近等物质的量比钼钒铌钛强化高铬铸铁堆焊层组织与耐磨性能学习体会

文献概况与研究创新点

本文出自《机械工程材料》2026年第50卷第6期，作者胡士昌、黄智泉、高站起、尼军杰、王重阳来自中国机械总院集团郑州机械研究所有限公司，研究受河南省科技攻关计划项目资助。本文基于高熵合金设计理念，设计钼、钒、铌、钛的物质的量比分别为0.7∶1.0∶1.0∶1.0和1.0∶0.7∶1.0∶1.3的近等物质的量比多元强化高铬铸铁（铬质量分数约15.7%），将上述成分的粉末作为药皮并制备对应焊条，再利用手工电弧焊在Q235钢板上制备堆焊层，研究了堆焊层的显微组织、硬度和耐磨性能，并与工程实际应用TN65高铬铸铁堆焊层进行对比。

高熵合金设计理念的引入

传统高铬铸铁堆焊的局限性

传统高铬铸铁堆焊层（如TN65）虽然具有较高的硬度和耐磨性，但其碳化物通常呈长条状或网状分布，尺寸较大，容易成为裂纹萌生源。在冲击载荷或交变应力作用下，这些长条状碳化物容易断裂并沿界面扩展，导致堆焊层剥落。此外，传统高铬铸铁堆焊层的合金成分设计相对单一，主要依赖Cr的碳化物形成能力，缺乏多元合金元素的协同强化效应。

近等物质的量比多元合金设计

本文引入高熵合金设计理念，将Mo、V、Nb、Ti四种强碳化物形成元素以近等物质的量比加入高铬铸铁体系中。这一设计理念的核心在于：多主元效应可以产生固溶强化、熵稳定效应和晶格畸变效应，从而改善合金的综合性能。Mo、V、Nb、Ti均为强碳化物形成元素，它们可以与C形成高硬度的碳化物（如MC型碳化物），同时改善碳化物的形态和分布。近等物质的量比的设计避免了某一元素过量导致的性能偏倚，实现了多元合金元素的协同效应。

实验设计与结果分析

两种成分方案的对比

显微组织分析

三种堆焊层的物相相似，均主要由M7C3、γ-Fe、M3C、(Nb, Ti, Mo, V)C/(Nb, Ti, Mo, V)(B, C)和Fe2B组成。但近等物质的量比多元强化堆焊层的M7C3碳化物更加圆整、尺寸更小，M3C共晶碳化物含量更高。其中1#堆焊层的M7C3碳化物最圆整、数量最多、平均粒径最小（约12.45μm）。

碳化物形态的改善是本文最核心的发现之一。圆整的碳化物相比长条状碳化物，在承受载荷时应力集中程度更低，不易成为裂纹萌生源。粒径的减小则意味着单位面积内的碳化物数量增多，强化了基体的效果更均匀。M3C共晶碳化物含量的提高则进一步增加了硬质相的体积分数，提高了整体硬度。

硬度与耐磨性能

1#堆焊层的硬度为64.1 HRC，高于2#堆焊层（62.5 HRC），与TN65高铬铸铁堆焊层接近（65.1 HRC）。磨损质量损失方面，1#堆焊层为0.0771 g，低于2#堆焊层（0.0931 g），与TN65接近（0.0677 g）。磨损表面的犁沟深度方面，1#堆焊层与TN65均较浅，说明其抗犁沟磨损能力较好。

从耐磨机理分析，1#堆焊层的优异耐磨性能主要归因于：M7C3碳化物圆整且尺寸小，不易断裂剥落；M3C共晶碳化物含量高，硬质相体积分数大；多元碳化物(Nb, Ti, Mo, V)C的加入提供了额外的强化相。

工艺分析

焊条制备与焊接工艺

本文将粉末作为药皮制备焊条，采用手工电弧焊（SMAW）在Q235钢板上制备堆焊层。这一工艺路线具有设备简单、操作灵活、成本较低的优点，适合现场修复和小批量生产。但手工电弧焊的工艺参数控制精度不如自动焊，堆焊层的组织均匀性可能受到影响。在实际应用中，建议严格控制焊接电流、电压、焊接速度和层间温度，以保证堆焊层质量。

稀释率控制

手工电弧焊在Q235钢板上堆焊时，基体稀释是不可避免的问题。Q235钢的碳含量和合金元素含量远低于高铬铸铁堆焊层，稀释会导致堆焊层实际成分偏离设计值，碳化物形成能力下降。在实际工程中，可以通过增加堆焊层数（打底+盖面）来降低稀释率的影响，或者采用低稀释率焊接工艺（如药芯焊丝电弧焊、等离子弧堆焊等）。

工程实践启示

多元合金强化在耐磨堆焊中的应用前景

本文的研究结果表明，基于高熵合金设计理念的近等物质的量比多元强化策略，可以有效改善高铬铸铁堆焊层的碳化物形态和分布，从而提高耐磨性能。这一研究思路对于钢管和管件制造领域的耐磨堆焊应用具有重要参考价值。例如，螺旋焊管的成型模具辊、弯管机的滚轮、三通成型模具等，都承受严重的磨粒磨损，采用多元强化高铬铸铁堆焊层可以显著延长其使用寿命。

成分优化的工程指导意义

本文通过对比两种不同的Mo/V/Nb/Ti物质的量比方案，揭示了成分比对堆焊层性能的影响规律。1#方案（0.7∶1.0∶1.0∶1.0）的V含量相对较高，有利于形成圆整的小尺寸M7C3碳化物；2#方案（1.0∶0.7∶1.0∶1.3）的Ti含量较高，可能促进了(Nb, Ti, Mo, V)C型碳化物的形成，但M7C3的形态改善不如1#方案。这一发现为工程中的成分优化提供了指导——在追求高耐磨性的同时，应优先保证碳化物的圆整度和小尺寸，而非单纯追求高硬度。

学习心得与总结

本文将高熵合金设计理念引入高铬铸铁堆焊层的成分设计，通过近等物质的量比的Mo/V/Nb/Ti多元强化策略，成功改善了堆焊层的碳化物形态和分布，获得了与工程用TN65高铬铸铁堆焊层相当的硬度和耐磨性能。1#堆焊层（0.7∶1.0∶1.0∶1.0）的M7C3碳化物最圆整、尺寸最小（约12.45μm），硬度64.1 HRC，磨损质量损失0.0771 g，综合性能最优。作为长期从事钢管与管件焊接技术工作的技术人员，我深刻体会到多元合金强化策略在耐磨堆焊领域的巨大潜力。在实际工程中，这一设计理念可以应用于螺旋焊管成型模具辊、弯管机滚轮、三通成型模具等关键部件的耐磨堆焊修复，通过优化合金成分和碳化物形态，实现硬度与韧性的更好平衡，延长部件使用寿命。本文的研究为高铬铸铁堆焊层的成分优化提供了新的思路和方法，对于推动耐磨堆焊技术的进步具有重要的参考价值。