CN116140769A - 一种连铸分节辊3d等离子喷焊修复方法及其所使用的喷焊粉末 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连铸分节辊3D等离子喷焊修复方法及其所使用的喷焊粉末。喷焊方法包括：失效连铸分节辊机加工、连铸分节辊3D等离子喷焊参数设置、3D等离子喷焊作业、焊后热处理。粉末的化学成分以质量百分比计如下：C＝0.42‑0.48％、Si＝2.0‑3.0％、Mn＝0.5‑1.0％、Cr＝3.5‑4.5％、Mo＝0.20‑0.30％、Ni＝0.10‑0.30％、W＝5.2‑6.2％、V＝0.9‑1.0％、B＝1.0‑1.3％，余量为铁和不可避免的杂质元素；所述粉末的粒度为200‑300目。本发明形成的喷焊层组织细密、均匀程度高、硬度高；并且喷焊层具有良好的耐急冷急热性能。本发明可以有效提高修复后连铸分节辊的使用寿命，相较于传统以堆焊方式修复的分节辊，使用寿命提升50％以上。

Description

一种连铸分节辊3D等离子喷焊修复方法及其所使用的喷焊 粉末

技术领域

本发明涉及钢铁材料加工技术领域，特别涉及到采用由Cr、Mo、Ni、W、V、B等元素构成粉末，通过3D等离子喷焊工艺修复连铸分节辊的一种方法。

背景技术

钢水从连铸机结晶器弯月面开始生成初始坯壳，到最终完全凝固成型的过程中，扇形段的分节辊要承受铸坯的鼓肚力、连铸二次冷却喷水与高温铸坯接触加热的交变热应力、铸坯与辊间的摩擦力等多种应力。恶劣的工作环境容易导致分节辊失效，分节辊失效后普遍采用不锈钢焊条堆焊工艺进行修复，所修复的分节辊，在使用过程中会沿堆焊焊缝的搭接处产生细小的网状热疲劳裂纹。当热裂纹超过一定数量规模时，连铸分节辊的堆焊层外皮可能直接脱落，轻则影响产品质量和生产效率，重则造成生产事故。因此大幅提高连铸分节辊使用寿命的新工艺，可缩短连铸机停产更换扇形段的时间，提高钢铁企业的经济效益。

等离子喷焊可根据修复工件的具体需求选取合金粉末，粉末与基材在喷焊过程中发生的冶金熔融使得喷焊层与基材结合强度高、母材的热影响区及焊后的残余应力小，可快速修复表面失效的零部件，加上3D喷焊控制软件可实现喷焊层形状的精确控制，因此该技术极具经济价值和社会价值，也得到了一定的研究与应用。韩景伟等人采用超低碳低铁无铬镍基粉末作为喷焊材料，在冷态大气环境条件下在灰口铸铁基体上制备了致密完整的熔化焊与钎焊混合焊层，恢复了柴油机缸盖压紧环配合面机械尺寸和功能。孙博等人以热锻冲头为原型，采用等离子喷焊工艺在H13钢棒柱面上制备一层铁基合金喷焊层，铁基喷焊层的硬度为730HV左右，明显高于基体H13钢的硬度。

目前，采用等离子喷焊工艺修复部件多集中在阀门、模具磨损位置，在连铸分节辊的修复上未见报导。我国钢材产量连续8年超过10亿吨，其中通过连铸工艺生产的钢材比例超过96％，结合等离子喷焊修复的特点，对失效的连铸分节辊替代目前的堆焊修复工艺，大幅提升连铸分节辊的使用寿命，具有广阔的发展空间。

通过采用Cr、Mo、Ni、W、V、B等元素构成的自制铁基粉末，以不同焊接参数在3D等离子喷焊设备上进行连铸分节辊的修复，对所修复的分节辊喷焊层的金相组织、相组成、相中元素的分布，以及热影响区至喷焊层近表面硬度的分布展开分析和研究，可以获得大幅度提升连铸分节辊使用寿命的各项工艺参数和自制铁基粉末配方。

发明内容

本发明的目的之一在于开发一种新的3D喷焊新工艺，结合自制的含

Cr、Mo、Ni、W、V、B等元素铁基粉末，可大幅提高连铸分节辊使用寿命，缩短连铸机停产更换扇形段的时间，提高钢铁企业的经济效益。

发明的另外一个目的在于提供一种由Cr、Mo、Ni、W、V、B等元素构成可适应连铸分节辊使用工况及相应喷焊参数的铁基粉末。

该发明喷焊用的粉末参考堆焊用焊条与热作模具钢成分，结合分节辊使用工况条件和喷焊工艺参数研制而成，其化学成分重量百分比计如下：C＝0.42-0.48％、Si＝2.0-3.0％、Mn＝0.5-1.0％、Cr＝3.5-4.5％、Mo＝0.20-0.30％、Ni＝0.10-0.30％、W＝5.2-6.2％、V＝0.9-1.0％、B＝1.0-1.3％，余量为铁和不可避免的杂质元素。

