热轧辊堆焊材料及工艺研究学习体会

文献概况与技术背景

西安交通大学沈风刚等人于1998年在《钢铁》杂志发表的这篇论文，系统研究了Cr-W-V和Cr-Mo-V两种堆焊金属在热轧辊服役条件下的热疲劳性能与耐磨性能，并探讨了钨、钼、钒、镍等合金元素对堆焊层组织和性能的影响规律。热轧辊是轧钢生产线的核心部件，在轧制过程中承受高温、高压、摩擦和热循环等多重恶劣工况，其表面堆焊修复是延长轧辊使用寿命、降低生产成本的重要手段。

热疲劳机理与组织演变分析

热轧辊在服役过程中，表面温度在轧制时急剧升高（可达800~1000℃以上），而在轧件之间又迅速冷却，这种反复的热循环导致堆焊层产生热疲劳裂纹。文献揭示了不同合金元素对热疲劳性能的影响机制：

钨碳化物的聚集长大问题

Cr-W-V堆焊金属中，钨的碳化物（如WC）在常温下具有良好的弥散强化效果，但在热疲劳试验过程中，由于高温加速了碳化物的扩散和聚集，WC颗粒逐渐长大，导致弥散强化效果减弱，热疲劳强度下降。这一发现具有重要的工程指导意义——在设计耐热带钢轧辊堆焊材料时，不能仅考虑常温下的硬度指标，还必须关注高温服役条件下的组织稳定性。

镍的加入效应

文献发现，在Cr-Mo-V堆焊金属中加入小于1%的镍可以提高热疲劳性能，但加入过多的镍则显著降低相变温度（Ac1），并对耐磨性不利。这一发现揭示了镍元素的双刃剑效应：适量镍可通过固溶强化和晶界强化改善热疲劳性能，但过量镍会降低Ac1点，使堆焊层在轧制温度下更容易发生相变，导致硬度下降和耐磨性恶化。

理想组织特征

文献总结的理想堆焊层组织特征为：基体为均一、稳定的板条马氏体，其上分布着弥散、稳定的钒的碳化物（VC）。板条马氏体具有良好的强韧性匹配，而VC的高熔点（2830℃）和高温稳定性使其在高温服役条件下不易聚集长大，从而保持长期的弥散强化效果。这一组织特征为耐热带钢轧辊堆焊材料的设计提供了明确的方向。

堆焊工艺制定与质量控制

文献针对夹送辊和助卷辊两种不同工况的轧辊，制定了合理可行的堆焊工艺。夹送辊主要承受摩擦磨损和一定程度的冲击载荷，而助卷辊则主要承受摩擦磨损和热循环作用。两种辊的堆焊工艺在材料选择、工艺参数和热处理制度方面存在差异。

工艺参数优化

热轧辊堆焊工艺的关键参数包括：

• 预热温度：根据基体材料和堆焊材料的热膨胀系数差异确定，通常控制在200~350℃；
• 层间温度：控制每一层堆焊之间的温度，防止层间冷却过快导致裂纹；
• 焊道宽度与高度：影响熔敷金属的稀释率和组织形态；
• 冷却速率：通过控制冷却速率来调控马氏体的形态和碳化物的析出。

热处理制度

堆焊完成后，通常需要进行去应力退火或调质处理。去应力退火主要用于消除堆焊残余应力，防止后续服役中出现应力腐蚀开裂。调质处理则用于优化堆焊层的组织和力学性能，使基体组织转变为均一的板条马氏体加弥散碳化物。

与工程实践的结合

在钢管和管件制造行业中，热轧工艺同样面临轧辊磨损和热疲劳的问题。虽然钢管轧制与板材轧制在轧制力和温度制度上有所不同，但轧辊的堆焊修复原理是相通的。钢管轧辊的堆焊修复需要考虑以下特殊因素：

• 钢管轧制时轧辊的接触面积较小，单位面积载荷较高，对堆焊层的抗压强度和耐磨性要求更高；
• 钢管轧制温度通常高于板材轧制，对堆焊层的高温组织稳定性要求更严格；
• 钢管轧制中轧辊的冷却条件更复杂（特别是连轧机组），热循环幅度更大。

从材料设计角度来看，文献提出的"板条马氏体+弥散稳定VC"组织特征，对于钢管轧辊堆焊材料的选择具有重要的参考价值。在实际应用中，应优先选择钒含量适中（0.3~0.8%）、钼含量适当（1~3%）、镍含量控制在1%以内的Cr-Mo-V系堆焊材料，并在工艺上严格控制层间温度和冷却速率，以确保获得理想的组织形态。

学习心得与启示

这篇文献发表于1998年，距今已有二十余年，但其中揭示的热疲劳机理和合金元素作用规律至今仍然具有重要的指导意义。特别是关于钨碳化物在高温下聚集长大的发现，以及镍含量对Ac1点影响的定量分析，为耐热带钢轧辊堆焊材料的成分设计提供了坚实的理论基础。

从更宏观的角度来看，这篇文献体现了"组织-性能-工况"三位一体的研究思路。在堆焊材料设计中，不能孤立地追求某一性能指标（如硬度或热疲劳强度），而必须综合考虑服役工况、组织演变规律和性能之间的内在联系。这种系统性的研究思路，对于当代耐磨堆焊材料的设计同样具有指导意义。

对于从事轧辊堆焊修复的工程技术人员而言，这篇文献的核心启示是：耐热带钢轧辊的堆焊材料设计，应以钒碳化物为主要强化相，避免依赖钨碳化物（因其高温稳定性差），并将镍含量严格控制在1%以内。同时，堆焊工艺中的预热温度、层间温度和冷却速率必须与材料设计相匹配，才能最终获得满意的服役性能。