雷澤紅

（武鋼研究院 湖北 武漢：430080）

冷軋支撐輥?zhàn)鳛樯a(chǎn)線上的重要部件之一，其質(zhì)量的優(yōu)劣，不僅直接影響其使用壽命，而且對鋼材的質(zhì)量、生產(chǎn)率和生產(chǎn)成本都有很大影響。而采用堆焊方法修復(fù)的復(fù)合軋輥，不但修復(fù)成本低，而且能提高軋輥使用壽命，降低軋輥耗量，同時(shí)能夠提高軋機(jī)的效益和產(chǎn)品的質(zhì)量。

軋輥堆焊具有成本低、效果好等優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外廣泛采用，采用低碳合金鋼堆焊硬面層的復(fù)合軋輥來取代整體鑄造或鍛造的高碳高合金輥技術(shù)日益受到重視。但冷軋支撐輥使用工況惡劣，對支撐輥的硬度、硬度在圓周方向和深度方向的均勻性、應(yīng)力分布均勻性等要求高，且冷軋是連續(xù)式大生產(chǎn)，因支撐輥問題造成斷帶或換輥等對生產(chǎn)節(jié)奏、生產(chǎn)效益等都產(chǎn)生較大影響。因此，各大鋼廠對冷軋支撐輥的堆焊和使用都比較慎重，冷軋支撐輥堆焊修復(fù)后成功使用的實(shí)例較少。我們也僅堆焊修復(fù)了兩根冷軋支撐輥。

本文通過對武鋼冷軋支撐輥使用狀況分析，合理選擇輥身硬面堆焊工藝路線和焊材，充分利用現(xiàn)有報(bào)廢輥坯，實(shí)現(xiàn)了冷軋平整機(jī)鍛鋼支撐輥輥身整體堆焊，單邊使用層厚度達(dá)35mm。

1 冷軋Cr5支撐輥的修復(fù)技術(shù)參數(shù)

冷軋支撐輥使用周期長（每根支撐輥每次上機(jī)時(shí)間約15天～20天，從新輥使用至報(bào)廢時(shí)間約2年半左右），且承受不規(guī)則磨損、彎輥力、軋制沖擊等導(dǎo)致的附加應(yīng)力，必須具備好的耐磨損性能，高抗接觸疲勞和抗彎曲疲勞能力。目前冷軋板帶軋機(jī)支撐輥幾乎均為合金鍛鋼輥，現(xiàn)普遍用Cr5鍛鋼輥，其主要失效形式有兩種：一是疲勞磨損，工件尺寸達(dá)到軋機(jī)極限尺寸，二是由于應(yīng)力過大，軋制過程中產(chǎn)生大裂紋或大剝落而造成軋輥報(bào)廢。我們此次修復(fù)對象為冷軋用Cr5鍛鋼支撐輥。輥身最大直徑達(dá)Φ1525mm，工件重達(dá)33.5噸，輥身硬度要求HSD65－70，其具體化學(xué)成分見表1。

表1 5Cr支撐輥化學(xué)成分

1.1 冷軋支撐輥堆焊修復(fù)要求

（1）保持未損工作面的使用性能，在修復(fù)過程中不得損壞（在熱處理過程中保證輥頸的外形尺寸和硬度要求）；

（2）堆焊層應(yīng)有足夠的厚度，恢復(fù)至圖紙要求的尺寸，輥身直徑達(dá)Φ1525mm；

（3）恢復(fù)已損工作面（輥身）的使用性能，經(jīng)熱處理后的硬度及硬度均勻性滿足支撐輥技術(shù)要求；

（4）修復(fù)面應(yīng)有良好的再加工性能；保證下機(jī)能正常磨削去除疲勞層；

（5）堆焊層具有較高的抗剝落性能、良好的耐磨損性能和抗疲勞性能；

（6）保證修復(fù)面符合JB／T 4120－93和GB11345－89要求，不得有裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷；

