摘要：冶金轧辊轧制过程中的主要失效形式是辊面磨损。轧辊磨损辊面修复技术主要有电刷镀、热喷涂、热喷焊、传统堆焊、激光熔覆等，对各种修复技术的优缺点进行分析。为了确保轧辊修复后的使用性能，需要降低轧辊修复层的残余拉应力。降低残余拉应力主要从修复层材料与基体线膨胀系数的匹配性和合理的预热及修复后热处理2个方面进行，提出磨损辊面修复过程中降低残余拉应力的措施。

轧辊是轧制过程中使金属变形的直接工具，其质量和使用寿命直接关系着轧制生产的生产效率、产品质量和生产成本。轧辊在实际使用过程中，要承受很大的轧制循环应力、瞬间高温和强烈的冲击力、较强的摩擦力和挤压力，不可避免会造成轧辊的失效。如果轧辊失效，将会使整个轧辊报废，造成巨大浪费，也给企业带来巨大的经济损失。辊面磨损是冶金轧辊的一种主要失效形式，如何修复磨损辊面，一直是轧辊行业关注的重大问题。通过磨损辊面修复的电刷镀技术、热喷涂技术、热喷焊技术、传统堆焊技术、激光熔覆技术的介绍，分析了各种修复技术的优缺点，提出了冶金轧辊磨损辊面修复过程中降低残余应力的措施，为现场修复磨损辊面提供一定的理论参考依据。

1、磨损辊面失效形式

冶金轧辊磨损辊面包括正常磨损和非正常磨损2种形式。

正常磨损是轧辊在实际轧制过程中，随着轧制时间的延长，轧辊表面与轧制品相互磨削接触，造成轧辊表面金属颗粒逐渐与辊面分离，使轧辊直径变小，耐磨性能降低。当轧辊直径磨损小到一定程度和辊面硬度下降到某一规定值后，即使没有其他缺陷也不能使用。因为轧辊直径小，硬度降低后，轧制的产品将不能达到规定的尺寸和形状要求。

非正常磨损的磨损机制主要有疲劳磨损、黏着磨损、腐蚀磨损、磨粒磨损、微动磨损。在实际轧制过程中，这几种磨损形式相互存在，共同交替作用，其主要作用表现形式为轧辊表面裂纹，可划分为轴向裂纹、周向裂纹、龟裂、环状和网状裂纹。据统计，冷工作辊表面裂纹失效率可达到60%以上，热工作辊表面可达20%以上，裂纹多发生在轧辊与轧制品接触的部位。随着磨损的加剧，龟裂、环状和网状裂纹就会沿晶界由外向内扩展，可能发生辊面浅层剥落或大面积深层剥落，此时的轧辊表面还可以修复；但随着轧制时间的延长，可能会进一步发生断辊现象，轧辊无法修复，只能报废。

2、磨损辊面修复技术

辊面磨损的冶金轧辊在修复之前，需要采用机械加工的方式去除轧辊面的裂纹缺陷和疲劳层，防止其作为裂纹源影响到修复后轧辊的质量。磨损辊面修复技术主要有以下几种。

2.1电刷镀技术

电刷镀技术是1938年由法国“Dalic”研究所发明的，是在常温和无槽条件下，在轧辊局部表面快速电化学沉积一种金属或合金镀层的方法。王红美等在轧辊表面电刷镀纳米复合镀层，镀层具有优良的抗疲劳和抗磨损性能。

电刷镀技术具有设备简单、操作灵活、镀覆速度快、镀层表面粗糙度低、镀层种类多等优点。但是该技术在生产中环境污染较严重，在一定程度上制约了其应用。

2.2热喷涂技术

热喷涂技术是将喷涂材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使喷涂材料分散细化并高速撞击到基体表面形成微冶金结合或者机械结合涂层制备技术。司剑等采用氧乙炔火焰喷涂镍铝复合粉F505( 过渡层) 和镍基合金G112粉末( 工作层)修复铸铁KmTBMn5W3轧辊，涂层与轧辊表面孔隙率为25%，过渡涂层与基体抗拉结合强度25MP，抗剪结合强度为130MPa，工作涂层经1500h，工作后磨损小，满足技术要求。日本Fujii M等在钢辊表面热喷涂AI2O3-TiO2复合涂层进行耐磨性摩擦试验，结果表明厚度0.2mm 的涂层在抵抗滚动接触疲劳时具有良好的耐磨性能。

热喷涂技术修复轧辊表面具有基体变形小，热影响区很浅。但该技术的缺点是涂层与基体结合力强度较低，而且涂层内部存在气孔和残余应力，韧性差，切削加工性较差，也在一定程度上限制其广泛应用。

