大型支撐輥工作應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、新方法對已失去使用功能的大型支撐輥進行修復再制造,恢復使用功能,這是鋼鐵冶金企業(yè)非常關心、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、最大接觸應力、最大剪應力等數(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力和最大剪應力分別為1031.7MPa和313MPa,最大剪應力的最大值距離軋輥表面6.26mm。根據(jù)ANSYS模擬的結果,接觸應力的最大值為1158MPa,最大剪應力的最大值為348MPa,最大剪應力最大值出現(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和方向。
　　使用ANSYS模擬了軋輥堆焊修復過程中軋輥的溫度場和應力場,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。殘余拉應力的實測值比模擬值低,壓應力比模擬值高,這是由于模擬未考慮焊后材料的相變應力。模擬結果表明環(huán)向應力對焊縫的影響大于橫向應力,環(huán)向應力在焊后最初表現(xiàn)為壓應力,冷卻后由于塑變表現(xiàn)為拉應力,拉伸應力最大值出現(xiàn)在焊縫中心和焊趾附近,拉應力模擬最大值為1086MPa,實測值為805MPa

4、。橫向應力主要表現(xiàn)為壓應力,模擬壓應力最大值為531MPa,實測值為354MPa,因此殘余應力主要為較大的環(huán)向拉伸應力。在不同預熱溫度下模擬殘余應力場,結果表明未預熱的焊后殘余應力的最大值為1190MPa,300℃預熱殘余應力最大值為801MPa,400℃預熱殘余應力最大值為642MPa,500℃預熱殘余應力最大值為491MPa?？梢姾盖邦A熱可以有效減小焊后殘余應力。
　　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)硬度測試結果并考慮制備藥芯焊絲的經(jīng)濟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。研究強碳氮化合金元素在堆焊冶金反應過程中的析出特點,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。稀土氧化物僅細化了組織,而且可以凈