球鐵軋輥輥頸等離子堆焊材料設(shè)計(jì)和工藝研究

劉士彬，杜江偉，張 雨，陳亞通，霍曉真，馮志平

(1.邢臺(tái)軋輥特種制造有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；2.中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥技術(shù)中心，河北 邢臺(tái) 054000；3.軋輥復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054025)

熱連軋粗軋工作輥的輥頸材質(zhì)為球墨鑄鐵，硬度低，強(qiáng)度低，耐磨性較差。由于粗軋工作輥扭矩大，振動(dòng)大，并且還進(jìn)行可逆軋制，使用一段時(shí)間后在扁頭的四個(gè)棱邊處會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損，使工作輥的軋制平穩(wěn)性差，影響軋制效果，甚至不能再使用，為此在軋輥制造工藝上對(duì)易磨損處采取堆焊耐磨層措施[1-5]。而球鐵材質(zhì)存在大量球形石墨，碳當(dāng)量比較高，易出現(xiàn)白口及淬硬組織，塑性較差，發(fā)生裂紋的敏感性強(qiáng)。為解決目前球鐵輥芯的表面堆焊問題，針對(duì)現(xiàn)有埋弧堆焊的線能量高、熱輸入大、熔深大等特點(diǎn)，擬采用一種堆焊熔深可控、母材稀釋率低的小熔池熔敷手段，解決球鐵軋輥焊接易產(chǎn)生裂紋的問題?；诖耍瑢?duì)球鐵耐磨層的等離子堆焊方法進(jìn)行了研究。

1 等離子試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果

本試驗(yàn)采用等離子設(shè)備型號(hào)為DML-03BD，試驗(yàn)參數(shù)電流125A，送粉轉(zhuǎn)速為25 r/min，三種氣體和流量分別為保護(hù)氣15 L/min，送粉氣5 L/min和等離子氣1.5 L/min。

1.1 過渡層試樣試驗(yàn)

1.1.1 過渡層合金粉的設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)選用鐵鎳合金，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示，其余元素為Fe。

表1 過渡層材料成份設(shè)計(jì)表

試驗(yàn)件選取球鐵工作輥輥頸扁面部位，材料為球鐵。用砂輪機(jī)在扁面上磨制尺寸為6 mm×40 mm×5 mm的長條缺陷36條，分別采用冷焊、熱焊(中間溫度大于200 ℃)進(jìn)行9種材料的堆焊，每條缺陷逐層堆焊，堆焊高度為超出扁面的平面2 mm，焊后包裹石棉布緩冷。堆焊完成后打磨各堆焊試樣高度至與扁面平，進(jìn)行著色裂紋檢查和硬度測試。

1.1.2 過渡層的試驗(yàn)結(jié)果

鑄鐵軋輥輥頸扁面結(jié)合層材料堆焊裂紋檢查結(jié)果如表2所示，過渡層試樣裂紋著色檢查結(jié)果如圖1所示。

表2 過渡層堆焊著色檢查結(jié)果

圖1 過渡層堆焊著色檢查結(jié)果

從裂紋著色檢測結(jié)果看，冷態(tài)焊接G-1、G-2號(hào)沒有裂紋，其余都有裂紋，G-4在收弧處有氣孔。熱態(tài)焊接G-2、G-5、G-7號(hào)收弧處有氣孔，且7號(hào)氣孔周圍伴生裂紋，G-3、G-6、G-8號(hào)有輕微裂紋；熱態(tài)焊接G-1、G-4、G-9號(hào)沒有缺陷，效果較好。

經(jīng)過硬度試驗(yàn)檢測發(fā)現(xiàn)，G-6、G-7、G-8和G-9號(hào)的硬度過大，不適合作為過渡層堆焊材料。

根據(jù)上述結(jié)果，選用G-1號(hào)試樣成份作為球鐵的過渡層材料。

1.2 硬層試樣試驗(yàn)

1.2.1 硬層等離子粉的設(shè)計(jì)試驗(yàn)

確立C、B、Si、Ni為變化元素，固定Cr為定值，進(jìn)行了正交表設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)等離子粉正交表如表3，其余元素為Fe。

表3 硬層材料設(shè)計(jì)表

按照上述方案進(jìn)行配粉，制得16種等離子粉。焊粉的顆粒度為80 200目，每次使用前用金屬粉烘干箱在200 ℃下烘干2小時(shí)。選擇尺寸為30 mm×20 mm×40 mm的 A3鋼試樣進(jìn)行試焊，堆焊前用箱式爐將試樣加熱至250 ℃，保溫2小時(shí)。粉末堆焊焊縫尺寸為40 mm×20 mm×15 mm，堆焊中，試板溫度不大于400 ℃。試驗(yàn)分冷態(tài)焊接和熱態(tài)焊接，焊后包裹陶瓷纖維將試樣緩冷至室溫。將堆焊硬度試驗(yàn)試樣16塊，磨削至焊縫平整，打磨表面至Ra3.2，進(jìn)行著色檢查金相檢驗(yàn)和硬度測試。

1.2.2 硬層粉的設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

試樣的硬度和裂紋檢查結(jié)果如表4和表5所示，硬層試樣裂紋著色檢查照片如圖2所示。

表4 硬層堆焊硬度表(HSD)

