浅谈辊子堆焊材料的选择和工艺专题培训课件

浅谈辊子堆焊材料的选择和工艺设计（2）

轧辊堆焊相比其它方式所具有的的优势首先，堆焊可以在轧辊表面熔敷一定厚度的金属层，在轧辊的服役周期结束时，利用对轧辊进行修复再制造。这样做，可以延长了轧辊的整体使用寿命。其次，只要母材是可焊性尚可的材质，那么就可以按工况要求来选择合适的表面堆焊材料，来设计轧辊，例如，提高轧辊表面的抗蚀性和耐磨性、抗热疲劳性能。相比其他传统材料，焊后的轧辊已经证实具有更长的使用寿命及更优越的使用性能，将确保所轧制的产品的质量具有更高的一致性，一般均可提高1～3倍的使用寿命。轧辊的母材可以根据应用要求确定合适的机械性能，使用的工作面只是堆焊的增强面，所以只要将堆焊面的材质选用抗蚀、耐磨或抗热疲劳的材料,起到了“好钢用在刀刃上”的作用，也大大降低了轧辊的制造成本。

浅谈辊子堆焊材料的选择和工艺设计（3）

轧辊堆焊技术是一项应用非常灵活的表面工程技术，不仅适合于新辊设计复合制造，也可以用于报废辊的再制造或修复。目前常用的表面堆焊技术主要有电弧堆焊、等离子堆焊、电渣堆焊和激光熔敷。轧辊堆焊再制造中堆焊材料的选择和设计和工艺的制定是能否成功再制造的关键。堆焊技术的核心是依靠选择合适的堆焊材料和工艺，实现改变轧辊的表面性能，赋予轧辊新的功能和更长的使用寿命。

为了更好的说明辊子材料的设计的技术进步过程，有必要说明一下，开始人们出于修复的目的，往往选用与母材相近的焊接材料，但性能往往不敌母材，原因是堆焊的熔敷金属相当铸造状态，远不如锻造的母材金属，所以要想获得比母材更优质的表面功能材料，应该设计选用更适合于轧辊工况条件的优质合金做为堆焊材料，药芯焊丝的发明为快捷的开发新材料创造了条件，调节成分改变配比和试制已成为十分简便的事情，也是堆焊技术可以广泛的成功用于各种轧辊，通过改性强化处理，赋予轧辊特殊功能，实现轧辊性能优化，成本降低。轧辊基材的选用通常要在强度与成本之间择中，但是多数情况下，增强材因无法获得必要的表面性能而无法发挥最佳的使用性能。

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在不同类型轧辊的大多数案例中，似乎仅可以解决部分问题，即：仅一项性能成功或两项性能失败，而无法全部解决所有性能需要。例如，低合金钢，具有耐磨特性，但是在热循环中的整体性能不良，并且易腐蚀；工具钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢及镍合金。

二十世纪八十年代，随着连铸技术的应用，使得该项目的开发转移向连铸应用。最初，该研究涉及得合金范围很广泛，性能主要关注于抗腐蚀、抗疲劳失效及耐磨方面。研究得合金包括低合金钢、工具钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢及镍合金。

在不同类型轧辊的大多数案例中，似乎仅可以解决部分问题，既：仅一项性能成功或两项失败，而无法全部解决所有性能的需要。例如，低合金钢，具有耐磨特性，但是再热循环中整体性能不良，并且已腐蚀；工具钢其耐磨性能好，并具有一定的耐热特性，但不能抗蚀及耐热疲劳；奥氏体不锈钢，具有良好的抗蚀特性，但相对较“软”，并且耐磨性能不好；镍合金也类似，具有一定的抗蚀特性，但是不适合热循环工况，会因热疲劳而失效。在这种仅有部分特性成功的形势下，马氏体不锈钢基质的合金材料，含有低密度的，几乎是一种逆式双相不锈钢。此类合金很好的平衡了耐热、抗蚀、耐磨等特性。

浅谈辊子堆焊材料的选择和工艺设计（5）轧辊堆焊材料的选择设计的要点：堆焊材料的选择要根据被焊轧辊的母材、堆焊层的质量要求、堆焊设备条件（轧辊大小，预热和层间温度的实施条件、热处理及堆焊作业性）及成本等予以综合考虑。焊材选定顺序通常如下：1、轧辊母材的可焊性，不必按通常“等强度的原则”选择满足力学性能要求要求的焊丝，首先应确定待堆焊的母材的碳含量，高碳成分的基材可以采取在基材和堆焊层之间使用缓冲层或过渡层加以改善；另外若碳含量大于1.0则视为不具有可焊性。但是，这种极端情况也可以采取增加过渡层或镶套，加装具有保护作用的含有更多可焊成分的“辊套”。堆焊的合金焊丝可以用于辊套，则轧辊依然可以使用，例如适用于切边辊。2、工况条件：只有了解工况才能正确选择合适的焊接材料，无论堆焊层具有什么样的性能，都要应对钢坯、钢带的高温环境；轧辊的温度在传送的各个环节之间都会有波动，这意味着堆焊层需要具备一定的抗热疲劳特性；

冷却水最常使用在钢厂的各个领域，这也会加大热循环的效应，冷却水通常会含有一定量的腐蚀性物质，如氟化物、钙或盐具有高度的腐蚀性，当辊道间静态温热干透状态的轧辊混合时，容易形成局部的点蚀和腐蚀。因此，堆焊层需要具有一定的抗蚀特性。

浅谈辊子堆焊材料的选择和工艺设计（6）轧辊承载大量的工作负荷、冲击、摩擦等，因此基材必须具有

一定的强度、硬度和刚性。如果采用更低廉的母材作为基体可能导致意想不到的轧辊失效问题，例如，弯曲或断辊事故，在这种情况下，使用与贵重焊材相适应的母材如21CrMoV511，可以使连铸辊在低廉母材上获得强化的性能。

