摘要 軋輥堆焊技術是軋鋼廠降低輥耗、提高軋機作業率、增加產量、改善質 量、降低生產成本的一項有效措施。 本文詳細地闡述了鋼軋輥堆焊技術的國內外發展狀況及軋輥堆焊工藝， 并針對四種堆焊材料 2 7 c r 3 m o 2 m n v wt i , 3 c r 1 3 , 3 5 m n s i 及 3 c r 2 wg v的堆 焊工藝、焊后熱處理制度和焊后堆焊層的化學成分、稀釋規律、顯微組織、 硬度、耐磨損及力學性能等進行理論分析和試驗研究，并提出四種堆焊材料 的適用性 。 經生產實踐證明，2 7 c r 3 mo 2 mn v wt i焊絲材料焊后軋輥表面硬度是 3 5 mn s i 堆焊輥的 3倍，單輥軋出量是 3 5 mn s i 堆焊輥的 5倍，是一種理想的 熱軋工作輥堆焊材料，可給企業帶來顯著的經濟效益。 關鍵詞:鋼軋輥堆焊組織結構磨損 abs tract t h e r o l l e r s s u r f a c i n g w e l d i n g t e c h n o l o g y i s a e f f e c t i v e w a y t o c u t d o w n t h e c o n s u m p t i o n o f r o l l e r , t o r a i s e r o l l i n g e f f i c i e n c y , t o i n c r e a s e t h e q u a n t i t y , t o i m p r o v e t h e q u a l i t y o f p r o d u c t s a n d t o r e d u c e t h e c o s t s f o r r o l l i n g . i n t h i s p a p e r , t h e t e c h n i c a l d e v e l o p m e n t o f s u r f a c i n g w e l d i n g f o r s t e e l r o l l e r b o t h d o m e s t i c a n d a b r o a d a r e g i v e n a d e t a i l e x p l a n a t i o n . t h e f o u r s u r f a c i n g w e l d i n g m a t e r i a l s , w h i c h a r e 2 7 c r 3 mo 2 mn v wt i 、 3 c r 1 3、 3 5 mn s i a n d 3 c r 2 wg v , a r e a n a l y z e d i n t h e o r y a n d s t u d i e d b y e x p e r i me n t s , i n c l u d i n g t h e s u r f a c i n g w e l d i n g t e c h n o l o g y , h e a t t r e a t me n t p r o c e d u r e , t h e s u r f a c i n g l a y e r s c h e m i c a l c o mp o s i t i o n a f t e r s u r f a c i n g w e l d i n g , d i l u t i o n r u l e , m i c r o s t r u c t u r e , h a r d n e s s , w e a r i n g c a p a c i t y a n d m e c h a n i c a l p r o p e rt y e t c . b a s e d o n t h e e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h , a d o p t i o n o f t h o s e f o u r m a t e r i a l s i s p r o p o s e d i n s e r v i c e , i t i s t e s t i f i e d t h a t t h e s u r f a c e h a r d n e s s o f w o r k i n g r o l l e r s w i t h u s i n g 2 7 c r 3 mo 2 mn v wt i i s t h r e e t i m e s t o t h e o n e w i t h 3 5 mn s i , a n d t h e c a mp a i g n p r o d u c t i o n i s f i v e t i me s . s o 2 7 c r 3 mo z mn v wt i i s a n i d e a s u r f a c i n g w e l d i n g m a t e r i a l s f o r h e a t w o r k i n g r o l l e r