基于RZ-11焊丝大型支承辊埋弧堆焊层强韧性研究的学习体会

文献概况与再制造需求

本文发表于《金属制品》2026年第52卷第4期，由高性能轧辊材料与复合成形全国重点实验室刘士彬团队联合中钢集团邢台机械轧辊有限公司、河北工业大学、燕山大学等多家单位完成。研究受河北省中央引导地方科技发展资金、河北省高等学校科学研究项目、邢台市科技计划等多项基金资助。

大型锻钢支承辊是热轧板带生产线的核心工作辊系部件，承受巨大的轧制力与热负荷。当辊面出现疲劳剥落、辊颈磨损等损伤时，通过堆焊修复实现再制造是经济且环保的选择。RZ-11型高合金药芯焊丝是自主设计的专用堆焊材料，本文系统研究了其在埋弧堆焊（SAW）工艺下对支承辊堆焊层组织与性能的影响。

堆焊层组织与性能特征

微观组织分析

RZ-11焊丝埋弧堆焊层的主要组织特征如下：

• 板条马氏体（主导组织）：高碳合金钢在快速冷却条件下的典型组织，具有高强度但韧性较低的特征。
• 板条间残余奥氏体：在板条马氏体束间以薄膜状或岛状分布，对韧性有一定贡献。

这种"板条马氏体+残余奥氏体"的组织组合，是高强度低合金钢焊接堆焊层的典型特征，其性能表现取决于马氏体的碳含量、板条间距、残余奥氏体体积分数与分布状态。

力学性能数据

强韧性矛盾分析与FMEA视角

高强度来源

1260 MPa的抗拉强度主要源于以下强化机制的协同作用：

1. 固溶强化：高碳马氏体中碳原子的固溶强化效应。
2. 析出强化：碳化物形成元素（Cr、Mo、V等）形成的细小碳化物颗粒。
3. 位错强化：板条马氏体中高密度位错对位错运动的阻碍。
4. 晶界强化：板条束边界对裂纹扩展的阻碍。

低韧性归因

室温冲击功仅3.0~5.0 J，属于典型的脆性断裂水平，其根本原因包括：

• 高碳马氏体的固有脆性：碳含量越高，马氏体转变温度（Ms）越低，形成的马氏体脆性越大。
• 焊接残余应力：埋弧堆焊的高热输入导致较大的焊接残余拉应力，与材料固有脆性叠加，促进脆性断裂。
• 断口形貌证据：准解理断裂为主，说明裂纹沿解理面扩展，韧窝少且浅小，表明塑性变形能力极差。

基于FMEA的失效模式分析

工艺优化方向与工程建议

成分微调策略

针对"高强度低韧性"的矛盾，建议从以下方向进行焊丝成分优化：

1. 降低碳当量：适当减少C含量或降低CEV（碳当量值），提高马氏体转变温度，促进贝氏体或铁素体组织的形成，改善韧性。
2. 引入韧性改善元素：适量添加Ni（提高Ms温度、促进铁素体形成）、Mo（细化晶粒、提高再硬化能力）。
3. 控制碳化物形态：通过Nb、Ti等微合金元素的加入，控制碳化物尺寸与分布，避免大尺寸脆性碳化物的形成。

工艺优化策略

1. 多层多道堆焊：利用后续焊道对前序焊道的回火效应，降低残余应力、改善组织韧性。
2. 堆焊后热处理：采用620~680℃的调质处理，使马氏体转变为回火索氏体，在保持较高强度的同时显著改善韧性。
3. 控制层间温度：埋弧堆焊的层间温度控制在200~300℃范围内，避免过高温度导致晶粒粗化。

与工程实践的结合

在钢管与管件制造领域，类似的"高强度低韧性"问题同样存在于高合金耐磨堆焊层中。例如，在耐磨管道内衬堆焊、阀门密封面堆焊等应用中，我们常遇到堆焊层硬度达标但服役中出现脆性剥落的案例。RZ-11焊丝的研究结果为我们提供了重要的警示：单纯追求硬度指标而忽视韧性，可能导致堆焊层在实际工况下的早期失效。

从PDCA循环的角度来看，本文完成了"Plan-Do"阶段（材料设计-试验验证），下一步的"Check-Act"阶段应聚焦于：现场服役验证（不同工况下的实际磨损与断裂行为）、成分工艺的系统优化（多因素正交试验）、以及寿命预测模型的建立。

学习心得与启示

本文的最大价值在于揭示了RZ-11焊丝埋弧堆焊层"强而不韧"的本质矛盾，并给出了明确的归因分析。从工程实践角度，这提醒我们在堆焊材料选型时，不能仅关注硬度与强度指标，必须将韧性（尤其是冲击功、断裂韧性）作为同等重要的评价维度。

对于从事轧辊再制造或耐磨堆焊的同行，建议在实际应用中建立"硬度-韧性"双指标评价体系，并在堆焊后热处理工艺中投入更多关注。未来的研究方向应聚焦于：开发兼具高硬度与良好韧性的堆焊合金体系、建立堆焊层服役寿命预测模型、以及探索激光熔覆等新型工艺在解决强韧性矛盾方面的潜力。