卓金管件有限公司ZG75CrMo热轧工作辊堆焊工艺研究——文献学习体会
文献概况
本文发表于《焊接技术》1999年第28卷第4期，作者胡秀彬等人来自邢台机械轧辊（集团）有限公司设备制造公司，属于轧辊制造与修复领域的工程实践性研究。文章针对ZG75CrMo热轧工作辊传动侧扁头因磨损先于辊身达到报废尺寸而导致整根轧辊寿命缩短的问题，提出了在扁头表面堆焊耐磨耐冲击复合层的解决方案，成功延长了轧辊使用寿命，并在新轧辊生产制造中推广应用。
核心观点与问题诊断
轧辊失效模式分析
热轧工作辊在服役过程中承受多重载荷：轧制力、摩擦力、热应力、氧化铁皮冲刷等。ZG75CrMo是一种高碳高铬铸钢，具有良好的耐磨性和红硬性，但不同部位的磨损速率存在显著差异。传动侧扁头由于与传动装置的接触摩擦、润滑条件差、应力集中等因素，磨损速率远高于辊身，导致扁头先达到报废尺寸，而辊身仍有大量剩余寿命。这种"短板效应"使得整根轧辊被迫报废，造成严重的材料浪费和经济损失。
复合堆焊层的结构设计
本文提出的解决方案是在扁头表面堆焊耐磨耐冲击复合层。复合层的结构设计思路是：
- 底层（结合层）：采用与ZG75CrMo基体冶金相容性好的过渡层材料，确保堆焊层与基体的冶金结合质量，避免界面开裂；
- 面层（工作层）：采用高硬度耐磨材料（如高碳高铬铸铁或硬质合金），提供优异的耐磨性能；
- 过渡层（可选）：在底层与面层之间设置硬度梯度过渡层，缓解硬度突变引起的应力集中。
这种复合层结构的设计思想类似于多层涂层技术，通过硬度梯度和成分梯度来平衡耐磨性和抗冲击性。
技术要点解读
ZG75CrMo材料特性
ZG75CrMo的化学成分和力学性能如下：
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 碳含量 | 0.70%~0.80% |
| 铬含量 | 0.80%~1.10% |
| 抗拉强度 | ≥590MPa |
| 冲击韧性 | ≥47J/cm² |
| 硬度 | 229~269HB |
| 淬透性 | 中等 |
ZG75CrMo的高碳含量使其具有良好的淬硬性和耐磨性，但同时也增加了焊接裂纹敏感性。在堆焊工艺中，需要特别注意预热温度和层间温度的控制，以降低冷裂纹风险。
堆焊工艺参数
针对ZG75CrMo扁头堆焊，推荐的工艺参数如下：
| 工艺参数 | 推荐值 | 说明 |
|---|---|---|
| 焊接方法 | 手工电弧焊（SMAW）或埋弧焊（SAW） | 根据扁头尺寸选择 |
| 焊条/焊丝 | 高铬铸铁焊条或堆焊焊丝 | 如D266、D277等 |
| 预热温度 | 200~300°C | 降低冷裂纹倾向 |
| 层间温度 | ≤250°C | 防止晶粒粗化 |
| 焊道厚度 | 每道3~5mm | 多层多道堆焊 |
| 焊道宽度 | 8~12mm | 保证熔合质量 |
| 焊后热处理 | 550~600°C去应力退火 | 消除残余应力 |
堆焊层质量控制
堆焊层的质量控制应涵盖以下几个方面：
- 外观检查：检查堆焊层表面是否有裂纹、气孔、咬边等缺陷；
- 硬度检测：堆焊层硬度应达到60~65HRC（面层），底层硬度应控制在40~50HRC；
- 金相分析：检查堆焊层与基体的冶金结合质量，确认无未熔合、分层等缺陷；
- 冲击试验：堆焊层应能承受轧辊工作时的冲击载荷，冲击韧性不低于47J/cm²；
- 尺寸精度：堆焊后扁头尺寸应符合轧辊装配要求，圆度和同轴度满足公差要求。
与工程实践的结合
在轧辊制造和修复企业中，扁头堆焊修复已成为一种成熟的工艺手段。某大型钢铁企业在实施轧辊扁头堆焊修复后，轧辊综合使用寿命从原来的4000吨/根提高到8000吨/根，寿命提升100%。同时，由于扁头堆焊修复的成本仅为更换新轧辊的10%~15%，年度轧辊维护费用从约500万元降至约200万元，经济效益十分显著。
从PDCA循环角度总结扁头堆焊工艺的实施过程：
- Plan：根据轧辊工况和扁头磨损数据，制定堆焊材料选择和工艺参数方案；
- Do：按工艺规程实施堆焊，严格控制预热、层间温度和焊道参数；
- Check：堆焊后进行硬度、金相、尺寸精度等质量检测；
- Act：根据服役反馈数据优化工艺参数，建立堆焊层寿命数据库。
从5W2H方法分析扁头堆焊修复方案：What——扁头表面耐磨耐冲击复合层堆焊；Why——延长轧辊寿命、降低维护成本；Who——专业堆焊技师；When——轧辊检修期间或新轧辊制造时；Where——轧辊制造车间或现场；How——多层多道堆焊，底层+面层复合结构；How much——成本约为新轧辊的10%~15%。
关键疑问与思考
本文的一个核心问题是：复合堆焊层在长期服役后的疲劳性能如何？轧辊扁头承受交变接触应力，堆焊层与基体的界面在循环载荷下是否会出现疲劳开裂？这是一个在实际应用中需要重点关注的风险点。建议在实际应用中，对堆焊修复后的轧辊进行疲劳寿命试验，建立堆焊层疲劳寿命与轧辊服役时间的关系模型。
另一个值得思考的问题是：扁头堆焊修复的适用性边界。当扁头磨损深度超过一定限度（如原始尺寸的20%）时，堆焊修复是否仍然可行？过大的堆焊层厚度可能导致残余应力过大、变形超差等问题。建议在实际应用中，建立扁头磨损深度与堆焊修复可行性的判据标准。
此外，堆焊层与轧辊基体的热膨胀系数匹配也是一个潜在问题。ZG75CrMo的线膨胀系数约为12×10⁻⁶/°C，而高碳高铬铸铁的线膨胀系数约为10×10⁻⁶/°C，两者存在约17%的差异。在热轧工况下（工作温度400~800°C），这种热膨胀系数差异可能导致界面热应力集中，长期服役后可能引发界面开裂。建议在复合层设计中考虑热膨胀系数匹配问题。
学习心得与启示
本文的研究体现了"问题导向—方案设计—工程验证"的实用主义研究思路。在轧辊制造和修复领域，扁头磨损导致的"短板效应"是一个普遍存在的工程问题，通过堆焊复合层技术有效解决了这一问题。我深刻体会到：在工程实践中，材料的选择和工艺的设计必须紧密结合具体工况条件，不能简单地套用标准或经验。ZG75CrMo扁头堆焊的成功实践表明，通过合理的材料选择和工艺设计，可以在不改变基体材料的前提下，显著改善局部关键部位的耐磨性能，实现"以最小代价获得最大效益"的工程目标。对于从事轧辊制造和修复的技术人员而言，掌握复合堆焊层的设计思想和质量控制方法，是提高产品竞争力和降低成本的关键技术能力。