连铸辊堆焊药芯焊丝的研究学习体会

文献概况与工业需求

本文出自天津大学材料科学与工程学院李午申、冯灵芝发表于《天津大学学报（自然科学与工程技术版）》2002年第35卷第6期的研究成果。连铸辊作为钢铁连铸工艺的核心部件，长期承受高温钢水冲刷、热疲劳循环和机械磨损的综合作用，其使用寿命直接制约连铸生产效率和钢坯质量。堆焊修复是延长连铸辊使用寿命的主要技术手段，而堆焊材料的选择则直接决定了堆焊层的服役性能。本文以Cr13MoNiV为合金系研制出1Cr13Ni2MoV连铸辊堆焊药芯焊丝，并通过系统试验验证了其优异的抗氧化性、抗热疲劳性和耐磨性。

连铸辊的服役环境与失效模式

服役环境特征

连铸辊在服役过程中面临极为苛刻的环境条件。辊面温度在钢水接触区域可达1200至1400摄氏度，而在冷却水侧则降至100至200摄氏度，这种巨大的温度梯度导致辊面承受剧烈的热冲击。钢水对辊面的冲刷作用产生机械磨损，同时钢水中的硫、磷等元素与辊面材料发生化学反应，导致化学磨损。辊面在反复的热膨胀和收缩循环中承受热应力，最终产生热疲劳裂纹。

典型失效模式

焊丝合金设计思路与成分优化

Cr13MoNiV合金系的选材依据

Cr13MoNiV合金系是连铸辊堆焊材料的经典选择，其设计思路基于以下考量。铬元素（Cr）是形成抗氧化性高铬氧化膜的关键元素，铬含量达到12至13%时，能在辊面形成致密的Cr2O3氧化膜，有效阻挡氧和氮的进一步侵入。钼元素（Mo）能够提高合金的高温强度和抗氧化性，同时促进形成高熔点碳化物，提高耐磨性。镍元素（Ni）能够提高合金的韧性和抗热疲劳性，促进形成奥氏体组织，改善高温塑性。钒元素（V）形成高硬度的VC碳化物，显著提高耐磨性。

1Cr13Ni2MoV焊丝的优化设计

文献在经典Cr13MoNiV合金系的基础上，将镍含量提高到2%，研制出1Cr13Ni2MoV药芯焊丝。提高镍含量的设计意图在于：增加堆焊层中奥氏体相的比例，提高堆焊层的高温塑性和抗热疲劳性；改善堆焊层的裂纹敏感性，降低热裂纹倾向；促进形成更加均匀的组织，提高堆焊层的综合性能。

药芯焊丝与实芯焊丝的比较

堆焊层性能的系统评价

硬度与组织特征

文献试验结果表明，1Cr13Ni2MoV焊丝堆焊金属硬度适中，组织均匀。硬度适中这一特征对于连铸辊堆焊层而言具有重要意义：硬度过高会导致堆焊层脆性增大，抗热疲劳性下降；硬度过低则耐磨性不足，辊面磨损过快。理想的硬度范围应在HV400至HV600之间，既能提供足够的耐磨性，又保持适当的韧性。

抗氧化性能评价

堆焊层在高温氧化气氛中的抗氧化性通过氧化增重试验或高温暴露试验进行评价。1Cr13Ni2MoV焊丝堆焊层的抗氧化性能较高，这主要归因于铬元素形成的致密氧化膜和镍元素对氧化膜稳定性的促进作用。抗氧化性能的提高不仅直接减少了辊面的氧化减薄，更重要的是延缓了热疲劳裂纹的萌生和扩展。

抗热疲劳性能评价

抗热疲劳性能通常通过热循环试验进行评价，即在高温和低温之间反复循环，观察裂纹萌生和扩展的行为。文献结果表明，1Cr13Ni2MoV焊丝堆焊层的抗热疲劳性能较高，这得益于奥氏体组织的韧性、碳化物的弥散分布和氧化膜的保护作用。抗热疲劳性的提高意味着堆焊层能够在更多次的热循环后仍保持完整性，直接延长了连铸辊的使用寿命。

