NiC鎳基藥芯焊絲設計及在熱連軋板帶助卷輥堆焊修復中的應用

鄒宏軍

(攀枝花鋼城集團有限公司協力分公司，四川攀枝花 617000)

1 引言

由于堆焊復合冶金軋輥的制造方法，是目前國內外復合軋輥生產中較為先進的方法之一，可替代傳統的軋輥制造方法。堆焊復合軋輥在性能上較其它方法制造的軋輥有較大的優勢，產品綜合性能好，使用壽命高，而且可反復修復多次，制造成本低。另外，堆焊復合軋輥可解決軋鋼行業生產中的斷輥問題，可提高軋輥的作業率，降低輥耗，從而為軋鋼企業創造巨大的經濟效益。另一方面，由于軋輥輥心材料的多次反復使用，大大節約了金屬合金材料，充分合理利用了資源，符合國家要求的再制造工程理念，具有較好的社會效益。同時，隨著堆焊材料(堆焊金屬)性能以及堆焊技術的不斷改善及提高，軋輥的堆焊修復和制造已絕不僅僅限于普通鋼質軋輥。國內外科技人員已在堆焊材料方面進行了大量的研究工作，焊材已從過去單一的實心焊絲擴展到焊帶、預合金粉、藥芯焊絲等多種形式。但要使得堆焊材料既要滿足軋輥十分惡劣的工況條件，又要具備良好的焊接工藝性能，加之軋輥的種類繁多，性能要求差異很大，使得這項研究工作和實際應用過程進展比預期的要慢。特別是一些高硬度要求的硬面輥，如熱軋地下卷取機的重要部件，助卷輥的堆焊制造，依然面臨冶金行業亟待解決的重大攻關難題。

助卷輥的主要作用是牽引已軋制好的薄板入卷和收卷。根據其工況條件，要求輥面金屬具有很高的耐高溫性、熱疲勞性和耐磨損性能，且要求在使用過程中輥身表面不粘鋼。長期以來，國內外一些軋輥制造廠家在堆焊制造、修復助卷輥時，選用的焊絲一直采用馬氏體型合金焊絲，堆焊金屬具有空淬特性，堆焊工作層金屬的金相組織為馬氏體+碳化物，為達工作硬度要求，焊后還需進行焊后熱處理，具體使碳化物能夠在基體組織上彌散析出，形成二次硬化。由于這類合金成分的裂紋敏感性高，焊前需預熱200～400℃，焊接過程要保溫，且焊后要有緩冷措施;為改善熔合區性能，還需堆焊過渡層，之后才能堆焊工作層，工藝流程復雜。經此方法修復、制作的助卷輥，表面硬度可達HRC45及以上，有較好的耐高溫性能和耐磨性能，使用壽命為3～4個月，但在使用中輥面存在“粘鋼”現象，且一直未能解決。所謂粘鋼［1］，即在輥子表面存在大小不同、數量一定的凸出物，使接觸的帶鋼表面產生壓痕。這些凸出物是粘在輥子表面的帶鋼材料，俗稱粘鋼。粘鋼對板材質量產生影響，嚴重時還導致其提前失效報廢，縮短使用壽命。為此，作者經過多年的研究，設計并制作了一種NiC鎳基藥芯焊絲作為助卷輥的堆焊用焊絲，應用效果好。

2 NiC鎳基藥芯焊絲設計

針對前述現有助卷輥堆焊修復、制作存在的問題，本次在助卷輥堆焊焊絲設計時需要解決的主要問題是粘鋼。根據卷取機的工作過程，作者分析了產生粘鋼的原因為:在卷取帶鋼時，帶鋼對助卷輥產生沖擊力，使帶鋼與助卷輥的接觸點產生瞬時高溫。在高溫和高壓的聯合作用下，帶鋼和助卷輥表面局部發生嚴重塑性變形，并與助卷輥表面粘附或焊合。助卷輥旋轉時，帶鋼與助卷輥的接觸點在切應力作用下，強度較低的帶鋼被撕裂，并粘附在助卷輥表面，形成粘鋼(積瘤)。

