轧辊堆焊材料选择与试验的学习体会

文献概况与研究目的

刘慧林等发表于《矿冶工程》2004年第24卷增刊Z1的文章，针对涟钢650热轧开坯轧机的轧辊堆焊需求，对4种国内常用堆焊材料进行了系统的性能评价。研究重点包括耐热疲劳性、红硬性以及常规力学性能和组织分析，最终为650热轧开坯轧机选定最优堆焊材料。

热轧开坯轧机是钢铁企业生产流程中的关键设备，轧辊在工作过程中承受高温（400~800℃）、高压（接触应力可达2~4GPa）以及频繁的冷热交替循环。这些极端条件使得轧辊表面容易出现热裂纹、疲劳剥落、磨损等失效形式。选择合适的堆焊材料是延长轧辊使用寿命的关键。

试验材料与评价方法

试验材料体系

文中对比了4种堆焊材料，其中关键材料包括：

性能评价体系

本文建立了多维度的性能评价体系，这是材料选择研究的核心价值所在：

1. 耐热疲劳性：模拟轧辊表面反复加热-冷却循环，检测裂纹萌生与扩展行为；
2. 红硬性：在高温（500~700℃）下保持硬度的能力；
3. 常规力学性能：硬度、抗拉强度、冲击韧性等；
4. 组织分析：金相组织类型、碳化物形态与分布。

试验结果分析

研究结果表明，1#材料（H25Cr3Mo2MnVA）在所述工艺规范下具有最佳的综合性能，最适合热轧开坯轧辊堆焊；而4#材料（JL-8110）具有最好的耐磨性，可用于复合轧辊制造。

这一结论体现了材料选择中"综合性能"与"单项性能"的权衡问题。在实际工程中，轧辊的失效模式往往是多因素耦合的：热疲劳导致表面裂纹萌生，裂纹扩展后加速磨损，最终导致轧辊报废。因此，单纯追求高硬度或高耐磨性可能并非最优选择。

红硬性与热疲劳性的技术解析

红硬性的影响因素

红硬性是高温合金材料的核心指标，其本质是材料在高温下抵抗塑性变形的能力。对于高铬钼系堆焊材料，红硬性的维持主要依赖以下机制：

• 固溶强化：Cr、Mo、V等强碳化物形成元素在基体中的固溶强化作用；
• 碳化物强化：高熔点碳化物（如Cr₇C₃、Mo₂C、VC）在高温下仍保持弥散分布，阻止位错运动；
• 组织稳定性：高温下不发生有害相转变（如马氏体回火分解、碳化物聚集长大）。

H25Cr3Mo2MnVA材料中，Cr含量约25%、Mo约2%、V适量添加，形成了高体积分数的高熔点碳化物，这是其红硬性优异的根本原因。

热疲劳性的关键机制

热疲劳失效的本质是热应力循环导致的疲劳裂纹。影响热疲劳寿命的因素包括：

H25Cr3Mo2MnVA材料的热疲劳性能优于其他材料，可能与其较高的导热系数和适中的热膨胀系数有关，使其在热循环过程中产生的热应力较小。

工艺规范与质量控制

堆焊工艺参数建议

基于本文研究背景，热轧开坯轧辊堆焊的工艺参数应遵循以下原则：

• 预热温度：200~300℃，防止冷裂纹；
• 层间温度：控制在150~250℃，避免过高的热输入导致晶粒粗化；
• 焊道宽度：控制在15~25mm，保证足够的稀释率控制；
• 堆焊层厚度：通常3~6mm，兼顾使用寿命与经济性。

常见缺陷与预防措施

工程应用思考

本文的研究体现了典型的"材料-工艺-性能"一体化评价思路。在实际轧辊维修工程中，材料选择只是第一步，还需要考虑以下工程因素：

1. 基体匹配性：堆焊材料与轧辊基体钢（通常为Cr-Mo系低合金钢）的热膨胀系数匹配性；
2. 堆焊后加工：堆焊层需经磨削加工，材料的磨削加工性需提前评估；
3. 服役环境差异：不同轧机（粗轧、中轧、精轧）的温度和载荷条件差异显著，材料选择需针对性调整；
4. 经济性考量：高性能材料往往成本较高，需在性能提升与成本之间找到平衡点。

从更宏观的角度看，轧辊堆焊材料的选择本质上是一个多目标优化问题。理想的堆焊材料应同时具备高红硬性、良好热疲劳性、适中硬度、良好加工性和合理成本。本文通过系统试验为工程实践提供了可靠的数据支撑，其研究方法论对同类材料评价工作具有重要的参考价值。