一种连铸分节辊3D等离子喷焊修复方法的设计原理如下所述:

喷焊用粉末制备：参考堆焊用焊条与热作模具钢成分，因Mo不利于马氏体组织的形成，在此基础上减少了Mo的含量，添加了W元素，W的作用与Mo类似，能够显著提高喷焊层的热强性与回火稳定性，同时W属于强碳化物，与Mo均可溶于Fe₂₃C₆之中并跟Cr、V形成多元复合碳化物(Fe,Cr,Mo,W,V)₂₃C₆，强碳化物溶于弱碳化物之中能够提升其稳定性，提高碳化物溶解入基体的临界温度，减慢析出后的聚集长大速度，可作为喷焊层的耐热相；加入的B是为了提升熔池的流动性，增加粉末和基材之间的润湿性，同时B还能够形成硼化物，提高喷焊层的耐磨性能，但较多含量的B会提升喷焊层的回火脆性；加入少量Ni可以增加残余奥氏体的数量，提高喷焊层的韧性和增加淬硬性。

根据喷焊层显微结构、相组成及显微硬度，以及形成机理，研究确定合适的焊接电流、焊枪摆动速度、焊枪摆幅、焊枪距辊体距离、辊体转动角速度、的辊体行进速度、维弧电压、送粉速度、保护氩气流量、离子氩气流量、送粉氩气流量等喷焊工艺参数，保证喷焊层组织细密、均匀程度高，基材与喷焊层为冶金结合，喷焊层硬度高、均硬度偏差小。

基于上述设计原理，本发明的方法，包括如下步骤：

S1.对失效连铸分节辊进行机加工；

先对失效的连铸分节辊表面进行粗车加工去除缺陷部分，然后精车加工至连铸分节辊的母材层；对母材层表面进行清污处理后，将辊体装载于直流电动机卡具；

S2.连铸分节辊喷焊前参数设置

通过3D编程设置150-170A的焊接电流、80-90次/min焊枪摆动速度、8-10mm的焊枪摆幅、10-13mm焊枪距辊体距离、0.8-1.0rad/s辊体转动角速度、3-5mm/s的辊体行进速度、40-50V的维弧电压、30-40g/s的送粉速度、6-8L/min的保护气流量、4-6L/min的离子气流量、16-20L/min送粉气流量等喷焊工艺参数；由于辊体为圆柱形，喷焊时焊枪保持静止，由直流电动机驱动的卡具台带动辊体以0.85-0.95rad/s与3.5-4.5mm/s的速度旋转前进，保证相邻的喷焊层搭接量适中；

S3.喷焊前辊体预热

使用氧乙炔火焰对母材层表面进行焊前预热，预热时间在10min以上，温度超过250℃后开始喷焊；

S4.喷焊操作

喷焊时采用分两层焊接的方式，每层喷焊后厚度控制在2-6mm，两层喷焊形成喷焊层的总厚度为5-10mm；

S5.焊后机加工

连铸分节辊3D喷焊修复完毕后，使用车床对喷焊层进行车床加工，然后进行表面清污处理；

S6.退火热处理

清污处理后，采用箱式退火炉进行退火热处理。

作为改进，所述S1步骤中粗车加工至2mm厚。

作为改进，S1步骤中所述母材层材质为42CrMo。

作为改进，S4步骤中，每层所述喷焊的厚度为4mm，喷焊层总厚度为8mm。

作为改进，S5步骤所述车床加工包括如下步骤：

进行精车或先粗车再精车处理，使最终获得的喷焊层总厚度在4-6mm之间。

作为改进，S6步骤中所述退火处理的退火温度为450-500℃，保温4h随炉冷却，以消除喷焊层中的焊接残余应力。

本发明的优点在于：

本发明所述的一种连铸分节辊3D等离子喷焊修复方法，喷焊层的组织细密、均匀程度高，基材与喷焊层为冶金结合，喷焊层的主体相为α-Fe，硬质相主要为在α-Fe晶间析出的(Fe,Cr,W,V,Mo)₇C₃、(Fe,Cr,W,V,Mo)₂₃C₆碳化物颗粒，喷焊层晶粒以等轴晶为主，还有部分析出的碳化物分布在晶间的残余奥氏体中，硬度高、均匀性好，平均硬度大于580HV，硬度偏差小于30HV。

