我公司電站鍋爐用大直徑厚壁無縫鋼管生產(chǎn)線年產(chǎn)成品鋼管2萬噸。該生產(chǎn)線的一個重要工序是，將：鋼管坯加熱至鍛造溫度后，用20MN臥式液壓機通過芯軸和減徑環(huán)進行壓制，迫使高溫管坯產(chǎn)生熱塑性變形并沿鋼管軸向拉伸。可見，減徑環(huán)是大直徑厚壁無縫鋼管生產(chǎn)線上的重要模具，其內(nèi)孔高溫耐磨性和尺寸穩(wěn)定性對毛坯鋼管的整體尺寸有重要影響。
我們生產(chǎn)線上的減徑環(huán)一直是由45 #鋼鍛造原料制成的。其高溫耐磨性差，使用壽命只有60 -70倍。這種缺陷不僅增加了模具的成本，而且由于45 #鋼減徑環(huán)內(nèi)孔工作面的嚴重磨損，增加了大直徑厚壁無縫鋼管的抗變形能力。高附加值的合金鋼管的抗變形能力將超過壓力機的額定壓力。因此，開發(fā)耐高溫、耐磨、工藝簡單的減徑環(huán)成為我公司亟待解決的技術(shù)問題。
在歐洲，與我公司類似的鋼管生產(chǎn)線普遍采用鑲嵌硬質(zhì)合金套管的方法來提高減徑環(huán)的耐磨性和使用壽命，但是硬質(zhì)合金套管的制造工藝復雜且昂貴，這種方法不適合我公司的生產(chǎn)線。
2.減徑環(huán)的運行狀況和故障模式
我公司鋼管生產(chǎn)線上有兩種規(guī)格的減徑環(huán)鋼管：外徑1 350毫米、內(nèi)徑395毫米-795毫米、外徑1750毫米和內(nèi)徑600毫米-1320毫米。圖1是無縫鋼管生產(chǎn)的基本示意圖。
減徑環(huán)厚度為300毫米，材質(zhì)為45 #鋼鍛件。它在正常狀態(tài)下使用，硬度為160-220HBS。根據(jù)成品鋼管外徑尺寸的不同，減徑環(huán)的內(nèi)孔規(guī)格分別為395毫米。高達1320毫米的生產(chǎn)線通常需要200多種規(guī)格的減徑環(huán)一起使用。每種規(guī)格的減徑環(huán)孔的有效厚度為5毫米。為了便于互換，減徑環(huán)的兩側(cè)都加工成對稱的錐面，以便使用。示出了典型的減徑環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2。
當鋼管坯通過減徑環(huán)，時，由于高溫鋼管坯的輻射、對流和熱接觸傳導，減徑環(huán)內(nèi)孔工作面的溫度將迅速升高到700以上的高溫。在受迫熱塑性變形條件下，紅熱鋼管外表面存在高的金屬間研磨抓持，特別是大直徑厚壁無縫鋼管外表面附著的高硬度Fe3O4鐵皮，與減徑環(huán)內(nèi)孔一起碎裂磨損，同時減徑環(huán)內(nèi)孔錐面也因冷熱疲勞產(chǎn)生嚴重裂紋。當裂紋發(fā)展到一定程度時，會導致減徑環(huán)疲勞斷裂。
3.堆焊合金研究
基于對上述操作條件的分析，不銹鋼焊管廠家減徑環(huán)內(nèi)孔強化的傳統(tǒng)思路是優(yōu)先選用紅硬性好的熱作模具鋼。典型的鋼類型包括3Cr2W8V和4Cr5MoV(即H13)。然而，熱作模具鋼屬于馬氏體型鋼，在淬火和回火后通過二次沉淀硬化進行強化，回火溫度一般為500-650。一旦使用溫度超過上述溫度，達到700-900以上，硬度和耐磨性將大大降低。
為此，經(jīng)過大量實驗研究，成功研制出了高錳沉淀強化奧氏的鉻錳鉬系堆焊合金。加入足夠的錳以保證在堆焊合金，形成穩(wěn)定的奧氏體，碳是擴展奧氏體區(qū)域的元素，也可以降低錳含量，從而降低冷硬度
兩種堆焊焊條的堆焊金屬成分見表1，其中D437為3Cr2W8V系列熱作模具鋼堆焊焊條，D750為奧氏鉻錳合金堆焊焊條。測試板的尺寸為200毫米150毫米40毫米，基底金屬為正火45鋼。堆焊電源采用DC反極性。
對樣品進行處理和線切割，以制備熱處理、化學成分和金相組織分析樣品。
試驗結(jié)果表明， D437 堆焊合金在室溫下硬度較高。304不銹鋼焊管經(jīng)560x6h彌散回火處理后，硬度高達58HRC。金相的組織是索氏體碳化物，而堆焊合金含有更多的鉬、鎢、釩等合金元素，可以提高紅硬性。它在600甚至650具有優(yōu)異的耐熱性和耐磨性。
雖然D750 堆焊合金的常溫硬度遠低于D437 堆焊合金，后者僅為32-30 HRC，但由于墻體采用高錳奧氏鋼結(jié)構(gòu)，高溫硬度降小，具有加工硬化效果。含鉻10%以上，更多的第二相金屬間化合物分散沉淀在奧氏，墓體上，更適合700-900以上的減徑環(huán)使用。
4 減徑環(huán)復合材料堆焊制造工藝
使用45 #鋼作為基材，工作面手工覆蓋具有優(yōu)異高溫耐磨性的電極。試驗減徑環(huán)的外徑為1，750毫米，壁厚為300毫米，內(nèi)孔預加工至639毫米，即單面為8毫米的硬質(zhì)堆焊層。減徑環(huán)內(nèi)孔兩側(cè)的錐面工作長度分別為150毫米，深度為8毫米的凹面尖端也經(jīng)過堆焊處理。由于減徑環(huán)的厚度為300毫米，為了避免堆焊過程中熱影響區(qū)45鋼基體的硬化和使用中金屬剝落的危險，在堆焊前使用A132焊條(4.0毫米)，而不預熱過渡層。