卓金管件有限公司球铁轧辊辊颈等离子堆焊材料设计与工艺研究学习体会
研究背景与技术挑战
刘士彬等人发表于《四川冶金》2021年第43卷第3期的这篇论文，研究的是球铁轧辊辊颈的等离子堆焊材料设计和工艺方法。该研究由河北省重点研发计划项目（编号19211004D）资助，来自邢台轧辊特种制造有限公司、中钢集团邢台机械轧辊技术中心以及轧辊复合材料国家重点实验室。轧辊是钢铁、有色金属、造纸等行业的关键设备，其辊颈部位在长期运行中承受巨大的接触应力和摩擦磨损，一旦磨损需要及时进行修复。
球铁（Ductile Iron，又称可锻铸铁）轧辊的辊颈部位含碳量高，焊接性较差。高碳含量导致焊接过程中容易产生冷裂纹和热裂纹，熔池凝固时碳化物析出量大，组织脆性大。传统熔焊方法难以对球铁辊颈进行有效的耐磨层修复，这是一个长期困扰行业的工程难题。
等离子堆焊工艺优势与材料设计思路
等离子弧堆焊（Plasma Arc Surfacing）利用等离子弧的高温（可达10000-30000K）和高速等离子流，将粉末或焊丝熔化后堆敷在工件表面。相比传统电弧堆焊，等离子弧堆焊具有以下优势：
- 热输入集中：等离子弧的能量密度高，熔池小而深，稀释率低
- 熔池冷却快：快速凝固有利于形成细小的组织
- 气氛保护好：等离子弧产生的金属蒸汽和惰性气体对熔池形成良好的保护
- 工艺稳定性高：等离子弧的形态稳定，堆焊质量一致性好
针对球铁辊颈的焊接性差问题，论文采用了"过渡层+硬层"的双层堆焊策略。这一思路的核心在于：
- 过渡层：采用焊接性好的合金粉末作为过渡层，降低母材与硬层之间的成分梯度和应力集中
- 硬层：采用高硬度耐磨合金粉末作为功能层，提供所需的耐磨性能
过渡层粉末设计
过渡层粉末的设计原则是：与母材球铁具有良好的冶金相容性，能够吸收母材中的碳元素，避免碳的富集导致裂纹。论文设计的过渡层粉末通常包含以下元素：
- 铁基体：与球铁基体相容
- 硅、锰：促进碳化物的形成，吸收碳元素
- 铬：提高抗氧化性和耐磨性
- 镍：改善韧性，减少裂纹倾向
- 碳：控制含量，避免过量
硬层粉末设计
硬层粉末的设计原则是：提供高硬度和优异的耐磨性，同时与过渡层具有良好的冶金结合。论文根据轧辊辊颈的不同硬度需求，设计了多种硬层粉末配方：
| 粉末类型 | 主要成分 | 硬度范围（HV） | 适用工况 |
|---|---|---|---|
| 高铬铸铁型 | Cr 20-30%, C 2-4% | 800-1100 | 一般耐磨工况 |
| 高钒铸铁型 | Cr 15-25%, V 3-5% | 900-1200 | 高磨损工况 |
| 碳化钨增强型 | Cr 15-20%, WC 10-20% | 1000-1400 | 极端磨损工况 |
| 镍基合金型 | Ni 60-70%, Cr 15-20% | 400-600 | 耐蚀+耐磨工况 |
工艺试验与裂纹控制
论文在轧辊扁面端头倒角处进行了堆焊试验，这是辊颈部位磨损最严重的区域之一。试验结果表明，通过合理的过渡层和硬层粉末设计，可以实现球铁辊颈的无裂纹堆焊修复。
裂纹是球铁堆焊中最常见的缺陷，其形成机理包括：
- 冷裂纹：焊接冷却过程中，母材中的碳和氢在焊缝中富集，在低温下形成马氏体组织并产生氢致裂纹
- 热裂纹：熔池凝固过程中，低熔点共晶物在晶界偏聚，在凝固收缩应力作用下形成裂纹
- 再热裂纹：焊后热处理过程中，晶界处的析出相弱化晶界，在残余应力作用下开裂
针对这些裂纹类型，论文采取的控制措施包括：
- 预热处理：对球铁母材进行适当的预热（通常200-300°C），降低冷却速率，减少淬硬组织的形成
- 过渡层缓冲：过渡层吸收母材中的碳元素，降低焊缝中的碳含量，减少马氏体形成倾向
- 焊后热处理：堆焊后进行去应力退火，消除焊接残余应力，防止再热裂纹
- 工艺参数优化：控制等离子弧电流、送粉速度和堆焊速度，使熔池尺寸适中，冷却速率可控
扁面端头倒角堆焊的工艺难点
轧辊扁面端头倒角处是辊颈与扁面的过渡区域，几何形状复杂，堆焊操作空间有限。该部位的堆焊面临以下难点：
- 操作空间受限：倒角区域狭窄，等离子弧枪的接近角度有限
- 热输入控制困难：小区域集中热输入容易导致局部过热
- 多层堆焊的层间结合：多层堆焊时，层间温差大，结合质量难以保证
- 尺寸精度控制：堆焊后需要保证辊颈的尺寸精度和表面光洁度
论文通过工艺试验，找到了适用于该部位的堆焊方法：采用小电流、低送粉速度的参数组合，分多层进行堆焊，每层之间进行适当的层间温度控制。堆焊完成后，通过精车加工恢复辊颈的尺寸精度。
工程实践启示
这篇文献的实践价值在于：它不是停留在实验室研究层面，而是直接面向轧辊制造企业的实际需求，解决了球铁辊颈堆焊修复的材料和工艺问题。从FMEA的角度分析，球铁辊颈堆焊的主要失效模式包括：
- 裂纹：导致堆焊层失效，需要返修
- 剥落：堆焊层与母材结合不良，在服役中剥落
- 硬度不足：耐磨性不满足使用要求
- 尺寸超差：堆焊后加工尺寸不符合图纸要求
针对这些失效模式，论文提出的"过渡层+硬层"双层堆焊策略和系统化的粉末设计方案，为工程实践提供了可操作的解决方案。特别是针对不同硬度需求设计的多种硬层粉末配方，使该工艺能够适应不同工况下的辊颈修复需求。
总结
球铁轧辊辊颈等离子堆焊材料设计和工艺研究，通过"过渡层+硬层"的双层堆焊策略，成功解决了高碳球铁的焊接性差这一行业难题。论文设计的多种硬层粉末配方为不同硬度需求的辊颈修复提供了灵活的选择，而扁面端头倒角处的堆焊试验则为复杂几何部位的堆焊操作提供了工艺参考。这项研究体现了产学研结合的优势，从材料设计到工艺验证，从实验室研究到工程应用，形成了一条完整的技术链条，对轧辊修复行业具有重要的参考价值。