热轧带钢卷取机夹送辊修复材料与再制造工艺研究

刘士彬 ， 杜江伟， 陈亚通 张 雨 霍晓真

（1. 邢台轧辊特种制造有限公司， 河北 邢台054000；2. 轧辊复合材料国家重点实验室， 河北 邢台054025）

0 前 言

热轧带钢卷取机夹送辊主要功能是将精轧机轧制后的带钢夹紧并送入卷取机， 并且当带钢尾部离开精轧机后夹送辊压紧带钢使带钢保持一定的张力， 将轧制好的板带矫直、 矫平。 夹送辊表面质量直接影响生产板带的表面质量， 因此夹送辊对于热轧带钢的生产至关重要。 但其工作条件十分恶劣， 承受很大的工作载荷， 表面温度一般为500～600 ℃， 因此辊面易出现粘钢、 龟裂、 凹坑剥落和磨损等问题， 并因不断采用水冷而产生冷热疲劳； 同时夹送辊表面的塑性流动和板带间的相互移动引起粘附， 造成轧辊表面出现各种缺陷而失效。 由于轧辊的价格较高， 如果失效后马上报废会增加生产成本， 所以目前常采用的方法是在夹送辊辊面堆焊一层特殊性能的材料对其进行修复， 使其形成复合材料的工程结构。

某钢厂使用采购的马氏体不锈钢药芯焊丝进行自主修复， 由于夹送辊直径较小， 热传输较快（上夹送辊为空心结构， 热传输更大）， 修复后出现硬度偏低、 裂纹等情况， 使用寿命较短， 且存在焊接焊道纹， 影响产品质量。 后该钢厂委托邢台轧辊特种制造有限公司进行修复， 并研发了ZJ-12焊丝+HJ107 焊剂作为堆焊硬层材料， 通过控制工艺， 再制造后夹送辊满足使用要求， 过钢量大大提升， 成本也显著降低。

1 焊接材料及性能

1.1 焊接材料

焊丝成分直接影响堆焊层质量， 为保证夹送辊较高的耐磨性、 热硬性和耐热疲劳等性能， 以及与夹送辊材质 （20CrNiMo） 进行匹配， 设计的焊丝中含有一定量的Cr、 Ni、 Mo 和V 等合金元素。 经5 组正交试验， 最终优选出过渡层选用ZJ-11 药芯焊丝， 堆焊硬层选用ZJ-12 药芯焊丝（为降低热输入， 采用 Φ3.2 mm 焊丝）， 焊剂采用各项性能均较好的HJ107。

1.2 焊接材料性能

采用林肯电源进行埋弧焊焊接试验， 试板选用与夹送辊材质相同的20CrNiMo 钢， 尺寸为400 mm×40 mm×25 mm， 在试板上采取多道多层焊接方式， 通过用过渡层ZJ-11 焊丝堆焊2～3 mm 后， 再使用硬层ZJ-12 焊丝堆焊到15～20 mm， 配合HJ107 焊剂使用。 具体焊接工艺参数见表1。

表1 堆焊层焊接工艺参数

1.2.1 堆焊层熔敷金属化学成分

在堆焊层上取样进行化学成分检测， 用4%硝酸酒精溶液腐蚀试样后， 采用光学显微镜观察堆焊层显微组织， 堆焊层熔敷金属化学成分见表2。

表2 堆焊层熔敷金属化学成分 %

1.2.2 堆焊层组织

图1 堆焊层显微组织

试样堆焊层组织如图1 所示。 由图1 可以看出， 堆焊后熔敷金属组织主要为马氏体和碳化物。堆焊层中含有Cr、 V、 Mo 和W 等合金元素， 它们均能与碳形成较稳定的碳化物， 可有效提高堆焊层硬度。 回火时， 这些合金元素能够以细小碳化物的形式进行弥散强化， 使堆焊层具有较好的热硬性、 硬度和耐磨性。

1.2.3 堆焊层表面硬度

使用TH110 里氏硬度计检测堆焊层的硬度，检测结果见表3。 由表3 可见， 试样堆焊后具有较高硬度， 且分布均匀， 硬度值满足技术要求。

表3 堆焊层硬度检测结果HRC

1.2.4 磨损性能

采用由自动金相研磨抛光机改制的试样磨损机进行磨损试验， 试样规格为Φ10 mm×15 mm，水磨砂纸600#， 设定转速200 r/s， 压力200 N，旋转时间25 s。 对比试样采用硬度为55HRC 的锻钢淬火件。 通过测出试样磨损前后的质量， 计算出的差值及磨损量见表4。

表4 堆焊层质量的测量及磨损量计算结果

磨损试验结果表明， ZJ-12 堆焊耐磨层平均质量损失率仅为0.57%， 而淬火钢的平均质量损失率为4.79%， 可见， ZJ-12 堆焊层的耐磨性能较优。

1.2.5 拉伸、 冲击性能

按照GB/T 228.1—2010 《金属材料拉伸试验第1 部： 室温试验方法》 进行拉伸试验取样， 在焊缝部位 （高于过渡层3 mm） 取3 个试样， 尺寸为M16×120， 拉伸试验结果见表5。 按照GB/T 12778—2007 《金属夏比冲击断口测定方法》在焊缝部位 （高于过渡层3 mm） 取3 个试样，尺寸均为10 mm×10 mm×55 mm， U 形缺口， 常温 （20 ℃） 下的冲击试验结果见表6。