轧制产品和表面堆焊的材料之间有着重要的关联度，高铬合金在轧制不锈钢产品时，容易起毛刺（粘钢），而粘钢会在轧制的成品表面造成印痕；造成辊子粘钢，导致成品板上出现印痕，除堆焊合金成份有关，另个原因是工作辊的工况条件导致滚免出现微裂纹聚集，再经细小氧化物颗粒、碎霄及灰尘倍机械性压入裂纹，然后随时间的推移积累，最终在辊面积累成瘤（粘钢）导致产品出现印痕，成为次品。

在中厚板矫直机的产品边缘出现印痕，这与支撑辊的压力在工作辊上留下边缘印记，这辊子硬度有关，高碳低Cr合金可用于工作辊及支撑辊，需要通过热处理方式将支撑辊硬度比工作辊硬度低5RC,这样可以避免出线边缘印痕，同是这种高碳低Cr的工具钢合金具有优质的抗热H疲劳性能可以防止微裂纹，使过钢两提高到100万吨以上。

浅谈辊子堆焊材料的选择和工艺设计（7）3、失效分析找出原因：

分析清楚轧辊失效的原因，才能正确选择合适的焊接材料，制定合适的热处理工艺（例如：连铸辊，足辊和0段的前部小辊，辊承受高温和冷却水中大量来自保护渣中的大量氟，产生氟氢酸的腐蚀，是主要失效原因，过钢量不足10万吨，堆焊材料要选用耐腐蚀性能好的Ni基合金材料，如WELD900，寿命可达100万吨，0段和扇形段、矫直段、水平段的工况条件都不一样，前部失效主要是热疲劳裂纹，中部扇形段热疲劳和磨损综合原因，矫直段受力较大，主要负载是热循环及机械载荷，磨损占主要方面，体现在辊子要求抗热疲劳裂纹、表面抗磨及辊身抗弯曲等性能要求，而水平段失效原因只是热磨损。尽管0段以下使用的堆焊材料相同，基于12Cr马氏体不锈钢，但根据工况和失效原因不同，热处理的工艺也相应变化，上部区要软一些，越往下控制硬度要硬些，这样才能使辊子获得与铸机相适应最佳使用效果。

浅谈辊子堆焊材料的选择和工艺设计（8）4、堆焊合金的设计考虑到上述性能要求，必须采用最合适的元素性质来设计表面堆焊合金材料碳（C），其固溶态会增加合金的硬度。碳化物沉积形成的稳定碳会增强合金的抗

磨特性；铬（Cr）：12％Cr不锈钢合金具有优质的抗蚀特性，并且Cr也会增强合金的高温

强度。另外Cr以碳化物形态稳定之后会提高材料的耐磨性能。钼(Mo)：具有高温软化特性，像Cr一样，也会提高合金的高温强度。另外，Mo还具有很强的抗点蚀特性，要比Cr高3倍；钒（V)铌（Nb）钨（W）元素：是很有效的碳化物形成元素，沉积后，会增强合金的高温硬度和高温强度。V还能起到晶粒细化剂的作用，用于控制裂纹的聚集和扩散；最后，化学平衡是堆焊材料获得成功性能的基础。关键是在生产时控制合金的化学成分，并结合其他控制工艺，才能获得特定的化学成分及微观机构。5、成本：在满足功能要求的前提下，尽量降低成本，但有时人们为了降低堆焊成本，不能按规范去做。中国经济特色就是价格论英雄，比价订货采购，造成新材料，好材料得不到推广应用，6、长寿化的可行性：实现长寿化是堆焊技术不断追求的最高的目标

浅谈辊子堆焊材料的选择和工艺设计（4）

通过进一步的研究，开发出一系列的含有马氏体的“超铬”合金的轧辊堆焊材料。图2和图3展示了这种材料耐磨及耐热疲劳特性与其它轧辊材料的对比。多种材料的对比试验的成功使得堆焊手段成为复合轧制造设计不可分割的一部分

冶金轧辊和工艺辊多处于高温、冷热交变载荷的恶劣工况条件下工作，要求辊子工作表面具有良好高温强度和高温耐磨性、红硬性和抗热疲劳性能、抗腐蚀性能。辊面的微观结构对辊的性能具有重大影响。特别是保持高水平奥氏体及δ铁素体微观结构的连铸辊，因其耐磨性能、抗蚀性能及抗疲劳裂纹性能不良而导致整体性能不佳，实际上，熔覆层的微观结构很少予以描述，主要是因为全焊成分（或消耗成分）与熔敷成分之间存在潜在的差别。舍弗勒图表明大多数焊接材料的规格范围可以导致一系列的基层微观结构（见图2）。这些材料的微观结构具有马氏体特点，但是第二相的类型和比例会差别很大。另外，碳化物形成元素和焊后热处理，会影响微观结构内部的碳化物和第二相的出现及分布。这也证实了连铸辊堆焊的不可控性和连铸辊表面最佳微观结构的不确定性。可幸的是这种熔敷层的化学成分及其微观结构变动可以通过不一致的堆焊实践得以综合。

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浅谈辊子堆焊材料的选择和工艺设计（26）结论：1、相比传统轧辊材料技术，采用堆焊再制造技术可以强化性能，获得非常显著的成本节约的经济效益2、轧辊堆焊技术通过结合轧辊材质，合金的成分分析判断作为设计工具，可以有效克服轧辊的失效问题，灵活应用堆焊再造技术使轧辊获得改性的增强表面。3、堆焊材料的材料选择的依