(xué)成分中鎳的含量發(fā)生變化。強(qiáng)度均高于Cr-W-V合金系統(tǒng)堆焊金屬在相應(yīng)狀態(tài)下的熱疲勞強(qiáng)度。在焊態(tài)下，堆焊金屬由于物理化學(xué)上的不均勻，造成組織性能上的不均勻，加上焊接過(guò)程中的組織應(yīng)力和殘余應(yīng)力，從而使得材料的熱疲勞性能降低。通過(guò)焊后熱處理，使材料的組織得以改善，并降低了殘余應(yīng)力，因而使得熱疲勞強(qiáng)度得到顯著提高。這說(shuō)明，材料的組織對(duì)其熱疲勞性能有著重要影響，焊后熱處理對(duì)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(hào)試樣熱疲勞前后的組織，發(fā)現(xiàn)其基體組織在本質(zhì)上并無(wú)大的差別(均為板條馬氏體+塊狀鐵素體)，但通過(guò)透射電鏡碳一級(jí)復(fù)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(xì)小的特殊碳化物，1-2號(hào)試樣的碳化物以M2C(Mo2C)和MC(WC及VC)為主，2-3號(hào)試樣的碳化物以MC(VC)為主，它們的大小相當(dāng)，但所占的比例不同。2-2號(hào)試樣的碳化物(VC)比例要明顯大于1-2號(hào)試樣；熱疲勞后，1-2號(hào)試樣部分碳化物長(zhǎng)大明顯，而2-2號(hào)試樣的碳化物除少量聚集外變化不大。由此可見(jiàn)，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(diǎn)是基體上分布的特殊碳化物在熱疲勞過(guò)程中的聚集長(zhǎng)大傾向。原因在于鎢的碳化物較容易聚集長(zhǎng)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(duì)位錯(cuò)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(guò)程中的強(qiáng)度和硬度，最終使其熱疲勞強(qiáng)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(yàn)結(jié)果Fig.1Thermal fatigue testing results of theplate specimen對(duì)于棒狀試樣，從圖3可看到不同鎳含量對(duì)堆焊金屬熱疲勞強(qiáng)度的影響，當(dāng)鎳含量小于1 %時(shí)，熱疲勞強(qiáng)度隨鎳含量的增加而增大；但當(dāng)鎳含量大于1 %以后，熱疲勞強(qiáng)度的總趨勢(shì)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(diǎn)Ac1；二是鎳含量大于1 %以后，力學(xué)性能的降低會(huì)對(duì)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(hào)試樣熱疲勞前后的碳化物TEM復(fù)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(hào)試樣熱疲勞前的碳化物；(b)1-2號(hào)試樣熱疲勞后的碳化物；(c)2-2號(hào)試樣熱疲勞前的碳化物；(d)2-2號(hào)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(yàn)結(jié)果Fig.3Ni content and its thermal fatigue test results of rod specimen圖 4鎳含量對(duì)堆焊金屬力學(xué)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(duì)耐磨性能的影響堆焊金屬的耐磨性能試驗(yàn)結(jié)果表明(圖5，其中相對(duì)耐磨性2-2號(hào)試樣的絕對(duì)磨損量/其他堆焊試樣的絕對(duì)磨損量)，耐磨性能與硬度有關(guān)，隨硬度的提高也相應(yīng)提高。堆焊金屬的耐磨性和硬度是由堆焊金屬的化學(xué)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(xué)成分中，碳含量對(duì)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(guò)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(shí)產(chǎn)生彌散的特殊碳化物，產(chǎn)生二次硬化效果，進(jìn)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(duì)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(duì)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(jī)上夾送輥輥芯為35號(hào)鋼。助卷輥的材質(zhì)為9Cr，屬于冷軋輥用鋼，它經(jīng)調(diào)質(zhì)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(guò)渡層。最終確定的夾送輥和助卷輥的堆焊工藝路線見(jiàn)圖6，其中夾送輥堆焊工藝路線去掉項(xiàng)。經(jīng)檢驗(yàn)和評(píng)定，證明此堆焊工藝是完全合理、可行的。5結(jié)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(qiáng)化作用的鎢的碳化物不穩(wěn)定，在熱疲勞過(guò)程中容易聚集長(zhǎng)大，最終將降低堆焊金屬的熱疲勞強(qiáng)度。圖