42CrMo连铸辊堆焊414N硬面层高温磨损行为学习体会

文献概况与研究背景

本文出自宝武重工有限公司研究团队，发表于《材料保护》2021年第54卷第7期，属于安徽省重点研发计划资助项目。研究针对连铸辊这一钢铁生产核心装备，系统考察了414N堆焊硬面层在400℃、500℃、600℃三个典型服役温度下的磨损行为，揭示了温度对磨损机制和相组成的影响规律。连铸辊是连铸过程中直接接触高温钢水或坯料的旋转部件，其表面堆焊层在400～650℃区间长期承受氧化、磨粒和冲击的复合侵蚀，一旦失效将导致铸坯表面质量下降甚至漏钢事故。本文的研究对于连铸辊堆焊工艺优化和寿命预测具有重要的工程指导价值。

高温磨损性能测试结果分析

研究采用高温磨损试验机对42CrMo连铸辊表面堆焊414N硬面层试样进行了系统测试，核心结果如下：

从数据可以看出，400℃到500℃是磨损性能急剧恶化的关键温度区间，磨损深度在100℃温升内翻倍。这一现象与金属在高温下氧化动力学加速密切相关——温度升高使氧化反应速率呈指数增长，生成的氧化层从保护性转变为脆性易剥落层。

磨损机制转变的机理分析

通过SEM/EDX和XRD表征，研究揭示了磨损机制转变的深层机理。400℃时，硬面层表面形成的氧化皮由α'-Fe（体心立方铁）、立方结构和六方结构的(Fe,Cr)₂O₃三相组成。其中白亮氧化物（主要为富铬氧化物）起到保护作用，阻碍氧气向内扩散，同时磨屑磨损表明基体材料仍保持一定强度。

当温度升至500℃及以上时，关键变化出现了：白亮氧化物大幅减少，Cr在暗黑色氧化物中的含量明显下降。这意味着高温下铬元素从氧化皮中大量流失，保护性氧化层被破坏，氧化皮转变为以Fe₂O₃为主的暗黑色疏松结构。这种疏松氧化皮极易在摩擦过程中剥落，暴露出新鲜金属表面，形成"氧化-剥落-再氧化"的恶性循环，即氧化物剥落磨损。

从相组成角度看，立方结构和六方结构的(Fe,Cr)₂O₃在高温下可能发生相变或溶解，导致氧化皮结构完整性丧失。α'-Fe相的存在表明部分铁在氧化过程中以金属形态保留，这对氧化皮的致密性有负面影响。

对连铸辊堆焊工艺的工程启示

基于本文研究结果，对连铸辊堆焊硬面层的工程应用提出以下思考：

温度控制策略

连铸辊在实际运行中，辊面温度通常在400～600℃之间波动。根据本文数据，应尽量将辊面温度控制在400℃以下，以获得最佳耐磨性能。具体可通过以下途径实现：

• 优化冷却水系统，确保辊面温度不超过400℃
• 减少铸坯与辊面的接触时间，提高拉坯速度
• 改善铸坯表面质量，减少局部过热

堆焊材料选择方向

本文证实Cr含量是决定高温磨损性能的关键因素。在实际工程中，可考虑：

• 提高414N焊材中Cr的添加量，增强高温氧化皮的稳定性
• 探索添加稀土元素（如Ce、La）以细化碳化物并提高氧化皮致密性
• 采用多层堆焊策略，表层使用高Cr含量材料，底层使用高韧性材料

失效模式与预防

连铸辊堆焊层的典型失效模式包括：氧化剥落、磨粒磨损、热疲劳裂纹。本文揭示的氧化物剥落机制提示我们，高温下氧化皮的结构完整性是决定寿命的关键。建议在实际运行中加强辊面温度监测，建立温度-磨损深度关联模型，实现预测性维护。

关键疑问与深入思考

本文研究虽系统揭示了温度对磨损行为的影响，但仍存在以下值得深入探讨的问题：

1. 温度循环效应：实际连铸辊经历的是温度循环而非恒温工况，温度循环下的热疲劳与磨损耦合效应尚未研究。
2. 材料对比缺失：本文仅研究414N一种焊材，未与其他高温耐磨堆焊材料（如高铬铸铁、碳化钨复合堆焊层）进行对比。
3. 服役寿命预测：实验室磨损试验与实际服役条件存在差异，如何将实验室数据转化为寿命预测模型是工程应用的关键。

学习心得与总结

本文通过系统的温度梯度试验和微观表征，清晰揭示了414N硬面层在高温下的磨损机制转变规律，即从400℃的氧化-磨屑复合磨损向500℃以上的氧化-剥落主导磨损转变。氧化皮中Cr含量的变化和相组成演变为理解这一转变提供了关键证据。对于从事连铸辊堆焊修复的技术人员而言，本文的核心启示在于：温度控制是延长堆焊层寿命的首要手段，而材料设计中Cr的保留能力是决定高温耐磨性的根本因素。在实际工程中，应将本文的温度-磨损数据纳入连铸辊维护策略，建立基于温度监控的预测性维护体系，同时探索通过合金设计提高氧化皮稳定性的技术路线，以应对连铸工艺日益提高的温度和速度要求。