卷取機夾送輥表面堆焊層組織性能研究

東升

(內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司 內蒙古包頭014010)

1 前言

熱軋卷取機夾送輥是熱軋帶鋼生產線的重要部件，分為上、下夾送輥兩種裝置，主要作用是通過速度、壓力和位置控制，將帶鋼順利的進入卷曲單元，保證鋼板卷曲過程中的穩定性，并能有效控制鋼卷錯邊、塔型、凸臺等質量缺陷。由于鋼板卷曲溫度波動范圍一般為550～780℃，在生產運行時夾送輥輥面承受較大的壓應力，且帶鋼咬入夾送輥輥縫時會對輥面產生500～600kN瞬時沖擊，故要求輥身表面應具有較好的高溫硬度、高溫耐磨性、抗熱疲勞性、耐沖擊等性能[1-2]。

此外，由于夾送輥在使用過程中，反復經過高壓循環水進行沖刷冷卻，循環水堿度高，雜質多，對輥面產生沖蝕現象，輥面微觀區域易出現腐蝕凹坑、微裂紋，導致輥面出現粘鋼和磨損等問題而失效[3-4]。目前，為提高夾送輥使用壽命，常用方法是在輥身表面堆焊具有高硬度的復合梯度熔覆金屬，既能提高使用壽命，又能進行循環再制造[5]。

為解決夾送輥的高溫耐蝕性和耐磨性等問題，通過加入定量的Cr、Mo、Ni、V、W、Co等熱穩定元素，提高再結晶溫度，增強堆焊層的高溫強度，制成Cr8系列合金體系的埋弧堆焊專用藥芯焊絲，并研制與合金相匹配的焊劑，保證在焊接過程中無裂紋、脫渣性和較好的脫氧性能。通過研究該合金體系材料的綜合性能和使用狀態，為后續進一步提高夾送輥的使用壽命提供參考依據。

2 試樣制備與試驗方法

2.1 試樣制備

本實驗選用的基體材料為Q235B，規格為φ200mm×350mm。首先在基體表面堆焊一層打底層，厚度為1.5～2mm，然后再堆焊耐磨蓋面層，厚度為8～10mm。焊絲的化學成分詳見表1。選用與焊絲相匹配的燒結焊劑，粒度10～60目，化學成分詳見表2。埋弧堆焊工藝參數如表3所示。

表1 藥芯焊絲化學成分(質量分數，%)

表2 焊劑化學成分(質量分數，%)

表3 埋弧堆焊工藝參數

2.2 試驗方法

利用線切割在試棒上進行取樣，規格為20mm×15mm×15mm，取樣方向為堆焊層至基體截面位置。采用CLYMPVF-DEM型光學顯微鏡觀察堆焊層的組織形貌。利用HV-3000型顯微硬度計測量試樣硬度梯度分布。采用ML-10磨損試驗機進行常溫耐磨性試驗，試驗載荷為3kg，轉速為120r/min，磨損時間為30min，與45#鋼淬火(51.2HRC)試樣作對比分析。使用S-3400N掃描電子顯微鏡觀察使用后堆焊層的組織形貌和成分變化。

3 試驗結果及分析

3.1 熔覆金屬焊態組織形貌

圖1為熔敷金屬焊態的截面組織形貌。其中圖1a為熔覆金屬整體截面組織形貌，圖1b為打底層的組織形貌，圖1c為蓋面層的組織形貌。由圖中可以看出，打底層主要是以鐵素體為主，伴隨著少量貝氏體；蓋面層的焊態組織主要為馬氏體和殘余奧氏體，伴有少量的回火馬氏體，同時在枝晶馬氏體間可見有少量較小的碳化物析出。

圖1 熔覆金屬焊態組織形貌

3.2 熔覆金屬回火后組織形貌

圖2為熔覆金屬回火態的截面組織形貌。從圖中可以看出，其典型組織為回火馬氏體，還有殘余奧氏體和馬氏體，碳化物析出相較焊態呈增多趨勢，在枝晶間均勻分布。這是因為在堆焊過程中，大量溶入基體組織的碳化物起固溶強化作用，回火時Mo、W、V、Ni等合金元素以細小碳化物的形式彌散析出，起到彌散強化的作用。

