在線無限次“冷焊”輥壓機過渡層焊絲的開發(fā)

  0 前言

  輥壓機是用途廣泛的一種高效節(jié)能的粉磨設(shè)備，尤其適用于水泥熟料的預(yù)粉磨。而且對石灰石，高爐礦渣，石灰砂巖，原煤，石膏，石英砂，鐵礦石等的粉磨也很有效。輥壓機的主要特點就是利用50～300MPa的高壓對物料進行擠壓，達到粉碎的目的。輥壓機磨輥表面承受著高應(yīng)力磨粒磨損，極其惡劣的工作條件，使用一段時間后必然要產(chǎn)生磨損。另外由于鐵塊等異物或者操作不當(dāng)致使輥縫間距隙過小等，輥壓機輥套會出現(xiàn)剝落或者低周疲勞剝落。

  輥體材料為鍛鋼34CrNiMoA 或42CrMo鋼，非常昂貴，絕大多數(shù)情況下不可能更換，只有在現(xiàn)場繼續(xù)對其進行修復(fù)。因此在制造輥壓機時就必須對擠壓輥表面進行有效防護。而在擠壓輥表面堆焊耐磨材料是目前全世界公認(rèn)的最有效，最簡便的方法。

  高硬度的輥面耐磨層與輥體，材料的強度有比較大的差距，直接堆焊到輥體上的耐磨層易于出現(xiàn)大面積剝落問題。因此必須在輥面耐磨堆焊層和輥體材料之間設(shè)計堆焊不同強度級別的堆焊材料保證堆焊的可靠性。所以除了保證輥面花紋層耐磨性以外，也要保證過渡層抗疲勞剝落能力，因此輥壓機過渡層堆焊材料須有良好的塑韌性。

  1 輥壓機輥套焊接性分析

  輥套材質(zhì)一般為中碳合金鋼，以42CrMo為例，鍛造后調(diào)質(zhì)處理。化學(xué)成份見表1：

  表1  42CrMo的化學(xué)成份（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

  42CrMo鋼強度、淬透性高，韌性好，淬火時變形小，高溫時有高的蠕變強度和持久強度。用于制造要求較35CrMo鋼強度更高和調(diào)質(zhì)截面更大的鍛件。42CrMo的綜合碳當(dāng)量為0.78﹪，碳當(dāng)量高，淬硬傾向較強，屬于較難焊材料，其成分中的Mn、Mo等元素增加了白點的敏感性，容易產(chǎn)生延遲裂紋。當(dāng)P、S含量也較高時容易形成熱裂紋。為了防止熱裂紋的產(chǎn)生，在選用焊絲時， C、P、S含量要低點，Mn含量高點以加強脫硫。圖1 為42CrMo調(diào)質(zhì)后的顯微組織金相圖片，調(diào)質(zhì)后的組織為保持馬氏體位向的回火索氏體。

  圖 1 42CrMo調(diào)質(zhì)后顯微組織

  我公司（北京奧邦焊業(yè)公司）的HC-O系列焊絲為Fe-Cr-C系高鉻鑄鐵型藥芯焊絲，其特點自保護型微渣或無渣型，不添加任何造渣劑，是中國明弧堆焊的先行者，市場占有率高，得到業(yè)界一致認(rèn)可。圖2 所示其堆焊后的顯微組織是由馬氏體+少量的奧氏體+大量的碳化物組成。其合金耐磨性高溫達到350℃以上，仍能保持良好的硬度和耐磨性。耐磨工作層堆焊后硬度高達HRC60以上，且有大量龜裂紋。具體焊絲編號及成分如表2所示。

  表2焊絲編號及化學(xué)成份（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

  圖2 HC-OMO堆焊金屬顯微組織照片

  如果直接在母材上堆焊耐磨藥芯焊絲，由于耐磨層熔敷金屬與母材金屬熔化溫度相差很大，熔化不同步，熔點低的金屬過早熔化而發(fā)生流淌或者與高熔點金屬產(chǎn)生未熔合。此外，熔點高的金屬凝固和收縮早，會使尚處于部分凝固和薄弱狀態(tài)的低熔點金屬產(chǎn)生應(yīng)力，可能導(dǎo)致裂紋。

  另外兩種組織線膨脹系數(shù)差異較大，由于彼此間冷卻收縮不一致，會引起較大的堆焊內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時能導(dǎo)致堆焊裂紋。在高溫運行時，將產(chǎn)生熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力是無法消除的（焊后熱處理可以消除焊接殘余應(yīng)力，但熱應(yīng)力是在使用過程中產(chǎn)生的）。

  3 隔離堆焊過渡層焊絲研發(fā)

  根據(jù)上述工況，該種工況已經(jīng)不在屬于異種鋼的焊接，如F（鐵素體）,M（馬氏體）,A（奧氏體）之間的異種鋼焊接。此工況應(yīng)為中碳合金鋼與抗磨高鉻白口鑄鐵的焊接。研發(fā)的專用過渡層材料須具有高韌止裂性能，堆焊后的金屬具有極好的抗裂性能和抗沖擊韌性。要能夠有效阻止輥面的焊接裂紋和疲勞裂紋向輥體延伸、發(fā)展，有效保護輥體不受損壞。