（7）堆焊修復(fù)后的大型支撐輥，滿足冷軋軋機(jī)生產(chǎn)要求。

2 修復(fù)材料與工藝

針對冷軋支撐輥的工藝要求、軋輥材料和冷軋工礦，我們采用雙機(jī)頭埋弧堆焊修復(fù)。為確保試驗(yàn)成功，我們控制堆焊使用層在35mm內(nèi)，同時(shí)降低堆焊速度、增加保溫時(shí)間等，有效降低成品輥的應(yīng)力。

2.1 堆焊材料的選擇

Φ1525×1700冷軋支撐輥單邊堆焊厚度＞50mm（過渡層20mm，使用層35mm），堆焊重量約3.5噸，為保證修復(fù)軋輥能達(dá)到使用要求，必須選用與其匹配的堆焊材料，主要考慮以下幾個(gè)方面［1－2］：

相鄰兩種材料的相容性（母材與過渡材料、過渡材料與工作層材料）；

各材料之間的熱影響區(qū)的金相組織狀態(tài)；

堆焊工作層對使用工況的承載性。

為了滿足工件對抗壓、抗冷熱交變、抗磨等性能，根據(jù)低合金鋼的焊接碳當(dāng)量公式原理：

Cep＝C＋Mn／6＋Ni／15＋Cr／5＋Mo／4＋V／5（%）

此種軋輥的碳當(dāng)量為：

Cep＝0.6＋1／6＋5.5／5＋1.2／4＋0.6／5（%）＝2.28（%）

該輥碳當(dāng)量＞0.9～1.5，可堆焊，要求350℃以上高溫預(yù)熱和嚴(yán)格的焊后熱處理，且需在基材與硬面材料之間加低碳過渡合金。

過渡層合金類型：該合金需解決基材合金與工作層合金的堆焊親合性能及工件在工作狀態(tài)下的高交變冷熱抗壓性能，確保一個(gè)硬度梯度的過渡參數(shù)。

工作層合金類型：該合金層除解決與過渡層合金堆焊親合性能外，主要考慮達(dá)到工件的抗壓、抗剝落、抗磨損等失效指標(biāo)，以恢復(fù)或延長該工件的使用壽命，工作層硬度要求達(dá)到55HRC。

基于以上原則，我們根據(jù)母材成分設(shè)計(jì)了過渡層及硬面層堆焊合金成分，選用面層焊絲：SW524HG，焊劑：HJ107；過渡層焊絲SW528M，焊劑：HJ107；底層焊絲SW504，焊劑：HJ431。過渡層厚度堆焊材料合金成分見表2。

表2 堆焊材料合金成分

2.2 焊接工藝選擇

冷軋支撐輥受較大的交變應(yīng)力，要求具有良好的韌性和適中的硬度，給堆焊工作帶來一定的困難。對于重約30噸的大型冷軋支撐輥采用埋弧硬面技術(shù)工藝，必須考慮整個(gè)堆焊過程中熱輸入量的均勻性。為盡可能減少整個(gè)輥面的溫度剃度差，須采用一些必要的措施。我們采用雙機(jī)頭堆焊同時(shí)用保溫罩保溫的方案，對支撐輥輥身整體加熱焊接，焊后整體熱處理。

修復(fù)工藝流程如下：

整體超聲波探傷——機(jī)加工去除所有缺陷可靠性及壽命評估預(yù)熱——堆焊過渡層——堆焊工作層——中間退火——堆焊工作層——緩冷——焊后熱處理——車削——滲透及超聲波探傷——磨削——成品檢查。

考慮到使用過后的軋輥可能存在的內(nèi)部缺陷和修復(fù)前需要有規(guī)則的表面形狀，堆焊修復(fù)前，需要對軋輥進(jìn)行一些預(yù)處理。包括輥頸、輥身探傷，對舊輥輥坯機(jī)加工，確保堆焊輥坯質(zhì)量。

據(jù)文獻(xiàn)介紹，埋弧焊屬大線能量，對降低堆焊拘束應(yīng)力有益，熱紋敏感性隨線能量的增大而降低。冷軋支撐輥的成功堆焊，焊接材料的選擇至關(guān)重要，其次是焊接過程中的溫度和焊后熱處理溫度的有效控制。

