基于RZ-11焊丝的大型支承辊埋弧堆焊层强韧性研究的学习体会

文献概况与研究背景

本文由中钢集团邢台机械轧辊有限公司刘士彬等人发表于《金属制品》2026年第52卷第4期，采用自主设计的RZ-11型高合金药芯焊丝对大型锻钢支承辊进行埋弧堆焊，系统分析了堆焊层的微观组织、硬度分布、拉伸与冲击性能及断口形貌。大型支承辊是轧钢生产线中的关键备件，其辊颈部位承受巨大的交变载荷和摩擦磨损，是辊子失效的常见部位。通过堆焊强化辊颈表面，是提高支承辊使用寿命的重要手段。

RZ-11焊丝的设计思路

高合金药芯焊丝的成分设计

RZ-11型焊丝是一种高合金药芯焊丝，其设计目标是获得高硬度和高强度的堆焊层。从堆焊层组织分析来看，堆焊层主要由板条马氏体及板条间分布的残余奥氏体构成，这表明焊丝的成分设计以高碳、高合金为特征。板条马氏体相比片状马氏体具有更好的韧性，但高碳马氏体的固有脆性仍然是制约堆焊层综合性能的关键因素。

埋弧堆焊工艺的选择

埋弧焊（SAW）是大型辊类堆焊的常用工艺，其特点是热输入大、熔深大、生产效率高。但对于高合金药芯焊丝而言，埋弧焊的高热输入可能导致晶粒粗化、残余应力增大等问题。本文选择埋弧堆焊工艺，是在生产效率和堆焊质量之间做出的工程权衡。

微观组织与力学性能分析

堆焊层组织特征

堆焊层组织主要由板条马氏体及板条间分布的残余奥氏体构成。板条马氏体的形成与埋弧焊的高热输入有关——较高的冷却温度有利于板条马氏体的形成。残余奥氏体的存在对堆焊层的韧性有一定贡献，但过多的残余奥氏体可能导致堆焊层的尺寸稳定性下降。

力学性能数据

堆焊层展现出优异的强度（抗拉强度最高1260 MPa），但室温冲击功较低（3.0~5.0 J），断口呈现以准解理断裂为主、伴有少量浅小韧窝的混合形貌。这种"高强度、低韧性"的性能组合，是典型的高碳马氏体堆焊层的特征。

强韧性矛盾的根源分析

高强度的来源

堆焊层的高强度主要源于高碳马氏体及碳化物形成元素的共同作用。高碳马氏体本身具有较高的强度和硬度，碳化物形成元素（如Cr、Mo、V等）形成的碳化物进一步提升了强度。但这种强化机制是以牺牲韧性为代价的。

低韧性的根源

低韧性归因于高碳马氏体的固有脆性及焊接残余应力。高碳马氏体的晶格畸变严重，位错运动困难，裂纹一旦萌生便难以被钝化。焊接残余应力进一步降低了堆焊层的断裂韧性，特别是在应力集中部位（如堆焊层与母材界面、堆焊层表面缺陷处），裂纹萌生的临界应力降低。

断口形貌的解读

准解理断裂为主、伴有少量浅小韧窝的混合形貌，表明堆焊层的断裂行为以脆性断裂为主，但在局部区域存在微塑性变形。浅小韧窝的存在说明残余奥氏体或板条间的碳化物在一定程度上阻碍了裂纹的扩展，但效果有限。

与工程实践的结合思考

支承辊的服役条件

大型支承辊在轧钢过程中承受巨大的径向力和切向力，辊颈部位还承受交变载荷和摩擦磨损。堆焊层的强度需要满足承载要求，但韧性不足可能导致堆焊层在冲击载荷下开裂。在实际工程中，支承辊的失效模式往往是疲劳断裂或脆性断裂，而非塑性变形。

工艺优化的方向

本文的研究为后续通过成分微调与工艺优化以提高堆焊层综合服役性能提供了明确的理论依据与数据支撑。具体优化方向包括：

1. 成分微调：适当降低碳含量，或添加Ti、Nb等微合金元素促进碳化物的弥散分布，在保持强度的同时提高韧性。
2. 工艺优化：降低焊接热输入，细化晶粒；优化多层多道焊的层间温度，控制残余应力。
3. 热处理配套：堆焊后进行去应力退火或低温回火，降低残余应力，提高韧性。

埋弧焊与CMT工艺的对比思考

本文采用埋弧焊工艺，而我此前阅读的CMT堆焊15-5PH文献采用了CMT工艺。两种工艺各有优劣：埋弧焊生产效率高、熔深大，适合大面积堆焊；CMT工艺热输入低、变形小，适合精密堆焊。对于大型支承辊辊颈堆焊，埋弧焊可能是更经济的选择，但需要配合更精细的工艺参数控制。

关键疑问与后续思考

本文的研究虽然揭示了RZ-11焊丝堆焊层的强韧性特征，但仍有一些值得深入探讨的问题。首先，堆焊层与母材的界面结合质量如何？界面处的残余应力分布和裂纹萌生风险需要进一步评估。其次，堆焊层在轧钢服役过程中的疲劳性能如何？疲劳性能直接关系到支承辊的使用寿命。第三，堆焊层的耐磨性能如何？辊颈部位在轧制过程中承受摩擦磨损，堆焊层的耐磨性也是重要的性能指标。

从FMEA的角度看，RZ-11堆焊层的主要失效模式可能包括：脆性开裂、疲劳断裂、磨损减薄、界面脱粘等。其中，脆性开裂和疲劳断裂是高风险失效模式，需要通过成分优化和工艺改进加以预防。

学习心得与启示

这篇文献让我深刻认识到，堆焊层的"强韧性匹配"是一个永恒的技术难题。高强度堆焊层往往以牺牲韧性为代价，而提高韧性又可能降低强度。在工程实践中，需要根据具体的服役条件，在强度和韧性之间找到最佳平衡点。对于支承辊辊颈堆焊而言，我认为韧性可能比强度更为关键——因为在交变载荷下，韧性不足导致的脆性断裂往往比强度不足导致的塑性变形更为危险。我建议在后续工作中，重点研究通过微合金化、工艺优化和热处理配套来提高堆焊层韧性的技术路线，同时建立堆焊层疲劳性能的测试数据库，为工程应用提供更全面的指导。