一种热轧层流冷却辊的修复方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金领域，特别涉及热轧层流冷却辊的修复方法。

背景技术

层流冷却位于热轧带钢产线的精轧机与卷取机之间的位置，主要起到冷却带钢的作用。该位置的输送辊道叫做层流冷却辊，其一方面是将带钢冷却到一定的温度，另一方面也起到输送带钢的作用。层流冷却辊在工作时与高温带钢接触，带钢移动速度极快且受到冷却水的腐蚀作用，这就要求其具有较好的耐高温、耐冲击、耐磨损、耐腐蚀性能。层流冷却辊主要的失效形式就是辊面损伤，包括磨损、腐蚀、剥落等，其辊面状态直接影响带钢的表面质量，同时也会影响到整条产线的生产。因此，钢厂为了降本增效，一方面想方设法提高层流辊的使用寿命，另一方面也会修复失效下线的层流辊。

目前，层流冷却辊辊面强化的方法主要有两种，一是喷焊Ni60镍基自熔合金，二是激光熔覆铁基耐磨合金。因此，其修复的方式通常也是两种：一是直接喷焊Ni60镍基自熔合金，二是先采用低碳钢堆焊恢复尺寸后，再采用激光熔覆铁基耐磨合金进行表面强化。但是，这两种修复方式都存在一定的问题：喷焊修复实际上是依靠扩散与基体产生结合，基体本身几乎没有熔化，这就导致其结合强度偏低易剥落，且喷焊只能使用自熔性合金粉末，局限性较大，而Ni60自熔合金粉末价格较高导致成本较高；激光熔覆修复是“堆焊+激光熔覆”的方式，其工序复杂、生产效率较低，激光熔覆工序本身成本较高，且“堆焊+激光熔覆”的方式进一步提高了成本。而随着钢厂的备件成本不断被压缩，亟需一种工艺简单、成本低廉的层流冷却辊的修复方法。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种热轧层流冷却辊的修复方法，它使修复后的层流冷却辊耐磨损、耐冲击、耐腐蚀性能均较好，且工艺简单、生产成本低廉。

本发明热轧层流冷却辊的修复方法，它包括以下步骤：

①粗车：去除辊面疲劳层，车削尺寸根据粗车后辊面硬度而定，当辊面硬度低于30HRC时停止车削；

②检验：检测辊面直径及硬度，并进行渗透探伤，确保疲劳层去除干净且没有裂纹等缺陷；

③气保焊：对层流冷却辊进行焊前预热，预热温度250～300℃；对预热好的辊子进行堆焊；

④退火热处理：将堆焊好的辊子放入加热炉中，以80～100℃/h的升温速率进行加热，加热到500～550℃，保温4～6h，然后随炉冷却至150℃以下出炉空冷；

⑤半精车：按照辊子成品直径，单边预留0.1mm余量进行车削；

⑥激光淬火：对半精车后的辊面进行激光淬火；

⑦精磨：按照图纸要求的层流冷却辊的尺寸及表面粗糙度，对淬火后的辊面进行磨削；

⑧终检：对磨削后的成品辊子进行检验。

其中，步骤③气保焊中：预热方式可以是火焰加热，也可以是加热炉加热。

其中，步骤③气保焊中：根据辊子成品直径与粗车后辊子的直径之间的差值，确定堆焊层总厚度，进而确定堆焊的层数。

其中，步骤③气保焊中：焊丝为铁基合金，其化学成分及质量百分比为：12～15％Cr、1～2％Mo、1～2％Ni、0.5～1.0％Mn、0.40～0.50％C、余量为Fe。

其中，步骤③气保焊中：堆焊的工艺参数为：电流220-280A、电压22-28V、移动速度450-650mm/min、气流量10-15L/min、层间温度200-300℃、单层厚度2.5-4mm。

其中，步骤⑥激光淬火：淬火的工艺参数为：矩形光斑尺寸3.7×19mm，激光功率4.0～5.5kW，扫描速度20～35mm/s，搭接率3％～6％。

其中，步骤⑥激光淬火：激光淬火层的层深为0.8～1.2mm。

本发明所述方法也可以用于新的层流冷却辊的表面强化处理，此时由于是新辊，因此将上述修复方法中的步骤①改成将辊子外圆车削至小于辊子成品尺寸2～3mm，而步骤②检验删除，其它的步骤与修复方法一样。

