Q235结构钢堆焊熔覆层的摩擦磨损性能研究——技术学习体会

文献概况与工程背景

李聪等发表于2019年《材料保护》的这篇文章，采用CO₂气体保护药芯焊丝电弧堆焊技术在Q235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演变与摩擦磨损性能。Q235钢是我国应用最广泛的碳素结构钢，其耐磨性较差，在矿山机械、输送设备和工程机械等领域面临严重的磨损问题。通过表面堆焊熔覆技术提升其耐磨性能，是工程实践中经济有效的解决方案。

工艺路线与熔覆层制备

研究采用CO₂气体保护药芯焊丝电弧堆焊（FCAW-C）工艺，以Q235钢为基材进行熔覆层的制备。CO₂气体保护药芯焊丝电弧堆焊具有以下工艺特点：熔敷效率高、熔深适中、操作灵活、成本较低，适合大面积堆焊和现场修复作业。

CO₂作为保护气体，其氧化性较强，在焊接过程中可能引起飞溅和氧化问题。但药芯焊丝中通常含有脱氧剂和合金化元素（如Mn、Si、Ti等），能够有效补偿CO₂的氧化影响，同时改善熔敷层的合金成分和组织性能。

界面区组织特征与元素扩散分析

研究通过金相显微镜和扫描电镜观察，揭示了熔覆层与基材界面区的组织特征。在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。这一现象的成因在于：

1. 快速凝固效应：熔覆过程中，熔池的快速冷却使得界面区的凝固速率极高，形成了细小的针状马氏体。
2. 稀释与合金化：基材Q235钢中的碳、锰等元素向熔覆层扩散，改变了界面区的化学成分，促进了马氏体组织的形成。
3. 冶金反应：界面区发生了强烈的元素扩散和冶金反应，产生了大量硬质相（如碳化物、金属间化合物等），这些硬质相显著提高了界面区的耐磨性。

界面区的晶粒细化是一个值得关注的现象。通常情况下，焊接热影响区（HAZ）的晶粒会因过热而粗化，但在熔覆层的界面区，由于熔覆层的高冷却速率和稀释效应，反而出现了晶粒细化的现象。这种"反向细化"机制在表面工程中具有重要的应用价值。

摩擦磨损性能对比分析

研究通过摩擦磨损试验，对比了基体区、熔覆层和界面区的摩擦系数和磨损形貌。结果表明，三者的摩擦系数依次减小，即界面区的摩擦系数最低。磨损形貌的二次电子图像分析显示：

基体区的磨损面积最大，塑性变形严重，且局部出现"剥离坑"，说明Q235钢的耐磨性较差，在摩擦过程中容易发生材料的粘着转移和剥落。熔覆层的耐磨性明显优于基体，但仍存在犁沟和塑性变形现象。界面区的耐磨性最佳，这主要归因于界面区中大量硬质相的存在和晶粒的显著细化。

磨损机制的深入理解

从磨损机制的角度分析，三种区域的磨损行为差异可以用以下理论框架来解释：

• 基体区：Q235钢的硬度较低（约120–150 HV），在摩擦过程中容易发生严重的塑性变形和粘着磨损。"剥离坑"的出现表明存在层状剥落的失效模式，即表层材料在循环载荷下从基体上剥离。
• 熔覆层：熔覆层的硬度较高（通常>300 HV），磨粒磨损是主要机制。犁沟的形成是由于硬质磨粒在表面刻划所致。
• 界面区：界面区由于发生了强烈的元素扩散和冶金反应，产生了大量硬质相（如Fe₃C、M₇C₃、TiC等），这些硬质相的有效体积分数和分布状态决定了界面区的耐磨性能。硬质相的弥散分布提高了材料的抗磨粒磨损能力，而晶粒细化则通过Hall-Petch效应提高了材料的屈服强度。

工程实践应用与工艺优化建议

在工程实践中，Q235钢的耐磨堆焊修复可应用于以下场景：

1. 矿山机械：破碎机衬板、筛板、溜槽等承受强磨蚀的部件。
2. 输送设备：皮带输送机托辊、溜槽内壁等。
3. 工程机械：挖掘机铲斗、推土机履带板等。

工艺优化建议包括：

• 采用多层堆焊，底层采用熔合层焊丝保证与基材的结合质量，面层采用高硬度耐磨焊丝。
• 控制层间温度不超过250°C，避免界面区晶粒粗化和性能下降。
• 堆焊后进行适当的去应力退火处理，消除焊接残余应力。
• 对于关键部位，可考虑在熔覆层表面进行喷丸或激光淬火处理，进一步提高表面硬度和耐磨性。

学习心得

该文献通过对比基体、熔覆层和界面区的磨损性能，揭示了界面区在耐磨性方面的独特优势。这一发现具有重要的工程意义——在实际堆焊修复中，界面区往往是薄弱环节，但该研究表明，通过合理的工艺控制，界面区反而可以成为耐磨性能的"增强区"。这为堆焊工艺的参数优化提供了新的思路：不仅要关注熔覆层本身的性能，更要重视界面区的组织调控和性能优化。对于从事钢管和管件耐磨修复的技术人员而言，理解界面区的冶金行为是确保修复质量的关键所在。