热轧无缝钢管用芯棒表面复合制备工艺方法与流程

本发明涉及焊接及表面强化技术领域，尤其涉及一种热轧无缝钢管用芯棒表面复合制备工艺方法。

背景技术：

芯棒是冶金行业连轧管机组轧制生产无缝钢管所必需的确定无缝钢管内径和壁厚的重要轧管工具，是连轧管机组中的主要消耗部件，连轧管机组设备的生产维护费用中约50％以上是用于芯棒的消耗和报废更换。芯棒上机使用寿命低，是我国制管企业目前普遍存在而且亟待解决的重大技术难题。

芯棒在服役过程中的工况条件非常恶劣，一方面要承受轧制过程中摩擦生热和管坯带来的高温热冲击(高达1150℃)以及非轧制过程中的喷淋冷却水的交替循环作用，另一方面还要承受较大的径向轧制力以及由于管坯和芯棒之间在长度轧制方向上的相对运动所产生的纵向拉伸力和表面摩擦力。其破坏形式除表面产生不同程度的纵向、环向和龟裂状疲劳裂纹外，还将产生较严重的磨损、划痕和弯曲变形。为了确保无缝管的质量和轧机安全性，必须立即更换该芯棒。更换下来的芯棒，在尚未完全报废的前提下，采用大规格改车小规格、电镀硬铬后再次使用，在电镀过程中，对环境造成了污染。

技术实现要素：

本发明为解决现有热轧无缝钢管用芯棒使用寿命低及电镀过程中导致环境污染等问题，提供一种热轧无缝钢管用芯棒表面复合制备工艺方法，以达到高韧性、高硬度、抗冲击、抗高温耐磨的目的，且能进行多次修复以降低生产成本。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：热轧无缝钢管用芯棒表面复合制备工艺方法，采用在尺寸超差的芯棒表面堆焊高韧性、高耐磨、抗冲击材料，恢复芯棒实际尺寸，满足实际工况需要，并采用在堆焊加工后的表面喷涂高硬度、抗冷热疲劳的耐磨层，代替原有的镀铬层，最终得到高韧性、抗冲击、抗高温、耐磨的复合芯棒，既能进行多次修复以降低生产成本，又能提高芯棒表面状态，同时无电镀工艺带来的环境污染，满足环保要求。包括如下步骤：a.堆焊工序，在芯棒的表面进行堆焊，其中，焊丝为低碳高合金材料；b.热处理工序，其中，预热温度为150-200℃，保温时间为2-4h；回火温度为630-650℃,保温时间为2-4h；c.喷涂工序，其中，喷涂材料的化学成分及质量百分比为C：2％-2.5％，Cr：25％-27％，Mo：16％-18％，B：2％-2.2％，Si:1.75％-2.25％，余量为Fe；d.抛光工序。以上所述的堆焊工序、热处理工序、喷涂工序及抛光工序中，未公开的具体工序步骤，均为本领域的常规技术手段。

优选的，堆焊工序中，焊丝为药芯焊丝，焊丝的化学成分及质量百分比为C：0.1％-0.3％，Mn：0.8％-2.5％，Si：0.3％-1.0％，Cr：11.5％-14.0％，Mo：0.3％-1.8％，V：0.1％-0.6％，Co:1.5％-3.0％，S：≤0.02％，P：≤0.02％，余量为Fe及杂质；焊剂的化学成分及质量百分比为CaO+MgO：30％-40％，Al₂O₃+MnO：17％-25％，SiO+TiO₂：17％-24％，CaF₂+FeO：18％-24％，焊剂粒度为12-60目。

优选的，焊丝的直径为2.4mm。

优选的，堆焊工序中，堆焊采用单丝埋弧螺旋焊接方法。

优选的，堆焊的焊接电流280-350A，电弧电压28-31V，焊接速度450-550mm/min。

优选的，喷涂工序中，喷涂厚度0.05-0.07mm。

优选的，喷涂工序中，采用JP-8000超音速火焰喷涂设备进行喷涂，喷涂工艺参数为煤油流量：20-25L/h，氧气流量：52-57m³/h，载气流量：0.6-0.65m³/h，送粉速度：60-70g/min，喷涂距离：370-380mm，喷涂速度：1000-1500mm/min，喷涂过程基体温度：20-100℃；喷涂过程中用干净的压缩空气进行冷却，控制基体温度；喷涂结束后在旋转工作台上冷却至室温，并用压缩空气清理干净涂层表面。

优选的，抛光工序，采用金刚石砂轮或金刚石砂带对热喷涂涂层进行抛光。

以上所述的喷涂材料、焊丝、焊剂，未公开具体的工艺制备方法，均为本领域的常规技术手段。

本发明通过堆焊工艺与喷涂工艺相结合，配置合理的材料成分，获得了具有优异性能的复合芯棒，具有如下的显著进步：

(1)堆焊熔覆层具有良好的综合性能：堆焊层焊态硬度410-475HV，回火态硬度320-375HV，高于母材的硬度200HV左右；摩擦系数0.58-0.65，与母材进行比较，磨损率降低百分之五十。

(2)超音速火焰喷涂制备的涂层具有良好的综合性能：涂层厚度0.05-0.07mm，孔隙率〈0.5％，硬度为841-950HV，结合强度〉70MPa，经650℃冷热循环疲劳实验900次后未发现涂层脱落。

