轧钢机传动扁头再制造过程改进

学术论文 2017-11-14 11:11:36
    轧钢机是用来轧制金属的机械设备,在各大钢厂中应用极其广泛。联接轴作为轧钢机主传动装置的重要组成部分,起着传递运动和力矩的作用。联接轴的端部——传动扁头在工作中与叉头配合,承受摩擦力、冲击载荷等。因此在设计时要求传动扁头在满足整体强度和韧性要求的同时,还要具有较高的表面硬度、强度与耐磨性。但在实际生产中,经过一段使用周期后,传动扁头工作面磨损量较大,导致其尺寸及性能无法满足工作需要。为节约制造成本,缩减制造周期,利用基于先进表面工程技术的绿色再制造技术[1](如堆焊、电刷镀、激光熔覆等)对其进行修复具有重要意义。
    1 传动扁头性能及再制造时存在的问题
    考虑传动扁头的工况,在设计时其材质选择42CrMo中碳合金钢(化学成分见表1),其具有良好的淬透性,较高的强度和韧性,经调质及表面淬火处理后可获得较好的综合机械性能。本文中传动扁头表面硬度高达HRC54~56,淬硬层深度为2mm。
    根据相关资料当钢中的碳当量小于等于0.4%时具有良好的焊接性;当钢中的碳当量处于0.4%~0.6%之间时,其焊接性逐渐变差;而当钢中的碳当量超过0.6%时,就属于难焊材料,在焊接过程中易出现焊接裂纹[2]。
    可求得42CrMo中碳合金钢的碳当量为0.78%,远远超过0.6%,另外由于传动扁头表面经过淬火处理后形成大量马氏体组织,如果直接在淬硬组织上补焊,会因为在焊接过程中淬硬倾向大,形成大量裂纹,特别是在焊道的起止位置。
    在焊接过程中层间温度过低容易由于焊接熔池冷却速度快形成淬硬组织和裂纹,同时不利于扩散氢的逸出;而层间温度过高虽然会降低焊缝形成裂纹的倾向,但会造成焊缝组织粗大,影响力学性能,因此在传动扁头补焊过程中要严格控制层间温度。
    2 再制造工艺优化及效果检验
    2.1 再制造工艺优化
    通过分析传动扁头再制造过程中存在的问题,结合相关理论知识及实践经验,对其再制造工艺进行优化:(1)轧钢机传动扁头在经过一段时间使用后表面虽有磨损,但是仍然存在淬硬层,在其再制造过程中会对焊接过程产生影响,导致裂纹的出现。因此,在补焊前首先去除该淬硬层,但考虑到淬硬层硬度较高,会对机械加工造成一定难度,故先用火焰加热的方式对其进行局部退火处理,以软化工件,降低表面硬度,同时减少对其心部组织和性能的影响。然后以机械加工的方式去除表面淬硬层,为保证其完全去除,本文中去除工件表面4mm以内的材料(见图1)。(2)对工件进行磁粉探伤,确保其表面无裂纹、夹杂、气孔等缺陷,清理工件表面油污、锈蚀、水渍和毛刺等。(3)焊材选用山东德运焊业有限公司生产的DY-YD420(Q)马氏体型堆焊药芯焊丝,规格Φ1.6mm(见表2)。(4)为避免在焊道起止处产生裂纹、气孔等缺陷,在工件焊接区域边缘加设引弧板和息弧板。(5)焊接之前使用履带加热片对工件进行预热,根据预热温度计算公式:T=Ceq×360。式中:Ceq-母材碳当量。可以求得传动扁头的预热温度为280.8℃,本文选择预热温度为285~300℃,并在焊接过程中持续加热。(6)为防止焊接过程中热输入量过大,焊接时采用小电流快速焊接的方式施焊,直流反接,保护气体为80%Ar+20%CO2,焊接参数如表3所示。(7)堆焊时,为了减小焊接应力和熔合比,避免在后续焊接过程中产生裂纹,首先在传动扁头的补焊区域焊接薄薄一层堆焊材料作为过度层。(8)焊接过程中,为了释放焊接时产生的应力,规定全部焊道沿相同方向施焊。(9)在焊接过程中严格控制热输入量及层间温度(285~300℃),以减小热影响区,同时改善堆焊层组织及硬度的均匀程度。(10)传动扁头补焊完成之后立即放入热处理炉中进行去应力退火,以免引起裂纹的产生,去应力退火工艺如图2所示。同时该退火处理也有益于扩散氢的溢出,避免氢致裂纹的出现。(11)传动扁头热处理去除焊接应力之后,利用碳弧气刨清除引弧板和息弧板,为避免伤及母材,清除时保留少许部分,在后续机械加工时去除。(12)利用机械加工方式,按图纸要求的传动扁头进行加工。
    2.2 效果检验
    本文通过优化再制造工艺,利用堆焊技术对材质为42CrMo的轧钢机传动扁头磨损面进行了修复,现对其效果进行检验如下:(1)对去应力退火之后的工件进行PT探伤未发现气孔、夹渣、裂纹等缺陷产生。(2)对机加工之后的工件进行MT探伤未发现气孔、夹渣、裂纹等缺陷产生。(3)利用里氏硬度计(型号:TH121)测量机加工后补焊表面的硬度,测量结果表明其表面硬度为52~54HRC,虽略低于设计要求的表面硬度,但在后续的实际使用中证明该硬度差并未产生显著地影响。
    3 结论
    (1)通过优化轧钢机传动扁头再制造工艺,消除了表层淬硬组织对焊接过程的影响,避免了焊接裂纹的产生。(2)通过实践证明为获得组织及性能均匀的堆焊层,焊前预熱、控制层间温度及热输入量、焊后热处理是工艺中的关键。(3)本文通过实践得出的该制造工艺可作为参考应用于其他类似工件的再制造工程中,节约生产成本。
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