本发明所述的一种连铸分节辊3D等离子喷焊修复方法，经过实验室冷热交替模拟实验表明喷焊修复层具有良好的耐急冷急热性能。在连铸分节辊工作环境下(连铸分节辊夹持的连铸坯表面温度高达800℃以上，同时要经受连铸二冷喷水急速冷却)，喷焊层在冷热交替的环境中热稳定性好，试验样品在马弗炉中加热至800℃后，迅速投入水中，来回循环100次后，硬度降低不超过20HV。

本发明公开的连铸分节辊3D等离子喷焊修复方法，在较之于同一台连铸机相同部位相对的其他堆焊修复的分节辊，使用寿命较提升了50％以上，据统计堆焊修复的分节辊平均过钢量40万吨，3D等离子喷焊所修复的连铸分节辊平均过钢量超过60万吨。

附图说明

图1为连铸分节辊3D喷焊修复过程图(a)修复前；(b)喷焊后；(c)热处理及机加工后。

图2为喷焊层EDS元素定量分析图。

图3为热稳定性试验后喷焊层的显微组织图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

本实施例制作的喷焊用粉末的化学成分以wt％计如下：

C＝0.45％、Si＝2.3％、Mn＝0.62％、Cr＝3.95％、Mo＝0.25％、Ni＝0.19％、W＝5.9％、V＝0.93％、B＝1.1％，余量为铁和不可避免的杂质元素；粉末粒度为200-300目。

本实施例提供的一种连铸分节辊3D等离子喷焊修复的方法如下：

S1.失效连铸分节辊机加工：

选取某钢厂2150mm板坯连铸机下线的表面部分剥落的分节辊(直径为240mm，见图1(a)中靠上面的辊)，喷焊前对选取的连铸分节辊使用车床将原堆焊层进行粗车至2mm厚左右，完全去除缺陷部位后再进行精车至分节辊的母材层(材质为42CrMo)，对母材层表面进行清污处理后，将辊体装载于直流电动机卡具。

S2.连铸分节辊喷焊前参数设置：

通过3D软件编程，设置160A的焊接电流、85次/min焊枪摆动速度、9mm的焊枪摆幅、11mm焊枪距辊体距离、0.9rad/s辊体转动角速度、4mm/s的辊体行进速度、45V的维弧电压、35g/s的送粉速度、7L/min的保护气流量、5L/min的离子气流量、18L/min送粉气流量等喷焊工艺参数，由于辊体为圆柱形，喷焊时焊枪保持静止，由直流电动机驱动的卡具台带动辊体以0.90rad/s与4.0mm/s的速度旋转前进，保证相邻的喷焊层搭接量适中。

S3.喷焊前辊体预热：

用氧乙炔火焰对母材层表面进行焊前预热，以防喷焊过程中热应力过大，导致喷焊层出现焊接裂纹，预热时间12min，当温度达到250℃后，开始喷焊。

S4.喷焊操作：

喷焊时采用两层焊接的方式，每层喷焊后厚度增加控制在4mm左右，获得的连铸分节辊约为8mm厚度的喷焊层。

S5.焊后机加工

对喷焊层先粗车2mm，然后精车1mm，最终获得的喷焊层厚度约为5mm

S6.退火热处理：

对S5步骤所修复的连铸分节辊进行表面清污处理后采用箱式退火炉退火热处理，退火温度为500℃，保温4h随炉冷却，消除喷焊层中的焊接残余应力。

实施例2

本实施例制作的喷焊用粉末的化学成分以wt％计如下：

C＝0.43％、Si＝2.5％、Mn＝0.60％、Cr＝3.85％、Mo＝0.26％、Ni＝0.22％、W＝5.6％、V＝0.96％、B＝1.2％，余量为铁和不可避免的杂质元素；粉末的粒度为200-300目。

本实施例提供的一种连铸分节辊3D等离子喷焊修复的方法如下：

S1.失效连铸分节辊机加工：

选取某钢厂2150mm板坯连铸机下线的表面部分剥落的分节辊(直径为260mm，见图1(a)中靠下面的辊)，喷焊前对选取的连铸分节辊使用车床将原堆焊层进行粗车至2mm厚左右，完全去除缺陷部位后再进行精车至分节辊的母材层(材质为42CrMo)，对母材层表面进行清污处理后，将辊体装载于直流电动机卡具。

