热轧辊堆焊材料及工艺研究学习体会

文献概况与工程背景

本文由西安交通大学机械工程学院完成，发表于《机械工程材料》1998年第22卷第4期，题为《热轧辊堆焊材料及工艺研究》。作者沈风刚等从影响热疲劳和磨损的内在因素出发，系统研究了Cr-W-V和Cr-Mo-V堆焊金属在热疲劳试验过程中的组织变化行为，以及化学成分和组织对耐热疲劳性能和耐磨性能的影响。热轧辊作为热轧生产线的核心部件，其表面承受着高温氧化铁皮的摩擦、热循环应力和机械载荷的综合作用，堆焊强化是提高热轧辊寿命的关键技术。本文的研究成果对于热轧辊的选材、工艺制定和性能优化具有重要的工程指导价值。

堆焊材料体系与合金设计

Cr-W-V与Cr-Mo-V体系对比

合金体系	主要合金元素	碳化物类型	强化机制	特点
Cr-W-V	Cr, W, V	WC, VC	弥散强化+固溶强化	高温强度高，但W的碳化物易聚集
Cr-Mo-V	Cr, Mo, V	Mo₂C, VC	弥散强化+固溶强化	综合性能较好，Mo₂C稳定性高

合金元素的作用机制

Cr：提高抗氧化性和耐腐蚀性，形成Cr₂O₃保护膜，减少高温氧化磨损。
W：形成WC碳化物，提供弥散强化，但WC在高温下易聚集长大，降低强化效果。
Mo：形成Mo₂C碳化物，稳定性高于WC，在高温下不易聚集，适合热疲劳工况。
V：形成VC碳化物，VC的稳定性极高（熔点约2830°C），是热疲劳工况下最稳定的碳化物。
Ni：提高热疲劳性能，但过量Ni会降低相变温度（Ac1），对耐磨性不利。

热疲劳行为与组织演变

热疲劳试验方法

文献通过热疲劳试验模拟热轧辊在实际工况下的热循环作用。热疲劳试验通常包括以下步骤：

加热阶段：将试样加热至600～800°C，模拟热轧过程中的高温环境。
冷却阶段：将试样迅速冷却至室温或低温，模拟轧辊表面的急冷过程。
循环次数：通常进行数百至数千次循环，直至试样表面出现热疲劳裂纹。

组织变化行为

文献揭示了堆焊金属在热疲劳试验过程中的组织演变规律：

W的碳化物聚集长大：在热疲劳循环过程中，WC碳化物容易发生聚集长大，形成粗大的碳化物颗粒。这种聚集过程降低了碳化物的弥散强化效果，导致热疲劳强度下降。
VC碳化物的稳定性：VC碳化物在热疲劳过程中保持较好的稳定性，不易聚集长大，是热疲劳工况下理想的强化相。
板条马氏体的稳定性：均一的、稳定的板条马氏体组织在热疲劳过程中不易发生相变，有利于保持热疲劳强度。

Ni含量的影响

文献特别指出，在Cr-Mo-V堆焊金属中加入小于1%的Ni可提高热疲劳性能，但加入过多的Ni会显著降低相变温度（Ac1），并对耐磨性不利。这一发现具有重要的工程指导意义：

Ni含量	热疲劳性能	相变温度（Ac1）	耐磨性	综合评价
0%	基线	较高	较高	综合性能良好
<1%	提高	略有降低	略有降低	热疲劳性能改善明显
>1%	可能提高	显著降低	显著降低	耐磨性下降，不推荐

堆焊工艺制定

夹送辊与助卷辊的工艺要求

文献针对热轧生产线中的夹送辊和助卷辊制定了合理可行的堆焊工艺：

夹送辊：承受较大的机械载荷和一定的热负荷，要求堆焊层具有较高的耐磨性和适当的韧性。
助卷辊：主要承受摩擦磨损，热负荷相对较低，要求堆焊层具有较高的硬度和耐磨性。

堆焊工艺参数

工艺参数	夹送辊推荐值	助卷辊推荐值	说明
堆焊层厚度	3～5 mm	2～4 mm	根据辊径和使用工况调整
堆焊道数	多层多道	多层多道	控制单层厚度1～2 mm
层间温度	150～250°C	150～250°C	避免过高温度导致组织粗化
焊后热处理	去应力退火	去应力退火	消除残余应力，防止裂纹

学习心得与技术反思

本文从热疲劳和磨损的内在机理出发，系统分析了Cr-W-V和Cr-Mo-V堆焊金属的性能差异，揭示了W的碳化物在热疲劳过程中易聚集长大的问题，提出了采用VC碳化物和板条马氏体组织来提高热疲劳性能的策略。这些研究成果对于热轧辊堆焊材料的选型和工艺制定具有重要的指导意义。

在实际工程应用中，热轧辊的堆焊强化需要考虑以下因素：

辊型选择：不同辊型（夹送辊、助卷辊、支撑辊）的工况不同，需要选择不同的堆焊材料和工艺。
轧制温度：热轧温度越高，对堆焊层的抗氧化性和热疲劳性能要求越高，需要增加Cr和V的含量。
轧制速度：轧制速度越高，机械载荷越大，对堆焊层的耐磨性和韧性要求越高。
氧化铁皮特性：不同钢种的氧化铁皮硬度不同，需要选择相应硬度的堆焊层。

未来研究方向可包括：通过微合金化（如添加Nb、Ti等）进一步提高堆焊层的热疲劳性能；探索堆焊层与辊基体的梯度结构设计，缓解热膨胀系数差异导致的界面应力；以及开发适用于超高温热轧工况的新型堆焊材料体系。