自保护药芯焊丝明弧堆焊Fe-Cr-C-B-W合金组织与性能研究——文献学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于《焊接学报》2020年第41卷第3期，由大连海洋大学贾华等人完成，获得国家自然科学基金青年基金等资助。研究采用自保护药芯焊丝明弧堆焊技术，制备了五组不同钨含量的Fe-Cr-C-B-W合金，系统考察了钨含量对堆焊层组织和耐磨性能的影响。

自保护药芯焊丝明弧堆焊是一种无需外加保护气体的焊接方法，具有设备简单、操作灵活、现场适应性强等优点，特别适用于野外作业或不便使用保护气体的场合。Fe-Cr-C-B-W合金是一种典型的高硬度耐磨堆焊合金，其中的硼元素可以形成M2B型硼化物，与碳化物共同构成硬质相网络。

核心发现：钨的迁移行为与相组成

钨的迁移机制

文献最重要的发现是：大部分钨元素并未形成典型的初生WC硬质相，而是迁移到晶界生成了Fe3W3C缺碳复合相。这一发现具有重要的工程意义——Fe3W3C比WC具有更好的稳定性，不易在高温服役中溶解或分解。

这一迁移行为的机理在于：钨在熔池中的扩散行为受碳活度和温度梯度的共同影响。在自保护药芯焊丝的焊接条件下，熔池中的碳活度较低（药皮中碳含量有限），钨倾向于在晶界富集形成缺碳相，而非在晶内形成WC。

相组成分析

堆焊层的显微组织由以下相组成：

值得注意的是，堆焊层中没有典型的初生WC硬质相颗粒生成。这与传统铁基碳化钨堆焊合金（如主题1中讨论的WC合金）形成鲜明对比，说明自保护药芯焊丝的焊接条件对钨的成相行为有决定性影响。

钨含量与耐磨性能的关系

钨含量的优化窗口

随着钨添加量的增多，共晶硬质相M7(C,B)3、M3(C,B)和Fe3W3C的数量增加，间距减小，呈连续网状均匀分布。当钨添加量为12%时，堆焊层的耐磨性达到最佳。

网状分布的工程意义

硬质相的连续网状分布对耐磨性至关重要。网状硬质相能够有效阻碍磨粒的切削和犁沟作用，提高堆焊层的抗磨粒磨损能力。但硬质相过密可能导致脆性增加，耐磨性反而下降。12%的钨含量恰好处于"连续网状"与"过度密集"之间的最佳平衡点。

自保护药芯焊丝工艺的优劣分析

工艺优势

• 设备简单：无需保护气体系统，适合现场作业。
• 操作灵活：可适应多种焊接位置。
• 成本较低：省去了保护气体的消耗。
• 适应性强：适合户外、高空、水下等复杂环境。

工艺局限

• 飞溅较大：明弧堆焊的飞溅率高于保护气体焊接，材料利用率较低。
• 氧化风险：无保护气体条件下，熔池易氧化，可能影响合金成分。
• 稀释率：药皮对熔敷金属的稀释作用可能导致合金元素含量偏离设计值。
• 多层堆焊困难：多层堆焊时，后续层对前层的稀释和热循环影响较大。

工程应用建议

1. 钨含量控制：对于需要高耐磨性的工况，钨含量建议控制在10%~14%范围内，12%为推荐值。
2. 硼含量配合：硼是形成M2B和M(C,B)型共晶相的关键元素，应与钨含量协同优化。
3. 多层堆焊策略：建议采用"打底+堆焊"的多层策略，打底采用低碳焊丝，堆焊层采用高钨焊丝，以控制稀释率。
4. 焊后热处理：自保护药芯焊丝堆焊层的残余应力较大，建议焊后进行600~650°C的回火处理。
5. 耐磨性验证：实验室的干摩擦磨损试验结果不能完全代表实际工况，建议在模拟工况下进行湿磨、磨粒磨损等测试。

学习心得

本文的一个突出贡献是揭示了自保护药芯焊丝条件下钨的特殊迁移行为——形成Fe3W3C而非WC。这一发现提醒我们，同样的合金成分在不同的焊接工艺条件下可能形成完全不同的相组成，工艺对组织的控制作用不可低估。对于从事耐磨堆焊工艺开发的同行，在配方设计时必须充分考虑焊接工艺的影响，不能孤立地看待合金成分。