本发明热轧层流冷却辊修复方法的原理及效果如下：一、气保焊使用的焊丝为马氏体不锈钢，含有一定量的Mo元素，在产生固溶强化的同时，也提高了合金的耐磨损性能；含有一定量的Cr元素，显著提高了合金的耐腐蚀性能，同时也可以与碳元素形成碳化物；含有一定量的Ni元素，可以改善合金的塑性，且可以提高合金的耐腐蚀性能；含有0.4％～0.5％的碳元素，可以析出弥散分布的碳化物，进而显著提高合金的耐磨损性能；也就是说，堆焊层不仅仅是起到恢复尺寸的作用，同时其本身也兼具优良的耐磨损、耐腐蚀性能；二、堆焊层之所以设计0.4～0.5％含量的碳元素，是因为考虑到后续的激光淬火，只有碳元素达到一定含量，才能保证淬硬层的硬度，本发明淬硬层的硬度可以达到60～65HRC，这使得硬化层的耐磨损性能进一步提高；而且激光淬火后形成的针状马氏体，也可以显著提高耐腐蚀性能；三、采用“气保焊+激光淬火”的复合加工方式，工艺简单、成本低廉、效率较高；与喷焊Ni60相比，其结合强度更高，进一步保证其抗冲击性能；与激光熔覆相比，其生产效率更高，生产成本更低；四、“气保焊+激光淬火”的加工方法，目前未见有文献报道，其不仅仅适用于层流冷却辊的修复，同样也可以推广到类似工况的辊子修复，如活套辊、助卷辊等。

附图说明

图1为本发明热轧层流冷却辊修复方法的流程图；

图2为本发明铁基合金堆焊层+淬硬层的金相照片；

图3为本发明实施例和对比例的显微硬度曲线。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明材料、方法做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明一种热轧层流冷却辊的修复方法，它包括以下步骤：

①粗车：去除辊面疲劳层，车削尺寸根据粗车后辊面硬度而定，当辊面硬度低于30HRC时停止车削；

②检验：检测辊面直径及硬度，并进行渗透探伤，确保疲劳层去除干净且没有裂纹等缺陷；

③气保焊：对层流冷却辊进行焊前预热，预热温度250～300℃；对预热好的辊子进行堆焊；

④退火热处理：将堆焊好的辊子放入加热炉中，以80～100℃/h的升温速率进行加热，加热到500～550℃，保温4～6h，然后随炉冷却至150℃以下出炉空冷；

⑤半精车：按照辊子成品直径，单边预留0.1mm余量进行车削；

⑥激光淬火：对半精车后的辊面进行激光淬火；

⑦精磨：按照图纸要求的层流冷却辊的尺寸及表面粗糙度，对淬火后的辊面进行磨削；

⑧终检：对磨削后的成品辊子进行检验。

实施例1

层流辊辊身尺寸为

①粗车：去除辊面疲劳层，当硬度低于30HRC时停止车削；

②检验：车削后实际辊面尺寸为φ296.9mm，渗透探伤辊面无缺陷；

③气保焊：采用火焰加热的方式进行焊前预热，预热温度300℃；堆焊层厚度为3.5mm；焊丝的化学成分及质量百分比为：15％Cr、2％Mo、2％Ni、0.8％Mn、0.45％C、余量为Fe；焊接的工艺参数为：电流270A、电压27V、移动速度600mm/min、气流量12L/min、层间温度250℃、单层厚度3.5mm。

④退火热处理：将堆焊好的辊子放入加热炉中，以100℃/h的升温速率进行加热，加热到550℃，保温4h；然后随炉冷却至150℃以下出炉空冷；

⑤半精车：将辊子外圆车削至

⑥激光淬火：对车削后的辊面进行激光淬火，工艺参数为：矩形光斑尺寸3.7×19mm，激光功率5.5kW，扫描速度30mm/s，搭接率4％，淬火后的层深为1.0mm；

⑦精磨：按照

⑧终检：对磨削后的成品辊子进行检验。

本实施例中气保焊焊丝成分设计主要考虑辊子基体为45钢，其含碳量为0.42～0.50％，Cr、Ni含量均不超过0.25％，不含Mo元素；考虑到气保焊存在一定的稀释率，为保证堆焊层性能，因此选用Cr、Ni、Mo元素含量均较高、碳含量中等成分的焊丝。

本实施例中气保焊及激光淬火的工艺参数选择依据为：辊子基体直径为300mm，在层流冷却辊类中属于较大尺寸，受热变形相对较小，因此气保焊采用较大热输入以提高堆焊效率，激光淬火采用较大热输入提高效率、并加深了淬硬层的深度，提高了耐磨性能，延长了辊子的使用寿命。

实施例2

层流辊辊身尺寸为

①粗车：去除辊面疲劳层，当硬度低于30HRC时停止车削；

②检验：车削后实际辊面尺寸为φ257.4mm，渗透探伤辊面无缺陷；

③气保焊：采用火焰加热的方式进行焊前预热，预热温度300℃；堆焊层厚度为3.2mm；焊丝的化学成分及质量百分比为：15％Cr、2％Mo、1.9％Ni、1.0％Mn、0.50％C、余量为Fe；气保焊工艺参数为：电流250A、电压25V、移动速度500mm/min、气流量12L/min、层间温度250℃、单层厚度3.2mm；

④退火热处理：将堆焊好的辊子放入加热炉中，以80℃/h的升温速率进行加热，加热到500℃，保温4h；然后随炉冷却至150℃以下出炉空冷；

⑤半精车：将辊子外圆车削至

⑥激光淬火：对车削后的辊面进行激光淬火，工艺参数为：矩形光斑尺寸3.7×19mm，激光功率4.7kW，扫描速度25mm/s，搭接率5％，淬火后的层深为0.9mm；