s , i t w o u l d b e m a d e g r e a t e c o n o mi c i n t e r e s t f o r p l a n t . k e y wo r d s : s t e e l r o l l e r s u r f a c i n g w e l d i n g mi c r o s t r u c t u r er i n g 獨創性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特別加以標注和致謝之處外， 論文中不包含其他人己經發表 或 撰 寫 過 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 為 獲 得a l 達1 或 其 他 教 育 機 構 的 學 位 或 證 書而使用過的材料。 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名 簽 字 日 期 : 少心年了 月 3 。 日 學位論文版權使用授權書 本 學 位 論 文 作 者 完 全了 解2 魷有 關 保留 、 使 用 學 位 論 文 的 規 定。 特授 權 k主夕乞可以 將學 位論 文的 全 部 或 部分內 容編入 有關 數 據庫 進 行檢 索，并采用影印、 縮印或掃描等復制手段保存、 匯編以供查閱和借閱。同意學校 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 學位論文作者簽名 簽 字 日 期 :0 1 0a - 年6月 3 0 日 導 師 簽 名 : 舟 簽 字 日 期 : z- z 年2月s -日 第一章緒論 第一章緒論 1 . 1軋輥堆焊技術概述 軋輥是軋鋼生產中的關鍵部件，不僅消耗量大，費用昂貴，而且軋輥 材料的好壞直接影響軋機的作業率、軋制產品的產量和質量、單位軋輥的 消耗及軋鋼成本 。 由于軋輥工作在高溫、磨損和沖擊條件下，其破壞形式有:磨損、熱 龜裂、斷裂。特別是近年來對鋼材質量要求的提高，軋制過程的強化，難 變形金屬及合金鋼軋制的增加，對軋輥使用的條件要求越來越嚴。通常要 求軋輥芯部具有一定的韌性，以便承受扭轉和彎曲應力;同時要求軋輥表 面具有較深的耐磨層 ，并具有較高的耐疲勞強度。上述兩方面的要求在冶 金軋輥生產上往往是相互矛盾的。 如何提高軋輥的使用壽命 己成為軋鋼生產中提高生產率，降低消耗的 重要課題。隨著焊接技術的不斷發展，焊接以其特有的優點進入軋輥修復 業和制造業中，采取合理的堆焊方法和工藝，在具有一定強度和韌性的廉 價的輥芯材料上堆焊上一層硬度高、 耐磨性好、 耐疲勞性強的金屬表面層， 重新制造出一種新型的復合軋輥，是實現上述 目標的主要方法之一。 1 . 1 . 1 國外應用軋輥堆焊技術簡況 國外開展軋輥堆焊工作比較早的國家是前蘇聯，始于 2 0世紀四十年 代，開始主要是采用手工電弧堆焊方法修復軋輥，后來采用了埋弧自動堆 焊技術 8 1 0 2 0 世紀五十年代以后，許多國家都致力于不斷地改進軋輥堆焊 材料并完善堆焊工藝及設備 1 8 1 。目前， 世界上工業發達國家普遍采用和發 展了鋼輥堆焊技術，采用多種類型的先進堆焊設備。這些設備的自動化程 度高，堆焊效率高，能滿足高質量堆焊鋼輥的需要。如 日本制造的平臺式 七絲臥式堆焊機床;前蘇聯的萬能傾動機床等。目前軋輥堆焊已成為冶金 企業降低成本，提高設備作業率的一種有效的技術手段。此外廣泛應用于 各種生產設備中的其它輥類零件和其它易損件的堆焊技術近年也取得了長 足進步。 表1 - 1 給出了 冶金企業堆焊的一lk b 卞 要產品2 1 13 1 第一章緒論 表 1 一 1冶金企業堆焊的主要產品 序號應用對象主要堆焊產 品 1 煉鐵爐頂、爐頂蓋、旋轉卸料筒、風口 ( 高爐) :破碎板、 2 煉鋼轉盤、鐵皮 轉爐) :支架、導桿、夾送輥 ( 連鑄) 3初 軋 各種初軋輥、各種輥道、進料輥、柱塞、主軸、剪床、 舌頭穿孔機 4 熱連軋 地下卷機、上下夾送輥、外卷輥、炮架型軋輥、各種輥 道、f s b夾送輥、輥式齒輪、偏導軋輥 5冷 軋 卷取機、程序夾送輥、彎曲輥、矯直輥、加壓滾子 6厚板矯直機矯直軋輥、支撐輥、各種輥道、進料輥 7型鋼車 l 輥孔型、矯直輥 8鋼管定徑軋輥、矯直輥 9滾諜 泵殼、割刀、葉輪額破碎機 1 0其它各種接頭、主軸、各種車輪、金屬模氣缸、壓力機塊 從表中可以明顯看出， 軋輥堆焊技術幾乎遍及 了整個冶金行業的各個 部 門。 1 . 1 . 2 我國軋輥堆焊技術的現狀 早在2 0 世紀五十年代我國就開始使用堆焊方法修復軋輥川。近年來， 采用堆焊方法修復和制造了大批輥類零件，取得 了明顯的經濟效益 ，在很 多大中型鋼鐵企業得到廣泛應用。 鞍山鋼鐵公司在國內軋輥堆焊開展的比較早，在堆焊技術的研制方面 走在國內同行的前面。 大型開坯輥進行堆焊后， 平均輥耗降到0 . 0 4 k g / t ，年 節約資金 5 0萬元; 首鋼 8 5 0 軋機采用埋弧堆焊輥， 軋輥總軋出量為未堆焊 輥的1 .2 倍， 輥耗降到0 . 1 6 k g / t 以 下，全年節約軋輥費用達4 0 多萬元 5 1 . 