(3)与镀铬层相比，喷涂制备的涂层与基体结合良好，组织致密，孔隙率低，具有较高的结合强度和良好的抗冷热疲劳性能，涂层硬度高，耐磨性好，能延长芯棒的使用寿命，降低芯棒耗量，同时能够提高轧机的效益和产品的质量，是一种有效的技术经济措施。

(4)可以减少芯棒母体磨损程度，当耐磨堆焊层磨损失效后，可采用同种工艺进行多次修复，降低了生产成本，提高作业效率。

(5)本发明可广泛应用于其他高温环境下各种工程上的耐磨件，且堆焊耐磨层可通过堆焊进行修复。

附图说明

图1是堆焊层焊态显微组织图；

图2是堆焊层回火态显微组织图；

图3是堆焊层焊态硬度分析图；

图4是堆焊层回火态硬度分析图；

图5是堆焊层焊态耐磨性分析图；

图6是堆焊层回火态耐磨性分析图；

图7是超音速火焰喷涂涂层显微组织图；

图8是超音速火焰喷涂涂层XRD图；

图9是超音速火焰喷涂涂层900次热震性能实验图。

具体实施方式

实施例1

本实施例中焊丝的化学成分及质量百分比为C：0.15％；Mn：2.21％；Si：0.81％；Cr：13.39％；Mo：0.97％；V：0.20％；Co：1.63％；S：0.018％；P：0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质。

堆焊所用焊剂的化学成分及质量百分比为CaO+MgO：38％；Al₂O₃+MnO：19％；SiO+TiO₂：21％；CaF₂+FeO：22％，焊剂粒度为12-60目。

所述喷涂材料的化学成分及质量百分比为C：2.1％；Cr：25％；Mo：16.5％；B：2％；Si：1.8％，余量为Fe。

采用单丝埋弧螺旋焊接方法进行堆焊，预热温度150℃，保温时间2h；焊接电流280-300A，电弧电压28-30V，焊接速度450mm/min；回火温度630℃,保温时间2-4h。

采用JP-8000超音速火焰喷涂设备进行喷涂，其主要喷涂工艺参数为：煤油流量：22.7L/h；氧气流量：52.5m³/h；载气流量：0.6m³/h；送粉速度：60g/min；喷涂距离：370mm；喷涂速度：1000mm/min；喷涂过程基体温度：80℃。

芯棒堆焊层及喷涂层性能测试结果如表1所示。

表1实施例1的芯棒堆焊层及喷涂层性能测试结果

实施例2

本实施例中焊丝的化学成分及质量百分比为C：0.2％；Mn：2.01％；Si：0.54％；Cr：12.53％；Mo：0.76％；V：0.3％；Co：1.95％；S：0.018％；P：0.018％，余量为Fe及不可避免的杂质。

堆焊所用焊剂的化学成分及质量百分比为CaO+MgO：38％；Al₂O₃+MnO：19％；SiO+TiO₂：21％；CaF₂+FeO：22％，焊剂粒度为12-60目。

所述喷涂材料的化学成分及质量百分比为C：2.1％；Cr：26％；Mo：17％；B：2.1％；Si：2.0％，余量为Fe。

采用单丝埋弧螺旋焊接方法进行堆焊，预热温度150℃，保温时间2h；焊接电流290-310A，电弧电压28-30V，焊接速度450mm/min；回火温度650℃,保温时间2-4h。

采用JP-8000超音速火焰喷涂设备进行喷涂，其主要喷涂工艺参数为：煤油流量：22.7L/h；氧气流量：53.7m³/h；载气流量：0.62m³/h；送粉速度：65g/min；喷涂距离：370mm；喷涂速度：1200mm/min；喷涂过程基体温度：80℃。

芯棒堆焊层及喷涂层性能测试结果如表2所示。

表2实施例2的芯棒堆焊层及喷涂层性能测试结果

实施例3

本实施例中焊丝的化学成分及质量百分比为C：0.26％；Mn：1.93％；Si：0.62％；Cr：12.98％；Mo：1.37％；V：0.45％；Co：2.53％；S：0.018％；P：0.018％，余量为Fe及不可避免的杂质。

堆焊所用焊剂的化学成分及质量百分比为CaO+MgO：38％；Al₂O₃+MnO：19％；SiO+TiO₂：21％；CaF₂+FeO：22％，焊剂粒度为12-60目。

所述喷涂材料的化学成分及质量百分比为C：2.5％；Cr：27％；Mo：18％；B：2.2％；Si:2.2％，余量为Fe。

采用单丝埋弧螺旋焊接方法进行堆焊，预热温度150℃，保温时间2h；焊接电流300-320A，电弧电压29-31V，焊接速度550mm/min；回火温度650℃,保温时间2-4h。

采用JP-8000超音速火焰喷涂设备进行喷涂，其主要喷涂工艺参数为：煤油流量：22.7L/h；氧气流量：55.6m³/h；载气流量：0.6m³/h；送粉速度：70g/min；喷涂距离：380mm；喷涂速度：1200mm/min；喷涂过程基体温度：80℃。

芯棒堆焊层及喷涂层性能测试结果如表3所示。

表3实施例3的芯棒堆焊层及喷涂层性能测试结果

附相关验证图以参考，如图1-图9。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。