2.2.1 預(yù)熱

支撐輥材質(zhì)的碳當(dāng)量較高，堆焊時(shí)母材熱影響區(qū)的淬硬傾向較大，焊接應(yīng)力較高，為避免在堆焊中產(chǎn)生裂紋，在堆焊中采用較高的預(yù)熱溫度和層間溫度。預(yù)熱溫度的確定需依據(jù)母材以及堆焊材料的碳含量和合金含量而定，參考經(jīng)驗(yàn)公式［3］：

T0（0F）＝1020－630（%C）－72（%Mn）－63（%Si）－36（%V）－36（%Cr）－31（%Ni）－18（% Cu）－18（%Mo）－9（%W）＋27（%Co）＋54（%Al）

其中0C＝5／9（0F－32）

堆焊過程中應(yīng)控制預(yù)熱及層間溫度高于Ms點(diǎn)，避免堆焊金屬發(fā)生馬氏體相變及淬回火效應(yīng)，使整個(gè)堆焊層焊完之后在熱處理電爐中同時(shí)進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，只有這樣才能保證堆焊層的組織、硬度均勻性。由于大型冷軋支撐輥母材及堆焊材料的合金含量均相對偏高，再加之支撐輥的尺寸及堆焊厚度均較大，焊接應(yīng)力大，故應(yīng)盡量提高預(yù)熱和層間溫度，又考慮到實(shí)際操作上容許程度，將預(yù)熱溫度確定在350℃～400℃，焊道層間溫度控制在380℃～450℃。在預(yù)熱過程中要求：預(yù)熱升溫速度≤25℃／h；預(yù)熱保溫時(shí)間根據(jù)支撐輥外徑尺寸大小來確定（原則是確保輥坯從外到里熱透）。

2.2.2 中間去應(yīng)力熱處理

由于該輥的堆焊厚度較大（厚達(dá)55mm），如果一次連續(xù)堆焊完成，將使得堆焊金屬產(chǎn)生非常大的焊接累積應(yīng)力（盡管始終保持在較高的預(yù)熱和層間溫度下），大大增加堆焊輥產(chǎn)生裂紋的傾向，嚴(yán)重時(shí)將發(fā)生支撐輥開裂的嚴(yán)重事故。因此在堆焊厚度到一定范圍時(shí)，須進(jìn)行中間去應(yīng)力熱處理，以降低或消除焊接累積應(yīng)力。并在堆焊20mm后，進(jìn)行一次中間去應(yīng)力熱處理。

2.2.3 焊后熱處理

焊后去應(yīng)力回火的主要目的是去除在堆焊過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，進(jìn)一步提高和改善焊層的耐磨性。為更好地消除焊接應(yīng)力，促進(jìn)基體組織中細(xì)小碳化物的彌散析出，增加堆焊層的耐磨性，對焊后的支撐輥采用低速升降溫，長的保溫時(shí)間以消除應(yīng)力并保證產(chǎn)生充分的彌散強(qiáng)化效應(yīng)，選擇550～565進(jìn)行回火。焊接熱處理工藝曲線如圖1所示。

圖1 焊接熱處理工藝曲線

2.2.4 堆焊工藝參數(shù)

本次進(jìn)行的軋輥堆焊修復(fù)中，采用Φ3.2mm的藥芯焊絲堆焊，堆焊工藝參數(shù)工藝參數(shù)采用以下工藝參數(shù)，見表3。

表3 堆焊工藝參數(shù)

3 修復(fù)軋輥的使用效果

軋輥堆焊修復(fù)的關(guān)鍵一是抑制內(nèi)部線性焊渣引起的裂紋延伸；二是避免由于硬度不均造成工件使用中產(chǎn)生爆裂。我們按大型鍛造合金鋼支撐輥國家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB／T 4120－93對該輥進(jìn)行了驗(yàn)收檢查，超聲波探傷、軋輥硬度檢測均合格［4］。根據(jù)支撐輥輥身硬度檢測要求，每150毫米檢測間距1點(diǎn)，距輥邊部100毫米開始，如圖2。