上鋼二廠采用軋輥堆焊技術，實現定徑軋制，軋機產量提高 8 0 %，每年多 軋鋼6 x 1 0 4 t ， 創造價值3 0 0 多萬元 8 1 。 目前， 我國年耗鑄鋼軋輥3 -4 x 1 0 0 t , 鍛鋼輥 1 x1 了t ， 總費用約2 億元。 據報廢鋼輥的數據統計， 如果5 0 %以上 的軋輥采用堆焊技術， 則全國可年節約鋼軋輥費用 8 0 0 0萬元以上， 再加上 由于堆焊軋輥使用壽命的提高而帶來的軋機作業率提高，經濟效益就更加 顯著了 1 。但到目 前為止，近 7 0 % 的中小型軋鋼廠還沒有應用軋輥堆焊技 術。且軋輥堆焊局限于熱開坯軋輥，以修復和提高軋輥使用壽命為主。用 堆焊方法批量生產復合材質新軋輥的工藝還處于試驗和研究階段，致使我 國軋輥的生產水平與工業先進國家相 比差距較大 。因此 ，就我 國今后軋輥 第一章緒論 堆焊的發展方向看，在堆焊材料方面應從速研究具有各種不同特性的新品 種，如各種規格的耐磨、耐熱、耐疲勞焊絲、粉芯焊絲、焊帶及與之相匹 配的熔煉焊劑等，逐步達到品種多樣、規格齊全 ，并形成堆焊材料的標準 化、系列化;在堆焊設備方面，須盡快研制機械化、 自動化程度高的專用 機床，向雙絲、多絲和帶極方 向發展 。預熱爐、熱處理爐、堆焊機床 、埋 弧焊機和焊劑回收裝置等設備也應標準化、系列化。此外，在堆焊工藝方 面應該不斷探討和優化。 1 . 2 軋輥堆焊的幾種主要方法 目前，隨著堆焊設備、材料、工藝的進步，出現了多種軋輥堆焊的方 法，這為提高軋輥的使用壽命，降低冶金行業生產成本提供了有力的保證 2 1 3 1 。 軋輥堆焊主要有兩大目 的:其一為軋輥的修復，主要是對在生產使 用中磨損報廢的輥子通過修復，恢復其尺寸，達到重復利用的目的;其二 為軋輥的制造，即通過選用具有高強韌性的芯部材料和高耐磨、耐疲勞等 特殊性能的表層材料，利用堆焊的方法制造出所需的高性能軋輥。為達到 這兩種 目的，選用的主要堆焊方法有 :金屬噴涂 、氣體保護焊 、埋弧焊和 電渣焊，其中埋弧焊方法目前使用最為廣泛 4 1 1 . 2 . 1 金屬噴涂 金屬噴涂方法所采用的工藝是用金屬絲做電極的電弧噴涂和熔化顆粒 堆積的工藝。采用二次熔化法可得到一個冶金結合的、確切地說是機械結 合的噴涂層。噴涂速度一般很高，但它只適用于小軋輥和薄涂層。該工藝 可以涂敷很硬的涂層材料，同時可以控制涂層的致密性以改善表面的潤滑 性 。 盡管諸如 wc類高耐磨的材料可以很容易用此方法涂敷，但由于它和 母材結合的性質及涂層內應力的影響，限制了一些本來可以應用的領域。 另外，這種方法的涂層厚度很小，因此，至今未見到這項工藝成功應用在 大型和高應力狀態的工作輥上的相關報道。 1 . 2 . 2 氣體保護焊 氣體保護焊由于堆焊部位的質量不如埋弧焊，其焊接材料的種類也較 少，所 以，沒有廣泛地應用于工作輥表面堆焊 ，而主要應用于軸類不銹鋼 薄層的堆焊和軋輥輥頸表面堆焊。這是一個多層施焊 的過程 ，而且同埋弧 第一章緒論 焊相比有無需焊劑的優點。但這種堆焊方法熔敷速度較低。 1 . 2 . 3 埋弧焊法 埋弧焊是在一定大小顆粒的焊劑層下，由電極與被焊金屬之間產生放 電而形成電弧和高熱 ，使電極的端頭和被焊金屬熔化凝結，來完成金屬的 焊接。早在六十年代，埋弧焊就以其特有的優點進入軋輥的修復和制造業 中m，并且是目前最常用的方法 2 1 3 1 ，主要原因是:此方法堆焊質量好、 效率高，而軋輥的形狀也適合埋弧焊。原則上，埋弧焊工藝為把金屬堆焊 到輥芯表面提供了一個簡單而又有效的手段，或者采用螺旋狀的，或者采 用一道壓一道的方法，逐步堆成多層并形成具有所希望的成分和性能的表 層。埋弧焊的主要技術要求是: 1 )高熔敷速度 ( 每小時最少2 0 k g ) , 2 )焊后基體及焊層沒有明顯的缺陷; 3 )均勻的焊道金屬和熱處理性能的一致性: 4 )滿足工件所要求的力學機械性能。 到目前為止，埋弧焊技術已用于軋鋼廠中所有鋼質的輔助輥和輥道輥 ( 包括下卷取夾緊輥、 某些爐輥、 傳送輥以及鋼板矯直輥等) ， 所帶來的經 濟效益及勞動生產率的提高等優點已得到了眾多廠家的證明。埋弧堆焊修 補或制造輥子的技術在初軋機工作輥、熱帶鋼軋輥及精軋機工作輥上應用 比較成熟，并均己投入工業生產.除了大型冷軋輥外，自動埋弧焊幾乎遍 及冶金企業所有軋輥的修補和制造，熔敷速度最大可達 3 0 k g l h以上，表 面硬度最高可達 h r c 6 0以上。 一般說來，要求高工作應力和高硬度的輥子用埋弧焊的辦法是行不通 的，比如精軋機上的大支撐輥和合金鑄鐵輥以及大型冷軋輥等。其主要原 因有二: 1 ) 焊縫金屬成份不夠理想。 焊縫金屬成份和硬度的不均勻性常常達不 到工件所要求的力學機械性能。 2 ) 焊接設備方面的缺點是熔敷速度較低，經濟性較差， 焊后還可能出 現裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。 另外，還由于埋弧焊本身存在一些工藝上的問題。使得該技術的發展 受到一些限制。然而，隨著設備、材料、工藝的發展，只要能克服它的上 述缺陷，埋弧堆焊作為修復和制造復合軋輥的主要技術，是大有前途的。 1 . 2 . 