堆焊-热轧制备高铬铸铁/低碳钢耐磨复合板性能研究——文献学习体会

文献概况与技术路线

本文发表于《塑性工程学报》2019年第26卷第5期，由太原科技大学李艳威等人完成，获得国家自然科学基金等多项资助。研究采用"堆焊+热轧"的复合工艺路线，利用高铬铸铁焊条在碳钢板表面进行堆焊，经对称组坯后在四辊轧机上以15%、25%、30%的压下率进行多道次包覆热轧，制备高铬铸铁/低碳钢耐磨复合板。

这一技术路线体现了"焊接+塑性加工"的复合制造思想，其核心优势在于：热轧可以消除堆焊结合界面处的裂纹和空隙缺陷，同时通过热塑性变形改善复合板的组织均匀性和力学性能。

热轧工艺参数与效果分析

压下率的影响

压下率是影响热轧效果的关键参数。压下率过低（如15%），热塑性变形不足，界面缺陷消除不完全；压下率过高（如30%），虽然界面缺陷完全消除，但可能引入新的变形缺陷或导致高铬铸铁层开裂。

热轧温度控制

文献中未明确给出热轧温度，但根据高铬铸铁的热加工特性，热轧温度通常控制在1000~1150°C范围内。温度过低，高铬铸铁的塑性不足，容易开裂；温度过高，碳化物可能聚集长大，反而降低耐磨性。

界面结合机理

热轧前的界面状态

堆焊结合界面通常存在以下缺陷：

• 裂纹：由于高铬铸铁与低碳钢的热膨胀系数差异，冷却过程中产生热应力，导致界面裂纹。
• 空隙：熔池凝固过程中的收缩导致界面空隙。
• 未熔合：堆焊层与基体之间的冶金结合不完全。

热轧后的界面改善

热轧通过以下机制改善界面质量：

1. 热塑性变形：在热轧温度下，高铬铸铁和低碳钢均具有足够的塑性，通过塑性变形消除界面裂纹和空隙。
2. 组织共生：热轧促进界面处高铬铸铁和低碳钢的相互扩散，形成组织共生现象。
3. 无碳化物区域：界面处出现无碳化物区域，这可能是由于热轧过程中碳化物的迁移或溶解。

剪切强度提高

界面剪切强度是评价复合板结合质量的关键指标。热轧后剪切强度的提高表明界面结合质量显著改善。这一改善对于复合板在实际使用中的可靠性至关重要——如果界面结合强度不足，在服役过程中可能发生分层剥离。

高铬铸铁层的组织演变

共晶碳化物的变化

高铬铸铁的耐磨性主要来源于共晶碳化物（如M7C3型）。在热轧前，共晶碳化物通常呈链网状分布，这种分布方式虽然硬度高，但脆性大，抗冲击性能差。

热轧使得共晶碳化物链网状被打碎，碳化物弥散分布。这一变化的意义在于：

• 硬度保持：弥散分布的碳化物仍然提供高硬度。
• 韧性改善：碳化物不再形成连续的脆性网络，基体的韧性得以发挥。
• 耐磨性提升：弥散分布的硬质相在磨粒磨损中能有效阻碍磨粒的切削。

晶粒细化

热轧过程中的动态再结晶和静态再结晶作用使高铬铸铁层的晶粒细化。细晶强化是提高材料强度和韧性的有效手段，晶粒细化后材料的综合力学性能得到改善。

工程应用中的关键问题

工艺窗口控制

1. 堆焊层厚度：堆焊层过薄，热轧后可能无法形成有效的耐磨层；过厚，则热轧变形困难，容易开裂。建议堆焊层厚度控制在5~10mm范围内。
2. 热轧道次：多道次热轧有利于均匀变形，但道次过多会增加生产周期和成本。建议采用2~3道次，每道次压下率10%~15%。
3. 热轧温度：需根据高铬铸铁的具体成分确定，通常在1000~1150°C范围内。温度过高导致碳化物聚集，温度过低导致塑性不足。
4. 轧后冷却：冷却速度影响高铬铸铁层的最终组织。空冷可获得较好的组织均匀性，油冷可能提高硬度但增加脆性。

质量控制要点

• 界面结合检测：采用剪切试验或弯曲试验评价界面结合质量。
• 硬度梯度检测：沿厚度方向检测硬度分布，确保耐磨层硬度满足要求。
• 金相组织检测：观察界面结合状态和碳化物分布特征。
• 耐磨性测试：采用标准磨损试验方法评价耐磨性能。

与纯堆焊工艺的比较

学习心得与工程启示

本文提出的"堆焊+热轧"复合工艺路线，为高铬铸铁/低碳钢耐磨复合板的制备提供了一种有效的技术方案。其核心优势在于通过热轧消除了堆焊界面的固有缺陷，同时改善了高铬铸铁层的组织和性能。

对于从事耐磨复合板制造的工程技术人员，该文献的核心启示在于：

1. 复合工艺的优势：单一工艺（纯堆焊或纯轧制）难以同时满足耐磨性和韧性的要求，复合工艺可以取长补短。
2. 热轧的温度窗口：热轧温度是决定工艺成败的关键参数，需根据具体材料成分精确控制。
3. 压下率的优化：压下率过高或过低都会影响最终性能，需要通过试验确定最佳范围。
4. 质量控制：界面结合质量是复合板可靠性的关键，必须建立完善的检测手段。

在实际工程中，建议根据具体服役工况（磨粒磨损、冲击磨损、腐蚀磨损等）选择合适的堆焊+热轧工艺参数，并通过系统试验验证工艺效果。对于大批量生产，应建立工艺数据库，积累不同材料和工艺条件下的经验数据，为工艺优化提供依据。