基于RZ-11焊丝的大型支承辊埋弧堆焊层强韧性匹配研究

文献概况与研究背景

本文发表于《金属制品》2026年第52卷第4期，由中钢集团邢台机械轧辊有限公司等机构完成，受多项河北省科技项目资助。研究针对大型锻钢支承辊的高性能再制造需求，采用自主设计的RZ-11型高合金药芯焊丝进行埋弧堆焊（SAW），系统分析了堆焊层的微观组织、硬度分布、拉伸与冲击性能及断口形貌。核心发现包括：堆焊层组织以板条马氏体及板条间残余奥氏体为主；面层硬度50-55 HRC，抗拉强度最高1260 MPa；但室温冲击功仅3.0-5.0 J，断口呈准解理断裂为主、伴有少量浅小韧窝的混合形貌。

微观组织与强韧性匹配分析

板条马氏体组织的特征

堆焊层组织主要由板条马氏体及板条间分布的残余奥氏体构成。板条马氏体是低碳至中碳马氏体不锈钢和高合金钢中常见的组织形态，其特征是板条束之间含有大量位错和残余奥氏体，相比片状马氏体具有更好的塑性和韧性。然而，文献报告的冲击功仅3.0-5.0 J，远低于一般工程钢的要求（通常≥27 J），说明板条马氏体的韧性优势在RZ-11焊丝堆焊层中并未充分体现。

造成这一矛盾的原因在于：RZ-11焊丝属于高合金药芯焊丝，其高碳含量（估计在0.6%-1.0%范围）和高合金元素含量（Cr、Mo、V等）促进了高碳马氏体的形成。高碳马氏体虽然硬度高、强度高，但固有脆性大，位错运动困难，裂纹扩展阻力低。板条马氏体中的残余奥氏体虽然理论上可以吸收变形能、提高韧性，但在高碳高合金条件下，残余奥氏体的稳定性可能不足，在变形过程中部分转变为高碳马氏体，反而降低了韧性。

硬度与强度的关系

面层硬度50-55 HRC，抗拉强度最高1260 MPa。从硬度-强度换算关系来看，1260 MPa对应的硬度约为52-55 HRC，与实测值吻合。这一强度水平在堆焊层中属于较高水平，满足了支承辊对高承载能力的要求。然而，高碳马氏体及碳化物形成元素的共同作用虽然提供了高强度，但也牺牲了韧性。

断口形貌的微观机制

断口呈现以准解理断裂为主、伴有少量浅小韧窝的混合形貌。准解理断裂是脆性断裂的一种形式，其特征是解理面附近出现微裂纹和二次裂纹，断口相对平坦但略有起伏。浅小韧窝表明局部区域存在一定的塑性变形能力，但变形量极小。这种混合断口形貌说明堆焊层整体呈脆性断裂特征，局部区域存在微弱的塑性变形能力。

从断裂力学角度分析，准解理断裂的裂纹扩展阻力（J积分或CTOD）远低于韧窝断裂。在支承辊服役过程中，如果堆焊层承受冲击载荷或存在应力集中（如辊面缺陷、加工刀痕等），准解理裂纹可能迅速扩展，导致堆焊层剥落或辊套断裂，造成严重的生产事故。

焊接残余应力与工艺优化方向

残余应力的影响

文献明确指出低韧性归因于高碳马氏体的固有脆性及焊接残余应力。埋弧堆焊过程中，由于熔池的快速冷却和堆焊层与母材之间的热膨胀系数差异，在堆焊层中产生显著的拉应力（通常达200-400 MPa）。这种残余拉应力与高碳马氏体的固有脆性叠加，进一步降低了堆焊层的断裂韧性。

在实际应用中，焊接残余应力可通过以下途径缓解：第一，堆焊后整体退火处理（通常600-700°C，保温2-4小时），消除大部分残余应力；第二，采用锤击法或振动时效处理，通过塑性变形松弛残余应力；第三，优化焊接工艺参数（如降低焊接热输入、采用多层多道焊），减少热影响区的残余应力。

成分微调与工艺优化建议

文献为后续研究提供了明确的优化方向：通过成分微调和工艺优化提高堆焊层综合服役性能。具体建议包括：

1. 降低碳含量：将碳含量从当前水平降低0.1%-0.2%，虽然会牺牲部分强度，但可显著提高韧性。马氏体钢的韧性对碳含量极为敏感，碳含量每降低0.1%，冲击功可提高约10-20 J。
2. 增加残余奥氏体稳定性：通过提高Ni、Mn等奥氏体稳定化元素的含量，或降低Cr、Mo等铁素体稳定化元素的含量，增加残余奥氏体的稳定性，使其在服役过程中保持奥氏体形态，发挥增韧作用。
3. 引入贝氏体组织：通过调整冷却速率或采用等温淬火工艺，在堆焊层中引入下贝氏体组织。下贝氏体兼具马氏体的强度和铁素体的韧性，是强韧性匹配的理想组织。
4. 优化焊接工艺：采用CMT或激光熔覆等低热输入工艺替代传统埋弧堆焊，降低热影响区的软化程度和残余应力。

学习心得与工程反思

本文最深刻的启示在于揭示了"高强度"与"高韧性"之间的固有矛盾。在堆焊材料设计中，追求高强度往往意味着采用高碳高合金成分，而这必然牺牲韧性。RZ-11焊丝堆焊层的案例清楚地展示了这一矛盾：1260 MPa的抗拉强度令人印象深刻，但3.0-5.0 J的冲击功令人担忧。在工程实践中，这种强韧性严重不匹配的堆焊层在承受冲击载荷或存在应力集中时，极易发生脆性断裂，造成灾难性后果。

从FMEA的角度来看，RZ-11堆焊层的失效模式可能是"堆焊层脆性断裂"，其失效原因是"高碳马氏体固有脆性+焊接残余应力"，其失效影响是"辊套断裂、生产线停机、安全事故"。这一失效模式的严重度（S）极高（可能达到9-10分），发生度（O）中等（取决于工况条件），可检测度（D）较低（裂纹萌生初期难以检测），因此风险优先数（RPN）很高，必须采取预防措施。

对于大型支承辊的再制造，我建议采用以下策略：第一，在堆焊材料选择上，优先考虑强韧性匹配的材料（如Cr-Mo-B钢或低合金高韧性钢），而非一味追求高硬度；第二，在堆焊工艺上，采用低热输入工艺（如CMT、激光熔覆）并配合焊后热处理，降低残余应力；第三，在质量控制上，除了常规力学性能测试，还应增加断裂韧性测试（KIC或J积分）和残余应力测量，全面评估堆焊层的服役安全性。

总体而言，本文为大型支承辊堆焊修复提供了重要的性能数据和问题诊断，对从事轧辊再制造和焊接修复的技术人员具有直接的参考价值。在实际应用中，应充分认识到强韧性匹配的重要性，避免片面追求高强度而忽视韧性，确保堆焊层在全寿命周期内的可靠性和安全性。