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二辊堆焊修复材料及工艺
摘要：通过分析二辊使用条件及损坏形式，确定了堆焊合金系统，研制了匹配的烧结焊剂，制定了合理可行的堆焊工艺，有效地解决了以往堆焊辊使用寿命低于新品辊的问题。

关键词：轧辊；堆焊；材料；工艺
中图分类号: TG455 文献标识码：B
鞍钢热轧带钢厂二辊轧机轧辊是1700生产线上的重要备品备件，每年消耗约96对，每支31.5 t，其质量的好坏、使用寿命的长短直接影响到辊耗的大小、钢材的质量、维修费用、轧机作业率，最终影响到钢材的成本。

因此，对二辊进行堆焊修复，进一步提高其性能和使用寿命十分重要。

前几年，我们开始着手进行二辊的堆焊修复方面研究和应用，取得了一定的成效，一定程度上降低了辊耗和成本。

然而，堆焊修复辊仍然存在有时磨损不均、性能不稳定等问题，平均使用寿命只达到新品辊的0.5—0.8倍，总体消耗仍然较大，对钢材的成本和轧钢产量造成一定影响。

改进堆焊修复材料和工艺，进一步提高二辊堆焊修复后的使用性能和寿命十分必要，为此，2000 年初开始立项并进行了系列研究和试验。

1 二辊工况条件与分析
1.1 二辊工况
可逆式二辊轧机主要用于板坯宽展和粗轧。

轧机允许的最大轧制压力2OOO t，最大轧制速度3.7 m／s，轧制温度一般为1150℃以上。

由于经常打水冷却，故辊身表面处于交变状态，温差较大。

二辊材质为60CrMnMo（HB229－302），Φ1180mm × 2800mm，化学成分见表1。

1.2 报废原因分析
二辊产生损坏原因为：
（1）二辊与钢坯间产生金属磨损和氧化皮造成的磨粒磨损。

（2）由于交变热循环作用，经过一段时间使用后，二辊表面产生热疲劳裂纹。

（3）冷却水在辊面和钢坯接触处产生很高的蒸汽压后，造成冲蚀和气蚀，促进非磨损消耗。

（4）辊面接触热钢坯处，组织和性能发生变化，性能降低，加剧磨损和热疲劳。

总之，二辊报废的根本原因是磨损和热疲劳。

2 堆焊材料的选择
2.l 焊丝的选择
根据以上分析，应选择耐热疲劳性能和耐磨损性能均较好的合金系统作为二辊堆焊金属的合金系统。

影响热疲劳性能的因素很多，从材料本身来看，影响因素主要有力学性能、热稳定性及物理性能等，而这些因素最终是由材料的成分和组织决定的。

从材料的物理性能对热疲劳性能的影响来看，采用单一组织要比多相组织有利，可以减少热应力。

因此，将堆焊
金属基体组织设计为强度高、韧性好的低碳马氏体是合理的。

试验研究[1]表明，不管什么类型材料的磨粒磨损，耐磨性与硬度都呈间接的线性关系，但过多提高硬度势必降低材料的韧性，对抗热疲劳性能不利。

所以应控制w（C）为0.2％－O.35％，以控制组织和硬度。

此外，基体组织及第二相对材料耐磨性也有重要影响[2-4]，在马氏体基体上分布着均匀细小的合金碳化物比单一的马氏体组织具有更高的耐磨性，而且，文献[5]，[6]认为，此类弥散的碳化物对提高材料的抗热疲劳性能也是有利的。

因此，采用热稳定性好的耐热合金系统Cr-Mo-V，Cr-W-Mo-V比较合理。

这类合金系统比较典型的堆焊材料是H25Cr3Mo2MnV A 和司太立MultiPass 224管丝，它们的堆焊金属在高温回火过程中均能弥散析出V的碳化物，起到弥散强化作用。

两种焊丝的化学成分见表2。

以往二辊的堆焊修复试验结果表明，用H25Cr3Mo2MnV A配用国产HJ260，HJ107，SJ301等焊剂的堆焊金属耐热疲劳性能较好，但耐磨性不足，焊后硬度为HRC38－42。

而Mllltipass 224管丝由于w（C）及合金总量提高，配用HJ1O7焊剂后堆焊金属硬度达到HRC44～49，耐磨性有所提高。

2.2 烧结焊剂的研制
试验表明，Cr-Mo-V和Cr-W-Mo-V系合金焊丝配用通用焊剂SJ101，SJ301，HJ260等进行轧辊堆焊时，由于Cr，V的氧化，形成尖晶石型化合物与α-Fe相联，造成沾渣及脱渣困难，不能保证焊剂的工艺性能。