耐磨性能评价

耐磨性通过磨损试验（如干摩擦试验或钢水冲刷模拟试验）进行评价。1Cr13Ni2MoV焊丝堆焊层的耐磨性良好，这主要得益于VC碳化物的高硬度和弥散分布。碳化物作为硬质相，能够抵抗钢水的冲刷和磨粒的切削作用，而基体作为韧性相，能够承受热应力和机械载荷而不发生脆性断裂。

抗氧化性、抗热疲劳性与耐磨性的关联机制

文献的一个重要发现是堆焊金属抗氧化性、抗热疲劳性及耐磨性之间存在着密切关系。这一发现具有重要的材料设计指导意义，其内在关联机制可分析如下。

提高抗氧化性能可使堆焊金属抗热疲劳裂纹启裂能力增强，这是因为氧化膜能够有效阻挡氧和氮的侵入，减少表面氧化脱碳和氮化，从而降低表面应力集中，延缓裂纹萌生。同时，抗氧化性能的提高在很大程度上抑制了热疲劳裂纹的扩展，因为氧化膜的存在增加了裂纹尖端的应力松弛效应，降低了裂纹扩展驱动力。此外，抗氧化性能的提高还可减缓堆焊金属的磨损，因为氧化膜本身具有一定的耐磨性，且能够保护基体免受化学侵蚀。

这一关联机制的揭示为堆焊材料的设计提供了新的思路：在合金设计时，应优先保证抗氧化性，因为抗氧化性的提高能够"一石三鸟"，同时改善抗热疲劳性和耐磨性。

工程应用与工艺实践

埋弧堆焊工艺参数

1Cr13Ni2MoV药芯焊丝适用于埋弧堆焊工艺，其工艺参数需要根据连铸辊的材质、规格和使用条件进行优化。典型的埋弧堆焊参数包括：焊接电流250至400安培，焊接电压28至36伏，焊接速度200至400毫米每分钟，焊丝直径1.6至2.4毫米。多层堆焊时，层间温度应控制在200至300摄氏度之间，以避免层间过热导致组织粗化。

堆焊层厚度与道次安排

连铸辊堆焊层的厚度通常控制在3至8毫米之间，具体厚度取决于辊面磨损情况和使用寿命要求。厚堆焊层通常需要2至4道次堆焊完成，每道次厚度约2至3毫米。道次间的冷却和层间温度控制对于保证堆焊层组织均匀性至关重要。

与现有堆焊材料的对比

在实际工程中，1Cr13Ni2MoV焊丝与传统Cr13MoNiV焊丝及其他连铸辊堆焊材料（如D317、D321等）相比，在抗氧化性和抗热疲劳性方面具有明显优势，使用寿命显著提高。这一优势使得1Cr13Ni2MoV焊丝在连铸辊堆焊修复中具有更强的市场竞争力。

学习心得与材料设计启示

本文的研究成果体现了材料成分设计、工艺优化和性能评价的系统性研究方法，对于从事耐磨堆焊材料研发的技术人员具有重要的参考价值。1Cr13Ni2MoV焊丝的成功开发说明，在经典合金系基础上进行有针对性的成分微调，往往能够获得显著的性能提升。镍含量的提高虽然看似微小，却通过改善奥氏体相的比例和稳定性，显著提升了堆焊层的抗热疲劳性，这一设计思路值得借鉴。

从材料设计的更广泛视角来看，抗氧化性、抗热疲劳性和耐磨性之间的关联机制揭示了多性能协同优化的可能性。在实际的堆焊材料开发中，不应孤立地追求单一性能指标的最大化，而应着眼于多性能之间的协同效应，通过合理的合金设计实现综合性能的最优化。这一理念对于连铸辊、轧辊、阀门等高温耐磨工况下的堆焊材料开发具有普遍的指导意义。