Q235结构钢堆焊熔覆层摩擦磨损性能研究的学习体会

文献概况与研究意义

李聪等人于2019年在《材料保护》第52卷第10期发表的这篇论文，采用CO2气体保护药芯焊丝电弧堆焊技术在Q235结构钢表面制备了强熔覆层，系统研究了基体相、熔覆层和界面区的组织与摩擦磨损性能。Q235钢是最常用的碳素结构钢，广泛用于建筑、桥梁、机械结构等领域，其耐磨性不足是制约其使用寿命的关键因素之一。该文受中央引导地方科技发展专项和湖北省教育厅自然科学重点项目资助，研究具有明确的工程应用价值。

堆焊工艺与熔覆层制备

CO2气体保护药芯焊丝堆焊的工艺特点

CO2气体保护药芯焊丝电弧堆焊（FCAW-C）是一种高效的堆焊工艺，其特点在于药芯焊丝中的合金元素可在焊接过程中熔化并溶入熔池，实现堆焊层的合金化强化。与实芯焊丝相比，药芯焊丝的熔敷效率高、电弧稳定性好，适合大面积堆焊。CO2作为保护气体成本低廉，但氧化性较强，对熔池的保护效果不如Ar气，需要通过药芯中的脱氧剂和合金元素来补偿。

熔覆层的组织特征

实验结果表明，界面区组织中发现了细小的针状马氏体组织，且晶粒明显细化。这一组织特征具有重要的工程意义：

• 针状马氏体具有较高的硬度和强度，有利于提高耐磨性。
• 晶粒细化通过Hall-Petch机制提升强度，同时改善韧性。
• 界面区发生强烈的元素扩散和冶金反应，产生大量硬质相。

界面区是熔覆层与基体结合的关键区域，其组织状态直接决定了熔覆层的结合强度和服役可靠性。针状马氏体的形成与界面区快速的冷却速率密切相关，这种快速冷却使得奥氏体在较低温度下转变为马氏体，形成了细针状的形态。

摩擦磨损性能的系统分析

摩擦系数与磨损机制

实验结果显示，基体区、熔覆层和界面区的摩擦系数依次减小。这一规律的物理解释在于：熔覆层的硬度高于基体，接触应力分布更均匀，减少了局部塑性变形；界面区由于硬质相的弥散分布，摩擦系数进一步降低。

磨损形貌分析揭示了不同区域的磨损机制差异：

基体区磨损面积大、塑性变形严重，局部出现"剥离坑"，这是典型的粘着磨损与塑性磨损特征。剥离坑的形成机理是：在摩擦过程中，基体表面发生局部剪切滑移，当剪切应力超过基体强度时，表层材料被剥离，形成凹坑。

界面区耐磨性提升的机理

界面区耐磨性优于熔覆层的主要原因在于强烈的元素扩散和冶金反应产生了大量硬质相。在堆焊过程中，熔池与基体之间发生了显著的元素互扩散，Fe、C、Mn等元素在界面区重新分布，形成了复杂的碳化物和金属间化合物。这些硬质相的弥散分布有效提高了界面区的耐磨性，使其磨损"犁沟"和塑性变形程度相比熔覆层有显著改善。

从摩擦学角度分析，硬质相的作用机制包括：

1. 硬质相作为耐磨"骨架"，承受摩擦载荷，减少基体材料的参与。
2. 硬质相与软基体形成复合结构，软相提供韧性支撑，硬相提供耐磨性。
3. 硬质相的弥散分布使磨损均匀化，避免局部过度磨损。

工程应用与工艺优化思考

Q235结构钢堆焊的应用场景

Q235钢堆焊耐磨层在工程机械、矿山设备、桥梁结构等领域具有广泛的应用前景。例如：

• 挖掘机的铲斗和斗齿，承受矿石的磨蚀冲击。
• 输送设备的溜槽和料斗，承受物料的滑动磨损。
• 桥梁的伸缩缝和支座，承受循环载荷下的磨损。

工艺优化建议

基于本文的研究成果，提出以下工艺优化建议：

1. 药芯焊丝的选择应注重合金元素的配比，确保堆焊层硬度与韧性平衡。
2. 堆焊层厚度应控制在3～5mm，过厚可能导致内部应力集中和开裂。
3. 多层堆焊时，每层之间的间隔时间应适当延长，以释放残余应力。
4. 堆焊后应考虑进行去应力退火处理，消除残余应力对耐磨性的不利影响。
5. 堆焊层的表面粗糙度应控制在Ra3.2～6.3μm之间，过粗的表面会增加摩擦系数。

与标准体系的对接

Q235钢堆焊耐磨层的性能评估应参考以下标准：

• GB/T 11353：堆焊件通用技术条件。
• JB/T 8473：堆焊焊条和焊丝技术条件。
• ASTM A517：堆焊合金成分和性能标准。
• ISO 17638：焊接和切割用气体保护焊丝。

学习心得与启示

这篇文献给我最深的印象是界面区在堆焊耐磨层中的关键作用。传统认识往往将堆焊层的耐磨性归因于堆焊层本身的硬度和组织，而本文的研究表明，界面区由于强烈的元素扩散和冶金反应，其耐磨性甚至优于熔覆层本体。这一发现对于堆焊工艺的设计具有重要指导意义：界面区的组织控制应当与堆焊层本身的组织控制同等重视。

此外，本文采用的CO2气体保护药芯焊丝堆焊工艺，在实际工程中具有成本低、效率高、操作简便的优势，特别适合现场修复和批量加工。在耐磨性能改善这一表面工程的重要研究方向中，CO2保护药芯焊丝堆焊是一种经济有效的技术路线，值得在更多工程场景中进行推广应用。