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1前言

    我公司電站鍋爐用大口徑厚壁無縫鋼管生產(chǎn)線年產(chǎn)成品鋼管為2萬噸。該生產(chǎn)線上的一個重要的工序是:將鋼管坯加熱到鍛造溫度后，利用20MN臥式水壓機通過芯棒和減徑環(huán)擠壓，強制高溫管坯沿鋼管軸向產(chǎn)生熱塑性變形并拔長.可見減徑環(huán)是大口徑厚壁無縫鋼管生產(chǎn)線上的一種重要的模具，其內(nèi)孔高溫耐磨性及尺寸穩(wěn)定性對毛坯鋼管外形尺寸有著重要影響。

    我公司生產(chǎn)線上的減徑環(huán)一直沿用45號鋼鍛坯制作，其高溫耐磨性差，使用壽命僅為60 -70次，這個缺陷不僅增加了模具成本.更主要的是由于45號鋼減徑環(huán)內(nèi)孔工作面磨損嚴重，加大了大口徑厚壁無縫鋼管拔伸的變形抗力，拔伸高附加值的合金鋼管變形抗力會超過壓機的額定壓力，因此研制高溫耐磨、工藝簡便的減徑環(huán)成為我公司急待解決的技術(shù)難題。

    在歐洲.類似我公司的鋼管生產(chǎn)線，已普遍采用鑲嵌硬質(zhì)合金套的方式來提高減徑環(huán)的耐磨性和使用壽命。但硬質(zhì)合金套制造工藝復(fù)雜，價格昂貴，且該方式不適宜我公司的生產(chǎn)線。

2減徑環(huán)使用工況、失效形態(tài)

    我公司鋼管生產(chǎn)線上減徑環(huán)規(guī)格有外徑1 350 mm、內(nèi)徑395 mm-795 mm及外徑1 750mm、內(nèi)徑600mm-1320mm兩種規(guī)格。圖1為無縫鋼管生產(chǎn)的基本示意圖。

    減徑環(huán)厚度300mm，材質(zhì)為45號鋼鍛件，正火狀態(tài)使用，硬度為160 - 220HBS。按鋼管成品外徑尺寸的不同.減徑環(huán)內(nèi)孔規(guī)格分別從395mm。到1 320 mm，一條生產(chǎn)線上一般需要200多種規(guī)格的減徑環(huán)配套使用。每一種規(guī)格的減徑環(huán)內(nèi)孔有效使用厚度為5 mm。為了便于互換，減徑環(huán)兩側(cè)均加工成對稱錐面.以方便使用。典型的減徑環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    當鋼管坯穿過減徑環(huán)時，由于高溫鋼管坯的輻射、對流和熱接觸傳導(dǎo)作用.減徑環(huán)內(nèi)孔工作面的溫度會迅速提高到700℃以上高溫;在強制熱塑性變形的條件下，與紅熱鋼管外表面存在著高的金屬間磨拉磨握，特別是大口徑厚壁無縫鋼管外表面所枯附的高硬度Fe3O4鐵皮，與減徑環(huán)內(nèi)孔發(fā)生鑿削磨損，同時.還存在減徑環(huán)內(nèi)孔錐面因冷熱疲勞形成嚴重的龜裂，當龜裂發(fā)展到一定程度.將導(dǎo)致減徑環(huán)疲勞斷裂。

3堆焊合金研究

    基于上述使用工況條件分析.減徑環(huán)內(nèi)孔強化傳統(tǒng)的思路系采用紅硬性好的熱作模具鋼為優(yōu)先選擇，典型鋼種包括3Cr2W8V和4Cr5MoV(即H13)。但是，熱作模具鋼屬于馬氏體類型鋼種，系利用淬火后回火的二次析出硬化作用而強化，回火溫度一般為500-650℃。使用溫度一旦超過上述溫度.達到700-900℃以上，硬度及耐磨性就會有較大的下降。

