热轧辊堆焊材料及工艺研究

摘要研究了Cr-W-V和Cr-Mo-V堆焊金属在热疲劳试验过程中组织的变化行为以及化学成分和组织对耐热疲劳性能和耐磨性能的影响，并制定了合理可行的夹送辊和助卷辊的堆焊工艺。研究结果表明，起弥散强化作用的钨的碳化物在热疲劳试验过程中易于聚集长大，从而降低热疲劳强度；在Cr-Mo-V堆焊金属中加入小于1 %的镍，会提高热疲劳性能，但加入过多的镍则显著降低相变温度(Ac1)，并对耐磨性不利；基体组织为均一、稳定的板条马氏体，且在其上分布着弥散、稳定的钒的碳化物，有利于抗热疲劳和抗磨损。
关键词热轧辊堆焊热疲劳性能磨损

SHEN FenggangLU XuegangCHEN ZiqiangXLengqianXUE Jin
(Xi＇an Jiaotong University)

ABSTRACTIn the paper,the change of microstructure of Cr-W-V & Cr-Mo-V building up metals during thermal fatigue test has been investigated,and the effects of chemical composition and microstructure on the resistance to thermal fatigue and wear have been analyzed.It is shown that tungsten carbides which are contributor of dispersed phase hardening are easy to gather and grow up and the resistance to thermal fatigue is reduced consequently,the thremal fatigue resistance will be raised by adding Ni less than 1 % in surfacing metals,excessive Ni will reduce the transformation temperature (Ac1)evidently and also do harm to wear resistance.The structure of homogeneous and stable lath martensite as matrix with stable fine vanadium carbides on is of advantage to resist thermal fatigue and wear.
KEY WORDShot rolling rolls,surfacing,thermal fatigue property,wear

冶金热轧辊是钢铁企业轧钢设备上的关键零件。轧辊质量的好坏、使用寿命的长短影响到轧机的作业率、钢材的质量、维修费用等，最终将直接影响到钢材的成本。轧辊的工作表面直接接触轧材，由于受到工作压力、冲击、磨损、热作用等，经过一段工作时间以后，轧面会发生损坏，因此，需采用表面堆焊技术对其进行修复。有关热疲劳问题，国内外虽然进行了大量的研究工作〔1〕，但主要是在如何分析、计算及控制热应力方面，而对于成分和组织对热疲劳性能的影响及有关热疲劳过程中的组织变化机制的研究却不多。提高材料的热疲劳性能和耐磨性能有时是矛盾的，如何处理好这一矛盾，使热轧辊表面堆焊金属获得良好的综合性能是一个重要课题。本文拟对这些内容加以研究和探讨，摸索出一定的规律。

1.1合金系统的选择
从影响热疲劳和磨损的内在因素来看，选择热轧辊表面堆焊材料的合金系统首先应满足热稳定性好这一要求，在此基础上再通过调整堆焊金属的化学成分和组织来满足其它各方面的性能要求，从而最终获得具有良好耐热疲劳和耐磨损性能的堆焊金属。热稳定性较好的耐热合金系统有：Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-W-V、Cr-W-V-B和Cr-Mo-V-Ti-B等。其中钨、钒均能析出强化，这对进一步提高材料的高温性能有利，但含钨较高的材料，其耐热疲劳性能较差〔2〕；钛、硼虽可提高钢的晶界强度和韧性等，但钛、硼不易过渡。故基于以上的考虑，本文选用Cr-W-V和Cr-Mo-V合金系统作为热轧辊表面堆焊金属的基本合金系统。
1.2组织的确定
为获得良好的耐热疲劳性和耐磨性，堆焊金属应具有合适的组织。从材料的力学性能对热疲劳性和耐磨性的影响看，提高材料的强度和硬度有利于提高热疲劳性和耐磨性，但热疲劳性还要求材料的组织要有较好的塑性、韧性，以减缓热疲劳裂纹的扩展。在焊接条件下，板条马氏体是比较理想的组织。从材料的耐磨性角度来看，基体组织中第二相对材料耐磨性有重要影响。在马氏体基体上分布着均匀细小的碳化物尤其是高硬度的合金碳化物比单一的马氏体组织具有更高的耐磨性〔3〕。所以，热轧辊表面堆焊金属为了能够满足耐热疲劳和耐磨性能的要求，应该具有板条马氏体的基体组织，在回火时能弥散析出特殊碳化物，使材料性能得到进一步的改善。