圖2 熔覆金屬回火后組織形貌

3.3 硬度測試

從圖3為熔覆金屬焊態和回火態的截面硬度梯度分布。由此可知，蓋面層的焊態硬度分布為530-580HV300，到達過渡層后硬度明顯下降。經過550℃回火后硬度范圍增加到720-830HV300，明顯高于焊態的硬度值。由此說明該材料經過回火處理后，熔覆組織中化學成分更均勻，晶粒細化，Mo、W、V、Ni等合金元素的加入促進熔覆組織中細小碳化物的彌散析出，Cr含量的增加有利于形成Cr3C2相，并且在堆焊層表面可形成Cr2O3、WO薄膜，降低堆焊層與Fe的親和力，降低粘鋼現象產生，因此可以增加堆焊層的耐磨性及耐熱疲勞性。

圖3 硬度梯度測試結果(HV300)

3.4 耐磨性測試

試驗是在ML-10型圓盤銷式磨粒磨損試驗機上進行。試樣規格為Φ6×25mm，試驗載荷為3kg，剛玉砂紙20#，轉速為120轉/分，磨損時間為30min，用45#鋼淬火(51.2HRC)試樣作為標準進行比較。其中1#為45#鋼淬火試樣；2#為堆焊金屬試樣，其結果如表4所示。

表4 磨損試驗結果

從表4中可以看出，在同等磨損條件下，1#試樣平均失重為3.82395g，2#試樣的平均失重為1.17863g，是1#試樣的0.31倍。說明2#堆焊金屬材料的耐磨性能明顯高于1#試件，這種新型耐磨材料具有良好的耐磨性能，與材料的化學成分和組織結構相關。

3.5 使用后的組織形貌

圖4為夾送輥上線使用三個月后工作層熔覆金屬的組織形貌。從圖4a中可以看出，該組織主要由淺灰色和深灰色兩種區域組成，且在深灰色區域上部存在橫向和縱向的微裂紋，且裂紋的深度和寬度都很小。這是由于夾送輥在使用過程中反復經過高壓循環水進行沖刷冷卻，堆焊層受到冷熱交替循環作用，導致堆焊層表面產生瞬時的溫度梯度，產生應力裂紋和疲勞裂紋。由圖4b中可以看出，在堆焊層表面產生了一些凹坑，這是由于循環水流量大，堿度高，長時間的沖蝕作用會產生局部微觀的腐蝕凹坑。

圖4 使用后熔覆金屬組織形貌

圖5是對蓋面層中的整體區域、淺色區域及深色區域進行能譜分析，其化學成分如表5所示。由分析結果可知，整個區域中Cr、W、Mo含量呈增加，Mn、V含量變化不明顯，說明夾送輥在使用后，堆焊層中的Cr、W、Mo合金元素發生了擴散遷移；在淺色區域中，化學元素變化不明顯，與熔覆金屬類似；在深色區域中，Cr、W、Mo、O的含量明顯增加，Fe含量減少，說明在此區域形成了Cr2O3、WO組成的氧化層。正是由于該氧化層的存在，防止了板帶中的Fe2O3與熔覆金屬產生粘結，降低粘鋼傾向，充分保護了基體的耐磨性能，提高了使用壽命[6]。

圖5 氧化層能譜分析

表5 氧化層的成分分析(w t%)

4 結論

1)熔覆金屬打底層是以鐵素體為主，伴隨著少量貝氏體。蓋面層的焊態組織主要為馬氏體和殘余奧氏體，伴有少量的回火馬氏體，同時在枝晶馬氏體間可見有少量較小的碳化物析出。

2)經過550℃回火處理后，熔覆金屬組織為回火馬氏體，還有殘余奧氏體和馬氏體，碳化物析出相較焊態呈增多趨勢，在枝晶間均勻分布。

3)熔覆金屬焊態硬度為530-580HV300，經過550℃回火后硬度為720-830HV300，高于焊態硬度值。磨損失重是45#淬火鋼的0.31倍。因此增加的W、Mo、V等合金元素提高了熔覆金屬的硬度和耐磨性。

4)在冷熱疲勞條件下，熔覆金屬表面形成了一層由Cr2O3、WO組成的氧化層，防止板帶中的Fe2O3與熔覆金屬產生粘結，降低夾送輥的粘鋼傾向，提高了使用壽命。