基于等离子堆焊技术的矿用截齿耐磨性能研究——文献学习体会

文献概况与工程背景

成博等作者2017年发表于《中北大学学报（自然科学版）》第38卷第4期的这篇论文，聚焦于等离子堆焊技术在矿用截齿耐磨性能提升中的应用。矿用截齿是采煤机上的关键部件，在煤矿恶劣的实际工作环境中承受严重的磨粒磨损和冲击载荷，其磨损直接导致采煤效率降低和开发成本上升。该研究以国家自然科学基金（21604074）为资助，具有较高的学术水准和工程应用价值。

等离子堆焊技术原理与优势

等离子弧堆焊的基本原理

等离子堆焊（Plasma Arc Welding Overlay）以转移型等离子弧作为热源，利用压缩等离子弧瞬间产生的高温（可达10000-30000 K）使金属混合粉末熔化，与基体形成冶金结合，获得耐磨性更强的涂层。其工作原理可概括为：

1. 等离子弧形成：在电极和喷嘴之间形成压缩的等离子弧，弧柱直径小、能量密度高。
2. 粉末送进与熔化：耐磨合金粉末通过送粉管送入等离子弧中，在高温下迅速熔化。
3. 熔池形成：熔化的粉末与基体表面形成熔池，冷却后形成冶金结合的堆焊层。
4. 多层堆焊：通过多次送粉和熔敷，获得所需的堆焊层厚度。

与常规堆焊方法的对比

等离子堆焊的核心优势在于低稀释率和高堆焊层硬度，这使得合金粉末中的耐磨元素（如TiC、WC、Cr₇C₃等）能够最大限度地保留在堆焊层中，充分发挥其耐磨作用。

实验设计与核心发现

四种合金粉末配比研究

作者对4种不同配比的合金粉末进行了堆焊和耐磨性测试，核心发现是：随着合金粉末中TiC（碳化钛）含量的增加，矿用截齿涂层的耐磨性能得到了明显的提高。

这一结论可从以下角度理解：

• TiC的超高硬度：TiC的莫氏硬度约为9.5，维氏硬度约为2800 HV，是已知最硬的陶瓷相之一。在磨粒磨损中，TiC颗粒作为"硬质屏障"，能有效抵抗磨粒的切削和犁沟。
• TiC的热稳定性：TiC的熔点高达3140°C，在等离子弧的高温下仍能保持固态，不会被完全熔化或分解，从而在堆焊层中保留为硬质相。
• TiC与基体的冶金结合：在等离子堆焊的高温条件下，TiC颗粒与熔化的基体形成良好的冶金结合，不易在磨损过程中脱落。

TiC含量与耐磨性的关系

虽然文献未给出所有4种配比的详细数据，但从"TiC含量增加→耐磨性提高"的规律可以推断：

• 适量TiC：TiC颗粒均匀分布于基体中，提供硬质强化，耐磨性显著提高。
• 过量TiC：可能导致TiC颗粒团聚，形成应力集中点，反而降低耐磨性。此外，过量TiC可能影响熔池的流动性和铺展性，导致堆焊层成形不良。
• 最佳TiC含量：存在一个最优值，在该值下TiC颗粒分布最均匀、与基体结合最牢固、耐磨性最佳。

磨损机制分析

矿用截齿在煤矿环境中的磨损机制主要包括：

• 磨粒磨损：煤岩中的硬质颗粒（如石英、刚玉）对截齿表面的切削和犁沟作用。
• 冲击磨损：截齿在切入煤岩时承受冲击载荷，导致材料疲劳和剥落。
• 氧化磨损：高温和氧气作用下的表面氧化，形成脆性氧化层。
• 粘着磨损：煤岩中的软质成分与截齿表面发生粘着和转移。

TiC颗粒主要通过抵抗磨粒磨损来提高耐磨性，但对冲击磨损和氧化磨损的改善作用相对有限。因此，在实际应用中，需要综合考虑TiC含量、基体韧性和服役工况，做出合理的选材决策。

等离子堆焊的工艺参数优化

关键工艺参数

• 等离子弧电流：影响熔池温度和稀释率。电流过大→稀释率升高→TiC溶解增多→硬度下降。
• 送粉速度：影响堆焊层的合金含量和成形质量。送粉过快→熔池温度降低→TiC保留率高但可能产生未熔合。
• 焊接速度：影响热输入和堆焊层厚度。速度过快→熔深不足→结合强度降低。
• 层间温度：多层堆焊时，层间温度过高→TiC溶解加剧→组织粗化。

工艺窗口建议

• 电流：建议在中低电流范围内工作，以控制稀释率在10-15%以下。
• 送粉速度：根据电流和焊接速度匹配，确保粉末完全熔化和均匀铺展。
• 焊接速度：根据所需的堆焊层厚度调整，一般单道厚度控制在1-2 mm。
• 层间温度：控制在200-300°C以下，避免TiC的过度溶解。

与工程实践的结合

矿用截齿的修复与强化

等离子堆焊在矿用截齿修复中具有以下应用优势：

• 延长使用寿命：通过堆焊耐磨合金层，可显著延长截齿的使用寿命，降低更换频率。
• 恢复尺寸：磨损后的截齿可通过等离子堆焊恢复至原始尺寸，减少报废损失。
• 局部强化：仅对截齿的磨损部位进行堆焊，避免整体热处理带来的变形和应力问题。

质量控制与缺陷预防

• TiC团聚：通过优化送粉工艺和焊接参数，避免TiC颗粒的局部团聚。
• 未熔合：确保足够的热输入和熔深，使TiC颗粒与基体形成冶金结合。
• 气孔：等离子弧的惰性气氛保护可有效减少气孔，但仍需注意基体表面的清洁度。
• 裂纹：高合金堆焊层容易产生冷裂纹，需控制层间温度和焊后热处理。

成本效益分析

• 设备投资：等离子堆焊设备成本较高，但可长期重复使用。
• 材料成本：合金粉末成本高于常规焊材，但堆焊层寿命显著延长，综合成本可能更低。
• 停机时间：等离子堆焊工艺灵活，可实现快速修复，减少设备停机时间。
• 综合效益：对于高价值截齿（如进口截齿），等离子堆焊修复的经济效益尤为显著。

学习心得与启示

这篇文献让我深刻体会到：在矿用截齿等关键部件的耐磨强化中，等离子堆焊技术具有不可替代的优势。其低稀释率和高堆焊层硬度的特点，使得合金粉末中的耐磨元素能够最大限度地发挥作用，这是常规堆焊方法难以实现的。

同时，文献中"TiC含量增加→耐磨性提高"的规律，也提醒我们在合金粉末配方设计时，不能盲目追求TiC含量的最大化，而应关注TiC颗粒的均匀分布和与基体的冶金结合。这种"适量、均匀、牢固"的三要素，是硬质相强化成功的关键。

对于从事矿山机械修复和表面强化的技术人员而言，掌握等离子堆焊技术的原理、工艺参数和合金粉末配方设计，是实现高效修复和性能优化的核心能力。该文献的实验数据和研究方法为工程实践提供了有价值的参考，值得在矿山机械的表面强化领域推广应用。