【封面文章】邸鑫等：大型复合轧辊增材微铸轧Cr5钢热变形行为与组织性能

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2025年第10期封面文章为《大型复合轧辊增材微铸轧Cr5钢热变形行为与组织性能》（燕山大学：邸鑫，李浩政，解俊，季策，周焱民，刘士彬，黄华贵，杜凤山）。大型复合轧辊增材再制造是废弃钢铁资源循环再利用的重要途径，该论文系统分析了增材制造Cr5钢的热变形行为及组织演变，建立了微铸轧工艺载荷预测模型，兼具工程实践指导意义与实际应用价值。

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封面文章

大型复合轧辊增材微铸轧Cr5钢热变形行为与组织性能

邸鑫1，2，李浩政1，2，解 俊1，2，季策1，2，3，

周焱民4，刘士彬5，6，黄华贵1，2，杜凤山1，2

(1.燕山大学机械工程学院，河北 秦皇岛 066004；2.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北 秦皇岛 066004；3.海安太原理工大学先进制造与智能装备产业研究院，江苏 海安 226601；4.新余钢铁股份有限公司厚板事业部，江西 新余 338001；5.中钢集团邢台机械轧辊有限公司，河北 邢台 054000；6.高性能轧材料与复合成形全国重点实验室，河北 邢台 054025)

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摘 要

大型复合轧辊在极端轧制工况下面临因表面磨损严重引发的服役失效问题。采用增材制造(AM)技术实现复合轧辊再制造可有效重构几何尺寸与定制梯度性能,但是增材修复层内部微米级微孔缺陷在交变载荷作用下易成为疲劳裂纹源,成为制约再制造复合轧辊服役安全的关键瓶颈。提出一种大型复合轧辊增材微铸轧工艺,采用增材制造工艺制备 Cr5钢;基于 Gleeble-3800热模拟试验机,在800~1200℃温度范围和0.01~10s-1应变速率下开展热压缩试验,建立高温流变本构模型;利用扫描电镜(SEM)、电子反向散射衍射(EBSD)、维氏硬度测试等研究热变形温度与应变速率对组织性能的协同调控作用,证明热塑性变形能够强化组织性能；建立了增材制造微铸轧工艺载荷预测模型,为微铸轧工艺介入位置和设备设计提供理论指导。研究结果为大型复合轧辊增材微铸轧工艺中的细品调控与缺陷抑制提供了理论依据,对推动高性能复合轧辊再制造、实现资源循环再利用具有重要工程意义。

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关 键 词

增材制造;复合轧辊;微铸轧;流变应力;Arrhenius本构

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引 言

在冶金工业领域，大型轧辊作为热轧装备的核心部件,长期承受高温、高应力循环载荷及剧烈磨损，其性能直接影响轧制效率、生产成本与生产安全。Cr5合金钢凭借优良的硬度、强度、抗热疲劳特性等成为行业首选，但是整体制造工艺不适合局部损伤修复;同时电镀、喷涂等技术因基体-覆层结合强度不足易引发剥落失效,难以满足大型轧辊在严苛工况下的长效服役需求。增材制造技术能够实现复杂结构近净成形与局部损伤修复再造但是异质材料界面相容性面临巨大挑战，并且微小熔池凝固过程中易产生10~50µm微孔缺陷，会显著降低材料致密度;尤其当承受高周次交变载荷时,微观缺陷易发展成为层间界面疲劳裂纹源，严重制约其服役寿命。为解决异质材料界面相容性可以根据基体和覆层材料特性，灵活设计功能梯度过渡层,实现异质材料的性能匹配，但是难以调控已经形成的微观缺陷。

增材制造过程中引入微锻打、微轧制等准原位辅助成形技术,可以实现高温熔覆层的致密化塑性变形,通过压应力、剪应力等促进微观缺陷愈合与强化层间结合强度,变形量通常为单道次熔覆高度的5%~20%,但由于熔覆高度仅为毫米级,因此相比传统变形尺度要小很多,通常称为微塑性变形PAN Z Q等在Ti-6AI-4V合金的增材过程中引入微轧制,可以显著降低缺陷的数量、密度和尺寸，并且塑性变形后样品力学性能的各向异性显著低于未经过塑性变形的样品。陈清勇等研究了微铸锻铝合金组织及力学性能，通过微观组织表征发现微铸锻成形的试样气孔数量明显减少，内部组织致密度更高且更均匀。MAITY M等研究了原位锤击对等离子弧增材IN718试样组织性能的影响，发现塑性变形会产生细小均匀品粒，与传统沉积态试样相比，经过原位锤击工艺后残余应力降低了44.1%。综上所述,增材制造过程增加原位微塑性变形可以有效改善材料组织性能,将其应用于复合轧辊制造或再制造,有望提升轧辊在线服役寿命。

然而，目前针对Cr5钢的研究主要集中在热处理和热变形行为方面。例如,徐和林等研究了焊后热处理对4Cr5MoSiV模具钢修补焊接组织和性能的影响;DI Y N等在4Cr5MoSiV1钢成分基础上,通过调整硅、钒含量制备了大型压铸模具钢并进行了热模拟试验，基于Arrhenius模型推导出热变形本构方程,并依据动态材料模型理论构建了加工图;LIU X B等研究了铸态Cr5钢的热压缩变形行为,建立了动态再结晶晶粒尺寸模型和临界应变模型,用于确定材料加工的失稳区域。因此，现有研究多聚焦于铸态或锻态Cr5钢,须开展增材制造Cr5钢的组织性能研究,尤其在塑性变形过程中的高温流变行为与组织演变规律。

本文提出一种大型复合轧辊增材微铸轧工艺基于Arrhenius模型建立增材制造Cr5钢在800~1200℃范围的本构模型,对不同热变形工艺参数下的微观组织性能进行分析,并建立增材制造微铸轧工艺载荷预测模型，为微铸轧工艺介入位置和设备设计提供理论指导，支撑高性能复合轧辊短流程再制造,助力钢铁资源循环再利用与行业绿色可持续发展。

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精 选 图 表

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结  论

1)基于Anhenius方程建立增材制造Cr5钢高温流变本构模型：

其变形热激活能为447.98kJ/mol。

2)增材制造Cr5钢在高温热变形条件下，其变形抗力对应变速率和变形温度敏感:与应变速率呈正相关,即应变速率增大时,变形抗力随之升高;与变形温度呈负相关,即温度升高时,变形抗力降低。同时,材料的显微硬度受变形温度影响较大，而应变速率变化对其影响相对较小。

3)对于增材制造Cr5钢的热变形组织与性能:变形温度的影响显著大于应变速率。为获得细小晶粒和较高硬度,建议将微铸轧工艺平均温度控制在1 000 ℃以上。

4)基于增材制造Cr5钢的高温流变本构模型，建立了大型复合轧辊增材-微铸轧成形过程的极限载荷计算模型,可为该类设备的设计及载荷评估提供理论指导。

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引用本文

[1]邸鑫, 李浩政, 解俊, 等. 大型复合轧辊增材微铸轧Cr5钢热变形行为与组织性能[J]. 中国冶金, 2025, 35(10): 16-26,36.

[1]DI Xin, LI Haozheng, XIE Jun, et al. Thermal deformation behavior and microstructure properties of additively manufactured micro-cast-rolling Cr5 steel for large-scale composite rolls[J]. China Metallurgy, 2025, 35(10): 16-26,36 .