表5 硬層堆焊著色檢查結(jié)果

圖2 硬層堆焊著色檢查結(jié)果

Y-2和Y-11號(hào)長裂紋產(chǎn)生在一角，裂紋直且清晰，符合冷裂紋的特征，產(chǎn)生裂紋可能與材料硬度高有關(guān)系。針對(duì)高硬度的材料，冷速的影響較大，需采用較高的層間溫度，較小的冷速，工藝條件不易控制，故不選用此粉末。Y-6、Y-10、Y-13號(hào)和Y-15號(hào)裂紋都產(chǎn)生在最后一焊道上，裂紋伴隨著氣孔，缺陷寬，面積大，產(chǎn)生裂紋的原因和材料性能相關(guān)還可能同堆焊時(shí)的氣體保護(hù)有關(guān)。Y-7、Y-9和Y-16在收弧處均出現(xiàn)裂紋，焊接性不穩(wěn)定。其余粉末堆焊沒有明顯缺陷，根據(jù)不同硬度需要可選擇相應(yīng)材料作為硬層材料，如表6所示。

表6 硬層材料選擇

堆焊層焊縫區(qū)的組織如圖3所示。

圖3 硬層堆焊層組織

等離子堆焊冷卻速度較大，組織為馬氏體和殘余奧氏體，具有較高的硬度。

1.3 產(chǎn)品試驗(yàn)

根據(jù)軋輥硬度需要和試驗(yàn)結(jié)果，選出適合硬度要求HSD40～50產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品試驗(yàn)，制訂了熱連軋粗軋工作輥的球鐵材料輥頸扁面耐磨層試驗(yàn)工藝，選擇一支報(bào)廢產(chǎn)品進(jìn)行了產(chǎn)品的堆焊試驗(yàn)。

選用廢鑄鐵軋輥，在軋輥扁面端頭大倒角處進(jìn)行堆焊試驗(yàn)。堆焊前將堆焊部位去除油漬，打磨至無銹光潔平整，用煤氣加熱輥頸至250 ℃，保溫2小時(shí)，用金屬粉烘干箱將等離子粉在200 ℃烘干2小時(shí)；使用G-3號(hào)粉末堆焊過渡層，堆焊一層，檢查裂紋情況，若無裂紋，繼續(xù)堆焊硬層材料，硬層堆焊選擇硬層材料Y-3號(hào)和Y-14號(hào)在倒角逐層堆焊，將倒角填成直角，倒角尺寸30 mm×20 mm，堆焊長度80 mm；焊后包裹陶瓷纖維緩冷至室溫。著色檢查裂紋情況。

選擇Y-14號(hào)經(jīng)連續(xù)堆焊，冷卻后，發(fā)現(xiàn)堆焊層裂紋情況嚴(yán)重，在平面和立面都出現(xiàn)龜裂，且兩面裂紋相連，經(jīng)打磨后發(fā)現(xiàn)裂紋貫透至母材；經(jīng)觀察裂紋為平直，無邊部收縮，判定為應(yīng)力裂紋，因一次堆焊厚度較大(20 mm)，致使應(yīng)力積累過大超出材料斷裂強(qiáng)度出現(xiàn)裂紋，如圖4(a)所示。另外，Y-14號(hào)材料碳含量較高，組織中碳化物較多，且有長度較大的條狀碳化物，在焊接應(yīng)力作用下容易斷裂成為裂紋源。

Y-3號(hào)硬層材料在倒角上進(jìn)行層狀堆焊，堆焊四層，調(diào)整焊接參數(shù)，調(diào)整一次堆焊厚度在15 mm，沒有出現(xiàn)裂紋，如圖4(b)所示。

(b)Y-3號(hào)堆焊結(jié)果

最終選定G-1過渡層和硬層Y-3號(hào)等離子粉末進(jìn)行軋輥輥頸堆焊生產(chǎn)。目前通過選定的材料和制定工藝對(duì)5支臺(tái)灣中鋼軋輥進(jìn)行等離子堆焊修復(fù)，后經(jīng)著色探傷檢查無裂紋，硬度能達(dá)到相應(yīng)的使用要求，且經(jīng)過一年的使用后仍能繼續(xù)工作。

(a)Y-14號(hào)堆焊結(jié)果

2 結(jié)論

(1)通過對(duì)等離子堆焊材料的研究，設(shè)計(jì)了鐵鎳等離子粉末材料進(jìn)行試樣過渡層堆焊，得到一種堆焊性能較好，硬度適中的過渡層材料。

(2)設(shè)計(jì)了性能良好的硬層堆焊等離子粉末，硬度可達(dá)到40～60HSD，以滿足不同硬度需求的軋輥等離子堆焊。

(3)初步摸索出了一種針對(duì)球鐵軋輥輥頸局部堆焊的方法，利用等離子弧為焊接源，焊前在250 ℃下預(yù)熱2小時(shí)，焊后包裹陶瓷纖維緩冷，使用研究的過渡層和硬層等離子粉末在熱連軋粗軋球芯軋輥輥頸堆焊耐磨層。經(jīng)過產(chǎn)品的試驗(yàn)，工藝方法穩(wěn)定可靠。