HJ107是HJ260的改进型，通过加人Cr2O3，Nb2O5 等抑制了Cr，V的氧化，脱渣性能得到改善，但大型轧辊堆焊时均要保持较高的道间温度，其高温脱渣性能仍不理想，加上焊剂本身不能脱氧及过渡合金，因此，为获得预定成分和高质量的轧辊表面堆焊金属，研制焊接工艺性能和冶金性能优良的烧结焊剂十分必要。

众所周知，提高焊剂碱度可以降低焊缝金属的w（O2），提高其韧性和抗裂能力。

按GB1247O—90 规定要求，确定碱性烧结焊剂的渣系为MgO－Al2O3－CaF2－SiO2，为解决高温脱渣问题，应降低焊剂的化学活性并加强脱氧，而不采用加入相应氧化物以抑制合金氧化的方法，也可避免成本提高。

焊剂中主要成分作用如下：
MgO是主要碱性造渣氧化物，可提高熔渣熔点；CaF2降低熔渣熔点，起稀渣作用；SiO2是酸性氧化物，它由高温冷却至室温可发生4个相变，其晶格改变时伴随着体积的变化，对脱渣有利，但SiO2化学活性较高，应采用热稳定性较高的Al2O3来部分替代。

焊剂采用Si，Ti联合脱氧，其产物是酸性的，有利于脱氧反应的进行。

采用高模钾钠水玻璃作粘结剂，焊剂经干湿混、造粒、低温烘干及高温烧结而成。

在基础配方的基础上，经多次调整试验研制出了SF110烧结焊剂，其化学成分分析结果如下：
根据国际焊接学会堆荐的碱度计算公式：
计算出SF110烧结焊剂的碱度Buw≈1.8。

焊剂的相对化学活性系数公式[7]:
式中[C]为氧化物质量分数（％），B为碱度按Buw 计算，得出Af=O.15，对比HJ260的化学活性系数Af≈0.46，可知，研制的烧结焊剂氧化性较低。

经与H25Cr3Mo2MnV A和Multipass224管丝配合使用，进行实际堆焊试验表明，研制的SF110 碱性烧结焊剂对比HJ26O、SJ301、HJ107等焊剂具有更优良的工艺性能，尤其是具有优良的高温脱渣性能，完全满足了二辊堆焊要求。

堆焊金属化学成分见表4。

由表4可见，对比HJ107、HJ260焊剂，使用SF110焊剂获得的堆焊金属其合金元素烧损少（注：SF110焊剂除脱氧剂外没加额外的合金元素），也说明该焊剂的氧化性小。

3 二辊堆焊工艺
3.1 二辊焊接性分析
由低合金钢的w（C）eq公式计算二辊的w（C）eq＝1.15％。

可见，堆焊时母材热影响区的淬硬倾向及焊接裂纹敏感性较大，焊接性较差。

同时，二辊的尺寸较大，堆焊层厚度一般均在50 mm以上，堆焊时的焊接应力较高，因此，要完全避免裂纹的产生除提高预热温度和道间温度外，还要堆焊过渡层，经过试验验证，选用H08A配合SF110堆焊过渡层完全可行。

3.2 预热及道间温度的控制
预热及保证道间温度的主要目的是降低堆焊金属及热影响区的冷速，降低淬硬倾向并减少焊接应力，w（C）和w（合金元素）决定C曲线的位置和Ms点温度，因此，预热及道间温度应据此进行选择。

根据公式[8]
可计算出过渡层堆焊时母材热影响区的Ms＝253.4℃，用Multipass224堆焊工作层时，熔敷金属的Ms = 166.25℃。

堆焊过程中应控制预热及道间温度高于Ms点，才能避免发生马氏体相变及回火效应。

据此，过渡层道间温度定为300℃，对于工作层堆焊，由于二辊尺寸及堆焊厚度均较大，焊接应力大，故应尽量提高道间温度，考虑到操作上容许程度，将工作层道间温度定为380—450℃。

预热温度较道间温度高出2O—50℃即可。

3.3 焊后热处理
为改善焊后组织和消除焊接应力，对焊后二辊进行热处理十分必要。

升温过程中，为保证温度均匀，升温速度要缓；降温过程中，为防止产生新的应力，也应缓慢冷却。

为充分发挥材料的性能，选择55。