大型支撐輥工作應(yīng)力及堆焊層組織與性能研究.pdf

1、軋輥是軋鋼和有色金屬軋制的一項重要的大型消耗工具。大型熱軋支撐輥售價在百萬以上。支撐輥長期在嚴(yán)酷環(huán)境中服役,由于磨損造成的支撐輥的輥身直徑低于其使用下限,或者在其服役期間出現(xiàn)的剝落等損傷現(xiàn)象,支撐輥就會失去使用功能。如何采用新材料、新技術(shù)、新方法對已失去使用功能的大型支撐輥進(jìn)行修復(fù)再制造,恢復(fù)使用功能,這是鋼鐵冶金企業(yè)非常關(guān)心、重視的課題。
　　使用ANSYS模擬了支撐輥在工況下的受力狀態(tài),并用采力可夫公式和赫茲理論計算了軋制力、

2、最大接觸應(yīng)力、最大剪應(yīng)力等數(shù)據(jù)。計算得到的軋制力大小為5.799MN,使用ANSYS得到軋制力大小為5.33MN。根據(jù)赫茲原理得到的最大接觸應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別為1031.7MPa和313MPa,最大剪應(yīng)力的最大值距離軋輥表面6.26mm。根據(jù)ANSYS模擬的結(jié)果,接觸應(yīng)力的最大值為1158MPa,最大剪應(yīng)力的最大值為348MPa,最大剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置為距離表面5mm處,這與軋輥實際發(fā)生接觸疲勞片狀剝落的位置近似。這些研究為硬面層

3、材料的制備提供了目標(biāo)和方向。
　　使用ANSYS模擬了軋輥堆焊修復(fù)過程中軋輥的溫度場和應(yīng)力場,模擬得到的焊接熱循環(huán)曲線與熔池尺寸與實測數(shù)據(jù)非常吻合。殘余拉應(yīng)力的實測值比模擬值低,壓應(yīng)力比模擬值高,這是由于模擬未考慮焊后材料的相變應(yīng)力。模擬結(jié)果表明環(huán)向應(yīng)力對焊縫的影響大于橫向應(yīng)力,環(huán)向應(yīng)力在焊后最初表現(xiàn)為壓應(yīng)力,冷卻后由于塑變表現(xiàn)為拉應(yīng)力,拉伸應(yīng)力最大值出現(xiàn)在焊縫中心和焊趾附近,拉應(yīng)力模擬最大值為1086MPa,實測值為805MPa

4、。橫向應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力,模擬壓應(yīng)力最大值為531MPa,實測值為354MPa,因此殘余應(yīng)力主要為較大的環(huán)向拉伸應(yīng)力。在不同預(yù)熱溫度下模擬殘余應(yīng)力場,結(jié)果表明未預(yù)熱的焊后殘余應(yīng)力的最大值為1190MPa,300℃預(yù)熱殘余應(yīng)力最大值為801MPa,400℃預(yù)熱殘余應(yīng)力最大值為642MPa,500℃預(yù)熱殘余應(yīng)力最大值為491MPa。可見焊前預(yù)熱可以有效減小焊后殘余應(yīng)力。
　　通過優(yōu)化實驗制備了兩種埋弧焊用硬面藥芯焊絲,考察了硬面層硬

5、度在不同回火熱處理溫度下的高溫穩(wěn)定性,兩組硬面合金的最佳熱處理溫度為480℃,且高合金鋼配方硬面合金的硬度值高于馬氏體不銹鋼配方硬面合金。并分析了Ni和Mo對硬面層高溫穩(wěn)定性的影響,根據(jù)硬度測試結(jié)果并考慮制備藥芯焊絲的經(jīng)濟(jì)性決定鉬和鎳的添加量均為4％。氮合金化使殘余的奧氏體更加穩(wěn)定并且盡量保留固溶的Cr,從而延遲了M23C6及M6C型析出物的析出,因此氮合金化硬面合金的二次硬化溫度為520℃,高于碳合金化的480℃。經(jīng)強(qiáng)碳氮化物形成元素

6、Nb、V、Ti的合金化后,硬面層的硬度明顯得到提高。研究強(qiáng)碳氮化合金元素在堆焊冶金反應(yīng)過程中的析出特點,碳氮化物主要分為兩種,第一類為尺寸較大的富Ti的碳氮化物,在焊縫凝固初期形成,碳氮化物生長時間較長。第二類為小尺寸圓形顆粒的碳氮化物,此類碳氮化物應(yīng)是在低溫凝固過程和回火熱處理過程中析出的,由于此類碳氮化物析出后生長時間較短,新的析出相沒有足夠的時間依附其上,所以尺寸較小,析出溫度在520℃以上。這些析出的小顆粒碳氮化物成為堆焊合金回

7、火熱處理過程中二次硬化的重要原因。
　　高溫磨損實驗表明氮合金化可以提高硬面合金的高溫耐磨性。高溫磨損的主要失效形式為高溫氧化皮的剝落和磨粒磨損兩種形式。硬面合金組織主要由馬氏體和殘余奧氏體組成。氮合金化具有穩(wěn)定奧氏體區(qū)的作用,殘余奧氏體含量增加,使得碳氮合金化硬面合金的韌性比碳合金化硬面合金的韌性高。塑性較差的碳合金化基體會更容易產(chǎn)生疲勞裂紋并更容易使裂紋擴(kuò)展,產(chǎn)生的裂紋會使基體連同其上的氧化膜一起剝落,使得硬面合金的磨損率提高

8、。在高溫環(huán)境中硬面合金基體表面析出的的較細(xì)小的碳氮化物可以降低磨粒磨損引起的磨損失效。
　　研究了稀土Ce對硬面合金斷裂韌性和磨粒磨損行為的影響。Nb和稀土氧化物可以細(xì)化組織,從而提高堆焊金屬的硬度,硬面合金的組織主要包括板條馬氏體,殘余奧氏體和點狀碳化物。添加稀土后,柱狀晶晶粒得到細(xì)化而且碳化物在基體中的分布也更加均勻彌散。Nb的添加對提高堆焊金屬的斷裂韌性有一定的影響,但是效果不如稀土氧化物。稀土氧化物僅細(xì)化了組織,而且可以凈