⑦精磨：按照

⑧终检：对磨削后的成品辊子进行检验。

本实施例中气保焊焊丝成分设计主要考虑辊子基体为20钢，其含碳量0.17～0.23％，Cr含量不超过0.25％，Ni含量不超过0.30％，不含Mo元素；考虑到气保焊存在一定的稀释率，为保证堆焊层性能，因此选用C、Cr、Ni、Mo元素含量均较高的焊丝。

本实施例中气保焊及激光淬火的工艺参数选择依据为：辊子基体直径为260mm，在层流冷却辊类中属于较小尺寸，因此气保焊和激光淬火均采用较小热输入以防止出现较大的堆焊变形。

实施例3

层流辊辊身尺寸为

①粗车：去除辊面疲劳层，当硬度低于30HRC时停止车削；

②检验：车削后实际辊面尺寸为φ293.8mm，渗透探伤辊面无缺陷；

③气保焊：采用入炉加热的方式进行焊前预热，预热温度300℃，保温6h；堆焊层厚度为5.2mm，分两层堆焊；焊丝化学成分及质量百分比为：15％Cr、2％Mo、2％Ni、0.5％Mn、0.50％C、余量为Fe；气保焊工艺参数为：电流230A、电压23V、移动速度550mm/min、气流量15L/min、层间温度220℃、单层厚度2.6mm；

④退火热处理：将堆焊好的辊子放入加热炉中，以90℃/h的升温速率进行加热，加热到550℃，保温6h；然后随炉冷却至150℃以下出炉空冷；

⑤半精车：将辊子外圆车削至

⑥激光淬火：对车削后的辊面进行激光淬火，工艺参数为：矩形光斑尺寸3.7×19mm，激光功率5.2kW，扫描速度28mm/s，搭接率3％，淬火后的层深为1.1mm；

⑦精磨：按照

⑧终检：对磨削后的成品辊子进行检验。

本实施例中气保焊焊丝成分设计主要考虑辊子基体为16Mn钢，其含碳量0.13～0.19％，Cr、Ni含量均不超过0.30％，不含Mo元素，且Mn元素含量较高，为1.20～1.60％；考虑到气保焊存在一定的稀释率，为保证堆焊层性能，因此选用C、Cr、Ni、Mo元素含量均较高、Mn元素含量较低的焊丝。

本实施例中气保焊及激光淬火的工艺参数选择依据为：气保焊时的单层厚度为2.6mm，由于厚度较薄，所以在较低热输入时就可实现较高效率，同时防止出现较大的堆焊变形；辊子基体直径为300mm，在层流冷却辊类中属于较大尺寸，受热变形较小，因此激光淬火时采用较大热输入提高生产效率，并也加深了淬硬层的深度，提高了耐磨性能，延长了辊子的使用寿命。

下面对使用本发明修复方法得到的热轧层流冷却辊与采用喷焊Ni60镍基自熔合金得到的热轧层流冷却辊的辊面的性能进行对比：

(一)摩擦磨损实验采用自制简易摩擦磨损试验机，室温下采用GCr15淬火钢球作为对磨摩擦副，载荷为20N，运动方式为圆周运动，转速为400r/min，测试时间为1h，通过对比试验前后试块磨损失重确定耐磨性；

(二)结合强度测试是采取剪切试验的方式，利用涂层与基体结合截面的剪切力使涂层从基体上剥落，测量涂层的剪切强度；

(三)硬度测试采用荷兰轶诺生产的维氏硬度计测量的显微硬度；

其中，摩擦磨损实验和结合强度测试的性能对比如表1所示；显微硬度测试结果如图2所示。

表1不同试样的性能对比

从表1中可以看出，实施例3综合性能最好，实施例1次之，实施例2再次之，且三者均优于喷焊Ni60的试块。从图3可以看出，淬硬层的硬度基本在690～830HV，堆焊层的硬度也在550HV以上，而喷焊Ni60的硬度则为590～690HV，也就是说实施例1、2、3靠近表面的淬硬层硬度均高于对比例喷焊Ni60。

如图2所示，淬火层和堆焊层的微观组织均为细小的板条马氏体+少量残余奥氏体+细小碳化物组成。淬火层相比堆焊层，其马氏体含量更高、更加细密，这也表明淬火层的硬度更高，耐磨损性能更优。

因此，采用本发明“气保焊+激光淬火”的方法进行修复的层流辊，可以在其表面制备一层耐磨损、耐冲击的淬硬层，淬硬层硬度高达60～65HRC，与基体的结合强度≥450Mpa，经钢厂上线使用，其使用寿命高出喷焊Ni60、激光熔覆铁基合金等修复方式的20％左右。同时，本发明工艺简单、效率较高、综合成本低廉，成本比激光熔覆降低30％左右。