热轧工作辊堆焊修复选材与工艺学习体会

文献概况与工业需求

聂斌英在《机械工程材料》2004年第28卷第7期发表的这篇论文，针对ZUB140NCrMo半钢热轧工作辊的堆焊修复，从选材和工艺两个维度进行了系统论述。宜春学院工学院作为教学科研机构参与工业实践，体现了产学研结合的理念。热轧工作辊是热轧生产线的核心消耗件，其使用寿命直接影响生产效率和经济成本，堆焊修复技术是实现工作辊经济再生的重要手段。

热轧工作辊的工作条件与失效分析

热轧工作辊在轧制过程中承受着极为恶劣的工况条件：高温（可达800~1200°C）、高压（轧制力可达数百吨）、高速（轧制线速度可达数米每秒）、氧化铁皮冲击和热疲劳循环。这些工况导致工作辊的失效模式主要包括：

• 磨粒磨损：氧化铁皮和轧件表面的硬质颗粒对辊面的磨粒磨损，是最主要的失效模式。
• 热疲劳裂纹：辊面反复受热和冷却，温度梯度引起的热应力导致表面裂纹萌生和扩展。
• 接触疲劳：高压接触下辊面的点蚀和剥落。
• 塑性变形：高温下辊面材料的蠕变和压溃。

ZUB140NCrMo半钢热轧工作辊的辊身采用高碳铬钢（含碳量约1.4%），具有高硬度和高耐磨性，但韧性较低。半钢辊的辊颈部分采用低合金钢，保证强度和韧性。这种复合结构既满足了辊面的耐磨需求，又保证了辊身的抗弯和抗扭强度。

堆焊修复材料选择

弥散硬化原理的应用

论文关键词中提到的"弥散硬化"是本次堆焊修复选材的核心理论依据。弥散硬化是通过在基体中弥散分布细小、稳定的第二相粒子（如碳化物、氧化物等），阻碍位错运动，从而提高材料强度和硬度的强化机制。对于热轧工作辊的堆焊层，弥散强化意味着需要选择含有大量细小碳化物的焊材。

堆焊材料性能要求

适合热轧工作辊堆焊的焊材类型包括：高碳高铬铸铁类焊材（如Cr₂₀C₂、Cr₂₆等）、高碳高铬合金钢类焊材（如Cr₁₃、Cr₂₀Mo等）、以及弥散强化型焊材（如含TiC、TaC、NbC等硬质相的焊材）。论文中选择的焊材应属于弥散强化型，通过硬质碳化物粒子的弥散分布实现高温下的耐磨性。

堆焊工艺方案与质量控制

工艺参数选择

热轧工作辊的堆焊通常采用埋弧焊（SAW）或药芯电弧焊（FCAW），以获得较大的熔敷率和较高的生产效率。典型工艺参数如下：

• 焊接电流：400~600 A
• 电弧电压：28~36 V
• 焊接速度：30~60 cm/min
• 焊丝直径：Φ3.2~Φ5.0 mm
• 预热温度：200~300°C
• 层间温度：≤300°C
• 堆焊层厚度：3~8 mm（根据辊面磨损量确定）

堆焊层质量控制要点

1. 预热与层间温度控制：ZUB140NCrMo辊身碳含量较高，冷裂纹敏感性大，必须充分预热并控制层间温度。
2. 堆焊道次设计：采用多层多道焊，第一道作为过渡层，采用与辊身成分接近的焊材，后续道次逐步过渡到耐磨堆焊层。
3. 焊后热处理：堆焊完成后进行低温回火（250~350°C），消除残余应力，改善堆焊层韧性。
4. 表面加工：堆焊层需进行精车或磨削加工，达到辊面的表面粗糙度和几何精度要求。

修复效果评价

论文指出修复后轧辊的工作寿命与新辊相当，修复费用仅为新辊成本的40%，经济效益显著。这一结论具有重要的工程指导意义。从成本效益分析的角度：

学习心得与启示

热轧工作辊的堆焊修复是典型的"以旧换新"工程实践，其核心价值在于通过表面工程手段恢复或提升零部件的性能，而非简单替换。弥散强化原理在堆焊材料设计中的应用，展示了材料科学与焊接工程的深度交叉。对于从事轧辊修复的技术人员而言，选材是第一步，但工艺控制才是决定修复质量的关键。预热温度、层间温度、焊后热处理等看似简单的工艺参数，实际上直接影响堆焊层的微观组织和服役性能。这篇文献虽然篇幅不长，但选材与工艺的系统论述思路，为同类修复工程提供了清晰的技术框架。