2.3热喷焊技术

热喷焊技术是在热喷涂技术基础上发展的一项涂层技术，是采用热源将涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除气孔。蒋富惠等采用SPH-C型喷焊重熔设备在轧辊表面喷焊 G112粉，喷焊层硬度为58~62HRC，喷焊层与基体结合强度已超过或接近母材。倪振航等采用火焰作为热源在CSP输送辊道上喷焊镍基合金Ni60A粉末，喷焊层与基体结合强度高，孔隙率低。热喷焊技术喷焊层组织致密，冶金缺陷少，喷焊层与基体冶金结合强度高，但基体变形和热影响区比热喷涂技术大。

2.4传统堆焊技术

传统堆焊技术是在轧辊表面熔覆一层耐热、耐磨、耐蚀等具有特殊性能合金层的技术。传统堆焊技术是冶金轧辊磨损辊面最常用的修复技术，其堆焊修复技术一般工艺路线如图1所示。

堆焊技术包括埋弧自动焊，手工电弧焊和钨极氩弧焊 3 种，不同堆焊技术修复特点见表 1。国内外已经研制出各种耐磨型焊接材料应用于冶金轧辊磨损辊面修复，如日本的 MF － 30 /US － H600N、HF － 1000; 瑞典的 UTP － CDUＲ 600、SK － C600 － O; 美国的 Face weld12; 中国的 D667、D687、GFH － 423 － S /GXH － 82 等。

2.4.1埋弧自动焊

埋弧自动焊是目前最常用的冶金轧辊表面堆焊修复技术，通常轧辊缺陷区域先采用过渡层材料，而后采用工作层材料。该方法为自动化生产，具有生产效率高，劳动条件好等优点。同时由于熔渣对熔池的保护作用，减少了空气中氮、氧和氢对熔池的侵入，堆焊金属性能质量好。埋弧自动堆焊技术热输入大，对轧辊稀释率高，通常需要堆焊多层才能保证所需的堆焊金属性能。为了防止轧辊修复中冷却速度过快出现裂纹，通常需要焊前预热、缓冷等措施。为了减少堆焊残余应力和改善堆焊材料性能，焊后需要进行热处理。

石秋红等采用H2Cr13埋弧焊丝和焊剂SJ260对低合金高强钢70Mn轧辊进行埋弧自动焊堆焊修复，堆焊层不但能满足质量要求，而且堆焊层的高硬度和高耐磨性使轧辊的使用寿命提高近一倍。牛犇等采用自制药芯焊丝和焊剂在Cr5 冷轧辊上进行堆焊修复试验，堆焊过程稳定，成形美观，堆焊层金属以奥氏体组织为基体，硬质相颗粒弥散分布在基体中，组织均匀细小；堆焊层平均硬度为59HRC，耐磨性能优于Cr5钢材质。

2.4.2手工电弧焊

手工电弧焊是将手工操作的焊条和被焊接的工件当作 2 个电极，利用焊条与工件之间的电弧热量熔化金属进行焊接的方法。该技术主要用于轧辊表面局部缺陷的堆焊修复。日本发明了一种连铸辊堆焊型1Cr16Ni4Cu4Nb焊条，具有高的强度和抗腐蚀性能。吕程等研制了一种耐磨堆焊D600焊条，堆焊层金属具有较高硬度值(约58.8HRC)和较好的耐磨性能。成中庚采用自制焊条在 MC5冷轧工作辊上进行手工电弧堆焊，堆焊层金属硬度为59.3HRC，优于国产D322焊条性能。

手工电弧焊的特点是堆焊设备简单、操作灵活、不受焊接位置及辊表面形状的限制，但其生产效率较低，稀释率较高，不易获得薄而均匀的堆焊层，劳动条件差。

2.4.3钨极氩弧焊

钨极氩弧焊是以钨棒为电极，氩气作为保护气体的焊接方法，焊接时氩气从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成气体保护层隔绝空气，防止空气中的氧对钨极、熔池及邻近热影响区的氧化，从而获得成型美观的焊缝金属。该技术主要用于冶金轧辊表面局部缺陷区域，与手工电弧焊技术相比，热输入量容易控制，气体保护效果好，堆焊层金属性能优良，但劳动条件差，生产效率低。

2.5激光熔覆技术

激光熔覆技术在轧辊修复中是最具有发展前景的一种新型表面改性技术，采用预置粉末或同步送粉的方式在轧辊基体表面上放置选择的熔覆材料，经激光辐照使之和基体表面较薄的一层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料形成冶金结合的表面熔覆层，不同的熔覆层材料具有不同的表面性能。该技术具有热影响区小，轧辊变形小，组织致密，熔覆层与基体结合强度高，不受焊接位置及辊表面形状的限制等特点。