從粘附的角度上講，降低帶鋼與助卷輥之間的親和力，如助卷輥噴涂陶瓷涂層或采用顆粒增強的方式，則助卷輥的粘鋼現象將會減輕。然而，助卷輥在工作過程中承受較大的沖擊力，其堆焊層需要一定的韌性要求，以陶瓷涂層減輕粘鋼現象是不可行的。作者經過分析，如果助卷輥的高溫硬度越高，則助卷輥在高溫和高壓作用下發生塑性變形困難，助卷輥的輥面就越不容易粘鋼。

另外，根據熱軋地下卷取機的工況，助卷輥除了解決輥面粘鋼問題，還必須具有以下性能要求:

(1)耐壓力:在卷鋼板時承受將鋼板壓彎的壓力;

(2)耐沖擊:鋼板咬入助卷輥時的瞬間沖擊力而不受損傷;

(3)耐磨損:輥子表面需要較高的硬度;

(4)耐腐蝕:輥面耐高堿度循環反復沖蝕冷卻。

根據上述分析，作者將奧氏體不銹鋼設計為助卷輥的堆焊基體組織，這是因為:奧氏體不銹鋼具有顯著的冷加工硬化性，可通過冷變形方法提高奧氏體不銹鋼的硬度和強度，即充分利用該類奧氏體不銹鋼具有顯著的冷加工硬化性，可通過冷變形方法提高強度［2］。為了進一步提高奧氏體不銹鋼基體組織的高溫強度、耐磨性，添加Mo、W、V等合金元素形成碳化物彌散強化基體，添加Co提高高溫熱腐蝕性能，表1為設計的奧氏體不銹鋼焊絲組分。

表1 NiC鎳基藥芯焊絲藥芯組分(wt%)

焊絲為鎳基藥芯焊絲，外皮為鎳帶，藥芯組分占焊絲比重的50% ～60%。該鎳基藥芯焊絲申請了發明專利并已授權［3］。

由于奧氏體不銹鋼常溫焊接時不會淬硬，因此采用本次設計的焊絲堆焊助卷輥不需要焊前預熱和堆焊過程中保溫，在沒有應力腐蝕或結構尺寸穩定性等特別要求時，也不需要焊后熱處理。在具體堆焊時，不需要堆焊過渡層，只堆焊工作層。

3 堆焊試驗

3．1 焊接材料

堆焊焊絲采用NiC鎳基藥芯焊絲;焊劑選用HJ 107。

3．2 試驗工件

以攀鋼熱軋助卷輥為例，輥面尺寸(輥面長度×輥面直徑)為1450 mm×380 mm。基體材質為20CrNiMo。試驗工件采用基體良好的報廢熱軋助卷輥，堆焊試驗前，將輥面直徑車削至φ374±0.10 mm。粗車后都必須進行探傷檢驗，以確保軋輥堆焊前基體表面和軋輥內部沒有影響使用和輥子表面堆焊的缺陷，否則不允許再進行堆焊修復工作。

3．3 堆焊方法及工藝參數

采用埋弧自動焊(直流反接)，埋弧焊機的型號為MZ－1250，工藝參數見表2，在具體堆焊時堆焊厚度要保證軋輥成品加工后的單邊有效使用厚度不少于3.0 mm。

表2 堆焊工藝參數

3．4 試驗內容

由于助卷輥的堆焊用焊絲設計為鎳基藥芯焊絲，其堆焊金屬的金相組織主要為奧氏體，在堆焊過程中不發生相變，因此其試驗內容主要包括:

(1)堆焊金屬的化學成分分析。

(2)堆焊金屬的金相組織分析。

(3)進行旋壓加工試驗。采用作者的授權專利《焊縫硬化刀具》(專利號:ZL2009 2 0316287．3)對堆焊金屬進行旋壓加工，具體是將堆焊部位按圖紙要求加工，表面粗糙度達技術要求，設定預留旋壓加工余量，分別測定表面硬度、表面粗糙度、輥面在直徑方向的尺寸變化等情況。

