自保护药芯焊丝明弧堆焊Fe-Cr-C-B-W合金组织性能研究学习体会

文献概况与技术定位

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与沈阳工业大学刘政军等作者联合完成。研究采用自保护药芯焊丝明弧堆焊技术制备五组不同钨含量的Fe-Cr-C-B-W合金，系统研究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（FCAW-S）在工业堆焊中具有独特优势：无需外接保护气体，适用于户外、现场、移动作业等不便使用保护气体的场合。Fe-Cr-C-B-W合金体系是一种典型的多元合金化耐磨堆焊材料，铬提供抗氧化性和固溶强化，硼形成碳化物增强硬度，钨则通过形成碳化物或金属间化合物提高耐磨性。该研究的核心问题在于：在自保护药芯焊丝明弧堆焊条件下，钨元素如何影响堆焊层的相组成和耐磨性能。

关键发现：钨的迁移与相组成演变

研究最引人注目的发现是：在自保护药芯焊丝明弧堆焊条件下，大部分钨元素被迁移到晶界生成了比WC稳定性更好的Fe₃W₃C缺碳复合相，堆焊层中没有典型的初生WC硬质相颗粒生成。

这一发现具有重要的工程意义。传统观念认为，钨在铁基堆焊合金中主要以WC形式存在，而该研究证明在FCAW-S条件下，由于熔池成分和凝固条件的差异，钨倾向于形成Fe₃W₃C而非WC。Fe₃W₃C是一种缺碳复合相，其硬度和稳定性优于WC，且分布更为弥散。

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

组织组成与耐磨机理

堆焊层的显微组织由马氏体、残余奥氏体、M₇(C,B)₃、M₃(C,B)、Fe₃W₃C和WC组成。这种多相组织构成了复杂的耐磨体系：

• 马氏体基体提供基本硬度和强度；
• 残余奥氏体在服役过程中可发生应力诱导相变，提供一定韧性；
• M₇(C,B)₃和M₃(C,B)作为硼化物硬质相，提供点阵强化；
• Fe₃W₃C作为缺碳钨化合物，弥散分布提供整体强化；
• 少量WC颗粒提供局部抗磨粒磨损能力。

12%钨含量对应的最佳耐磨性能，本质上反映了硬质相数量、尺寸和分布之间的最佳平衡。钨含量过低时硬质相不足，过高时可能导致相聚集和脆性增加。

自保护药芯焊丝工艺特性分析

与实芯焊丝或保护气体焊丝相比，自保护药芯焊丝在堆焊应用中有以下特点：

1. 药粉中的造渣剂在熔池表面形成熔渣覆盖，起到一定的冶金保护作用，但保护效果不如惰性气体；
2. 药粉中的脱氧剂和合金元素影响熔池成分，可能导致合金元素烧损；
3. 药芯结构使得合金元素分布更均匀，有利于获得均匀的堆焊层组织；
4. 明弧堆焊适用于大型工件和现场作业，但焊接参数控制难度较大。

钨元素在FCAW-S条件下形成Fe₃W₃C而非WC，可能与药粉中碳含量较低、熔池碳活度不足有关。这一认识对于焊材配方设计具有重要指导意义：在自保护药芯焊丝中，不能简单假设钨会以WC形式存在，需要根据实际的熔池碳活度来预测相组成。

学习心得与工程启示

该研究的最大启示在于打破了"钨等于WC"的传统认知。在实际生产中，许多工程师在设计含钨耐磨堆焊材料时，往往按照WC的生成来估算硬度和耐磨性，而忽略了钨在不同焊接条件下可能形成不同相的事实。该研究提醒我们，必须根据具体的焊接方法、保护条件和成分设计来预测最终相组成。

12%的钨含量作为最佳值，在实际应用中需要结合成本进行考量。钨是战略稀有金属，价格昂贵，12%的添加量意味着较高的材料成本。对于成本敏感的应用场景，可以考虑在10%~12%范围内进行优化，或者通过其他合金化手段（如增加硼或铬含量）来弥补钨含量降低带来的性能损失。