2.1试验材料
堆焊母材采用Q235钢板。试验选用H3Cr2-W8V和H25Cr3Mo2MnVA两种焊丝，焊剂为HJ260和研制的MgO-CaF2-SiO2-Al2O3渣系的碱性烧结焊剂。表1为焊丝的化学成分。
2.2试验设备和方法

表 1焊丝的化学成分%

Table 1The chemical composition of welding wire%

采用M—1—1000埋弧焊机在Q235钢板上堆焊来制备试样，焊接工艺参数见表2。不同的试样编号见表3。表面堆焊金属试样的热疲劳试验和耐磨性能试验分别在Gleeble—150热模拟试验机和ML—10磨料磨损试验机上进行。在薄膜透射电镜(TEM)下对表面堆焊金属在热疲劳试验前后的微观组织进行观察分析。

表 2埋弧堆焊工艺参数

Table 2Process parameters of submerged arc surface welding

3试验结果与分析

注：试样3-1、3-2、3-3、3-4采用了四种不同的研制烧结剂配方，其主要区别在于使制备的堆焊金属试样化学成分中镍的含量发生变化。
强度均高于Cr-W-V合金系统堆焊金属在相应状态下的热疲劳强度。
在焊态下，堆焊金属由于物理化学上的不均匀，造成组织性能上的不均匀，加上焊接过程中的组织应力和残余应力，从而使得材料的热疲劳性能降低。通过焊后热处理，使材料的组织得以改善，并降低了残余应力，因而使得热疲劳强度得到显著提高。这说明，材料的组织对其热疲劳性能有着重要影响，焊后热处理对保证材料的热疲劳性能有着重要的作用。用TEM法观察1-2和2-2号试样热疲劳前后的组织，发现其基体组织在本质上并无大的差别(均为板条马氏体+块状铁素体)，但通过透射电镜碳一级复型法观察碳化物的变化情况，发现它们有很大的不同(图2)。两种试样经600 ℃回火处理后，均在板条马氏体基体上弥散析出细小的特殊碳化物，1-2号试样的碳化物以M2C(Mo2C)和MC(WC及VC)为主，2-3号试样的碳化物以MC(VC)为主，它们的大小相当，但所占的比例不同。2-2号试样的碳化物(VC)比例要明显大于1-2号试样；热疲劳后，1-2号试样部分碳化物长大明显，而2-2号试样的碳化物除少量聚集外变化不大。由此可见，Cr-W-V和Cr-Mo-V合金系统堆焊金属试样组织变化的显著不同点是基体上分布的特殊碳化物在热疲劳过程中的聚集长大倾向。原因在于钨的碳化物较容易聚集长大，使碳化物的弥散度减小，与α相的共格联系被破坏。α相的固溶碳量减小，碳化物对位错和晶界的钉扎作用减弱，从而降低了Cr-W-V合金系统堆焊金属试样热疲劳过程中的强度和硬度，最终使其热疲劳强度降低。所以，第二相(碳化物)的分布形态是影响热疲劳性能的主要因素之一。

图 1堆焊金属板状试样热疲劳试验结果

Fig.1Thermal fatigue testing results of theplate specimen

对于棒状试样，从图3可看到不同镍含量对堆焊金属热疲劳强度的影响，当镍含量小于1 %时，热疲劳强度随镍含量的增加而增大；但当镍含量大于1 %以后，热疲劳强度的总趋势是减小的。其原因主要有两方面：一是堆焊金属中加入较多的镍以后，降低了相变点Ac1；二是镍含量大于1 %以后，力学性能的降低会对热疲劳性能产生不利影响(图4)。因此，综合考虑镍的影响，要提高堆焊金属的热疲劳性能，镍含量控制在1 %以下是有利的。

图 21-2和2-2号试样热疲劳前后的碳化物TEM复型照片

Fig.2Carbide TEM pictures of No.1-2,2-2 specimen before and after thermal fatigue test

