回火处理对大型支承辊堆焊金属组织与性能影响的学习体会

文献概况与研究背景

本文出自《焊接》2012年第4期，由秦皇岛威尔德特种焊接材料有限公司周革宇等人与燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室杨健等人合作完成，研究大型支承辊堆焊金属在焊态及不同回火处理条件下的显微组织、相结构和表面宏观硬度。该研究发表于第60至63页。

大型支承辊是轧钢生产线中的关键部件，其工作面承受着巨大的轧制力、高温和摩擦磨损。堆焊耐磨层是延长支承辊使用寿命的主要手段。然而，堆焊金属在焊态下通常处于淬火状态，组织为高硬度的马氏体，但韧性较差，且在服役过程中可能因温度升高而发生回火软化，导致耐磨性下降。因此，通过回火处理优化堆焊金属的组织和性能，对于提高支承辊的使用寿命具有重要意义。

核心观点与组织演变

该研究研制了一种堆焊支承辊的药芯焊丝，对其焊态及不同回火温度下的显微组织进行了系统研究。主要发现如下：

焊态组织特征

焊态下堆焊金属的显微组织由马氏体、残余奥氏体和少量碳化物组成。马氏体是堆焊金属硬度的主要来源，其高硬度源于碳原子的固溶强化和位错密度。残余奥氏体的存在对堆焊金属的性能有双重影响：一方面，残余奥氏体在应力作用下可以发生马氏体相变，产生变形强化；另一方面，过多的残余奥氏体可能降低堆焊金属的硬度和耐磨性。

回火温度对组织的影响

研究结果表明，当回火温度达到520℃后，残余奥氏体分解完全，堆焊金属显微组织转变为回火马氏体加少量碳化物。由于二次硬化作用，随着回火温度的升高，堆焊金属硬度先上升后下降，当回火温度为520℃时，硬度达到最大值HRC 54。

二次硬化机理

二次硬化是含合金元素马氏体在回火过程中硬度先升后降的现象，其机理主要包括：

• 合金元素（如Mo、W、V、Nb等）的碳化物在回火过程中析出，产生弥散强化效应。
• 马氏体中固溶的碳和合金元素在回火初期脱溶，形成细小的碳化物颗粒，阻碍位错运动。
• 残余奥氏体的分解增加了马氏体的体积分数，提高了整体硬度。
• 碳化物的形态和分布随回火温度变化，在某一温度范围内碳化物的弥散度最高，强化效果最佳。

抗回火性能与服役条件

500℃回火的抗软化性能

研究特别关注了堆焊金属在500℃下的抗回火性能。结果表明，堆焊金属在500℃的抗回火性能最好。在500℃回火条件下，保温时间延长到48小时时，其硬度仍保持为HRC 47，可以满足支承辊堆焊后的使用性能要求。

这一结果具有重要的工程意义。大型支承辊在轧钢过程中，工作面的温度通常在400至600℃之间。如果堆焊金属在该温度范围内发生显著软化，将严重影响其耐磨性和使用寿命。500℃下48小时保温后硬度仍保持HRC 47，说明该堆焊金属具有良好的抗回火软化能力，能够满足支承辊的实际服役条件。

回火工艺参数的确定

与工程实践的结合

支承辊堆焊修复工艺

大型支承辊的堆焊修复是轧钢企业的重要维护工作。典型的修复工艺包括以下步骤：

1. 旧堆焊层打磨：使用角磨机或砂轮将旧堆焊层打磨至基体，确保堆焊层与基体之间无氧化物和杂质。
2. 预热：将辊体预热至200至300℃，以减少焊接应力和防止裂纹。
3. 堆焊：采用药芯焊丝埋弧焊（FCAW）或药芯焊丝气体保护焊（FCAW-G）进行堆焊，通常堆焊2至3层。
4. 回火处理：堆焊完成后进行整体回火或局部回火，优化堆焊层的组织和性能。
5. 机加工：将堆焊层加工至设计尺寸和表面粗糙度要求。
6. 检测：进行硬度测试、磁粉检测和尺寸测量，确保堆焊层质量。

回火处理的关键控制点

在实际生产中，回火处理的质量控制需要注意以下要点：

• 加热速率控制：大型支承辊的加热速率应控制在100至150℃/小时以内，以避免因热应力过大而产生裂纹。
• 温度均匀性：辊体各部位的温度偏差不应超过30℃，确保回火效果均匀。
• 保温时间：根据辊体厚度和材料特性确定保温时间，通常每25 mm厚度需要1小时保温。
• 冷却控制：回火后的冷却应采用空冷或缓冷方式，避免在冷却过程中产生新的应力。
• 回火后检测：回火后应进行硬度测试和磁粉检测，确认回火效果和组织状态。

堆焊金属的选材原则

支承辊堆焊金属的选材需要考虑以下因素：

• 硬度要求：堆焊层硬度应高于基体材料，通常要求HRC 45至55。
• 耐磨性：堆焊层应具有良好的耐磨性，能够承受轧制过程中的摩擦磨损。
• 抗热疲劳性：堆焊层应能承受反复加热和冷却的热循环，不开裂。
• 抗回火软化性：堆焊层在服役温度下应能保持足够的硬度。
• 与基体的冶金相容性：堆焊层与基体之间应具有良好的冶金结合，无裂纹和未熔合。

关键疑问与思考

阅读该文献后，我有以下几点思考：

第一，文献中研究的是药芯焊丝堆焊，但对于实心焊丝堆焊和粉末堆焊，回火处理的效果是否类似？不同堆焊方法产生的堆焊层组织可能存在差异，回火工艺是否需要相应调整？

第二，文献中讨论了回火温度对硬度的影响，但对回火温度对韧性、热疲劳性能的影响未做深入讨论。在实际应用中，堆焊金属的韧性同样重要，特别是在低温轧制或冲击载荷条件下。

第三，二次硬化效应的具体机理是什么？是碳化物的析出强化为主，还是残余奥氏体的分解为主？不同的合金元素对二次硬化的贡献是否相同？这些问题对于堆焊材料的进一步优化具有重要意义。

第四，500℃下48小时保温后硬度为HRC 47，但实际服役条件可能更加复杂，包括温度波动、应力循环、腐蚀介质等。在这些复杂条件下，堆焊金属的性能是否仍能保持？

学习心得与启示

该文献给我最大的启示是：堆焊金属的性能不仅取决于焊态组织，还受到后续热处理（如回火）的显著影响。通过合理的回火处理，可以优化堆焊金属的组织和性能，使其在实际服役条件下表现出更好的综合性能。

从焊接冶金的角度来看，回火处理是堆焊工艺中不可分割的环节。焊态下的高硬度马氏体虽然硬度高，但韧性差，且对温度敏感。通过回火处理，可以在保持足够硬度的同时提高韧性，并改善抗回火软化性能。520℃回火使硬度达到最大值HRC 54，而500℃下48小时保温后硬度仍保持HRC 47，这两个数据为支承辊堆焊修复的工艺设计提供了重要的参考依据。

对于从事钢管和管件制造的技术人员而言，该文献提醒我们：堆焊不仅仅是"堆上去"那么简单，堆焊后的热处理同样是决定堆焊层质量的关键环节。在实际生产中，应根据堆焊材料的特点和服役条件，制定合理的回火工艺，并通过试验验证回火效果，确保堆焊层满足使用要求。

此外，该文献还强调了合金元素在堆焊金属性能中的作用。含Mo、W、V等强碳化物形成元素的堆焊金属具有更好的二次硬化效应和抗回火软化能力。在堆焊材料的选择上，应充分考虑合金元素的作用，选择适合服役条件的材料。