热轧辊堆焊层成分与组织对热疲劳及耐磨性能影响的文献学习体会

文献概况与研究意义

本文出自西安交通大学与鞍钢钢铁研究所联合研究，发表于1992年《西安交通大学学报》第26卷第6期，作者为薛锦、王雅生、王健、郎毅、娄百成。热轧辊是钢铁工业中轧制工艺的核心部件，在轧制过程中承受着极高的接触应力、剧烈的温度循环和强烈的摩擦磨损，其堆焊层（也称覆层、耐磨层）的性能直接决定了轧辊的使用寿命和轧制质量。

热轧辊堆焊层的失效模式主要包括：热疲劳裂纹（由反复加热-冷却循环引起）、磨粒磨损（由带钢表面氧化铁皮和轧制摩擦引起）、冲击磨损（由轧件冲击引起）以及接触疲劳剥落。其中，热疲劳和磨粒磨损是最主要的失效形式。本文系统研究了五种典型堆焊层成分及其组织对热疲劳和耐磨性能的影响，为热轧辊堆焊层的成分优化和组织设计提供了重要依据。

热轧辊堆焊层的典型成分体系

热轧辊堆焊层的成分设计需要在硬度、韧性、热疲劳抗力和耐磨性之间寻求最佳平衡。本文研究五种典型成分，代表了不同的设计思路。

成分与组织的匹配关系

堆焊层的性能不仅取决于成分，更取决于成分所形成的组织。例如，高铬铸铁型堆焊层中，铬含量和碳含量的比例决定了碳化物的形态和分布：当Cr/C比大于8时，倾向于形成M₇C₃型碳化物，具有良好的耐磨性；当Cr/C比小于6时，可能形成M₂₃C₆型碳化物，硬度更高但韧性更差。

镍基合金型堆焊层虽然成本高昂，但其优异的抗热疲劳性能使其在高温轧制工况下具有不可替代的优势。镍基合金中的γ'相（Ni₃Al）提供了优异的抗热疲劳裂纹扩展能力，同时奥氏体基体赋予材料良好的韧性。

热疲劳性能分析

热疲劳是热轧辊堆焊层最严重的失效模式之一。在轧制过程中，辊面与红热的带钢接触，温度可瞬间升高至700-900°C，随后在冷却水作用下迅速降至室温，这种剧烈的温度循环反复作用，导致辊面产生热疲劳裂纹。

热疲劳抗力的影响因素

热疲劳抗力主要取决于以下因素：

1. 热导率：热导率越高，辊面温度梯度越小，热应力越低。
2. 弹性模量：弹性模量越低，热应力越小。
3. 抗热疲劳裂纹扩展能力：与材料的断裂韧性和裂纹扩展阻力相关。
4. 组织稳定性：高温下组织不发生相变或粗化，保持性能稳定。

组织与热疲劳的关联

从组织角度分析，镍基合金型堆焊层的热疲劳抗力最佳，原因在于：镍基合金具有较低的热膨胀系数和较高的蠕变抗力，在高温下能保持组织稳定；γ'相的强化作用提高了材料的抗热疲劳裂纹扩展能力。高铬铸铁型堆焊层虽然硬度最高，但脆性大、热导率低，热疲劳裂纹容易萌生和扩展。

耐磨性能分析

热轧辊堆焊层在轧制过程中承受着来自带钢表面氧化铁皮的磨粒磨损。氧化铁皮硬度高（约800-1000 HV），在轧制压力下嵌入堆焊层表面，造成严重的磨粒磨损。

磨损机制

热轧辊堆焊层的磨损机制主要包括：

• 微切削磨损：硬质氧化铁皮颗粒在辊面滚动或滑动时，对堆焊层表面进行微切削。
• 磨粒嵌入与犁沟：硬质颗粒嵌入较软的基体中，随轧制过程被拉出，形成犁沟。
• 氧化磨损：高温氧化作用使表面材料疏松，加速磨损。
• 接触疲劳剥落：循环接触应力导致表面下裂纹萌生和扩展，最终剥落。

成分-组织-耐磨性关系

耐磨性主要取决于硬质相的硬度、体积分数和分布均匀性。高铬铸铁型堆焊层中M₇C₃碳化物硬度高（约1500-1800 HV），体积分数大，耐磨性最佳；但碳化物过于粗大或网状分布会降低韧性，导致脆性剥落。高合金钢型堆焊层中碳化物较细，分布较均匀，虽然硬度略低于高铬铸铁型，但耐磨性和韧性综合性能较好。

最佳成分与组织结构的确定

本文的核心贡献在于从五种典型成分中筛选出满足热轧辊工作要求的最佳成分及组织结构。根据热疲劳和耐磨性的综合评估，中铬铸铁型和高合金钢型堆焊层在大多数热轧工况下具有最佳的综合性能。

中铬铸铁型堆焊层的优势在于：碳含量适中（2-3%），碳化物形态和分布较均匀，硬度和韧性平衡较好；铬含量（10-18%）足以形成足够的M₇C₃碳化物，同时不会过度降低韧性。高合金钢型堆焊层的优势在于：合金化程度适中，热处理可控性好，通过淬火+低温回火可获得高硬度马氏体和弥散分布的碳化物，综合性能优异。

工程实践启示

热轧辊堆焊层的成分和工艺优化是一个系统工程，需要在性能、成本和工艺可行性之间寻求平衡。在实际生产中，不同轧制工况对堆焊层的要求不同：

• 热轧板坯连铸坯：温度高、压力适中，优先选择抗热疲劳性能好的成分（如镍基合金型）。
• 热轧带钢：温度中等、磨损严重，优先选择耐磨性好的成分（如中铬铸铁型或高合金钢型）。
• 热轧型钢：冲击载荷大，优先选择韧性好的成分（如高合金钢型）。

从焊接工艺角度看，堆焊层的成分均匀性和组织均匀性至关重要。堆焊过程中应严格控制预热温度、层间温度和焊接参数，避免产生裂纹、气孔和成分偏析。多层堆焊时，各层的成分梯度设计也很重要——表层可采用高硬度成分以提高耐磨性，心层可采用高韧性成分以提高抗热疲劳性。

学习心得与总结

本文发表于1992年，虽然时间较早，但其研究方法和结论至今仍有重要参考价值。热轧辊堆焊层的成分-组织-性能关系是一个经典的材料科学问题，其核心在于理解不同合金元素对组织演化的影响，以及组织特征对服役性能的贡献。

从现代材料设计角度看，本文的研究思路与现代计算材料学中的"成分-工艺-组织-性能"（CPOM）框架高度一致。现代技术可以通过第一性原理计算、相场模拟和数据分析等方法，更高效地预测成分对组织和性能的影响，从而加速堆焊层材料的开发。

对于从事钢管、管件和焊接工艺的技术人员而言，本文提供了一个重要的方法论参考：当面对复杂服役工况时，不应局限于单一性能指标（如硬度），而应综合考虑热疲劳、耐磨、韧性等多维性能，通过成分-组织设计实现性能的最优匹配。这种系统性的材料设计思维，对于焊接工艺优化和焊接材料选择具有普遍的指导意义。