球铁轧辊辊颈等离子堆焊材料设计和工艺研究——文献学习体会

研究背景与工程需求

本文发表于2021年《四川冶金》第43卷第3期，作者来自邢台轧辊特种制造有限公司、中钢集团邢台机械轧辊技术中心及轧辊复合材料国家重点实验室，受河北省重点研发计划项目（19211004D）资助。研究的核心议题是采用等离子堆焊方法对球墨铸铁轧辊辊颈进行耐磨层修复，通过设计过渡层和硬层堆焊合金粉末，解决球铁辊颈因含碳量高、焊接性差而难以进行常规熔焊修复的技术难题。

球墨铸铁轧辊在钢铁轧制生产中应用广泛，其辊颈部位在长期服役过程中承受交变载荷和摩擦磨损，容易出现表面磨损、裂纹和疲劳损伤。辊颈的磨损直接影响轧辊的旋转精度和轧制质量，因此辊颈的耐磨修复是轧辊维护中的关键环节。然而，球铁材料的高含碳量（通常3.5%~3.9%）和石墨化组织导致其焊接性极差，常规电弧焊极易产生白口组织和冷裂纹，这是制约球铁辊颈修复的主要技术瓶颈。

球铁焊接性分析与技术难点

球墨铸铁的焊接性差，根源在于其化学成分和组织特征。高碳含量在焊接热循环作用下，碳从石墨中析出并与铁形成渗碳体（Fe3C），形成硬而脆的白口铸铁组织，白口组织的硬度可达600~1000 HV，且塑性极低，在冷却收缩应力作用下极易产生裂纹。此外，球铁中的磷、硫等杂质元素进一步恶化了焊接性。

等离子弧堆焊相对于传统电弧焊的优势在于：等离子弧温度集中（可达16000~20000°C），热输入可控，熔池小而深，稀释率相对较低，且等离子弧的刚性束特性使得堆焊层的成形更加均匀。这些特点使其成为球铁辊颈修复的理想选择。

粉末材料设计思路

本文的核心创新在于"过渡层+硬层"的双层粉末设计策略。过渡层粉末的成分设计原则是：碳含量适中，含有足够的合金元素（如Mn、Si、Cr、Mo等）以促进石墨化，同时具有良好的熔合性和抗裂性。过渡层的作用是作为球铁基体与硬层之间的缓冲，稀释白口区的碳含量，降低残余应力，避免裂纹的产生。

硬层粉末的成分设计原则是：高硬度、高耐磨性，含有强碳化物形成元素（如Cr、W、V、B等），形成硬质相（如Cr7C3、Cr3C2、WC、VC等）。硬层直接承受磨损载荷，其性能决定了辊颈的耐磨寿命。

根据试验结果，作者确定了堆焊性能良好的过渡层粉末和能适应不同硬度需求的硬层粉末材料。不同硬度的硬层粉末对应不同的服役工况——高硬度粉末适用于重载低速磨损工况，中硬度粉末适用于中载中速磨损工况，低硬度粉末适用于轻载高速磨损工况。

工艺方法与试验验证

在轧辊扁面端头倒角处进行堆焊试验，解决了辊颈扁面边部耐磨层堆焊的工艺方法和材料问题。辊颈扁面边部是轧辊磨损的高发区域，该部位的几何形状复杂（存在倒角、曲面过渡），堆焊操作难度大，容易产生未熔合、气孔和裂纹等缺陷。

等离子堆焊的工艺参数包括：弧电流、送粉速度、堆焊速度、保护气体流量、母材预热温度及焊后热处理制度等。在球铁辊颈堆焊中，母材预热温度通常控制在250~350°C，以减缓冷却速度，促进石墨化，降低冷裂纹敏感性。焊后热处理（去应力退火）也是必不可少的工序，通常采用600~650°C的低温退火，保温2~4小时，以消除焊接残余应力。

裂纹着色检查是验证堆焊质量的重要手段。作者通过着色渗透检测（PT）对堆焊层及热影响区进行裂纹检查，确认无裂纹后方可判定堆焊合格。

工程实践启示与个人思考

从工程实践角度分析，该研究对球铁轧辊辊颈的修复具有直接的指导价值。在轧钢企业的实际生产中，轧辊辊颈的磨损修复是一项高频次的维护作业，每次修复都需要停机更换或修复，对生产连续性影响较大。等离子堆焊辊颈修复技术能够在不更换整个轧辊的前提下恢复辊颈的耐磨性能，大幅降低维护成本和停机时间。

然而，在实际应用中仍需关注以下问题：第一，过渡层与硬层的界面结合质量是关键，界面处若存在微裂纹或疏松，在服役过程中可能成为疲劳裂纹的萌生源；第二，多层堆焊时各层的成分梯度需要精确控制，避免层间应力过大；第三，辊颈扁面边部的几何形状对堆焊操作提出了特殊要求，需要开发专用的堆焊夹具和送粉装置。

该文献的研究成果体现了产学研结合的优势——企业提出工程需求，高校提供理论支持，联合攻关解决了实际生产中的技术难题。这种合作模式值得在更多工程领域推广。

总结

本文通过设计过渡层和硬层合金粉末，采用等离子堆焊方法成功实现了球铁轧辊辊颈的耐磨层修复，解决了球铁高含碳量导致焊接性差的技术难题。"过渡层+硬层"的双层设计策略为类似高碳材料的堆焊修复提供了可借鉴的技术思路。对于从事轧辊维护、管道修复及焊接工程的技术人员而言，该文献的核心价值在于展示了通过材料设计与工艺优化协同解决焊接性难题的系统化方法，具有重要的工程实践指导意义。