4 電渣焊 第一章緒論 電渣堆焊是利用電流通過熔融渣池產生的焦耳熱作為堆焊熱源，熔化 母材和填充材料，并用水冷卻結晶器對熔融金屬強迫成型進行堆焊。這種 工藝具有以下特點: 1 )適應性廣電渣焊熱源溫度約為 1 7 0 0 - 2 0 0 0 0c，比埋弧焊 電弧溫度 c 6 0 0 0 - 7 0 0 0 0c)低得多。 0 1 ，可減緩堆焊的加熱和冷卻速度，使堆焊層產 生裂紋和氣孔的傾向比電弧焊小得多，因此，像鑄鐵這樣高碳的母材也能 堆焊。 2 ) 堆焊質量好電渣堆焊時， 軋輥工作層是一次成型的，堆焊層在整 個厚度范圍內化學成分和組織均勻。 另外電渣重熔可以提高冶煉金屬質量， 細化結晶組織。 3 ) 工作穩定可靠，生產率高電渣堆焊時，由于沒有作為熱源的電弧 介入，電壓、電流均可在一個較寬的范圍內獨立變化而不影響過程的穩定 性。 例如， 電流可在2 5 0 - 7 0 0 a ， 電 壓可在3 0 -5 0 v的范圍內 獨立變化13 0 1 這種堆焊方法的熔敷速度遠遠高于其它堆焊方法，這種工藝能獲得 1 5 i o o m m (3 ) 厚的單層堆焊金屬， 堆焊速度可達到2 0 0 - 4 0 0 k g / h (3 1 。因此，生 產率很高。 4 ) 經濟效果顯著由于上述特點，電渣堆焊能生產或修復質量更高 而價格又相對便宜的軋輥。 電渣堆焊工藝所固有的高輸入熱量影響工件表面的結晶模型和金相， 決定了該工藝用于堆焊平輥是最合適的。由于設備、材料、工藝等多方面 還不成熟，這種方法仍處于研究階段，還不十分普及。 以上介紹的是軋輥堆焊的幾種主要方法，表 1 - 2列舉了每種堆焊方法的主 要工藝 特點(13 1 表 卜 2幾種堆焊方法的士要工藝特點 上 _ 藝要素噴涂氣體保護焊埋弧焊電渣焊 熔敷速度k g / h 2 0 1 0 3 0 2 0 0 - 4 0 0 堆焊 厚度 mm 4 1 0- 2 0 1 0 0 1 5 . 1 0 0 堆焊特點單層 、多層多層多層單層 稀釋率 %理 論上 零8- 5 08 - -5 0 5 0 結合形式機械冶金冶 金 冶金 盡管軋輥堆焊有較多的方法可供選擇，但最為普遍的還是埋弧焊和電 渣焊。目前我國主要采取的方法是 自動埋弧焊，其它方法使用比較少。 第一章緒論 1 . 3 1 . 3. 1 自動埋弧焊在軋輥堆焊中的應用 軋輥 自動埋弧焊的基本原理 軋輥 自動埋弧堆焊 的基本 原理和一般 自動埋弧焊接的相 同，所用的設 備一般均為 自動埋弧焊的設備。在 自動埋弧堆焊的過程中，堆焊電弧在通 有電流的堆焊工件和金屬焊絲之間燃燒 ，堆焊工件和金屬焊絲在堆焊電弧 的高溫作用下被局部和全部熔化.為了保護熔融的液體金屬免受空氣中的 有害氣體影響，以及為了保存堆焊電弧的熱量和防止金屬的飛濺，采用了 顆粒狀的焊劑。即用一層一定厚度的焊劑覆蓋在堆焊區上，堆焊電弧又使 顆粒狀焊劑部分熔化 ，并使堆焊電弧在有熔化了的焊劑所形成的彈性外殼 的空間中燃燒，這個彈性外殼將可靠地將堆焊熔池隔絕于空氣。軋輥自動 埋弧堆焊方法如圖 1 - 1 所示川。 門一 一4 牡仁扮 二 灸 竺 _ 二 一， 召 入 三 隊恕 氣 ， 、夕叮7 鄉， 月 嶺 - 一 三 止公止二 上 幾 金屬焊絲導事桿矗 ， 1 n 軋輥氏 劫埋弧 堆9 虧去;意男 土 一 焊 劑杯 堆r k,tt焊潔香 i禾婚比的焊刊 1 口 堆焊電弧 七 堆焊層拿屬 y p i 孔,a 堆焊申源 金屬焊絲 1以一定的速度連續、均勻地供給堆焊電弧 5 ，并在堆焊電 弧的高溫作用下均勻地融化。金屬熔滴通過堆焊電弧與鋼軋輥 6的熔融金 屬相混合，并形成堆焊熔池 7 。在熔融金屬冷卻結晶后得到焊渣殼 8和未 熔化焊劑 9覆蓋而成的堆焊金屬 1 0 。堆焊時，由于鋼軋輥的回轉，未熔化 的焊劑落入回收箱 ，以便回收再用。己冷卻的焊渣殼則在鋼軋輥部分重新 接近堆焊電弧以前必須被清除掉。 金屬焊絲成圈地放置在附近的焊絲盤中， 通過 自動埋弧焊機的送絲機構，連續、均勻地送入堆焊電弧。 1 . 3 . 2 軋輥堆焊工藝 軋輥堆焊工藝流程如圖 1 - 2所示。 第一章緒論 圖 1 - 2 軋輥堆焊工藝流程 軋輥 自動埋弧焊的工藝過程共分為六個環節: 1 )鋼軋輥堆焊前進行表面清理及內部探傷; 2 )經表面清理的軋輥放入預熱爐中預熱; 3 )軋輥達到一定溫度后進行自動埋弧堆焊; 4 )焊后的軋輥進行堆焊層的外觀質量檢驗; 5 )焊后熱處理; 6 )軋輥內部探傷及車削精加工。 1 .軋輥堆焊前的車削加工 軋輥使用后，由于嚴重的熱磨損、熱疲勞，致使孔型表面凹凸不平 并有網狀龜裂，稱為疲勞損傷層。為了保證軋輥堆焊層質量，提高軋輥堆 焊效率，在堆焊前必須做好軋輥的表面清理及內部探傷工作，尤其各種裂 紋要徹底清除。對于環裂較深處，采取局部車削，在車削中如發現個別的 深孔沙眼，就需用 電鉆將沙眼鉆深、擴大，再用手工電弧焊補焊。軋輥堆 焊前車削加工的原則是消除軋輥表面的任何缺陷，對于新軋輥來說則應根 據圖紙尺寸將孔型擴車5 - 1 0 m m 1 6 1 ，以保證堆焊層的厚度。 另外，在堆焊前車削加工中還應當考慮在堆焊過程中防止熔渣被卡住的問 題，所加工部分不應存在銳角，如圖 1 - 3所示。不允許車削后的軋槽有較 薄部分，防治軋槽在堆焊過程中出現局部過熱。 飛. - 。 ) 圖 一 3 軋輥 軋 。 一不正確 一 戶 八 沐 一二軍 匕 槽堆焊前 車削 示意圖 h 一 正確 第一章緒論 2 ，超聲波探傷 粗加工后進行探傷，是為了檢查鋼輥有無嚴重內部缺陷，或者是檢查 裂紋是否車凈。精加工后進行探傷是為了最后確認堆焊的鋼輥是否合格。 3 軋輥預熱 鋼輥預熱是防止焊層出現裂紋的最有效的措施。它能減小堆焊層金屬 的冷卻速度，減少堆焊層金屬的結晶偏析，增加結晶的間隔時間，減少熱 應力的產生以及避免堆焊層金屬產生結晶裂紋等。在軋輥預熱后能減慢堆 焊時冷卻速度，可使基體金屬在馬氏體相變臨界溫度以上進行比較充分的 分解，它能避免堆焊層金屬的馬氏體相變，防止堆焊焊縫熱影響區的裂紋 產生。 軋輥的預熱時間，主要包括加熱時間和保溫時間。所謂的加熱時間， 是使軋輥在一定的加熱速度下，自常溫加熱到一給定溫度所需要的時間; 所謂的保溫時間，是指軋輥表面加熱到一定溫度，在這個溫度下繼續加熱 一定時間，使軋輥各部分溫差盡量減小。 4 .軋輥堆焊 埋弧堆焊是軋輥堆焊最關鍵一環是堆焊。埋弧堆焊主要涉及堆焊規范 參數和堆焊操作規程。 5 .堆焊規范參數 堆焊規范參數包括:電弧電壓、電流、送絲速度、堆焊速度、堆焊螺距 等。這些參數應根據軋輥的種類 、材質及技術要求，不同的焊絲和焊劑， 經實驗后確定。合理的堆焊規范應能達到:有較高的堆焊溶敷效率，堆焊 層間有足夠的結合強度，無裂紋、夾渣和其它焊接缺陷，且易于脫渣等。 試驗過程中的預定堆焊規范可按以下經驗公式計算確定: 1 )堆焊電流 堆焊電流的大小與熔深之間的關系為: h = k xi( 1 一 1 ) 式中h一一熔深 ( m m) ; 瓜 一一熔深系數 ( m m / l o o a ) ; 1一一堆焊 電流 ( a) . 當焊絲直徑為d 4 - (d 5 m m，工作電壓為3 2 -3 4 v，堆焊速度為 3 0 - 6 0 m / h ，取 k, = 0 . 7 - 1 . 3 m m/ 1 0 0 ao 為了獲得基體金屬稀釋較少的堆焊層金屬，一般采取 “ 小電流、低電 壓、薄層多次”的堆焊方法，堆焊焊縫的熔透深度僅為 3 -4 m me 第一章緒論 另外 ，電流與焊絲直徑之間也存在一定關系: i = ( 8 5 1 1 0 ) xd(1 - 2) 式中d一一焊絲直徑 ( 2 )電弧電壓 在選擇電弧電壓 時， mm ) . 主要考慮堆焊 電流，可按下式計算 : v= ( 0 . 0 2 - 0 . 0 4 ) x1 + 2 0( 1 - 3 ) 3 )堆焊速度 軋輥堆焊時的軋輥轉速是根據軋輥的線速度及軋輥直徑大小確定。 一般情況下，堆焊速度以 2 4 4 2 m / h較為合適，碳素鋼焊絲取中下限，合 金鋼焊絲取中上 限。軋輥轉速可由下面公式求得 : n = v a l(n xd) (1 - 4) 式中n一一軋輥轉速 ( r / mi n ) ; d 一一軋輥直徑 ( mm) ; v 。 一一軋輥線速度 ( m m / m i n ) o 4 )焊絲伸出長度 焊絲伸出長度對堆焊焊縫形狀和稀釋率有影響，可根據試焊情況來 確定，一般為 2 0 -6 0 m m。我廠焊機焊嘴與軋輥表面距離為 2 5 m m左右， 垂直于水平面，焊縫成型良好。 5 )堆焊螺距 堆焊時相鄰焊縫彼此重疊 1 / 3 左右，堆焊螺距可根據焊絲直徑按下 式選取: s= ( l . 9 - 2 . 3 ) x d( 1 一 5 ) 式中 s一一堆焊螺距 ( m m / r a p ) ; d一一焊絲直徑毫米 ( m m) . 6 )焊絲傾斜位置 為防止液態金屬和熔化的焊劑流失，延長熔渣冷卻凝固時間，便于除 渣，焊絲必須相對于軋輥中心向其旋轉反方向后移一距離，叫后移量，用 k表示，k = 0 . 0 8 d，焊絲對正軋輥中心，傾角為6 - 8 ( 圖 1 - 4 ) 9 第一章緒論 _創 _匡 h - 0 0 8 c 書絲 獷 戶、 廣軋 v r 圖弓: 惶 4 與 豹 輥 軍 州員 點 距 離 及 焊 絲 傾 斜 角 度 7 )堆焊電流的種類和極性 為了保證軋輥堆焊質量一般要求采用直流焊機，采用直流反接堆焊 時，焊縫熔深最大;采用直流正接時，焊縫的熔深最小。 6 .堆焊操作規程 1 )平面軋輥的堆焊 平面軋輥的堆焊是軋輥 自動埋弧堆焊中最普遍最方便的一種。一般 按螺旋線堆焊三層以上， 第一層 自左 向右堆焊， 第二層則需 自右向左堆焊， 第三層同第一層方向，以后各層依次類推。堆焊的尺寸要求除了實際的堆 焊量外，還需包括加工余量、焊縫的熱脹冷縮的余量，一般為 4 m m。但在 實際生產中，當堆焊到軋輥邊緣時，會發生焊劑托不住、熔渣及液體金屬 流失等現象，造成堆焊焊縫淌瘤。可采用圖 1 - 5的方法杜絕此 問題的發生 。 一了1 日一 牡沸 -，11召衛 自 .，1蕊 王 屬書 一_ _一 _ 升 產 j 尸 升 面 fl . 輥輥身 邊 緣 堆焊 它是采用幾根直徑大小不同的金屬軟管，在軋輥輥頸處重疊起來，拖 住熔融的焊劑和液體金屬，但金屬軟管的重疊高度不能超過軋輥輥面， 第一章緒論 般低于輥面 3 -5 mm。堆焊引弧的位置定在距離軋輥端面 3 -5 m m處，這 樣堆焊焊縫正好保住軋輥邊緣 。 2 )箱形孔堆焊 箱形孔的堆焊順序如圖 1 - 6 所示。 ，歲 l卡 卜 一.廿 鄉 1斗。 厚 絲 我 少 萬 丁 下 廠一 圖 1 一 6箱 形 孔 堆 焊 順 序 首先，把焊機機頭傾斜一定角度，堆焊箱形孔的槽底圓弧，使其達到 要求的尺寸; 第二，把焊機機頭調整到垂直于軋輥平面，堆焊箱形孔槽底 第三，堆焊機床傾斜一定角度，焊機機頭以相反方向傾斜一定角度，堆焊 箱形孔的兩個側壁 。 3 )菱形 ( 蝶形)孔堆焊 菱形 ( 蝶形)孔堆焊順序如圖 1 - 7 0 匕 j 牡 : 一 i r - - - - 一 拱 _、 : 呱 幾護歹 圖 1 一 /菱形 孔 堆焊 順序 堆焊菱形 ( 蝶式 )孔時，機床和焊機機頭以相反方向傾斜一定角度， 先從菱形孔的頂角圓弧處開始堆焊，逐漸向菱形孔開口處堆焊上去，這樣 反復多次，直到達到要求 的堆焊尺寸。 第一章緒論 總之 ，無論在堆焊箱形孔、菱形孔還是其它異形孔時， 較集中 屬淌焊 ，熱量不易散發，造成堆焊層的熔融金屬冷卻緩慢。 由于其側壁比 為防止堆焊金 ，首先，將堆焊 電流和電弧電壓降至平面堆焊 時的 9 0 %左右 還需用金屬軟管拖住熔融金屬和焊劑，使埋弧焊劑形成一定厚度。 ;其次 此 方法 還可防止堆焊金屬產生氣泡。如圖 1 - 8 所示，對于機床不能傾斜的堆焊設 備，只能靠傾斜焊機機頭堆焊孔型側壁 。 m 1呂堆焊 有 槽 孔 時 用 顯 屬 軟 管 托 住5 刊 的 示 意圖 另外，堆焊時要不斷用孔型樣板檢查，焊層厚應盡量接近所需尺寸， 使焊后車削量要小，降低材料消耗， 保證有效輥身堆焊厚度 3 m m 以上， 側 壁堆焊厚 度5 m m以 上2 1 1 7 堆焊保溫 ( 層間溫度 ) 軋輥堆焊時的層間溫度一般保持在接近預熱溫度，通常認為層間溫度 應保持在堆焊材料的 ms 點溫度以上。 堆焊過程中為保證預熱溫度不下降， 堆焊機床設置有帶電熱體保溫裝置。 8 .軋輥堆焊熱處理 為了減少堆焊后所引起的殘余應力，避免產生裂紋，焊后應先保溫， 然后再裝爐進行熱處理。盡管堆焊材料有所不同，但其消除堆焊殘余應力 的退火溫度 ( 或稱回火溫度)多在5 0 0. 6 0 0 之間選取 9 1 ，保溫時間通常 為每2 5 .4 m m的輥子直徑，保溫0 . 5 -1 h 9 1 ，而緩冷制度，大部分采用隨爐 緩冷，當輥溫降到 1 0 0 以下時出爐空冷 9 1 。根據軋輥堆焊后出現的質量 問題分析，有相當一部分是由于焊后熱處理工序不當而引起的。 第一章緒論 課題目的、研究內容及方法 本課題的研究 目的 隨著市場經濟在我國的運行和企業自身發展的需要，降低生產成本及 ，提高經濟效益已成為人們的共識。而鋼鐵廠特別是軋鋼廠在備品備 軋輥的性能將直接影響產品質量 .44.耗 1上消 件的資金占用上首推軋輥這一項 。因此， 和軋機作業率:軋輥的消耗與壽命直接影響企業的成本和經濟效益。 唐山鋼鐵公司是國家特大型企業， 建國以來， 經過幾代人的努力奮斗， 由一個只有幾百人的煉鋼廠發展到年產鐵 4 0 0 x 1 0 0 t , 鋼4 0 0 x 1 0 4 t 、坯材 3 5 0 x 1 了t 的大型企業集團。特別是近年來進行了煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼 等一系列的改擴建項 目，技術進步得以飛速發展。根據國家產業政策，從 2 0 0 0 年起，國家對鋼鐵企業實行了限產、增效策略， 唐鋼首當其沖， 深挖 潛力、降低成本、提高質量成為最大的增效點。而軋輥堆焊是軋鋼廠降低 輥耗、提高軋機作業率、增加產量、改善質量、降低成本的一項有效的先 進技術措施。 三軋鋼廠是唐山鋼鐵股份有限公司重點生產廠，年產材坯 3 6 x 1 0 4 t . 軋機組成為(d5 5 0 m m x 1 / (d4 0 0 m m x 1 / ( d ( 3 0 0 x 2 ) x3 / (d ( 2 8 0 m m x 2 ) x3 , 1 4 架軋機。(d 5 5 0 m m i 架軋機軋輥多年來一直采用 7 0 mn 鑄鋼材料， 隨著市場形勢的不斷變化，公司要求我廠在繼續生產線材的同時，承擔為 一軋廠開坯的任務。由于開坯后鋼質的變化，(d 5 5 0 m m i 架軋機軋輥耐磨 性差，使用周期短，軋輥重車量大，不僅造成輥耗高，同時由于經常換輥 且時間較長，造成軋機作業率低。這表明普通的 7 0 mn軋輥已越來越不適 應生產發展的需要。唐山鋼鐵集團公司附屬企業總公司興達設備研制廠， 雖然已經采用軋輥堆焊技術生產用于基體為 7 0 mn的復合鋼軋輥，并己在 唐鋼部分軋鋼廠投入使用，取得了一定的成績。但長期以來，仍采用比較 固定的堆焊工藝和堆焊材料，一些新的堆焊工藝和材料未能及時用上，使 堆焊質量不穩定，各軋輥的表面硬度、單槽產品的軋出量相差較大，未能 以最低的成本取得最佳的經濟效益。因此，通過軋輥堆焊來進一步降低生 產成本的潛力仍然很大。為使軋輥堆焊技術在全公司內進一步推廣，特別 是在初始架次軋機上應用，把軋輥堆焊技術確實提高到一個新水平，還有 許多理論、工藝、管理上的工作需要去做。