稀土氧化物对堆焊金属抗开裂性能的影响——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《中国稀土学报》1999年第17卷第3期，由燕山大学杨庆祥、苑辉、廖波、姚枚完成，受现代焊接生产技术国家重点实验室资助。研究针对轧辊和模具堆焊金属的抗开裂性能问题，系统考察了稀土氧化物对堆焊金属组织、性能及抗开裂能力的影响。

轧辊和模具是钢铁和有色金属加工行业的关键装备，其表面堆焊层直接承受高温、高压、磨粒磨损和热疲劳的复合载荷。堆焊层开裂是导致装备非计划停机的首要原因之一，因此提高堆焊层的抗开裂性能具有重要的工程经济价值。

裂纹形貌分析与机理

作者采用金相显微镜和扫描电镜（SEM）对堆焊裂纹进行了系统观察，识别出两种主要裂纹形式：

结晶裂纹的产生与堆焊金属中S、P等有害元素的偏析密切相关。在凝固过程中，溶质元素在晶界处富集形成低熔点共晶（如FeS、Fe₃P），当凝固收缩应力超过晶界强度时即产生裂纹。淬硬裂纹则与HAZ中马氏体硬脆组织及氢的聚集有关。

稀土氧化物的作用机制

稀土元素（如Ce、La、Y等）在堆焊金属中的作用主要体现在以下几个方面：

1. 净化熔池：稀土元素具有强脱硫能力，与S形成高熔点稀土硫化物（如Ce₂S₃，熔点2100°C），消除低熔点FeS共晶，从而显著提高抗结晶裂纹能力。
2. 变质晶粒：稀土氧化物作为异质形核核心，促进等轴晶的形成，细化晶粒，降低凝固收缩应力。
3. 改善夹杂物形态：稀土元素使钢中氧化物夹杂球化，减少应力集中源，提高材料的塑性和韧性。
4. 稳定碳化物：稀土元素与C形成高熔点稀土碳化物，提高高温强度和抗热疲劳性能。

工艺参数与性能优化

稀土氧化物的添加量和形态对堆焊层性能有显著影响，过量添加反而可能产生不利影响：

从工程实践角度，稀土氧化物的添加方式也有讲究。直接加入药皮中时，由于高温下稀土元素的烧损率较高（可达30%~50%），实际进入熔池的量远低于理论添加量。因此，实际配方设计中需要适当提高稀土氧化物的名义添加量，或通过加入稀土铁合金（如RE-Fe）来提高收得率。

与工程实践的关联

在轧辊堆焊的实际生产中，裂纹控制是一个系统工程。除了焊材本身的抗裂设计外，还需关注以下工艺因素：

• 热输入控制：对于大厚度轧辊，建议采用分段堆焊，每段长度控制在150~200mm，避免连续长焊缝产生过大累积变形和应力。
• 堆焊层设计：采用多层堆焊结构，底层使用过渡层焊条（如高韧性Cr-Mo系），面层使用高硬度耐磨焊条，可有效降低层间开裂风险。
• 焊后处理：堆焊完成后建议进行去应力退火（600~650°C，保温2~3小时），消除残余应力，防止延迟开裂。

学习心得与思考

这篇文章的研究方法体现了"从微观组织到宏观性能"的经典材料学研究范式。通过金相和SEM观察裂纹形貌，判断裂纹类型，进而针对性地设计稀土添加方案，这种逻辑链条清晰且实用。

从现代焊接冶金的角度看，稀土元素在焊接材料中的应用已经形成了较为成熟的理论体系。稀土元素对焊接冶金过程的影响已被纳入《焊接冶金学》教材的标准内容。然而，稀土元素的具体作用机制（如稀土氧化物在熔池中的溶解动力学、稀土元素在凝固前沿的分配行为等）仍有待深入探讨。

对于现场技术人员而言，稀土焊条的使用需要特别注意药皮的均匀性。稀土氧化物在药皮中的分布不均匀会导致熔敷金属成分波动，进而影响堆焊层性能的一致性。因此，焊条制造过程中药皮的混料均匀度是质量控制的关键环节。