超低碳氮强化埋弧与自保护药芯焊丝堆焊层性能分析——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《焊接学报》2006年第27卷第6期，作者来自中冶集团建筑研究总院焊接所，是国内焊接领域的权威研究机构。连铸辊是钢铁生产中的关键轧制部件，在轧制过程中承受高温、高压、摩擦和热疲劳的综合作用，表面磨损和裂纹是主要失效形式。连铸辊的修复堆焊是延长其使用寿命的重要手段。

本文的核心创新在于：设计了超低碳氮强化00Cr13Ni4MoN堆焊合金的两种药芯焊丝——埋弧药芯焊丝和自保护药芯焊丝，系统对比了两种焊丝堆焊层的性能差异，为连铸辊修复提供了焊材选择依据。

氮强化机制与焊丝设计

氮的强化作用

氮在钢中的强化机制主要包括：

超低碳设计（C含量接近0）的目的是避免形成大量脆性碳化物，转而利用氮的强化作用。00Cr13Ni4MoN这一合金成分中，Cr提供耐腐蚀性和碳化物强化，Ni稳定奥氏体组织，Mo提高高温强度和抗回火性，N提供间隙固溶强化。

两种药芯焊丝的设计对比

堆焊层性能对比分析

微观组织分析

在相同堆焊工艺参数下，两种焊丝堆焊层的微观组织存在显著差异：

• 埋弧焊丝堆焊层：组织以马氏体+少量残余奥氏体+碳化物为主，氮的过渡率相对较低，部分氮在焊接过程中以气体形式逸出。堆焊层硬度较高，但韧性稍差。
• 自保护焊丝堆焊层：组织以马氏体+较多残余奥氏体+氮化物为主，氮的过渡率更高，氮主要以固溶态存在于基体中。堆焊层硬度略低，但韧性更好，抗回火性能更优。

力学性能对比

关键发现

试验结果表明，修复连铸辊时，自保护焊丝比埋弧焊丝具有更好的力学性能及更宽的应用范围。这一结论具有重要的工程指导意义：

1. 氮的过渡效率：自保护药芯焊丝由于焊剂直接包裹在焊丝药芯中，氮在焊接过程中的损失较少，过渡率更高。
2. 组织稳定性：自保护焊丝堆焊层中的残余奥氏体含量较高，在高温服役条件下不易发生组织转变，抗回火性更好。
3. 综合耐磨性：虽然埋弧焊丝堆焊层硬度更高，但自保护焊丝堆焊层的综合耐磨性更优，这是因为耐磨性不仅取决于硬度，还取决于组织的韧性、耐磨机制的多样性。

工程应用建议与思考

连铸辊修复堆焊在实际应用中，焊丝的选择应根据具体工况确定：

• 工厂集中修复：可选用埋弧药芯焊丝，熔敷效率高，焊道成形好，适合批量修复。
• 现场快速修复：应优先选用自保护药芯焊丝，设备简单，操作灵活，氮过渡率高，堆焊层性能更优。
• 高温工况：自保护焊丝堆焊层的抗回火性更好，更适合高温轧制工况。

从FMEA（失效模式与影响分析）角度分析，连铸辊堆焊修复的主要失效模式包括：

1. 堆焊层剥落：由于结合强度不足或热疲劳导致。对策：严格控制预热温度和层间温度，采用多层多道堆焊。
2. 堆焊层开裂：由于氢致裂纹或热应力导致。对策：选用低氢焊材，焊后消氢处理。
3. 堆焊层磨损失效：由于耐磨性不足导致。对策：优化焊材成分，提高氮过渡率。
4. 堆焊层热疲劳裂纹：由于反复热循环导致。对策：选用抗回火性好的焊材，控制堆焊层厚度。

本文的研究为连铸辊修复焊材的选择提供了科学依据，特别是氮强化机制的深入分析和两种焊丝的系统对比，对超低碳氮强化焊材的研发和应用具有重要的参考价值。在实际工程中，应根据具体的服役工况、修复条件和性能要求，合理选择焊材类型和堆焊工艺。