本課題研究的目的就是在吸收 國內現有的成熟堆焊工藝基礎上， 根據本公司軋輥制造水平， 采用韌性好、 價格適中的材料為軋輥堆焊基體，結合三軋鋼廠軋鋼特點，采取 目前國內 現有的幾種堆焊材料進行對 比評價試驗，通過分析焊后組織、內部結構、 第一章緒論 化學成分、力學性能等，研究探討用不同材料堆焊時對軋輥使用性能的影 響規律，從中選定最佳的堆焊材料。并對堆焊層厚度、堆焊層熱處理制度 等進行深入研究，為進一步推進軋輥堆焊技術積累經驗、提供理論依據。 1 .4 . 2 研究內容和實驗方法 軋輥堆焊強化工藝就是在具有一定強度和韌性 的廉價 的輥芯材料上堆 焊一層硬的、耐磨的、耐疲勞的金屬材料，制造出一種新型的復合軋輥。 因此本課題研究的主要內容將涉及到以下兩個方面:其一，選定最佳的堆 焊材料，用于產生高質量的軋輥表面。提高軋輥表面堆焊層質量的關鍵是 在采用合理的堆焊方法和工藝的基礎上，利用具有 良好性能的堆焊材料， 使軋輥表面的堆焊層具有高的耐磨性和熱疲勞性能。從影響熱疲勞和磨損 的內在因素看，選擇熱軋輥表面堆焊材料的合金系統首先應滿足熱穩定性 好這一要求，在此基礎上再通過調整堆焊層金屬的組織和化學成分來滿足 其它方面的性能要求，從而最終獲得具有良好耐熱疲勞和耐磨損性能的堆 焊層金屬。考慮到現場的實際情況，本課題擬選用五種堆焊材料進行評價 對比。其二，選擇高韌性的輥芯材料。為了最大程度地承受扭轉和彎曲應 力，減少斷輥事故的發生，研究過程中結合我公司軋輥生產廠的工藝水平 和制造成本，通過試驗對比選取合適的輥芯材料。 具體研究工作包括: 1 )進行多層施焊比較，確定最佳堆焊層厚度; 2 )測試堆焊層材料在空冷、5 2 0 0c , 5 4 0 c , 5 6 0 0c , 5 8 0 0c , 6 0 0 0c回 火狀態下的硬度，研究分析熱處理工藝對堆焊層硬度的影響; 3 )測試不同堆焊層材料在常溫和 6 0 0 兩種溫度下的6 s , 6 6 , s, 41及硬度值等，并結合堆焊層的組織結構，分析這些參數與耐磨性能的關 系; 4 ) 測試各堆焊層的硬度隨溫度的變化曲線， 以測定其高溫熱穩定性能; 5 ) 觀察堆焊層熱處理后的顯微組織結構，分析堆焊層的化學成分、組 織結構及其對使用性能的影響; 6 )進行生產現場試驗，以驗證課題的研究成果是否達到預期的效果。 第二章軋輥堆焊及實驗 第二章軋輥堆焊及實驗 2 . 1堆焊設備 軋輥堆焊設備包括 :預熱爐及熱處理爐、弧焊機 、堆焊機床。 2 . 1 . 1 預熱爐及熱處理爐 為消除焊接應力，軋輥堆焊前要預熱、堆焊后要進行高溫回火，因此加 熱爐是必不可少的。 國內采用的加熱爐有電爐和燃氣爐兩類1 9 1 ，電爐較多， 燃氣爐較少。對 于電爐而q，爐子結構簡單，體積小，工作環境好，易于實現爐溫自動控制， 確保鋼輥的加熱質量;對燃氣爐而言，爐子結構復雜、體積大，工作環境及 勞動環境差、不易控溫。這兩類加熱爐基本上多采用臺車式爐型。近年來， 有些廠為了節能，在加熱爐上采用如下措施: 第一， 在爐內刷涂產生遠紅外線的涂料及在爐腔內和爐外貼硅酸鋁纖維 板，一般可節電2 0 - 3 0 %; 第二，增設緩冷坑與加熱爐配套，縮短了軋輥占爐時間，提高了加熱爐 的工作效率。 我廠軋輥堆焊選用的預熱及熱處理爐是唐鋼附企公司興達廠 自己研制 的臺車式電爐，共三座，每座功率為 1 2 0 k w，最高加熱溫度 8 0 0 0c .一座加 熱爐每次只能加熱一支軋輥。該爐具有入爐、出爐方便，加熱溫度均勻等優 點。 2 . 1 . 2 堆焊用弧焊機 目前我國還沒有堆焊軋輥用的專用焊機， 基本都是用mz - 1 0 0 0 型自 動焊 機改裝的，在生產中尚存在以下問題: 1 ) 堆焊效率低， 堆焊熔敷速度僅有 8 k g / h 左右， 而中大型軋輥的金屬的 堆焊量一般為幾百公斤至幾噸; 2 )電焊機電源的容量低。一般只有 8 0 -9 0 k v a，工作電流僅 6 0 0 a，只 能采用小直徑焊絲，堆焊速度不能太高，更不能滿足焊絲帶極堆焊的需要; 3 )焊機結構不適于軋輥堆焊。送絲機頭部分在堆焊作業時處在堆焊軋 輥上方， 其軋輥溫度一般為 2 5 0. 6 0 0 0c， 這樣在大量輻射熱的長時間作用下， 送絲馬達的壽命大大下降，嚴重影響堆焊工作正常進行; 第二章軋輥堆焊及實驗 4 )焊機沒有快速行走機構，焊絲機頭沒有自動升降機構。尤其是堆焊 輥槽兩側壁靠人工調整機頭傾斜度完成， 工人的工作環境惡劣 ， 勞動強度大: 5 )焊機仍以交流為主。生產實踐證明，軋輥堆焊最好采用直流電機， 堆焊過程穩定、質量好，這對合金耐磨層堆焊更為重要。 本次實驗選用的是沈陽電焊機廠生產的 mz - 1 0 0 0 - 1型自動直流埋弧焊 機，功率為 8 0 k w o 2 . 1 . 3 軋輥堆焊機床 我國現有軋輥堆焊機床多為臥式機床。這些設備大部分是各廠根據需要 自行設計制造的，也有用舊軋輥車床改裝而成的。存在以下問題: 1 )設備陳舊，機械化、自動化程度低，絕大多數采用手工操作，焊工 勞動強度大; 2 )舊車床改裝的堆焊機床，采用的是機械換擋，且速度只有幾擋，影 響軋輥堆焊速度的合理選擇和調整; 3 )堆焊機床附屬設備不配套。很多機床沒有焊劑輸送 、回收裝置，焊 劑的添加和篩選回收需要人工; 4 )一部分機床上還沒有設置保溫裝置。 我廠軋輥堆焊機床是由軋輥車床改制的，并在機床上安裝 了保溫罩和加 熱設備，以保證軋輥堆焊時的層間溫度。 