东升

(内蒙古包钢钢联股份有限公司 内蒙古包头014010)

1 前言

热轧卷取机夹送辊是热轧带钢生产线的重要部件，分为上、下夹送辊两种装置，主要作用是通过速度、压力和位置控制，将带钢顺利的进入卷曲单元，保证钢板卷曲过程中的稳定性，并能有效控制钢卷错边、塔型、凸台等质量缺陷。由于钢板卷曲温度波动范围一般为550～780℃，在生产运行时夹送辊辊面承受较大的压应力，且带钢咬入夹送辊辊缝时会对辊面产生500～600kN瞬时冲击，故要求辊身表面应具有较好的高温硬度、高温耐磨性、抗热疲劳性、耐冲击等性能[1-2]。

此外，由于夹送辊在使用过程中，反复经过高压循环水进行冲刷冷却，循环水碱度高，杂质多，对辊面产生冲蚀现象，辊面微观区域易出现腐蚀凹坑、微裂纹，导致辊面出现粘钢和磨损等问题而失效[3-4]。目前，为提高夹送辊使用寿命，常用方法是在辊身表面堆焊具有高硬度的复合梯度熔覆金属，既能提高使用寿命，又能进行循环再制造[5]。

为解决夹送辊的高温耐蚀性和耐磨性等问题，通过加入定量的Cr、Mo、Ni、V、W、Co等热稳定元素，提高再结晶温度，增强堆焊层的高温强度，制成Cr8系列合金体系的埋弧堆焊专用药芯焊丝，并研制与合金相匹配的焊剂，保证在焊接过程中无裂纹、脱渣性和较好的脱氧性能。通过研究该合金体系材料的综合性能和使用状态，为后续进一步提高夹送辊的使用寿命提供参考依据。

2 试样制备与试验方法

2.1 试样制备

本实验选用的基体材料为Q235B，规格为φ200mm×350mm。首先在基体表面堆焊一层打底层，厚度为1.5～2mm，然后再堆焊耐磨盖面层，厚度为8～10mm。焊丝的化学成分详见表1。选用与焊丝相匹配的烧结焊剂，粒度10～60目，化学成分详见表2。埋弧堆焊工艺参数如表3所示。

表1 药芯焊丝化学成分(质量分数，%)

表2 焊剂化学成分(质量分数，%)

表3 埋弧堆焊工艺参数

2.2 试验方法

利用线切割在试棒上进行取样，规格为20mm×15mm×15mm，取样方向为堆焊层至基体截面位置。采用CLYMPVF-DEM型光学显微镜观察堆焊层的组织形貌。利用HV-3000型显微硬度计测量试样硬度梯度分布。采用ML-10磨损试验机进行常温耐磨性试验，试验载荷为3kg，转速为120r/min，磨损时间为30min，与45#钢淬火(51.2HRC)试样作对比分析。使用S-3400N扫描电子显微镜观察使用后堆焊层的组织形貌和成分变化。

3 试验结果及分析

3.1 熔覆金属焊态组织形貌

图1为熔敷金属焊态的截面组织形貌。其中图1a为熔覆金属整体截面组织形貌，图1b为打底层的组织形貌，图1c为盖面层的组织形貌。由图中可以看出，打底层主要是以铁素体为主，伴随着少量贝氏体；盖面层的焊态组织主要为马氏体和残余奥氏体，伴有少量的回火马氏体，同时在枝晶马氏体间可见有少量较小的碳化物析出。

图1 熔覆金属焊态组织形貌

3.2 熔覆金属回火后组织形貌

图2为熔覆金属回火态的截面组织形貌。从图中可以看出，其典型组织为回火马氏体，还有残余奥氏体和马氏体，碳化物析出相较焊态呈增多趋势，在枝晶间均匀分布。这是因为在堆焊过程中，大量溶入基体组织的碳化物起固溶强化作用，回火时Mo、W、V、Ni等合金元素以细小碳化物的形式弥散析出，起到弥散强化的作用。

