基于RZ-11焊丝的大型支承辊堆焊层强韧性研究的学习体会

文献概况与工程背景

刘士彬等发表于《金属制品》2026年第52卷第4期的这篇论文，聚焦于大型锻钢支承辊的再制造技术。支承辊是热轧带钢生产线的核心设备，其辊面在长期服役中承受高温、高压和氧化磨损的综合作用，表面硬度下降、出现热裂和剥落等问题，需要定期修复或更换。本文采用自主设计的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，揭示了高强度与低韧性之间的矛盾关系。

堆焊层组织与性能特征

论文的核心发现是堆焊层展现出优异的高强度但伴随较低的室温冲击韧性。以下表格汇总了关键性能数据。

1260 MPa的抗拉强度在堆焊层中属于极高水准，这意味着堆焊层具有优异的抗压强度和抗塑性变形能力，能够满足支承辊在重载工况下的承载需求。然而，3.0~5.0 J的室温冲击功远低于工程安全要求（通常要求≥27 J），这表明堆焊层在承受冲击载荷或低温环境时存在脆性断裂的严重风险。

强韧性矛盾的机理分析

论文指出，高强度主要源于高碳马氏体及碳化物形成元素的共同作用，而低韧性则归因于高碳马氏体的固有脆性及焊接残余应力。这一分析揭示了堆焊层强韧性矛盾的物理本质。

• 高碳马氏体的强化机制：高碳含量（通常>0.6%C）在马氏体中形成大量位错和碳原子间隙固溶，产生强烈的固溶强化和位错强化效果，同时碳化物形成元素（如Cr、Mo、V等）形成的细小碳化物提供了弥散强化。
• 高碳马氏体的脆性来源：高碳马氏体的晶格畸变严重，位错密度极高，裂纹源丰富；同时马氏体中的碳原子和合金碳化物阻碍位错运动，降低了材料的塑性变形能力，导致裂纹一旦萌生便迅速扩展。
• 残余应力的影响：埋弧堆焊过程中，熔池的快速冷却和多层堆焊的层间热循环产生显著的焊接残余拉应力，进一步降低了堆焊层的断裂韧性。

从断裂力学角度分析，准解理断裂为主的断口形貌表明裂纹扩展以解理方式为主，伴随少量微塑性变形（浅小韧窝）。这种断裂模式意味着堆焊层的断裂韧性（KIC）较低，在存在应力集中或缺陷的情况下，容易发生灾难性脆断。

工艺优化方向思考

针对高强度低韧性的矛盾，论文提出通过成分微调与工艺优化来提高堆焊层的综合服役性能。基于材料科学原理，可以从以下方向进行优化。

其中，焊后热处理（PWHT）可能是最有效的改善手段。通过600~700℃的回火处理，可以显著降低马氏体的脆性，同时保持较高的强度水平。但需要注意，回火温度过高会导致碳化物粗化和强度大幅下降，需要在强度和韧性之间找到最佳平衡点。

工程应用中的风险评估

从工程安全角度，支承辊堆焊层的低韧性是一个严重的安全隐患。在热轧生产中，支承辊承受来自工作辊的巨大压下力（可达数十吨至数百吨），同时受到轧制温度梯度引起的热应力和轧件卡钢等异常工况的冲击载荷。如果堆焊层发生脆性断裂，可能导致辊面剥落、轧件表面划伤甚至设备损坏，造成严重的生产事故。

从FMEA（故障模式与影响分析）角度，堆焊层脆性断裂的故障模式分析如下。

• 故障模式：堆焊层在冲击载荷下发生脆性断裂，导致辊面剥落。
• 故障原因：高碳马氏体的固有脆性、焊接残余应力、未焊透或裂纹等焊接缺陷。
• 故障影响：轧件表面划伤、设备损坏、生产中断、安全事故。
• 风险等级：高（严重性高、发生可能性中等、可探测性低）。

因此，在实际工程应用中，必须对堆焊层进行严格的无损检测（UT/MT），并在必要时进行焊后热处理，以确保堆焊层具有足够的韧性储备。

学习心得与启示

本文的研究揭示了大型支承辊堆焊修复中一个普遍存在的难题——高强度与高韧性的矛盾。在实际工程中，许多技术人员片面追求堆焊层的硬度指标，而忽视了韧性这一关键安全指标，这可能导致设备在服役中发生灾难性失效。本文的研究提醒我们，堆焊层的设计必须遵循"强韧性匹配"原则，在满足耐磨性要求的同时，确保堆焊层具有足够的断裂韧性。

RZ-11焊丝的自主设计体现了"材料-工艺"协同优化的理念，这是现代焊接材料开发的重要趋势。从工程实践角度，建议在RZ-11焊丝的基础上进一步优化成分，适当降低碳含量或增加Ni、Mo等提高韧性的元素，同时制定配套的焊后热处理工艺，实现堆焊层强度与韧性的最佳平衡。此外，建议在工业应用中建立堆焊层服役性能的长期跟踪数据库，为焊丝配方和工艺参数的持续优化提供数据支撑。