2 . 2 軋輥堆焊材料 軋輥種類繁多，其使用狀態、工作要求均不同，所 以應使用不同的材料 進行堆焊，才能滿足不同的使用要求。但要求堆焊后的效果是一致的，即較 高的強度、良好的耐磨性能，較好的抗剝落性能和適中的表面硬度。就目前 軋輥堆焊來說.堆焊材料的選取一般分為兩大類 ，一類為修復廢舊軋輥的堆 焊材料，即單純為了恢復和修理軋輥，使之達到原始尺寸;另一類為耐磨堆 焊材料.即在堆焊工作中，主要考慮使軋輥表面獲得較高的硬度，有足夠的 耐高溫、耐磨損、耐冷熱疲勞等性能的堆焊金屬，同時也起到了恢復軋輥尺 寸的作用 。 2 . 2 . 1 素 。 焊絲材料 焊絲是直接影響堆焊金屬的化學成分、組織和性能的一個最主要的因 目前，國內焊絲材料品種見表 2 - 1 ( 8 1 。根據我廠生產需要，軋輥堆焊的 主要目的就是提高軋輥的耐磨性，即提高軋輥的耐磨、耐熱疲勞、耐高溫沖 第二章軋輥堆焊及實驗 擊性能，并修復軋輥尺寸。再考慮到基體材料的焊接性，應盡量選用與基體 具有相近的膨脹系數的焊接材料，以減少堆焊難度和避免焊接缺陷的產生。 根據這些原則，我們選用了3 c r l 3 , 3 5 mn s i . 3 c r 2 w8 v三種焊絲，同時根據 特殊合金元素的不同作用，自 制了一種 2 7 c r 3 m o 2 mn v wt i 焊絲，共計四種 焊絲進行試驗。焊絲直徑為 4 mm。其化學成分見表 2 - 2 . 選擇焊絲除了考慮具有合適的化學成分外.焊絲還必須滿足以下要求: 1 )焊絲直徑在整個長度方向上允許偏差須符合表 2 - 3 的要求; 表 2 - 3 焊絲直徑允許偏差 焊絲直徑( m m ) 1 . 0 - 3 . 03 . 5 - 6 . 06 . 5 - 1 0. 01 2 允許偏差( m m ) 0. 0 6 - 0 . 1 20 . 0 8 - 0 . 1 60. 1 0 - 0. 2 00 . 1 2 - 0 . 2 4 注:焊絲的橢圓度不準超過直徑公差的0 . 7 5倍。 2 )焊絲中 c , s , p的含量應符合標準; 3 )焊絲表面無氧化物、油污等; 4 )焊絲應呈卷裝，沒有角度彎曲。 2 . 2 . 2 焊劑材料 焊劑在堆焊過程中能起到雙重作用，它能使熔融金屬的熔池與空氣隔 開，并使熔融的溶劑與液態的熔融金屬在電弧熱的作用下起化學反應，向焊 縫層過渡金屬元素。焊劑的選擇主要考慮以下幾方面要求: 1 )焊劑應能保證堆焊層的正常成型; 2 )焊劑應能促進堆焊層得到所需要的化學成份、內部組織及機械性能; 3 )焊劑的燒損應該最小; 4 )焊劑應能保證堆焊層金屬不產生氣泡; 5 )焊劑應能提高電弧燃燒的穩定性: 6 )焊劑凝結后所生成的熔渣，應容易從堆焊層金屬的表面脫落; 7 )焊劑在熔化時，不應發出對人體有害的氣體: 8 )焊劑應具有小的吸濕性，即吸收潮氣的能力應該小; 9 )焊劑的顆粒應當結實，以便在運輸中保持原有顆粒大小。 根據以上要求， 結合我國目前焊劑生產情況和我公司堆焊經驗， 從表 3 - 4 中選取焊劑，初步定為 h j - 2 6 0。該焊劑是一種低錳高硅型 自動焊劑，呈灰 色玻璃狀顆粒，粒度為 0 . 2 6 - 2 m m。其主要優點是:電弧燃燒穩定，容易脫 渣， 堆焊焊縫形成好。 但堆焊前， 焊劑須在 1 5 0 -2 0 0 恒溫干燥箱中烘焙 i - 2 h. 第二章 軋輥堆焊及實驗 豁禽劉毀一。2粥 i 呂 第二章 軋輥堆焊及實驗 紹友提塑華書，余侶外漢驥解賽堆u芝ol 賓擔愧軼寸n粥 申鏈撲牟名創吸鉀伙邢 呻n粥 1 9 第二章軋輥堆焊及實驗 2 . 2 . 3 基體材料 軋輥堆焊就是在具有一定強度和韌性的廉價的輥芯材料上堆焊一層硬 的、耐磨的、耐疲勞的金屬材料，從而形成一種新型的復合軋輥。輥芯材料 的選取原則主要是為了最大程度地承受扭轉和彎曲應力， 減少斷輥事故的發 生。根據我公司軋輥生產廠的工藝水平和制造成本，選用 7 0 mn材質軋輥作 為堆焊軋輥的基體，其化學成分、機械性能見表 2 - 5 2 . 3 實驗條件和內容 2 . 3 . 1 堆焊試樣制作 試樣的制備是在唐山鋼鐵公司附企總公司研制完成的，由于堆焊本身是 一個合金化過程，母材對堆焊層的性能有一定影響，因而，本實驗采用了軋 輥用材料 7 0 m n ，并且利用軋輥生產工藝鑄造四塊。尺寸為 9 0 m m x 5 0 0 m m x 3 5 m m 試樣 。并將其外表刨光 。焊接設備采用沈 陽電機廠生產的 z x g - 1 0 0 0 - 1 型焊機 ，堆焊工藝采用唐鋼現行堆焊工藝，工藝參數見表 2 - 6 e 堆焊材料選用四種焊絲2 7 c r 3 m o 2 m n w v t i , 3 c r 1 3 , 3 5 m n s i , 3 c r 2 w 焊劑 選用 h j 2 6 0 。在其上分別堆焊四種不同焊絲材料，每件堆焊三層，堆焊樣如 圖 2 - 1 所示。待堆焊完畢空冷后，利用刨床先將堆焊層表面刨平，然后再將 母材 7 0 mn 刨掉。最后，再經過氣割等機加工設備加工成試驗備用樣。取樣 過程中己考慮避免加工過程對材料組織的影響因素。 二 工 泣 了 六 二 井戈 戈 雙止 多芥士 之典