碳钢高铬耐磨双金属板药芯焊丝研制学习体会

文献概况与应用背景

本文发表于《当代化工研究》2025年第2期，由陕西延长石油榆林凯越煤化有限责任公司、中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司和西安理工大学的马朝、李蕾蕾、史可、符少龙、钟黎声五位作者联合撰写，依托陕西省创新能力支撑计划、西安市科技计划项目和榆林市科技计划项目资助。研究从Fe-Cr-C三元系相图分析出发，设计并试制了适用于碳钢表面高铬耐磨层堆焊的药芯焊丝，使堆焊层洛氏硬度达到57.7HRC以上。该研究针对化工、电力、建材等领域广泛使用的碳钢-高铬耐磨双金属板，提供了一种高效、经济的制造方法。

Fe-Cr-C三元系相图分析与材料设计思路

Fe-Cr-C三元系相图是高铬耐磨材料设计的理论基础。在高铬铸铁中，当铬含量超过12%时，可以形成大量的Cr7C3型碳化物，这些碳化物具有极高的硬度（HV1500以上），是材料耐磨性的主要来源。

文献设计的药芯焊丝，通过调整药芯成分，使堆焊层微观组织中分布大量垂直于基材的柱状Cr7C3碳化物，配合基体中的过共晶组织，实现了硬度与耐磨性的良好平衡。这种"柱状碳化物垂直于基材"的组织特征，对于抗磨粒磨损尤为重要——当磨粒从表面切入时，柱状碳化物可以提供有效的阻挡作用，延缓磨损进程。

药芯焊丝的成分设计与工艺特性

药芯焊丝（Flux-Cored Wire, FCW）在堆焊制造双金属板方面具有以下优势：

1. 熔敷效率高：药芯焊丝的电弧稳定性好，熔敷率高于实芯焊丝；
2. 合金收得率高：药芯中的合金元素在熔池中均匀分布，合金化效果稳定；
3. 工艺适应性强：可以使用MAG（富氩气体保护）或SAW（埋弧焊）工艺，适合大面积堆焊；
4. 成本可控：药芯焊丝的制造成本低于实芯焊丝，适合批量生产。

从焊接冶金角度分析，药芯焊丝在熔化过程中，药芯中的合金元素和造渣剂与熔池发生冶金反应，形成稳定的熔池和熔渣。造渣剂可以覆盖熔池表面，防止空气侵入，同时促进合金元素的均匀分布。对于高铬耐磨层堆焊，药芯中的铬铁、铬粉等合金添加剂可以有效提高堆焊层的铬含量，确保形成足够的Cr7C3碳化物。

微观组织与硬度的关系分析

文献指出，通过调整药芯成分，可以使堆焊层微观组织中分布大量垂直于基材的柱状Cr7C3碳化物。这种组织特征的形成机理如下：

1. 柱状晶生长：在堆焊过程中，熔池从基材表面开始凝固，由于基材的散热作用，凝固前沿的温度梯度方向与堆焊方向一致，导致柱状晶垂直于基材生长。
2. 碳化物定向排列：Cr7C3碳化物在凝固过程中沿柱状晶方向析出，形成与柱状晶平行的排列方式。
3. 过共晶组织：在铬含量较高的区域，凝固过程中可以形成过共晶组织，进一步增加碳化物含量和硬度。

这种微观组织特征对于抗磨粒磨损性能的影响是积极的：

• 柱状碳化物的方向性与磨粒切入方向垂直，可以提供最大的抵抗面积；
• 碳化物与基体的界面结合牢固，不易发生剥落；
• 过共晶组织中的碳化物网络可以提供额外的耐磨屏障。

工程应用中的质量控制要点

在实际生产中，碳钢-高铬耐磨双金属板的堆焊制造需要关注以下质量控制要点：

1. 稀释率控制：碳钢基体的稀释会导致堆焊层铬含量下降，影响碳化物形成。建议通过多层堆焊、控制热输入来降低稀释率。
2. 层间温度：层间温度过高会导致碳化物粗化，降低硬度。建议控制在200至300摄氏度之间。
3. 焊后热处理：堆焊层通常需要进行回火处理以消除残余应力，但回火温度不宜超过600摄氏度，以免碳化物溶解。
4. 硬度检测：建议在堆焊层表面和深度方向分别进行硬度测试，评估硬度梯度和均匀性。
5. 磨粒磨损试验：建议采用标准磨粒磨损试验（如ASTM G65）评估堆焊层的耐磨性能。

学习心得与工程启示

本文的研究思路——从相图分析出发，通过成分设计控制微观组织，最终实现性能目标——是材料科学研究的经典范式。Fe-Cr-C三元系相图的分析为高铬耐磨材料的设计提供了理论指导，而药芯焊丝的成分调整则实现了这一理论的工程化。对于从事耐磨材料制造和堆焊工艺的技术人员而言，理解相图分析和微观组织控制的重要性，对于开发新型耐磨材料和优化堆焊工艺具有重要意义。在实际工程中，应当根据具体的工况条件（磨粒硬度、磨粒尺寸、磨损速度等），选择合适的堆焊材料和工艺参数，避免盲目追求高硬度而忽视韧性需求。