大型热轧定宽压力机出钢辊堆焊复合制造学习体会

文献概况

本文发表于《塑性工程学报》2013年第1期，作者钟毅、曾义斌来自武汉钢铁集团公司研究院和热轧总厂。研究针对热轧定宽压力机出钢辊在800℃以上红热钢坯作用下产生的严重冷热疲劳龟裂和金属间磨损问题，开发出采用N合金化的堆焊硬面药芯焊丝，并制定了合理的堆焊工艺规范。该研究虽以轧辊为对象，但其高温耐磨堆焊的技术路线和工艺思路，对钢管生产中的热轧穿孔辊、定径辊、导板等高温磨损部件的堆焊修复具有直接参考价值。

服役工况与失效分析

出钢辊的服役工况极为严苛：长期处于800℃以上的红热钢坯接触环境中，承受周期性热冲击和金属间磨损的双重损伤。冷热疲劳龟裂是热冲击的直接后果——辊面反复经历高温加热和冷却循环，热应力在辊面表层累积，当超过材料热疲劳极限时萌生微裂纹并扩展。金属间磨损则是红热钢坯表面氧化铁皮与辊面之间的粘着磨损和磨粒磨损的复合效应。

这种失效模式在钢管生产中的穿孔辊和定径辊上同样存在。穿孔辊在红热钢坯穿孔过程中承受剧烈的挤压摩擦和热冲击，辊面磨损和龟裂是限制穿孔效率的主要因素。定径辊在钢管定径过程中同样面临高温接触和金属磨损问题。因此，出钢辊的堆焊复合制造技术完全可以移植到钢管生产线的关键轧辊修复中。

N合金化堆焊硬面药芯焊丝的材料设计

N合金化是本文最突出的技术创新点。氮元素在钢中的强化机制包括固溶强化、氮化物强化和细化晶粒效应。在堆焊层中，氮与合金元素形成稳定的氮化物相（如CrN、VN、TiN等），这些氮化物具有极高的热稳定性和硬度，在高温下不易粗化或溶解，从而赋予堆焊层优异的抗高温软化性能。

堆焊层显微组织为马氏体+少量铁素体+合金化合物，这种组织组合实现了硬度和韧性的良好平衡。马氏体提供基础硬度，合金化合物（碳化物和氮化物）提供高温硬度和耐磨性，少量铁素体改善韧性、降低脆性断裂风险。

堆焊工艺规范的关键要点

堆焊复合制造成功的关键不仅在于焊材开发，更在于工艺规范的制定。对于高温服役轧辊的堆焊，工艺规范需重点关注以下方面：

• 预热温度：根据基体材料碳当量和厚度确定，一般控制在200～300℃，防止冷裂纹。
• 层间温度：控制在250～350℃，保证各层堆焊层的热循环一致性。
• 焊接参数：采用埋弧焊（SAW）或药芯焊丝气体保护焊（FCAW），电流和电压参数需确保熔敷效率和熔合比。
• 堆焊层厚度：根据辊面磨损量和辊体总厚度确定，一般占总厚度的10%～20%。
• 焊后热处理：堆焊后进行去应力退火，消除残余应力，防止服役中应力集中导致堆焊层开裂。

工程实践启示

该研究的成功案例表明，通过焊材创新与工艺优化相结合，可以显著提升高温磨损部件的使用寿命。对于钢管生产企业而言，穿孔辊、定径辊、导板等关键部件的堆焊修复是降低生产成本、延长设备寿命的有效手段。建议钢管企业借鉴出钢辊堆焊复合制造的经验，针对本企业轧辊的具体失效模式，开发或选用适合的合金化堆焊焊材，建立完善的堆焊工艺规程和质量检验标准，实现关键部件的在线快速修复和性能恢复。