表5 堆焊层焊缝拉伸试验结果

表6 常温 （20 ℃） 下的冲击试验结果J

由表5 和表6 可以看出， 其冲击韧性较好，抗裂性也较好， 可有效阻碍裂纹扩展， 并能够防止轧辊辊身表面出现剥落等缺陷的产生。

1.2.6 热疲劳性能

冷热疲劳试样尺寸为40 mm×40 mm×10 mm，其中40 mm×40 mm 面为试验面， 试样在制取加工过程中要保证足够的冷却， 确保试样表面不过热。40 mm×40 mm 的试验面磨削加工后， 抛光成镜面，4%硝酸酒精侵蚀乌化。

热疲劳试验机为自制试验机， 加热方式为高频表面感应加热。 将试样固定在试验台支座上， 调整试样与平面感应器的间隙至固定距离， 开启循环冷却系统、 记录系统和控制系统。 设定加热峰值温度、 循环次数、 加热功率及冷却时间等试验参数。 调整红外测温仪， 使之透过感应器小孔直接测温。 对循环温度的变化及循环次数需做记录， 温度测量装置的误差不应超过±10 ℃。

堆焊层试样在25～600 ℃条件下进行1 000 次加热和水冷的热疲劳试验， 试验后未发现疲劳裂纹， 说明堆焊层在温度为25～600 ℃条件下具有良好的热疲劳性能。

2 夹送辊再制造工艺研究

夹送辊堆焊再制造过程为： 焊前准备→预热→堆焊→中间热处理→堆焊→最终热处理。

2.1 焊前准备

为保证夹送辊良好的焊接性能与使用性能，首先应将原疲劳层进行粗车， 然后进行着色与超声波探伤， 确保无裂纹等缺陷。

2.2 预热

夹送辊开始堆焊前， 为降低堆焊过程中熔敷金属的冷却速度， 减少焊接热应力， 需先对夹送辊进行预热处理， 预热温度应在马氏体开始转变温度以上， 最终设定为280～320 ℃， 加热完成后对轧辊进行保温， 以保证辊芯温度能达到所要求的预热温度。 保温时间大致按照轧辊直径范围确定， 辊坯直径越大， 保温时间就越长， 以保证轧辊内外均温， 最终确定轧辊保温时间为3 h， 从而保证辊坯完全热透。

2.3 堆焊与层间温度控制

焊前热处理后开始进行堆焊。 考虑夹送辊直径为400～900 mm， 热传输较快， 过渡层与硬层焊丝均采用Φ3.2 mm 药芯焊丝， 通过对焊接行走速度的规定来控制堆焊螺距， 焊丝的纵向移动速度应让相邻的焊道之间能重叠1/2 左右， 以保证堆焊层平整无焊漏。 层间温度控制在230～270 ℃为宜，考虑焊接过程中中间温度较高， 两端降温较快，为保证层间温度均匀， 制作专用加热装置 （采用煤气管加热， 在堆焊辊身端部做成扇形， 增加加热面积， 保证快速加热） 进行层间温度控制。

2.4 最终热处理

堆焊完成后炉冷到150 ℃， 按照40 ℃/h 升温到510 ℃， 保温10 h 后炉冷， 冷却至100 ℃后开炉空冷。 最终热处理可消除堆焊过程产生的部分组织应力和热应力， 使堆焊层组织产生 “二次硬化”， 进一步提高堆焊层的耐磨性及耐热疲劳性。

2.5 检测

堆焊完成后， 经着色探伤没有检测到表面裂纹， 经超声波探伤仪检验堆焊层内无直径大于2 mm 的气孔， 其缺陷判定符合GB/T 13316—1991 《铸钢轧辊超声波探伤方法》 中B 级标准要求， 并检测辊身硬度约为53HRC， 具体数据见表7。 由表7 可以看出， 再制造夹送辊具有良好的常温硬度， 满足硬度大于50HRC 的技术要求。

表7 再制造夹送辊硬度

3 结束语

使用优选的ZJ-12 药芯焊丝进行堆焊试验，金相组织较原来马氏体不锈钢更加细化， 且碳化物颗粒明显增加， 提升了材料的硬度与耐磨性。使用ZJ-12 药芯焊丝对某钢厂再制造的夹送辊未出现裂纹、 气孔等缺陷， 在同等使用条件下， 堆焊修复后的辊面磨损量明显好于未堆焊的新辊辊面， 上机使用后， 辊面无粘钢、 砂眼、 凹坑及裂纹等缺陷， 使用效果良好， 上机一次使用过钢量均超过45×104t， 显著提高了夹送辊的使用寿命， 其修复成本为新辊成本的25%～30%， 经济效益显著， 为各钢厂降低成本提供参考。