4 結果與討論

4．1 堆焊金屬化學成分、金相組織

表3為助卷輥堆焊層的化學成分，助卷輥工作層中含有較多的Cr、Ni合金，為典型的奧氏體不銹鋼化學成分，為鎳基高溫合金。其中，Mo、W、V等合金元素形成碳化物，對基體進行彌散強化;Co能提高高溫熱腐蝕性能。因此，熱軋助卷輥的工作層金屬具有很好的耐高溫性能、熱疲勞性能、耐磨損性能。從粘附的角度上講，輥面金屬的高溫性能降低了帶鋼與助卷輥之間的親和力，且輥面金屬的高溫硬度越高，發生塑性變形困難，則輥面就越不容易“粘鋼”。這才是解決助卷輥“粘鋼”的關鍵因素。

表3 堆焊工作層化學成分(wt，%)

圖1為助卷輥堆焊層的金相組織，堆焊層組織為枝晶形態，枝晶內為奧氏體組織以及析出的彌散強化相，枝晶間為塊狀碳化物和奧氏體混合組織。

圖1 助卷輥堆焊層金相組織 ×100

4．2 助卷輥輥面的旋壓加工

由于助卷輥堆焊層為奧氏體組織，焊后硬度較低，因此需要進行焊后的加工硬化處理。奧氏體組織為面心立方結構:(1)面心立方金屬的冷作變形量大，冷作硬化使金屬中位錯密度大大增加，從而提高金屬的強度;(2)奧氏體轉變成馬氏體的相變點均在室溫以上，由室溫冷變形增加的金屬能使部分奧氏體轉變成馬氏體，從而促進了金屬的組織硬化。表4為助卷輥經車削加工、磨削后的原始尺寸，表面精度Ra(um)及經4次旋壓加工后的尺寸，表面精度Ra(um)助卷輥輥面旋壓加工檢測結果。

表4 助卷輥旋壓加工檢測情況

由表4可知，助卷輥輥面經旋壓加工后，硬度的增加隨加工次數的增加而提高，提高的幅度由大變小，最終的輥面硬度達到了HRC52～54范圍內，達到了助卷輥上機使用的硬度(HRC52～58)要求，輥面尺寸、表面精度也分別達到圖紙 Ф380±0．20 mm、Ra0.8 um的技術要求。

4．3 助卷輥堆焊技術分析

(1)工序流程簡單

由于以前的方法采用馬氏體型合金焊絲來堆焊制作、修復助卷輥(后稱“傳統輥”)，堆焊金屬具有空淬特性，堆焊工作層金屬的金相組織為馬氏體+碳化物。為達工作硬度要求，焊后還需進行熱處理，具體使碳化物能夠在基體組織上彌散析出，形成二次硬化。同時，又因這類合金成分的裂紋敏感性高，焊前需預熱200～400℃，焊接過程要保溫，且焊后要有緩冷措施;為改善熔合區性能，還需堆焊過渡層，之后才能堆焊工作層，工藝流程復雜。而將采用NiC鎳基藥芯焊絲制作、修復后(后稱“鎳基輥”)，堆焊金屬為奧氏體不銹鋼組織。由于奧氏體不銹鋼在常溫焊接時不會淬硬，焊前不需預熱，堆焊過程中也不需保溫;在工作時，因沒有應力腐蝕或結構尺寸穩定性等特別要求，也不需要焊后熱處理;在具體堆焊時，不需要堆焊過渡層，只堆焊工作層。因此，相對傳統輥的堆焊制作、修復工藝方法而言，鎳基輥減少了焊前預熱、過渡層堆焊、堆焊過程保溫、焊后熱處理等工序流程，工序流程簡單。

