TiC对亚共晶高铬铸铁堆焊合金组织及磨损性能影响的学习体会

文献概况

马笑晗等人在2024年发表于《中国表面工程》第37卷第4期的研究论文，系统探讨了TiC（碳化钛）对亚共晶高铬铸铁堆焊合金微观组织及耐磨性能的影响。该研究由北京工业大学材料科学与工程学院与威海天润金钰新材料科技有限公司联合完成，获得泰山产业领军人才项目资助，具有明确的产学研结合特征。

研究背景与问题定义

农机触土部件（如犁铧、旋耕刀、播种器开沟器、耙齿等）在作业过程中承受土壤中的沙石、杂草、植物秸秆、根茬及其他有机质物体的持续磨损与冲击，极易发生失效报废。传统高铬铸铁堆焊耐磨层虽然硬度较高，但在冲击载荷作用下易发生脆性剥落，耐磨寿命难以满足农机高强度作业需求。

该研究的核心科学问题是：TiC作为硬质相添加到亚共晶高铬铸铁堆焊合金中，能否通过改善微观组织来同时提升抗磨粒磨损与抗冲击磨损性能？两种TiC引入方式（原位合成与直接添加）对性能的影响差异如何？

实验方法与工艺条件

研究采用药芯焊丝电弧焊（FCAW）方法在Q235钢基体上进行堆焊。实验设计了两种TiC引入方式：

检测手段包括：金相显微镜（OM）、洛氏硬度计（HRD）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、MLS-225型湿式橡胶轮磨粒磨损试验机、自制叶轮-滚筒冲击磨损试验装置。

核心实验结果分析

微观组织演变

研究结果表明，含TiC的亚共晶高铬铸铁堆焊合金主要由γ-Fe（奥氏体）、α-Fe（铁素体）、M₇C₃（高碳铬碳化物）和TiC组成。TiC的加入对组织产生了以下关键影响：

• TiC作为异质形核核心，细化了先析出奥氏体晶粒，使堆焊层组织更加均匀致密
• 原位合成方式生成的TiC颗粒更细小（粒径约0.5~2μm），且与基体的界面结合更紧密
• 直接添加方式下的TiC颗粒相对较大（粒径约2~10μm），部分颗粒在熔池中发生一定程度的氧化与溶解

硬度与耐磨性能

TiC的加入使堆焊层宏观硬度显著提升。原位合成TiC的堆焊层硬度优于直接添加TiC的堆焊层，后者又优于未添加TiC的基准试样。磨粒磨损试验显示，TiC的加入使共晶碳化物的开裂和剥落现象明显减少，磨损失重降低。

冲击磨损试验结果表明，TiC的加入使冲击磨损表面材料的脱落减少，磨损失重降低。原位合成方式添加TiC的堆焊层在冲击磨损条件下表现出最优性能，这归因于其更细的TiC颗粒与更紧密的界面结合，有利于在冲击载荷下分散应力集中。

技术分析与工程思考

TiC强化机理

TiC作为超硬相（莫氏硬度9.0，熔点3227℃），在高铬铸铁基体中发挥多重强化作用：

1. 弥散强化：细小TiC颗粒阻碍位错运动，提高基体强度
2. 晶粒细化：异质形核作用细化先析出相，降低晶界脆性
3. 增韧机制：细小TiC颗粒在冲击载荷下可诱发微裂纹偏转与钉扎，消耗裂纹扩展能量
4. 耐磨贡献：TiC本身具有极高的耐磨性，在磨粒磨损条件下不易被磨除

原位合成与直接添加的性能差异

原位合成方式之所以性能更优，根本原因在于TiC颗粒的尺寸与界面质量。原位合成在焊接熔池的高温条件下进行，Ti与C原子在液态金属中充分扩散反应，生成的TiC颗粒尺寸细小且分布均匀，与基体的冶金结合良好。而直接添加的TiC颗粒在熔池中经历非平衡凝固，部分颗粒可能因局部过热而发生氧化（TiO₂生成），导致界面结合强度下降。

工艺窗口优化建议

基于该研究结果，在实际工程应用中应注意以下工艺要点：

• 药芯焊丝中TiC前驱体的配比需精确控制，过多会导致熔池流动性下降、飞溅增大
• 焊接热输入应控制在适当范围（建议8~15 kJ/cm），过高的热输入会导致TiC颗粒粗化
• 多层堆焊时层间温度应控制在150~250℃，避免层间氧化
• 堆焊层厚度建议控制在3~5mm，过厚会导致稀释率增大、组织不均匀

学习心得与展望

该研究将材料设计（TiC添加方式优化）与焊接工艺（药芯焊丝电弧焊）有机结合，体现了表面工程领域"材料-工艺-性能"三位一体的研究范式。对于农机触土部件的耐磨修复与再制造，该研究提供了有价值的技术参考。

从更广阔的视角看，硬质相增强金属基复合材料（MMC）的焊接制造是国际前沿研究方向。除了TiC，还有WC、Cr₃C₂、SiC、BN等硬质相被研究应用于堆焊耐磨层。不同硬质相与基体的热膨胀匹配性、界面反应活性、与基体的冶金相容性是影响最终性能的关键因素。TiC的优势在于其与铁基基体具有较好的冶金相容性，界面反应温和，不易形成脆性相，这在焊接高温条件下尤为重要。

该研究采用湿式橡胶轮磨粒磨损试验和叶轮-滚筒冲击磨损试验两种方法评价耐磨性能，较为全面地覆盖了农机触土部件的实际工况。但实际工况中还存在切削磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损等复合磨损机制，后续研究可考虑开展多因素复合磨损试验，以更贴近实际使用条件。