  隔離堆焊的方法用于中碳合金鋼和耐磨堆焊層之間，選用線膨脹系數(shù)介乎兩種金屬之間的金屬做過渡層的填充金屬進行堆焊，以減少線膨脹系數(shù)差異所造成的熱應(yīng)力。解決上述問題也需考慮成本問題。與化工，鍋爐壓力容器行業(yè)的不同之處在于，隔離層厚度大，如果選用常規(guī)的奧氏體不銹鋼（18-8）焊材來堆焊隔離層，成本將非常高。且需要考慮與耐磨堆焊層熔合區(qū)的韌塑性。該層有碳“遷移”現(xiàn)象。有增碳和脫碳過渡區(qū)域，該區(qū)域由于硬度突變，會造成有害影響，因此易于在此區(qū)域造成疲勞破壞。

  但由于鎳資源的稀少以及其價格近來漲幅巨大，因而就需要通過其它元素代替鎳，來降低成本。錳對于奧氏體的作用與鎳相似，可以采取錳代鎳制取低成本奧氏體不銹鋼鋼焊材。

  奧氏體形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%————(3-1)

  從這個鎳等式可以看出：碳是一種較強的奧氏體形成元素，其形成奧氏體的能力是鎳的30倍，但是它不能被添加到耐腐蝕的不銹鋼中，因為在焊接后它會造成敏化腐蝕和隨后的晶間腐蝕問題。且本工況中，耐磨藥芯焊絲堆焊后的碳含量大于4%。如果添加碳含量過高，焊縫硬脆性增大，不利于韌性。

  為了克服鉻鎳不銹鋼的晶間腐蝕，如18-8，一般將鋼的含碳量降至0.03％以下，或者加入比鉻和碳親和力更大的元素（鈦或鈮），使之不形成碳化鉻。在本文工況下，高硬度與耐磨性成為主要要求，所以增加鋼的含碳量來滿足硬度與耐磨性的要求。

  從式1-1看出，錳，鎳兩者均為奧氏體形成元素，即均能與鐵形成無限互溶固溶體-奧氏體。但錳的作用不在于形成奧氏體，而是在于它降低鋼的臨界淬火速度，在冷卻時增加奧氏體的穩(wěn)定性，抑制奧氏體的分解，使高溫下形成的奧氏體得以保持到常溫。在提高鋼的耐腐蝕性能方面，錳的作用不大。因此在本文工況不需要耐腐蝕的工況下，為獲得單相奧氏體組織,用Mn代替Ni是完全可行的，同時Mn元素有著比Ni元素更大的固溶強化效應(yīng),可使鋼的性能得到改善。此外,所形成的MnS可以替代FeS,可防止產(chǎn)生熱裂紋從而利于焊接。錳還可以抵消一些有害元素的不利影響，而且還是一種降低結(jié)晶裂紋敏感性的元素。

  氮元素形成奧氏體的能力也是鎳的30倍，但是它是氣體，想要不造成多孔性的問題，只能在添加數(shù)量有限的氮。從鎳等式中可以看出，添加錳對于形成奧氏體并不非常有效。但添加錳可以使更多的氮溶解到不銹鋼中，而氮正是一種非常強的奧氏體形成元素。含0.25%的氮，形成奧氏體的能力相當(dāng)于7.5%的鎳。但錳的含量不宜太高，否則易使凝固時和高溫使用過程中組織粗大，增加材料的脆性。所以不能加入太多的錳和氮。

  在無鎳或少鎳情況下，為了形成100%的奧氏體結(jié)構(gòu)，結(jié)合舍弗勒組織圖，可以減少鉻的加入量。這盡管導(dǎo)致了抗腐蝕能力的下降。但在只有在沖擊、磨損，無腐蝕或輕微腐蝕的工況條件下是可行的。在已經(jīng)降低鉻含量情況下，由于碳含量高，為防止生成碳化鉻，可以加入一定量的強碳化物元素，如鈮和鈦。

  圖3 舍弗勒組織圖

  奧氏體形成元素的鎳當(dāng)量計算公式：

  Nieq＝Ni+30(C+N)+0.5Mn————————（3-2）

  鐵素體形成元素的鉻當(dāng)量計算公式：

  Creq＝Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb————————（3-3）

  在200系列的不銹鋼中，正是用足夠的錳和氮來代替鎳形成100%的奧氏體結(jié)構(gòu)，鎳的含量越低，所需要加入的錳和氮數(shù)量就越高。例如在201型不銹鋼中，只含有4.5%的鎳，同時含有0.25%的氮。由鎳等式可知這些氮在形成奧氏體的能力上相當(dāng)于7.5%的鎳，所以同樣可以形成100%奧氏體結(jié)構(gòu)。這也是200系列不銹鋼的形成原理。

  按上述思路進行配方實驗，我公司成功開發(fā)出AP307專用隔離堆焊藥芯焊絲。堆焊后硬度180～220HB。表3 為堆焊后化學(xué)成分。圖4所示焊后組織為奧氏體枝晶組織。具有耐腐蝕，耐沖擊及耐高壓應(yīng)力性能的焊接金屬合金。

  表3  AP307化學(xué)成分

  圖4 AP307堆焊后組織奧氏體枝晶

  4 結(jié)論

  在滿足輥套過渡層性能要求下，成本比18-8鉻鎳奧氏體不銹鋼降低了45%。既節(jié)約了寶貴的鎳資源，又降低了成本。AP307藥芯焊絲不僅適用于輥壓機輥套新制和修復(fù)，也適用于鑄鋼立磨輥套的新制和修復(fù)。也可堆焊受高沖擊力或旋轉(zhuǎn)載荷的工件。適于硬面堆焊的過渡層焊接，以及錳鋼耐磨件的修復(fù)焊接。