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轴承知识

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滚动轴承快速拆卸的关键问题―― 滚动轴承钢与碳钢的焊接性能探讨

2021-06-08

白海峰

(万国纸业太阳白卡纸有限公司,山东济宁 272000)

在造纸设备计划维修或事故抢修中,都要求快速高效。而造纸机的结构特点,其轴承都是易装难拆。维修经验提示,拆卸时只有在轴承端面焊上螺纹拉杆,才最为方便拆卸。所以本文就探讨轴承钢与碳钢的焊接问题。

白海峰 先生 高级技师、高级安全评师,公司维修部经理;长期从事造纸机械设备的维修维护管理工作。

在车间维修时,经常会遇到由于在机轴承已损坏,需要把轴承从座孔中拉出,然后才能装入新轴承的问题。这时就需要在轴承端面焊接外端带螺纹的拉杆,以便用液压顶拉出。螺纹拉杆的材料通常是45#钢,其焊接性尚可以,但滚动轴承的材料通常是淬硬的高碳铬钢GCr15或GCr15SiMn,其焊接性是极差的。车间曾试用J422焊条手弧焊,结果往往是从轴承侧的热影响区开裂失败。所以应车间要求,下面对这两种材料的焊接问题予以探讨。

1 焊接方法与焊接材料的选择

由于车间现场抢修条件,焊接方法要简单易行,快速省时。选用焊条手弧焊最贴合实际,平时工人用得最多、最为熟练,其他焊接方法都显得麻烦些。所以焊接材料应首选焊条。

对于高碳铬轴承钢,若填充材料代号是“J”的结构钢类焊条,其焊缝组织主要是脆硬的马氏体+碳铬化合物。在轴承钢侧的热影响区,因碳、铬含量比焊缝区高,这些脆硬的马氏体+碳铬化合物的含量也更高些。另外,轴承钢GCr15还具有低温回火脆性。所以,在轴承侧的热影响区受力开裂也就不足为奇了。

对于高碳铬轴承钢,认为应当选用奥氏体型填充材料,以降低焊缝的冷裂倾向。奥氏体组织的生成元素镍向轴承钢侧扩散,可降低热影响区脆硬倾向。但又不能用高含镍的镍基合金,因为其热裂倾向较大。例如,在GB/T13814-1992《镍及镍基合金焊条》中,ENiCrFe-3型焊条(牌号Ni307B)是含锰量最高的,其抗热裂能力也可说是在镍合金焊条家族中最好的一种,经计算焊缝熔敷金属被母材稀释后的热裂指数HCI=20,这已远大于了临界值15,焊接工艺无论再怎样调整都是无济于事。而且还得寻找直流焊机,必须直流反接。再说镍基合金的合金化程度在90%以上,价格太高,所以镍基合金焊条必须放弃。另外,若把拉杆的材料改成像Q235这种常用的焊接材料,因普通低碳钢中含杂质较多,尤其是促进奥氏体组织热裂的硫、磷、硅等元素熔入焊缝,将更是加剧了热裂倾向,所以拉杆改成普通低碳钢的方案是必须排除在外的。

那么低镍含量的奥氏体不锈钢焊条怎么样呢?奥氏体不锈钢焊条熔敷金属的铬含量都在18%以上,轴承钢的铬含量在1.5%,那么焊缝中的铬必然要向轴承钢侧扩散,这会不会使轴承钢侧热影响区更容易脆裂呢?据研究,当含铬量在6%以下时,生成的碳铬化合物主要是Cr3C和Cr7C3这类低铬含量的化合物,这些脆性化合物都是沿晶界连续成带、成膜状析出,导致材料变脆和再热开裂。当含铬量在12%以上时,生成的碳铬化合物主要是Cr23C6这类高铬含量的化合物,它们在晶界呈球形颗粒状,并不连续,所以才有韧性良好的Cr13型不锈钢和18-8型不锈钢。另外,奥氏体不锈钢焊条熔敷金属的含碳量比母材低得多,轴承钢侧较多的碳会向焊缝扩散,从而会降低母材含碳量,这样轴承钢侧的热影响区碳/铬比例更加扩大,也就更加促进生成Cr23C6这类高铬化合物。这很有利于降脆增韧。

不锈钢焊条的型号有很多,是不是任选一个就行呢?当然不行。这一点可以从改进的舍夫勒组织图(图1)上找到答案。因为用奥氏体不锈钢焊条获得焊缝都是纯奥氏体组织,仍然具有很大的热裂倾向,即使用抗热裂性最好的A172焊条也不例外,经计算其焊缝的热裂指数HCl=30~21。在不锈钢焊接中,通常是使焊缝在凝固过程中先析出δ铁素体,然后再析出奥氏体,这种混合组织才不会热裂。若要如此,那么就得提高焊缝的铬当量,也就是得选用双相不锈钢焊条。现行标准中的双相不锈钢焊条有E2209、E2553、E312这3个型号,其铬当量依次递增。

对于E2209焊条,当采用大参数焊接时,仍然具有热裂倾向,尤其是在轴承钢一侧的焊缝处,是该焊缝的最危险点,此型号也得排除。对于E2553焊条,其熔敷金属的抗拉强度和塑性指标与45#钢不匹配,也得排除。对于E312(牌号A1002)焊条,认为较为适合。在舍夫勒组织图上可看出,焊缝具有4%~20%左右的δ铁素体,此值基本符合最佳范围,具有良好的抗热裂能力。因为此焊条熔敷金属的合金化程度为43%,价格比奥氏体不锈钢焊条稍微贵点。

E312焊条平均含铬量30%、含镍量10%,焊缝处的含铬量约24%,轴承钢平均含铬量才1.5%,巨大的浓度差足以使焊缝中的铬向热影响区扩散

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