0 前言

  輥壓機是用途廣泛的一種高效節(jié)能的粉磨設備，尤其適用于水泥熟料的預粉磨。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。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?；瘜W成份見表1：

  表1  42CrMo的化學成份（質(zhì)量分數(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的綜合碳當量為0.78﹪，碳當量高，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焊絲編號及化學成份（質(zhì)量分數(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)生應力，可能導致裂紋。

  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)應力，嚴重時能導致堆焊裂紋。在高溫運行時，將產(chǎn)生熱應力。這種熱應力是無法消除的（焊后熱處理可以消除焊接殘余應力，但熱應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,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量計算公式：

  Nieq＝Ni+30(C+N)+0.5Mn————————（3-2）

  鐵素體形成元素的鉻當量計算公式：

  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，耐沖擊及耐高壓應力性能的焊接金屬合金。

  表3  AP307化學成分

  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，也適用于鑄鋼立磨輥套的新制和修復。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焊接。