焊接电流对Ni60/Cr₃C₂等离子堆焊层组织及性能的影响

文献概况与研究背景

本文出自《机械工程材料》2025年第49卷第3期，由佳木斯大学材料科学与工程学院张宇等作者完成，研究受黑龙江省教育厅基本科研业务费资助项目（2023-KYYWF-0561）资助。研究以Ni60合金粉末加质量分数20% Cr₃C₂粉末作为堆焊粉末，采用等离子堆焊技术在Q235低碳钢表面制备单道Ni60/Cr₃C₂堆焊层，系统研究了焊接电流（110-140A）对堆焊层宏观形貌、显微组织、硬度及耐磨性能的影响。Ni60/Cr₃C₂复合堆焊层因其优异的耐磨性和耐蚀性，在矿山、水泥、电力等行业中具有广泛的应用前景。

核心研究结论

焊接电流对宏观形貌的影响

研究表明，Ni60/Cr₃C₂堆焊层与基体间形成良好的冶金结合。当焊接电流增大至130A，堆焊层表面变得光滑平整，成形质量变好；但当焊接电流过高（140A）时，表面出现氧化烧损现象，成形质量变差。这一结果表明，焊接电流对堆焊层的成形质量具有显著影响，存在一个最佳电流范围。

焊接电流对显微组织的影响

随着焊接电流的增加，堆焊层的物相组成发生显著变化：

• 110A：堆焊层由γ-Ni(Fe)、Cr₇C₃和CrB相组成。
• 130A和140A：堆焊层由γ-Ni(Fe)、Cr₇C₃、CrB、Cr₂₃C₆和Cr₃C₂相组成。

随着焊接电流的增加，堆焊层组织先细化后粗化，碳化物数量先增加后减少。当焊接电流为130A时，堆焊层组织最细小，碳化物数量最多，且出现了以碳化铬为中心的花状形貌组织。

焊接电流对硬度与耐磨性的影响

随着焊接电流的增加，堆焊层硬度先升后降，磨损质量损失先减后增。当焊接电流为130A时，堆焊层硬度最高，磨损质量损失最小，磨粒磨损程度最轻。

工艺参数优化分析

130A电流的优越性分析

130A电流之所以获得最优性能，其根本原因在于：

1. 热输入适中：130A电流产生的热输入适中，既保证了充分的熔合，又避免了过大的热影响区。
2. 凝固速率合理：适中的凝固速率有利于碳化物的均匀形核和生长，形成细密的组织。
3. 稀释率可控：130A电流下的稀释率处于最佳范围，既保证了堆焊层的合金成分，又避免了基体元素的过度稀释。
4. 物相组成丰富：130A电流下出现了Cr₂₃C₆和Cr₃C₂等硬质相，这些相的加入显著提高了堆焊层的硬度和耐磨性。

花状形貌组织的形成机制

130A电流下出现的花状形貌组织是一种典型的碳化物共晶组织，其形成机制如下：

1. 在凝固过程中，Cr₃C₂和Cr₂₃C₆等碳化物在γ-Ni(Fe)基体中形核。
2. 碳化物与基体之间形成共晶反应，形成花状分布。
3. 这种组织形态有利于碳化物的均匀分布，提高了堆焊层的整体耐磨性。

与工程实践的结合

Ni60/Cr₃C₂堆焊层的典型应用

Ni60/Cr₃C₂堆焊层在以下领域具有典型应用：

1. 矿山机械：破碎机颚板、球磨机衬板等耐磨部件的表面强化。
2. 水泥工业：回转窑衬板、磨辊等耐磨部件的表面强化。
3. 电力行业：锅炉水冷壁、省煤器等耐磨部件的表面强化。
4. 石油化工：高温高压工况下的耐磨耐蚀部件的表面强化。

工艺标准化建议

为推动Ni60/Cr₃C₂等离子堆焊技术的工程化应用，建议建立以下工艺标准化体系：

1. 工艺窗口确定：通过系统实验确定最佳工艺参数范围，形成工艺规范。
2. 质量控制标准：建立堆焊层硬度、耐磨性、结合强度等关键性能指标的检测标准。
3. 失效分析指南：建立堆焊层失效模式的识别和诊断指南，指导现场维护。
4. 寿命预测模型：建立堆焊层服役寿命预测模型，指导维护周期制定。

关键疑问与深入思考

本研究虽然揭示了焊接电流对Ni60/Cr₃C₂等离子堆焊层性能的影响规律，但仍有一些问题需要深入探讨：

1. 多道堆焊的累积效应：单道堆焊的研究结果能否直接推广到多道堆焊？多道堆焊的累积热输入对组织和性能的影响需要进一步研究。
2. 服役工况适应性：不同工况（如高温、腐蚀、冲击）下堆焊层的性能表现需要系统评估。
3. 成本效益分析：Ni60/Cr₃C₂堆焊层的制造成本与服役寿命延长之间的经济平衡需要进一步评估。
4. 与其他耐磨材料的对比：Ni60/Cr₃C₂堆焊层与其他耐磨材料（如Co基合金、陶瓷涂层）的性能对比需要系统研究。

学习心得与总结

本文通过系统的实验研究，揭示了焊接电流对Ni60/Cr₃C₂等离子堆焊层组织及性能的影响规律，为Ni60/Cr₃C₂复合堆焊技术的工程化应用提供了重要的技术参考。其核心启示在于：焊接电流是等离子堆焊工艺中的关键参数，通过合理的电流选择可以实现堆焊层性能的最优化。在工程实践中，应建立"工艺-组织-性能-寿命"四位一体的评价体系，推动Ni60/Cr₃C₂等离子堆焊技术从实验室研究向工程应用转化。