挤压辊硬质面堆焊焊条的研制与应用学习体会

文献概况与研究定位

本文发表于1997年《焊接》期刊第5期，由郑州机械研究所黄智泉等四位学者共同完成。该研究针对轧钢生产中挤压辊表面硬质化的工程需求，研制了ZD3型耐磨堆焊焊条，并对其工艺性能、堆焊层组织、硬度、耐磨性、化学成分、抗裂性及现场应用进行了系统研究。挤压辊作为轧钢生产线中的关键部件，其表面硬度直接关系到轧制效率和辊面使用寿命，该研究的工程针对性非常明确。

挤压辊工况分析与堆焊需求

挤压辊在轧制过程中承受着复杂的载荷条件，其表面损伤模式主要包括：

挤压辊的堆焊修复需要解决的核心矛盾是：高硬度与抗裂性之间的平衡。硬度越高，堆焊层越脆，裂纹敏感性越大；而抗裂性要求则需要堆焊层具有适当的塑性和韧性。ZD3焊条的设计思路正是在这一矛盾中寻找最佳平衡点。

ZD3焊条的冶金设计思路

化学成分设计

耐磨堆焊焊条的合金化设计通常遵循以下原则：通过高碳含量形成大量碳化物以获得高硬度，同时通过合金元素的合理搭配改善碳化物的形态和分布。ZD3焊条作为耐磨堆焊焊条，其熔敷金属可能含有较高比例的碳（C）和合金元素如铬（Cr）、钼（Mo）、钒（V）等，这些元素形成硬质碳化物相（如Cr₇C₃、Mo₂C、VC等），嵌入较软的铁素体或马氏体基体中，构成经典的"硬相+软基体"耐磨组织。

抗裂性设计

耐磨堆焊层的抗裂性是工程应用中的关键问题。该文献特别提到了抗裂性研究，说明在设计阶段已将裂纹控制作为重要考量。常见的抗裂措施包括：

• 控制熔敷金属中的硫、磷含量，减少低熔点共晶相的偏聚；
• 采用低氢型药皮，减少焊接冷裂纹敏感性；
• 在药皮中添加适量的脱氧剂和合金化元素，改善熔池流动性；
• 通过合理的合金配比，使堆焊层凝固组织具有适当的塑性储备。

堆焊层性能评价

硬度与耐磨性的关系

堆焊层的硬度是耐磨性的基本指标，但两者并非简单的线性关系。对于挤压辊这类承受高接触应力的部件，耐磨性还取决于堆焊层的断裂韧性。过高的硬度（如超过HRC 65）往往伴随着韧性的急剧下降，在冲击载荷下容易产生大面积剥落，反而降低了使用寿命。

现场应用评价

文献提到该焊条在现场得到应用。在实际生产环境中，堆焊修复的效果评价通常包括：辊面使用寿命的延长倍数、修复频率的降低幅度、以及堆焊层是否出现早期失效（如剥落、开裂）。从工程实践角度，一个成功的耐磨堆焊焊条，其现场使用寿命应至少达到原辊面寿命的1.5~2倍以上，才能体现出经济价值。

工艺性能与焊接参数

焊条的工艺性能直接影响其在生产中的可操作性。对于ZD3这类耐磨堆焊焊条，工艺性能关注点包括：

耐磨堆焊焊条由于含有大量合金元素，通常电弧特性较软，飞溅相对较大。在实际操作中，建议采用直流反接（DCEN），以获得较深的熔深和较好的熔敷效率。

技术反思与工程建议

从现代视角审视该研究，有几点值得反思和补充：

第一，堆焊层的残余应力问题在文献中未做深入讨论。耐磨堆焊层由于合金含量高、热膨胀系数与母材差异大，堆焊后往往存在较大的残余拉应力，这是导致堆焊层在使用中开裂剥落的重要原因之一。建议在实际应用中配合焊后热处理或锤击工艺来释放残余应力。

第二，堆焊层的稀释率对最终性能影响显著。当母材为高碳钢或合金钢时，母材元素的稀释会改变堆焊层的实际化学成分，可能导致硬度偏低或碳化物类型改变。生产中应通过试板验证稀释率，并据此调整堆焊层数或采用预堆焊层。

第三，该焊条的适用温度范围需要明确。挤压辊在热轧工况下表面温度可达500~700℃，堆焊层在此温度下的性能保持情况需要专门评估。

学习心得与启示

该文献体现了焊接材料研发中"问题导向"的研究思路——从实际生产中的设备磨损问题出发，针对性地开发专用焊材，并通过系统的实验室研究和现场验证形成闭环。对于从事钢管、管件制造的技术人员而言，这种研究范式值得借鉴：在解决生产中的焊接质量问题时，不应仅停留在工艺参数调整层面，而应深入分析材料层面的根本原因，必要时通过焊材选型优化来解决问题。ZD3焊条的研制过程充分展示了从需求分析、材料设计、性能验证到现场应用的完整技术链条。