高铬双金属耐磨板堆焊层组织与滑动摩擦磨损性能学习体会

文献概况与研究定位

本文发表于《机械工程材料》2026年第50卷第5期，由河北钢铁集团矿业有限公司刘添君、李锌铜与中国矿业大学王庆良合作完成。研究以高铬双金属耐磨板堆焊层为对象，在不同载荷（200 N、600 N）和不同环境（干摩擦、石英砂摩擦）条件下开展滑动摩擦磨损试验，并与常用马氏体耐磨钢板进行对比。该研究直接面向矿山、冶金等重载磨损工况的耐磨材料选型需求，具有明确的工程指导意义。

堆焊层组织特征与硬度分布

堆焊层主要相组成

高铬铸铁堆焊层中Cr₇C₃碳化物的存在是其高耐磨性的核心。Cr₇C₃属于MC型碳化物，具有面心立方结构，硬度高、耐磨性好，且相较于Cr₂₃C₆更不易发生脆性断裂。少量Cr₂₃C₆的存在则提供了额外的强化作用。

硬度梯度分布特征

从基体钢向堆焊层方向，熔合区的显微硬度呈梯度增大趋势。这一梯度特征具有重要的工程意义：

• 熔合区硬度梯度避免了硬度的突变，减少了应力集中，有利于提高堆焊层的整体可靠性。
• 梯度硬度分布使堆焊层在承受冲击载荷时具有更好的韧性过渡，降低了剥落风险。
• 在实际磨损过程中，硬度梯度使磨损集中在表层，延长了堆焊层的使用寿命。

摩擦磨损性能对比分析

干摩擦与石英砂摩擦条件下的性能对比

磨损机制分析

干摩擦环境下，磨损以微凸体切削为主，即堆焊层表面微凸体与对磨面微凸体之间的机械切削作用。石英砂摩擦环境下，硬质石英砂颗粒（莫氏硬度7）参与磨损过程，形成"三体磨损"模式，石英砂颗粒在摩擦界面产生微切削作用，同时微凸体切削仍在持续，两种机制共同作用导致磨损加剧。两种环境下均伴随疲劳剥落磨损，表明堆焊层在循环接触应力作用下会发生亚表面裂纹萌生与扩展。

载荷效应与工程应用建议

载荷从200 N增加到600 N时，磨损量显著增加，这是符合Archard磨损定律的基本规律。但在实际工程应用中，高载荷工况（如矿山破碎机衬板、球磨机衬板）的磨损机制更为复杂，往往涉及冲击-磨粒复合磨损。本文的滑动摩擦试验结果为材料选型提供了基础数据，但工程应用时还需考虑以下因素：

1. 冲击载荷的影响：高铬铸铁的韧性相对较差，在冲击载荷下可能发生脆性断裂。在实际应用中，应通过控制堆焊层厚度和熔合区过渡来改善抗冲击性能。
2. 温度的影响：高铬铸铁在高温下（>400°C）可能发生碳化物分解和石墨化，导致耐磨性急剧下降。在高温工况下需评估堆焊层的适用性。
3. 腐蚀-磨损耦合效应：在含介质环境（如酸性矿浆）下，腐蚀与磨损的协同作用可能使实际磨损量远高于实验室数据。

个人工程实践反思

在矿山和冶金行业的耐磨材料选型中，我常遇到一个误区：认为硬度越高耐磨性越好。本文的对比研究恰好说明，高铬双金属耐磨板堆焊层在马氏体耐磨钢板硬度相近的情况下，通过碳化物类型和分布的优化实现了更优的耐磨性。这提示我们，耐磨性的提升不能仅依赖硬度提高，更需要关注硬质相的种类、形态、分布以及与基体的界面结合质量。

从堆焊工艺角度看，高铬铸铁堆焊层的焊接性较差，容易出现裂纹。在实际施工中，建议采用以下工艺措施：控制焊接热输入，采用多层多道焊减少单道熔深；选用合适的焊材（如镍基焊材作为过渡层）；实施适当的预热和焊后热处理以消除残余应力。这些工艺措施虽然增加了成本，但能显著提高堆焊层的可靠性，延长使用寿命。