基于RZ-11焊丝的大型支承辊堆焊层强韧性研究——文献学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于《金属制品》2026年第52卷第4期，由高性能轧辊材料与复合成形全国重点实验室刘士彬、董艳春等与中钢集团邢台机械轧辊有限公司、河北工业大学、燕山大学、新余钢铁集团有限公司、唐山中厚板材有限公司等多方合作完成，受河北省中央引导地方科技发展资金项目等多项资助。大型锻钢支承辊是热轧生产线的核心备件，其辊颈部位承受巨大的交变载荷和冲击载荷，需要同时具备高强度和高韧性。本文采用自主设计的RZ-11型高合金药芯焊丝进行埋弧堆焊，系统分析了堆焊层的组织、硬度、拉伸与冲击性能。

核心发现与性能分析

微观组织特征

RZ-11药芯焊丝埋弧堆焊层的组织主要由板条马氏体及板条间分布的残余奥氏体构成。这种组织特征是高碳高合金钢在快速冷却条件下的典型表现。板条马氏体的板条间残余奥氏体具有一定的增韧作用，但在高碳条件下，马氏体的脆性仍然占主导地位。

力学性能数据

抗拉强度达到1260 MPa，这一强度水平对于支承辊辊颈堆焊层而言是相当高的。然而，室温冲击功仅为3.0~5.0 J，这是一个非常低的数值。通常认为，冲击功低于20 J的材料在低温或冲击载荷条件下存在脆性断裂风险。断口形貌以准解理断裂为主，说明堆焊层在冲击载荷下的断裂模式以脆性断裂为主，仅伴有少量浅小韧窝，表明局部区域存在一定的塑性变形能力。

强韧性矛盾分析

文献指出，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，而低韧性则归因于高碳马氏体的固有脆性及焊接残余应力。这一分析揭示了高碳马氏体堆焊层固有的强韧性矛盾——碳含量的提高有利于强度和硬度的提升，但同时显著降低了韧性。焊接残余应力的叠加进一步恶化了韧性。

与工程实践的结合

大型支承辊辊颈的堆焊修复在实际生产中面临以下挑战：

1. 冲击载荷工况：热轧生产线中，支承辊辊颈承受来自轧制力的交变载荷，以及轧件卡钢、断辊等异常工况下的冲击载荷。堆焊层的低冲击功意味着在这些工况下存在脆性断裂的风险。
2. 热疲劳工况：辊颈部位存在显著的温度梯度，热疲劳裂纹的萌生和扩展与材料的韧性密切相关。低韧性堆焊层可能加速热疲劳裂纹的扩展。
3. 再制造经济性：大型支承辊的制造成本高昂，再制造是经济可行的选择。但堆焊层的低韧性可能限制再制造辊的使用范围和寿命。

在实际应用中，需要通过以下措施改善堆焊层的韧性：退火或回火处理以消除残余应力、通过成分微调降低碳含量、采用多层堆焊以改善界面结合质量。

关键疑问与思考

文献中有一些值得深入探讨的问题。首先，RZ-11焊丝的成分设计是否可以进一步优化？例如，降低碳含量同时增加钼、铌等碳化物形成元素的含量，是否可以在保持强度的同时提高韧性？其次，堆焊层的残余应力分布如何？通过什么方法可以有效降低残余应力？第三，堆焊层与母材的界面结合质量如何？界面处的组织特征和性能如何？这些问题对于优化RZ-11焊丝的配方和堆焊工艺具有重要的指导意义。

学习心得与启示

本文的研究揭示了高碳马氏体堆焊层固有的强韧性矛盾，这对于从事高合金堆焊材料研发的技术人员而言是一个重要的警示。在实际工程中，强韧性匹配往往需要根据具体工况进行权衡——对于以耐磨为主要要求的工况，可以适当牺牲韧性；对于以抗冲击为主要要求的工况，则需要降低碳含量以提高韧性。RZ-11焊丝的研究为后续的成分优化和工艺改进提供了明确的方向，其核心价值在于通过系统的性能测试和断口分析，揭示了堆焊层性能的本质原因，为后续的改进提供了理论依据。