    為此，經(jīng)過大量實驗研究，研制成功高Mn沉淀強化型奧氏體Cr-Mn-Mo系堆焊合金.通過添加足夠的Mn保證堆焊合金形成穩(wěn)定的奧氏體，而C即是擴大奧氏體區(qū)域的元家，又可降低Mn含量.以減少堆焊層冷作硬化作用。堆焊合金中較多的Cr,W,Mo,v,Nb等碳化物形成元素，則起到第二相強化作用。同時加人稀土;以改善碳化物形態(tài)和純凈晶界。

    同時研制了3Cr2W8V系熱作模具鋼堆焊合金。在擬訂的堆焊工藝和熱處理制度保證下，進行兩種堆燁減徑環(huán)的對比試驗和生產(chǎn)考核。

    兩種堆焊焊條的熔傲金屬成分示于表1，其中D437為3Cr2W8V系列熱作模具鋼堆焊焊條，D750為奧氏體型Cr-Mn-M。系堆焊焊條。試板尺寸200 mm x 150 mm x 40 mm，母材選用經(jīng)正火的45鋼。堆焊電源采用直流反極性。

    試樣加工并線切割后制備成熱處理和化學(xué)成分、金相組織分析樣。

    試驗結(jié)果表明:D437堆焊合金常溫硬度高，經(jīng)過560℃x6h彌散回火處理后.硬度高達58HRC，金相組織為索氏體+碳化物，且堆焊合金中含有較多能提高紅硬性的Mo,W,V等合金元家，在600℃乃至650℃均具有優(yōu)異的耐熱耐磨性。

    D750堆焊合金雖然常溫硬度遠比D437堆焊合金低，僅為32 - 30 HRC，但由于璧體組織為高Mn奧氏體鋼，高溫硬度降落小，并具有加工硬化作用。10%以上高的Cr含且，加上奧氏體墓體上彌散析出較多的第二相金屬間化合物，更適應(yīng)700-900℃以上溫度范圍工況服役的減徑環(huán)。

4減徑環(huán)復(fù)合堆焊制造工藝

    以45號鋼為基體材料，工作面用高溫耐磨性優(yōu)異的焊條手工堆焊。試驗用減徑環(huán)的外徑為1 750 mm,壁厚300 mm，內(nèi)孔預(yù)加工至639mm，即單邊8 mm的硬面堆焊層。減徑環(huán)內(nèi)孔兩側(cè)錐面各150 mm工作長度段亦加工成8 mm深的凹梢用于堆焊。由于減徑環(huán)厚300mm.為避免堆焊時熱影響區(qū)45鋼基體的淬火硬化，使用中出現(xiàn)堆焊金屬剝落的危險，堆焊前均用A132焊條(4.0 mm)無須預(yù)熱堆焊一層過渡層。

    采取D347焊條堆焊的工藝要點是:減徑環(huán)整體預(yù)熱350℃。由于減徑環(huán)表面積大，散熱快，除采取相應(yīng)的保溫措施外，還采取周向分區(qū)段，每段堆焊層厚(不含加工余量)一步到位的工藝措施。保證堆焊時的層間溫度不低于300℃。堆焊完畢，減徑環(huán)及時進行560℃x 8 h的整體回火處理。最后，減徑環(huán)整體加工到所規(guī)定的尺寸。

    采用D750焊條堆焊的工藝則大大簡化，無須焊前預(yù)熱和焊后熱處理。

5生產(chǎn)考核結(jié)果及經(jīng)濟效益

   兩種堆焊合金復(fù)合制適的減徑環(huán)自2004年6月上機考核。結(jié)果表明:較之傳統(tǒng)的45鋼減徑環(huán)，用D347馬氏體鋼堆焊的減徑環(huán)和D750奧氏體鋼堆焊的減徑環(huán)，均顯示出優(yōu)異的耐熱耐蝕和抗冷熱疲勞性。耐磨性亦比原45鋼減徑環(huán)有大的提高。其中，前者提高使用壽命5倍多，而D750堆焊的減徑環(huán).使用壽命更是提高了7倍多，效果十分明顯。

    由于D347馬氏體堆焊合金堆焊工藝復(fù)雜、要求嚴格，而且常溫硬度高，加工很困難，大大提高了減徑環(huán)的制造成本，故本研究最終選擇D750沉淀硬化奧氏體堆焊合金復(fù)合制造減徑環(huán)，并正式投入批量生產(chǎn)。