球铁轧辊辊颈等离子堆焊材料设计与工艺研究——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文出自刘士彬等（2021，《四川冶金》第43卷第3期），依托河北省重点研发计划项目（编号19211004D），由邢台轧辊特种制造有限公司与中钢集团邢台机械轧辊技术中心、轧辊复合材料国家重点实验室联合完成。研究聚焦球墨铸铁轧辊辊颈的耐磨层修复难题，采用等离子粉末堆焊技术，系统设计了过渡层与硬层合金粉末成分，并通过硬度测试与裂纹着色检查验证了工艺可行性，最终解决了辊颈扁面端头倒角处的堆焊工艺与材料匹配问题。

球铁轧辊辊颈因其高碳含量（通常含碳量在3.5%~3.9%），焊接性极差，传统熔焊方法极易产生白口铸铁组织、冷裂纹及淬硬裂纹，修复难度远高于普通碳钢或低合金钢轧辊。这一问题的工程背景在于，轧辊辊颈在轧制过程中承受巨大的摩擦力和冲击载荷，一旦磨损超差，若无法经济有效地修复，则整根轧辊报废，造成巨大经济损失。

核心技术要点解读

等离子堆焊工艺优势

等离子粉末堆焊相比传统电弧堆焊具有以下显著优势：热输入集中、稀释率低（通常可控制在5%~15%）、堆焊层成分可控性强、层间温度低、变形小。对于球铁这类高碳焊接性差的母材，稀释率的控制至关重要——稀释率过高会导致堆焊层中碳含量偏高，形成大量渗碳体，硬度虽高但脆性极大，极易产生裂纹。

过渡层与硬层粉末设计思路

文献的核心创新在于"过渡层+硬层"的双层设计策略。过渡层粉末的成分设计需满足两个目标：一是与球铁母材良好冶金结合，避免冷裂纹；二是为后续硬层提供合适的冶金过渡，防止硬层与过渡层之间产生裂纹。硬层粉末则需根据辊颈不同工况要求（如干轧、热轧、冷轧）设计不同硬度等级的耐磨合金粉末。

扁面端头倒角处堆焊工艺

辊颈扁面端头倒角处是堆焊工艺中的薄弱环节，原因在于：该部位几何形状复杂，熔池流动性受限，热应力集中，且端头部位冷却速度快，容易产生热裂纹。文献通过试验确定了在该部位进行堆焊的可行工艺参数，这在实际生产中具有重要指导意义。

工艺参数与质量控制

关键工艺参数

等离子粉末堆焊的关键工艺参数包括：等离子弧电流、送粉速度、堆焊速度、保护气体流量与种类、层间温度控制等。对于球铁辊颈堆焊，层间温度控制尤为重要——球铁母材导热系数低，若层间温度过高，基体组织可能发生不良转变，降低结合强度；层间温度过低则可能加剧淬硬倾向，增加裂纹风险。

质量控制方法

文献采用硬度测试与裂纹着色检查作为主要质量评价指标。在实际生产中，还应补充以下检测手段：

工程实践启示与思考

从工程实践角度看，本文的研究成果对轧辊修复行业具有重要参考价值。在实际修复作业中，我深刻体会到以下几点：

第一，球铁辊颈堆焊的核心矛盾在于"耐磨性"与"抗裂性"的平衡。一味追求高硬度堆焊层往往导致裂纹问题突出，而过度追求抗裂性又可能牺牲耐磨寿命。过渡层设计正是解决这一矛盾的关键技术路径。

第二，扁面端头倒角处的堆焊工艺验证，填补了该特殊部位修复的工艺空白。在实际生产中，许多轧辊修复失败恰恰发生在端头部位，原因往往不是材料选择不当，而是工艺参数未针对该特殊几何部位进行优化。

第三，等离子堆焊的稀释率控制是决定修复质量的核心因素。建议在工艺开发阶段，对每批粉末进行稀释率标定试验，建立粉末成分与堆焊层实际成分之间的定量关系模型，实现堆焊层成分的精准调控。

第四，从FMEA（失效模式与影响分析）角度分析，球铁辊颈等离子堆焊的主要失效模式包括：层间裂纹、堆焊层剥落、硬度不均、白口组织产生。针对每种失效模式，应制定相应的预防与检测措施，形成完整的工艺质量控制体系。

学习心得

本文体现了材料设计与工艺优化的系统思维——不是简单地选择一种高硬度粉末进行堆焊，而是从母材特性出发，通过过渡层设计实现冶金过渡，再根据工况需求匹配硬层成分。这种"母材分析→过渡层设计→硬层匹配→工艺参数优化→质量验证"的研究路径，对从事轧辊修复技术工作的同行具有重要的方法论指导意义。在实际工作中，我们应当建立类似的系统化工艺开发流程，避免凭经验试凑，提高修复成功率与经济性。