Ni基Cr₃C₂与WC增强等离子堆焊焊层耐磨性能的学习体会

文献概况与技术定位

本文发表于《粉末冶金材料科学与工程》2015年第20卷第6期，作者来自自贡长城硬面材料有限公司，依托国家科技支撑计划（2012BAE06B02）开展研究。研究以粒径53-150 μm的WC、Cr₃C₂（Cr₃C₂质量分数10%-40%）和NiCrBSi粉末为原料，采用Stellite等离子转移弧（PTA）堆焊系统在45#钢基体上制备焊层。研究的核心目标是比较Cr₃C₂和WC两种碳化物增强相在Ni基合金焊层中的耐磨性能差异，为耐磨堆焊材料的配方设计提供数据支撑。

焊层组织与性能分析

NiCrBSi自熔合金基体组织

未添加增强相的NiCrBSi自熔合金焊层组织由γ-(Ni,Fe)固溶体和弥散分布的CrB和(Cr,Fe,Ni)₇C₃相组成。这一组织特征表明，Ni基合金在PTA堆焊条件下形成了以面心立方固溶体为基体、碳化物和硼化物为增强相的复合结构。CrB相具有较高的硬度但脆性较大，(Cr,Fe,Ni)₇C₃相则兼具硬度和一定的韧性。

Cr₃C₂增强焊层

Cr₃C₂加入后，焊层中出现Cr₃C₂衍射峰，表明Cr₃C₂在堆焊过程中部分保持完整，未被完全溶解。随Cr₃C₂含量增加，焊层硬度、孔隙率和耐磨性逐渐提高，Cr₃C₂含量为30%时，硬度和耐磨性均达到峰值。这一"先升后降"的趋势是典型的增强相含量与性能关系曲线，其背后的机理在于：

• 含量较低时（10%-30%）：Cr₃C₂颗粒弥散分布在Ni基体中，起到有效的弥散强化作用，同时颗粒本身的高硬度直接提升耐磨性。
• 含量较高时（>30%）：Cr₃C₂颗粒开始聚集，形成局部富集区，导致基体连续性下降，颗粒间结合弱化，反而成为裂纹萌生和扩展的通道。

WC增强焊层

铸造WC加入后，焊层中以WC和W₂C为主，并有少量(Cr,Fe,Ni)₇C₃和(Ni,Cr,W)₃C产生。WC和W₂C的硬度均远高于Cr₃C₂，但WC在堆焊熔池中会发生部分溶解和分解，生成W₂C和钨的固溶体，这一过程会影响WC颗粒的保留率和增强效果。

耐磨性对比

Cr₃C₂含量为40%的焊层较Ni50A焊层耐磨性提高197.6%，比加入相同含量铸造WC焊层耐磨性提高97.6%。这一数据表明，在40%含量条件下，Cr₃C₂的耐磨效果优于WC，尽管WC的单体硬度更高。这一"反常"现象的合理解释在于：Cr₃C₂在堆焊过程中保持完整率更高，颗粒分布更均匀，磨损机理为均匀磨损；而WC在堆焊过程中部分溶解分解，颗粒保留率低且分布不均匀，磨损机理为非均匀磨损，导致局部区域磨损严重。

工艺参数与质量控制

PTA堆焊工艺中，Cr₃C₂和WC的加入对工艺参数的敏感性不同。Cr₃C₂的熔点（~2350°C）低于WC（~2870°C），在PTA堆焊条件下更易部分熔化并与基体形成冶金结合，有利于提高界面结合强度。而WC的高熔点导致其在熔池中主要以未熔颗粒形式存在，与基体的结合以机械嵌合为主，结合强度相对较低。

在实际生产中，Cr₃C₂增强焊层的工艺窗口相对较宽，对热输入和堆焊速度的敏感性低于WC增强焊层。这一特性使得Cr₃C₂增强焊层更适合自动化堆焊生产，有利于保证质量一致性。

工程应用建议

从耐磨堆焊材料的选型角度看，Cr₃C₂和WC各有适用场景：

• Cr₃C₂增强焊层：适用于均匀磨损工况（如矿山输送设备、水泥磨机衬板），颗粒分布均匀、磨损均匀，寿命可预测性强。
• WC增强焊层：适用于冲击磨损工况（如挖掘机斗齿、破碎机锤头），WC的高硬度和高韧性使其在冲击载荷下表现优异。

在钢管和管件领域，Cr₃C₂增强焊层可用于阀门阀座、泵叶轮、管道弯头内壁等承受均匀冲蚀磨损的部件。对于高冲击磨损工况（如采煤机滚筒、螺旋输送机叶片），WC增强焊层更为合适。

学习心得与启示

本文通过系统的对比试验，揭示了Cr₃C₂和WC两种增强相在Ni基合金PTA堆焊焊层中的性能差异和机理本质。Cr₃C₂在耐磨性方面展现出优于WC的潜力，其关键在于颗粒保留率高和分布均匀，实现了均匀磨损而非非均匀磨损。这一发现对耐磨堆焊材料的配方设计具有重要指导意义：增强相的选择不应仅考虑单体硬度，更应关注其在堆焊工艺中的保留行为、分布均匀性和与基体的界面结合质量。对于从事耐磨堆焊技术开发的同行而言，本文的"均匀磨损vs非均匀磨损"分析框架提供了一个全新的评价维度，值得在后续研究中进一步推广和应用。