高硬度CO2气保护堆焊药芯焊丝的研制及其耐磨性能研究——文献学习体会

文献概况与研究价值

本文出自北京工业大学材料科学与工程学院李国栋等人，刊载于《中国表面工程》2009年第22卷第6期。论文研制了一种高硬度CO2气保护堆焊药芯焊丝，系统研究了含钨量分别为3.26%、4.13%、6.15%和8.26%的堆焊层性能，包括金相组织、点扫描分析和湿磨粒磨损试验。钨作为一种强碳化物形成元素，在堆焊合金中能够形成高硬度的碳化钨（WC）颗粒，是提高堆焊层硬度和耐磨性的有效手段。该研究通过系统改变含钨量，揭示了钨含量对堆焊层组织和耐磨性能的影响规律，为高硬度耐磨堆焊材料的成分设计提供了理论依据。

钨合金化的冶金机理

碳化钨的形成与作用

钨在堆焊合金中主要以WC（碳化钨）形式存在，WC的硬度高达HRA 93以上，是堆焊层中最硬的相。WC颗粒弥散分布于基体中，通过以下机制提高耐磨性：

• 第二相强化：硬质WC颗粒抵抗磨粒的微切削作用
• 弥散强化：细小WC颗粒阻碍位错运动，提高基体强度
• 尺寸效应：WC颗粒的粒径和分布密度直接影响耐磨性能

含钨量对组织的影响规律

文献研究了4个含钨量水平（3.26%、4.13%、6.15%、8.26%），结果表明堆焊层的组织为马氏体和残余奥氏体，碳化物呈球状弥散分布于基体内，为堆焊层不均匀结晶的结果。

从焊接冶金角度分析，含钨量的变化对堆焊层组织的影响可分为三个阶段：

含钨量与性能的平衡

研究结果表明，含钨量为6.15%时，热处理后的平均洛氏硬度值为59 HRC，磨损失重量为0.097 g。含钨量继续增加至8.26%时，硬度值略有下降，耐磨粒磨损性能略有提高。这一结果揭示了含钨量的"最优区间"现象：含钨量过低时，硬质相不足，耐磨性有限；含钨量过高时，WC颗粒粗化并可能出现聚集，导致基体连续性下降，硬度反而略有降低。6.15%的含钨量处于这一最优区间内，实现了硬度与耐磨性的良好平衡。

磨损性能分析与评价

磨粒磨损试验方法

采用湿磨粒磨损试验评价堆焊层的耐磨性能。湿磨粒磨损试验是在磨料（通常为SiC或Al2O3砂粒）悬浮液中进行磨损试验，模拟含水分和磨粒的复杂磨损环境。该方法能够较好地模拟矿山、水泥等行业中常见的湿磨工况，比干磨试验更接近实际服役条件。

磨损机制分析

堆焊层的磨损机制主要为微切削磨损和粘着磨损的复合机制。WC硬质颗粒在磨损过程中起到"屏障"作用——磨粒首先作用于WC颗粒，由于WC的硬度远高于磨料，磨粒在WC表面形成犁沟而非切削WC，从而保护了基体材料。当WC颗粒与基体的结合强度不足时，WC颗粒可能发生剥落，形成凹坑，加剧局部磨损。

含钨量对耐磨性的影响规律

从表中可以看出，6.15%含钨量的堆焊层在硬度和耐磨性之间取得了最佳平衡。含钨量从6.15%增加到8.26%时，耐磨性虽略有提高，但硬度反而下降，且原材料成本显著增加，从工程经济性角度考虑，6.15%的含钨量是最优选择。

工艺实施与质量控制

CO2气体保护堆焊的工艺要点

CO2气体保护堆焊（FCAW-CO2）是一种高效、经济的堆焊方法，但在高硬度耐磨堆焊中需要注意以下工艺要点：

• 焊接参数：采用短路过渡或脉冲过渡，控制熔池温度，避免过热导致碳化物粗化
• 保护气体流量：CO2流量通常控制在15-25 L/min，确保熔池充分保护
• 预热与层间温度：根据母材淬硬倾向确定，一般预热至150-250℃
• 堆焊层数：多层堆焊时，控制每层厚度（通常2-4 mm），避免单层层过厚导致冷却速度过快
• 焊丝选型：药芯焊丝中的药粉成分对堆焊层性能有重要影响，需要与钨含量协同优化

质量控制要点

学习心得与总结

本文通过系统研究含钨量对CO2气保护堆焊药芯焊丝堆焊层性能的影响，揭示了钨合金化在耐磨堆焊中的最优区间——6.15%含钨量时硬度达到59 HRC，磨损失重仅为0.097 g，实现了硬度与耐磨性的最佳平衡。这一研究结果对于高硬度耐磨堆焊材料的成分设计具有重要的指导意义。从工程实践角度，我深刻体会到：在耐磨堆焊材料的设计中，不能简单地追求"越高越好"——含钨量过高会导致碳化物粗化和聚集，反而降低硬度和韧性；合理的成分设计需要在硬度、韧性、耐磨性和成本之间寻找最佳平衡点。本文的研究方法——通过系统改变合金元素含量、结合组织分析和性能测试来揭示成分-组织-性能关系——是材料科学研究中经典而有效的方法论，值得在类似研究中长期沿用。对于工程应用而言，6.15%含钨量的药芯焊丝配方为高硬度耐磨堆焊提供了一个经过验证的可靠选择。