图2 熔覆金属回火后组织形貌

3.3 硬度测试

从图3为熔覆金属焊态和回火态的截面硬度梯度分布。由此可知，盖面层的焊态硬度分布为530-580HV300，到达过渡层后硬度明显下降。经过550℃回火后硬度范围增加到720-830HV300，明显高于焊态的硬度值。由此说明该材料经过回火处理后，熔覆组织中化学成分更均匀，晶粒细化，Mo、W、V、Ni等合金元素的加入促进熔覆组织中细小碳化物的弥散析出，Cr含量的增加有利于形成Cr3C2相，并且在堆焊层表面可形成Cr2O3、WO薄膜，降低堆焊层与Fe的亲和力，降低粘钢现象产生，因此可以增加堆焊层的耐磨性及耐热疲劳性。

图3 硬度梯度测试结果(HV300)

3.4 耐磨性测试

试验是在ML-10型圆盘销式磨粒磨损试验机上进行。试样规格为Φ6×25mm，试验载荷为3kg，刚玉砂纸20#，转速为120转/分，磨损时间为30min，用45#钢淬火(51.2HRC)试样作为标准进行比较。其中1#为45#钢淬火试样；2#为堆焊金属试样，其结果如表4所示。

表4 磨损试验结果

从表4中可以看出，在同等磨损条件下，1#试样平均失重为3.82395g，2#试样的平均失重为1.17863g，是1#试样的0.31倍。说明2#堆焊金属材料的耐磨性能明显高于1#试件，这种新型耐磨材料具有良好的耐磨性能，与材料的化学成分和组织结构相关。

3.5 使用后的组织形貌

图4为夹送辊上线使用三个月后工作层熔覆金属的组织形貌。从图4a中可以看出，该组织主要由浅灰色和深灰色两种区域组成，且在深灰色区域上部存在横向和纵向的微裂纹，且裂纹的深度和宽度都很小。这是由于夹送辊在使用过程中反复经过高压循环水进行冲刷冷却，堆焊层受到冷热交替循环作用，导致堆焊层表面产生瞬时的温度梯度，产生应力裂纹和疲劳裂纹。由图4b中可以看出，在堆焊层表面产生了一些凹坑，这是由于循环水流量大，碱度高，长时间的冲蚀作用会产生局部微观的腐蚀凹坑。

图4 使用后熔覆金属组织形貌

图5是对盖面层中的整体区域、浅色区域及深色区域进行能谱分析，其化学成分如表5所示。由分析结果可知，整个区域中Cr、W、Mo含量呈增加，Mn、V含量变化不明显，说明夹送辊在使用后，堆焊层中的Cr、W、Mo合金元素发生了扩散迁移；在浅色区域中，化学元素变化不明显，与熔覆金属类似；在深色区域中，Cr、W、Mo、O的含量明显增加，Fe含量减少，说明在此区域形成了Cr2O3、WO组成的氧化层。正是由于该氧化层的存在，防止了板带中的Fe2O3与熔覆金属产生粘结，降低粘钢倾向，充分保护了基体的耐磨性能，提高了使用寿命[6]。

图5 氧化层能谱分析

表5 氧化层的成分分析(w t%)

4 结论

1)熔覆金属打底层是以铁素体为主，伴随着少量贝氏体。盖面层的焊态组织主要为马氏体和残余奥氏体，伴有少量的回火马氏体，同时在枝晶马氏体间可见有少量较小的碳化物析出。

2)经过550℃回火处理后，熔覆金属组织为回火马氏体，还有残余奥氏体和马氏体，碳化物析出相较焊态呈增多趋势，在枝晶间均匀分布。

3)熔覆金属焊态硬度为530-580HV300，经过550℃回火后硬度为720-830HV300，高于焊态硬度值。磨损失重是45#淬火钢的0.31倍。因此增加的W、Mo、V等合金元素提高了熔覆金属的硬度和耐磨性。

4)在冷热疲劳条件下，熔覆金属表面形成了一层由Cr2O3、WO组成的氧化层，防止板带中的Fe2O3与熔覆金属产生粘结，降低夹送辊的粘钢倾向，提高了使用寿命。