圖2 堆焊修復(fù)的支撐輥檢測示意圖

由于該輥尺寸較大，無法上試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，但我們與日本鑄鍛公司產(chǎn)進(jìn)口鍛鋼支撐輥配對使用，進(jìn)行了同期比對：該輥返廠時(shí)輥身直徑1525.50mm，輥身硬度70～73HSD，于2009年5月22日上機(jī)使用，至2011年1月下機(jī)，共使用32次，當(dāng)前直徑1484mm，共消耗41.5mm，平均磨削量1.29mm，總共軋制噸位96萬噸，毫米軋制量23132.53t／mm。日本鑄鍛公司產(chǎn)進(jìn)口鍛鋼支撐輥新輥輥身硬度66～68HSD，同期使用32次，共軋制噸位96萬噸，總磨削量達(dá)52.85mm，毫米軋制量8164.7t／mm。在前期使用過程中，有局部存在氣孔，屬堆焊過程中氣體夾雜，進(jìn)行了磨削處理（毫米量計(jì)算在消耗尺寸內(nèi)），未出現(xiàn)大裂紋或焊層脫離情況，滿足冷軋支撐輥使用要求，且該修復(fù)輥的耐磨性和抗壓性完全能滿足生產(chǎn)要求，優(yōu)于進(jìn)口鍛鋼支撐輥，跟蹤監(jiān)測輥身硬度也說明該輥的硬度和硬度降在要求范圍內(nèi)。表4為修復(fù)輥使用各階段輥面硬度（HSD）。

表4 修復(fù)輥階段輥面硬度（HSD）

通過多次對該修復(fù)輥進(jìn)行表面和芯部超聲波檢查，不存在裂紋和白點(diǎn)，沒有當(dāng)量直徑大于2mm的缺陷。從表4數(shù)據(jù)看，該修復(fù)輥的硬度均勻性較好且硬度降較慢，預(yù)期后續(xù)使用良好。Φ1525×1700冷軋支撐輥2009年國內(nèi)訂貨價(jià)為180萬元／根，而堆焊修復(fù)輥所需焊材3.5噸左右，包括熱處理、機(jī)機(jī)加工及其他管理費(fèi)，約合40萬元／根。節(jié)約采購成本140萬元。同時(shí)，該項(xiàng)目開發(fā)了一條冷軋支撐輥的再次利用的新思路，為冷軋廠今后的軋輥修復(fù)項(xiàng)目奠定了良好基礎(chǔ)，而且修復(fù)軋輥使用性能優(yōu)于新制造的鍛鋼軋輥，使用壽命增加。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)的支撐輥輥身堆焊工藝路線和選擇的焊材，實(shí)現(xiàn)了冷軋Cr5報(bào)廢支撐輥的輥身整體堆焊修復(fù)，焊層總厚度達(dá)55mm，焊后硬度達(dá)70HSD以上。修復(fù)軋輥檢測無缺陷，滿足JB／T 4120－93要求。

（2）對堆焊修復(fù)的冷軋支撐輥在生產(chǎn)線上的運(yùn)行考核，效果高于鍛鋼輥，滿足冷軋支撐輥的使用要求，有效降低了軋鋼成本。

［1］ 劉若飛.冷軋支承輥堆焊硬面層的試制［J］.江蘇冶金，2002，30（3）：27－29.

［2］ 任登義，董 建，鄒增大.冷軋輥局部冷焊焊條的設(shè)計(jì)及其熔敷金屬分析［J］.焊接學(xué)報(bào)，1998，19（2）：73－78.

［3］ 沈風(fēng)剛，劉景鳳.冶金軋輥堆焊技術(shù)綜述［J］.中國表面工程，2006，19（3）：14－19.

［4］ 大型鍛造合金鋼支撐輥國家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB／T 4120－93［S］.