S2.连铸分节辊喷焊前参数设置：

通过3D软件编程，设置165A的焊接电流、90次/min焊枪摆动速度、9mm的焊枪摆幅、11mm焊枪距辊体距离、0.9rad/s辊体转动角速度、4.2mm/s的辊体行进速度、48V的维弧电压、36g/s的送粉速度、7L/min的保护气流量、5.5L/min的离子气流量、19L/min送粉气流量等喷焊工艺参数，由于辊体为圆柱形，喷焊时焊枪保持静止，由直流电动机驱动的卡具台带动辊体以0.88rad/s与4.2mm/s的速度旋转前进，保证相邻的喷焊层搭接量适中。

S3.喷焊前辊体预热：

用氧乙炔火焰对母材层表面进行焊前预热，以防喷焊过程中热应力过大，导致喷焊层出现焊接裂纹，预热时间15min，预热温度达到300℃后，开始喷焊。

S4.喷焊处理：

喷焊时采用两层焊接的方式，每层喷焊后厚度增加控制在4mm左右，获得的连铸分节辊母材约为8mm厚度的喷焊层。

S5.焊后机加工

对喷焊层先粗车2mm，然后精车1mm，最终获得的喷焊层厚度约为5mm。

S6.退火热处理：

对S5步骤所修复的连铸分节辊进行表面清污处理后采用箱式退火炉退火热处理，退火温度为480℃，保温4h随炉冷却，消除喷焊层中的焊接残余应力。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不等同于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，不脱离本发明的精神和范围下所做的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种连铸分节辊3D等离子喷焊修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.对失效连铸分节辊进行机加工；

先对失效的连铸分节辊进行粗车加工消除辊子表面缺陷，然后精车加工至连铸分节辊的母材层；对母材层表面进行清污处理后，将辊体装载于直流电动机卡具；

S2.连铸分节辊喷焊前参数设置

通过3D编程设置150-170A的焊接电流、80-90次/min焊枪摆动速度、8-10mm的焊枪摆幅、10-13mm焊枪距辊体距离、0.8-1.0rad/s辊体转动角速度、3-5mm/s的辊体行进速度、40-50V的维弧电压、30-40g/s的送粉速度、6-8L/min的保护气流量、4-6L/min的离子气流量、16-20L/min送粉气流量等喷焊工艺参数；

S3.喷焊前辊体预热

使用氧乙炔火焰对母材层表面进行焊前预热，预热时间在10min以上，温度超过250℃后开始喷焊；

S4.喷焊操作

喷焊时采用分两层焊接的方式，每层喷焊后厚度控制在2-6mm，两层喷焊形成喷焊层的总厚度为5-10mm；

S5.焊后机加工

连铸分节辊3D喷焊修复完毕后，使用车床对喷焊层进行车床加工，然后进行表面清污处理；

S6.退火热处理

清污处理后，采用箱式退火炉进行退火热处理。

2.根据权利要求1所述的一种连铸分节辊3D等离子喷焊修复方法，其特征在于，所述S1步骤中粗车加工至2mm厚。

3.根据权利要求1所述的一种连铸分节辊3D等离子喷焊修复方法，其特征在于，S1步骤中所述母材层材质为42CrMo。

4.根据权利要求1所述的一种连铸分节辊3D等离子喷焊修复方法，其特征在于，S2步骤中所述辊体转动角速度为0.85-0.95rad/s，辊体行进速度为3.5-4.5mm/s。

5.根据权利要求1所述的一种连铸分节辊3D等离子喷焊修复方法，其特征在于，S4步骤中，每层所述喷焊的厚度为4mm，喷焊层总厚度为8mm。

6.根据权利要求1所述的一种连铸分节辊3D等离子喷焊修复方法，其特征在于，S5步骤所述车床加工包括如下步骤：

进行精车或先粗车再精车处理，使最终获得的喷焊层总厚度在4-6mm之间。

7.根据权利要求1所述的一种连铸分节辊3D等离子喷焊修复方法，其特征在于，S6步骤中所述退火处理的退火温度为450-500℃，保温4h随炉冷却。

8.一种基于权利要求1所述的连铸分节辊3D等离子喷焊修复方法所使用的喷焊粉末，其特征在于，所述粉末的化学成分以质量百分比计如下：

C＝0.42-0.48％、Si＝2.0-3.0％、Mn＝0.5-1.0％、Cr＝3.5-4.5％、Mo＝0.20-

0.30％、Ni＝0.10-0.30％、W＝5.2-6.2％、V＝0.9-1.0％、B＝1.0-1.3％，余量为铁和不可避免的杂质元素；

所述粉末的粒度为200-300目。

9.根据权利要求8所述喷焊粉末的制作方法，其特征在于，所述粉末采用水雾化工艺制作而成。

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