爆炸復合1Cr13Mo/45鋼連鑄輥工藝＊

趙 峰，馬東康，王虎年，張鵬輝，李進軍，華先鋒

（西安天力金屬復合材料有限公司，陜西 西安710054）

連鑄輥是連鑄機的重要部件，工作時其表面連續不斷地與內部還未凝固的高溫鑄坯接觸，中心孔通冷卻水，承受著瞬時高溫和水冷產生的交變熱應力反復作用，工況條件十分苛刻。根據使用位置的不同，連鑄輥失效方式主要有永久性彎曲變形、磨損和裂紋掉渣3種［1］。

目前，對連鑄輥主要采用堆焊和鑄造的方法制造。堆焊工藝制作的連鑄輥在上述工況條件下使用3～4 mon，通常出現表面堆焊層開裂、剝落、掉渣等現象；而鑄造法工藝復雜，對合金熔煉、過程控制、設備能力等都有較高的要求，且成本較高［2－5］。爆炸焊接（復合）技術起始于20世紀40年代，從20世紀60年代開始被研究，經過近50 y的發展，爆炸復合產品以優良的性能、低廉的價格已經被廣泛應用于石化、火電、核電、造船、航空航天等領域。爆炸復合是指采用爆炸的方式在一種金屬上復合另一種材質的金屬，以起到防腐蝕、耐磨損、耐高溫等作用。

鑒于連鑄輥對材料的特殊要求，本文中以爆炸復合的方法制造1Cr13Mo/45鋼復合軋輥。以1Cr13Mo/45鋼復合棒的爆炸復合工藝為研究對象，通過調整復管與基棒間隙大小和炸藥厚度，研究間隙大小和藥厚對復合棒復合質量的影響，擬為生產更高性能的連鑄輥開辟一條新途徑。

1 實 驗

1.1 實驗方法

復管選用厚度為5 mm的1Cr13Mo的板材卷制焊接而成，內徑為140 mm，長度為610 mm；基棒材質為45鋼，直徑為137 mm，長度為610 mm。通過機加工將基棒加工成從130 mm到135 mm不等的直徑，以達到改變復管和基棒之間間隙的目的，使用油毛氈卷制不同直徑的藥筒，以達到不同藥厚設計。然后根據設計的間隙和藥厚組合進行裝配并爆炸復合。

采用SONATEST Masterscan 340超聲波探傷儀檢測復合棒的結合情況，在距爆轟末端100 mm處，分別在焊縫處、焊縫對面和垂直于過焊縫直徑的一邊取金相試樣，經粗磨、拋光、腐蝕后，采用OLYMPUS金相顯微鏡觀察結合面的情況，采用工具顯微鏡測量結合界面波形的波長和波幅。

1.2 工藝參數設計

準備了9根復管和9根基棒，在理論計算和經驗的基礎上，初步設計了一組工藝參數，并爆炸復合一根復合棒，編號為1，而后對復合棒1超聲波探傷、金相等檢驗的結果進行了調整并設計了其余8根復合棒的工藝參數。9根復合棒的間隙h和對應的藥厚H 分布如圖1所示。

1.3 實驗過程

首先對1Cr13Mo卷焊管進行消應力退火，退火制度為：850℃/1 h（即850℃保溫1 h），以消除馬氏體不銹鋼在卷制和焊接過程中產生的應力，防止后續校圓過程中出現回彈、焊縫開裂等問題。采用手提砂輪機和葉輪機將復管內壁焊縫打磨平整并拋光，根據實測的復管內徑按照圖1設計每根復管對應的基棒直徑，將基棒機加至對應尺寸并拋光外表面。最后，在爆炸復合現場將基棒和復管進行裝配后裝藥爆炸復合，裝配示意圖如圖2所示。

圖1 爆炸復合工藝分布圖Fig.1 Explosive clad technology scattergram

圖2 裝配示意圖Fig.2 Assembly diagram

2 實驗結果

2.1 外形變化

爆炸復合后超聲探傷表明，復合棒2、3、6、9復合情況良好，其他5根復合棒都有大小不等的不結合區。爆炸復合后形貌均如圖3所示，復合棒在尾端出現不同程度的縮頸現象，這是爆炸復合棒固有的一個特點［6］。圖4為徑縮量Δd（爆炸復合前復管外徑與爆炸復合后復合棒外徑之差）隨藥厚和間隙的變化趨勢。

圖3 爆炸復合后形貌Fig.3 Pattern after explosive clad

由圖4（a）可知，間隙固定為3 mm時，隨藥厚的增加，徑縮量呈增加趨勢；由圖4（b）可知，在藥厚為60 mm時，徑縮量隨間隙的增加呈減小趨勢。在間隙一定的情況下，增加藥量將使復管以更快的速度和更大的能量與基棒碰撞，從而導致基棒承受更大的沖擊能量而變形更加嚴重。研究表明：管棒爆炸復合后，作為復材的管子，由于受到強烈的壓縮作用，壁厚將增加，且隨著與基棒間隙的增大，復管所受到的壓縮和壁厚的增加也越強烈，且壁厚的增加比基棒由于受沖擊而導致的徑縮量大，因而出現了如圖4（b）所示的隨間隙增加，徑縮量減小的變化趨勢。

2.2 界面波形

由于復管有一定的橢圓度，不同位置處的間隙有所不同，如圖5所示。

由于間隙大小不同，爆炸后不同位置處的波紋有明顯的差異，間隙較小的位置1處的波長較小，間隙較大的位置3和位置4處的波長較大，甚至無波紋出現。如圖6所示。

圖4 徑縮量隨藥厚和間隙的變化Fig.4 Variation of diameter reduction with explosive thickness and stand－off

圖5 裝配時實際間隙示意圖Fig.5 Actual stand－off diagram when assembling

圖6 復合棒1同一截面上不同位置的界面形貌Fig.6 Metallographs of the different position on clad roller 1

2.3 波形參數

圖7為波長和波幅隨間隙和藥厚的變化趨勢圖。由圖7（a）可知，在藥厚一定的情況下（60 mm），波長和波幅隨間隙的增大都呈增大的趨勢，而波幅隨間隙的增大增加較慢。由圖7（b）可知，當間隙一定時（3 mm），隨藥厚的增加，波長和波幅無顯著的變化。因而可以推斷，間隙對復合棒波形的影響遠強于藥厚對復合棒波形的影響。

圖7 波長和波幅隨間隙和藥厚的變化Fig.7 Variation of wavelength and amplitude with stand－off and explisive thickness

3 結束語

（1）爆炸復合棒的徑縮量與復合工藝參數有密切關系，復合后徑縮量隨炸藥厚度的增加而增加，隨間隙的增大而減小。（2）在炸藥厚度一定的情況下，間隙對復合棒結合界面的波形影響較大，隨間隙的增大，波長和波幅呈增加趨勢，而在間隙一定的情況下，藥厚對波形的影響不明顯。（3）間隙的大小對復合效果影響較大。間隙過小，復合后出現不結合的面積增大，間隙過大，易造成波形過大甚至平直界面，本實驗證明當間隙為3.0～4.5 mm時，復合效果較好；在間隙合適的情況下，藥厚對爆炸復合的影響不大，在本實驗中，藥厚從45 mm（復合棒2、7）至80 mm（復合棒6）都能得到較好的復合效果。

［1］王貴明.連鑄輥材料及制造方法的進展［J］.熱加工工藝，1999（1）：39－41.

［2］馮建，史和生，史和慶，等.爆炸焊接3Cr13Mo/42Cr Mo高耐磨耐蝕復合軋輥［P］.中國專利：200810235285.1，2009－06－03.

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