(2)堆焊量少，焊絲、焊劑消耗量低

傳統輥在堆焊修復時，先要焊過渡層，為保證其工作層金屬的化學成份達到性能要求，工作層通常要堆焊至少3層及以上，為保證其成品表面工作層有效厚度及預留車削余量加工，通常要堆焊4～5層。在正常情況下堆焊，輥面直徑需車削至 Ф364±0．10 mm，并以此作為堆焊的起始尺寸至加工尺寸。而鎳基輥在堆焊修復時，可直接堆焊工作層，不需要堆焊過渡層，輥面直徑只需車削至Ф374±0.10 mm。這樣，在保證成品加工尺寸一樣的情況下，鎳基輥的堆焊金屬量比傳統輥大大減少，減少的堆焊金屬量即為Ф364±0.10 mm至Ф374±0.10 mm之間堆焊金屬量的差值。按此計算，約需焊絲108 kg、焊劑130 kg，這也是鎳基輥比傳統輥所用焊絲、焊劑節省的量。

然而，很多教師在課堂教學過程中，由于個人教學側重點和對課標理解的差異以及對教材深度把握的不同，在對課本插圖處理方面常存在一些不妥之處。結合自身教學經驗，筆者認為教師在課本插圖處理方面易出現以下問題。

(3)加工工期短

傳統輥焊前預熱的工藝曲線見圖2，鎳基輥同比節約預熱升溫時間、保溫時間共計21 h。

圖2 傳統輥焊前預熱的工藝曲線

傳統輥焊后熱處理的工藝曲線見圖3，鎳基輥同比節約升溫時間，保溫時間，降溫時間共計19.2 h。

對于直徑為Ф4 mm的焊絲，其在正常的工藝參數下進行堆焊時，焊絲的熔化速度通常為7 kg/h左右，那么要堆焊完108 kg焊絲所需的時間為15.4 h。

圖3 傳統輥焊后熱處理的工藝曲線

因此，在不考慮其它因素的情況下，僅焊前預熱、堆焊、熱處理三項，鎳基輥的修復、制作時間同比減少近56 h。

(4)節約能源

采用鎳基焊絲堆焊助卷輥，由于焊前不預熱、堆焊過程不需保溫，節約了煤氣;焊后不做熱處理、堆焊量少，節約了電。傳統輥和鎳基輥能源消耗對比見表5，鎳基輥同比節約煤氣7185 m3，節約電量8232 kWh。

表5 堆焊用能源對比

5 工業應用

采用前述方法修復了編號1#、2#、3#助卷輥，經旋壓加工后，輥面硬度在HRC52～54范圍內。它們的輥面尺寸和表面精度均達到了圖紙技術要求，并安裝在攀鋼熱軋板廠1#地下卷取機上試驗。鎳基輥與傳統輥的使用效果對比情況見表6。

表6 傳統輥、鎳基輥使用效果

從使用情況上看:采用NiC鎳基藥芯焊絲加HJ107堆焊修復的助卷輥，堆焊金屬具有很高的耐高溫性能、熱疲勞性能和耐磨性能，而且輥面不粘鋼，使用時間和卷鋼量都成數倍增長。

6 結論

(1)采用NiC鎳基藥芯焊絲加HJ107應用于熱軋助卷輥的堆焊修復，堆焊金屬為奧氏體組織，冷作變形量大，可通過冷作硬化的方法提高輥面金屬的強度和硬度;并有優良的耐高溫性能、熱疲勞性能、耐磨性能，在使用中輥面不“粘鋼”。

(2)鎳基輥在使用過程中輥面狀態好，板材質量穩定，使用壽命和卷鋼量成數倍增長，提高了卷取機的作業率，降低了輥耗。

(3)鎳基輥有工序流程簡單、堆焊量少、焊接材料消耗量低、加工工期短、節省能源等技術優勢。

［1］ 趙慶華，李林，邵玲，等．熱軋助卷輥的粘鋼與對策［J］．寶鋼技術，2004(4):4-6．

［2］ 中國機械工程學會焊接學會．焊接手冊:材料的焊接［M］．2版．北京:機械工業出版社，2001:377．

［3］ 楊建明，鄒宏軍．用于堆焊制造熱軋卷取機助卷輥的藥芯焊絲及堆焊方法:中國，200810305875.7［P］．2009-04-22．