激光熔覆技术所用熔覆材料一般是粉末，主要有铁基合金粉末、镍基合金粉末和钴基合金粉末，另外还有陶瓷材料、纯金属粉末等。铁基合金粉末价格低廉，应用广泛，适用于要求局部耐磨而且容易变形的零部件；镍基合金粉末适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀和抗热疲劳的零部件；钴基合金粉末价格昂贵，一般适用于要求高硬度、高温耐磨性、高温耐蚀及抗热疲劳的零部件；陶瓷材料粉末在高温下有较高的强度，热稳定性好，化学稳定性高，一般适用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零部件。严凯等用横流CO2激光器在高铬铸铁轧辊表面熔覆50% Cr3C2和50% Ni-Cr合金粉末，熔覆层的表面组织为Cr3C2和M7C3型碳化物，硬度显著提高达到1100HV，约为基体硬度的 2 倍，同时熔覆层耐磨性能也得到提高。张辉等利用钒铁、钛铁、还原铁粉、石墨混合粉末，采用同步送粉方式，在42CrMo轧辊基材上通过激光熔覆原位自生反应制备了TiVC2增强铁基熔覆层。研究表明该熔覆层成型良好、组织致密、无气孔和裂纹、与基体冶金结合强度高。Fu Y M等通过有限元软件分析了连铸机轧辊表面的温度场分布，计算出连铸轧辊工作过程中负荷的极限值，再利用激光熔覆技术在连铸轧辊表面涂覆了一层厚度为3mm的Ni45合金粉末，使轧辊表面硬度提高了一倍。某厂将矩形喷嘴安装在半导体激光机器人上，采用同步送粉的方式在支承辊70Cr3Mo上熔覆 FeNiCrBSi合金粉末，如图2所示。

3、磨损辊面修复性分析

磨损辊面的冶金轧辊质量体积大，在修复过程中，熔池冷却速度快，容易形成较大的温度梯度，同时修复层材料与基体之间存在膨胀系数差异，容易在修复层产生较大的残余拉应力，造成冶金轧辊修复区的开裂，降低轧辊的使用寿命。因此，为了确保轧辊修复后的使用性能，需要降低轧辊修复层的残余拉应力。降低残余拉应力主要从修复层材料与基体线膨胀系数的匹配性和合理的预热与修复后热处理2个方面进行。

3.1修复层材料与基体线膨胀系数的匹配性

修复层中残余拉应力产生的重要原因之一是修复层材料与基材膨胀系数存在差异。当修复层膨胀系数大于基体的膨胀系数时会产生拉应力，反之，则产生压应力。当残余拉应力大于材料的极限强度时，容易产生裂纹，从而引起修复层的开裂和剥落。修复层的膨胀系数对基体并不是越小越好，需要有一定的范围限制。因此选择接近于基材膨胀系数的修复层材料是减小修复层残余拉应力，减小开裂敏感性的有效方法之一。

3.2合理的预热与修复后热处理

轧辊修复前对基体预热可以减小温度梯度，降低残余拉应力。修复后的热处理，可以降低残余应力，改善修复层性能，保证修复后轧辊的质量。但在实际现场修复磨损冶金辊面的过程中，要保证修复前对轧辊基体预热和修复后热处理比较困难。磨损轧辊修复前预热和修复后热处理，会延长修复时间，增加成本，恶化工作环境。而激光熔覆技术可以在修复前采用小功率激光对轧辊进行预热，减小修复层与基体之间的温度梯度，降低残余拉应力，提高轧辊修复后的质量。

4、结语

采用何种技术修复冶金轧辊磨损辊面，提高轧辊的使用寿命，一直是轧辊行业关注的重大问题。常规磨损辊面修复技术如电刷镀技术、热喷涂技术、热喷焊技术、自动埋弧焊、手工电弧焊、钨极氩弧焊均不能有效提高轧辊表面耐高温磨损和抗开裂的能力。因此开展激光熔覆技术修复冶金轧辊磨损辊面意义重大，将是今后发展的一个重要方向。随着激光熔覆技术得到快速发展，市场上出现了复合激光熔覆技术，如激光熔覆辅加超声波、电磁搅拌、交变磁场、机械振动等技术，这些技术有利于熔覆层内部组织气孔率下降、晶粒尺寸减小，熔覆层的硬度和耐磨性有较大提高。近年来纳米材料的飞速发展，可以利用激光熔覆技术将纳米材料熔覆在轧辊表面，在一定程度上可以提高材料的整体强度，形成冶金轧辊表面纳米化的一种新技术，有助于科研工作者对纳米材料整体性能的深入研究。