(a)1-2号试样热疲劳前的碳化物；(b)1-2号试样热疲劳后的碳化物；

(c)2-2号试样热疲劳前的碳化物；(d)2-2号试样热疲劳后的碳化物

图 3堆焊金属棒状试样的镍含量及其热疲劳试验结果

Fig.3Ni content and its thermal fatigue test results of rod specimen

图 4镍含量对堆焊金属力学性能的影响

Fig.4Effect of the Ni content on the mechanical behaviours of surfacing metal

3.2组织和成分对耐磨性能的影响
堆焊金属的耐磨性能试验结果表明(图5，其中相对耐磨性ε＝2-2号试样的绝对磨损量/其他堆焊试样的绝对磨损量)，耐磨性能与硬度有关，随硬度的提高也相应提高。堆焊金属的耐磨性和硬度是由堆焊金属的化学成分和组织决定的。具有均一的板条马氏体组织，比板条马氏体+铁素体组织具有更高的耐磨性和硬度。在堆焊金属的化学成分中，碳含量对硬度和耐磨性的影响最大，一般随碳含量的增加，硬度也增大，从而耐磨性得到提高。碳化物形成元素Cr、W、Mo、V通过提高马氏体的回火稳定性，从而提高马氏体高温硬度和耐磨性。而且钨、钒在高温回火时产生弥散的特殊碳化物，产生二次硬化效果，进一步提高了堆焊金属的硬度和耐磨性。在高温阶段，钒的碳化物比钨的碳化物稳定，将对堆焊金属的高温耐磨性更有利。

图 5堆焊金属的硬度与耐磨性

Fig.5The hardness and wear resistance of the surfacing metal

综上所述，采用均一的稳定性高的板条马氏体基体组织，其上弥散分布着稳定的钒的碳化物，对堆焊金属的抗热疲劳和抗磨损有利。

4夹送辊和助卷辊堆焊工艺

热轧卷板机上夹送辊辊芯为35号钢。助卷辊的材质为9Cr，属于冷轧辊用钢，它经调质和高频表面淬火后使用，由于碳含量高，淬硬倾向大，必须先堆焊过渡层。最终确定的夹送辊和助卷辊的堆焊工艺路线见图6，其中夹送辊堆焊工艺路线去掉②～④项。经检验和评定，证明此堆焊工艺是完全合理、可行的。

5结论

(1) 热轧辊的损坏形式主要是热疲劳和磨损。使堆焊金属基体组织为均一、稳定性高的板条马氏体，且其上分布着弥散、稳定的钒的碳化物，将有利于其抗热疲劳和抗磨损。
(2) 堆焊金属中起弥散强化作用的钨的碳化物不稳定，在热疲劳过程中容易聚集长大，最终将降低堆焊金属的热疲劳强度。

图 6轧辊堆焊工艺路线

Fig.6The process of hot rolls surface welding

(3) 在本文研究的Cr-Mo-V合金系统中加入的镍量小于1 %，可提高金属的热疲劳性能；但加入过多的镍不仅显著降低相变点(Ac1)，影响热强性，而且对耐磨性也不利。
(4) 制定的夹送辊和助卷辊堆焊工艺经试验证明是合理、可行的。

参考文献

1何晋瑞.金属高温疲劳.北京：科学出版社，1988.53～58.
2何世禹，冯晓曾，刘北兴，等.五种热作模具钢热疲劳性能的研究.机械工程材料，1985，9(3)：41～44.
3合金钢编写组.合金钢.北京：机械工业出版社，1978.143.

3.1组织和成分对热疲劳性能的影响
图1为两种合金系统(Cr-W-V和Cr-Mo-V)的堆焊金属板状试样在不同焊后状态下的热疲劳试验结果。从中可看到，试样在焊态下的热疲劳强度最低，经600 ℃回火后的热疲劳强度最高，而经900 ℃退火后的热疲劳强度居于以上两者之间。以上三种试验状态下，Cr-Mo-V合金系统堆焊金属的热疲劳

表 3试样编号

Table 3The numbers of specimen