焊后热处理对Fe-Cr-Mo-C耐磨堆焊合金组织和磨损性能的影响——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《中国表面工程》2025年第38卷第3期，由北京工业大学与威海天润金钰新材料科技有限公司联合完成，研究采用药芯焊丝电弧焊制备不同Cr含量（14wt.%、18wt.%、23wt.%）的Fe-Cr-Mo-C耐磨堆焊合金，分析焊后热处理对其微观组织和磨粒磨损性能的影响。单齿辊是煤炭、矿山、电力等行业的关键设备部件，在工作过程中面临严重的高温磨粒磨损问题，堆焊修复是延长其服役寿命的主要手段。本文的研究直接服务于单齿辊修复的工程需求。

微观组织特征与Cr含量影响

基体组织

Fe-Cr-Mo-C耐磨堆焊合金主要由马氏体、残余奥氏体和M7C3碳化物组成。马氏体提供基体硬度与强度，残余奥氏体提供一定的韧性储备，M7C3碳化物作为硬质相承担抗磨粒磨损的主要功能。

Cr含量对碳化物的影响

随着Cr含量从14wt.%增加到23wt.%，M7C3碳化物的面积分数从48.9%增加到57.2%，而尺寸从27.9 μm减小至23.7 μm。这一趋势表明，Cr含量的增加不仅促进了碳化物的形成，还促进了碳化物的细化。碳化物含量增加与尺寸细化的双重效应共同提升了合金抵抗磨粒切削的能力，从而提高了耐磨性。

焊后热处理的影响分析

900℃焊后热处理对三种堆焊合金的组织与性能产生了显著影响：

焊后热处理导致M7C3碳化物面积分数降低、尺寸增大，这一变化直接导致硬度和耐磨性下降。其机理在于：900℃的高温为碳化物的溶解与再形核提供了热力学驱动力，细小碳化物在奥氏体中溶解，随后在冷却过程中重新析出为较大尺寸的碳化物，这一过程类似于再结晶与晶粒长大行为。

热处理的双重效应

焊后热处理在工程实践中通常用于消除残余应力、改善韧性，但本文揭示了其对耐磨堆焊合金的负面效应：

• 正面效应：消除堆焊过程中的残余应力，降低裂纹倾向，提高韧性；
• 负面效应：碳化物粗化与溶解，硬度和耐磨性显著下降。

这一矛盾是耐磨堆焊合金工程应用中的核心问题。在实际修复中，需根据服役工况的具体需求，在耐磨性与抗裂性之间做出权衡。

与工程实践的结合

单齿辊修复工艺建议

基于本文的研究结论，针对单齿辊的堆焊修复提出以下工艺建议：

1. Cr含量选择：若服役工况以磨粒磨损为主，建议选用23wt.% Cr的堆焊合金，以获得最高的碳化物含量与最细的碳化物尺寸；若工况中存在冲击载荷或热应力，可适当降低Cr含量至14-18wt.%，以牺牲部分耐磨性换取更好的韧性。
2. 热处理策略：对于以磨粒磨损为主要失效模式的单齿辊，建议避免900℃高温焊后热处理，可采用较低温度（如600-700℃）的去应力退火，在消除残余应力的同时尽量减少碳化物的粗化与溶解。
3. 多层堆焊：采用多层堆焊时，需注意层间热累积对碳化物组织的影响，必要时进行层间冷却。

工艺窗口设计

学习心得与启示

本文的研究结论对耐磨堆焊合金的工程应用具有重要的指导意义。焊后热处理对碳化物组织的负面影响是工程实践中长期存在但缺乏系统研究的问题，本文通过定量分析明确了900℃处理对M7C3碳化物的粗化与溶解效应，为修复工艺优化提供了科学依据。在单齿辊修复的实际工程中，耐磨性与抗裂性的平衡始终是核心矛盾，本文的研究为这一矛盾的解决提供了新的思路——通过Cr含量调控与热处理策略的协同优化，实现性能的综合平衡。需要进一步关注的是，不同温度、不同保温时间的热处理对碳化物组织的影响规律，以及热处理后碳化物再析出的动力学行为，这些研究将为更精细化的工艺控制提供理论支撑。