不同碳化物颗粒在堆焊复合材料中的特性对比分析

文献概况与研究背景

本文发表于《煤炭学报》1996年第21卷第6期，由煤炭科学研究总院北京建井研究所的高峰撰写，受煤炭科学基金资助。研究采用硬度、金相、X射线衍射和磨损试验等方法，对几种不同类型的管装碳化物硬质合金堆焊焊条进行了性能对比试验，探讨了烧结WC、铸造WC和烧结TiC堆焊合金的不同特性。

在矿山机械、煤炭开采、水泥行业等对耐磨性要求极高的工况下，堆焊硬质合金复合材料是延长设备寿命的关键技术。碳化物颗粒作为堆焊层中的硬质第二相，其种类、尺寸、分布和与基体的结合状态直接决定了堆焊层的耐磨性能。

三种碳化物的基本特性对比

文献对比了三种不同类型的碳化物硬质合金：烧结WC（碳化钨）、铸造WC和烧结TiC（碳化钛）。这三种碳化物在晶体结构、物理性能和冶金行为方面存在显著差异。

从上述对比可以看出，三种碳化物各有优劣。烧结WC和烧结TiC在耐磨性方面表现相当，但烧结TiC的焊接工艺性较差，这限制了其在堆焊应用中的推广。铸造WC虽然耐磨性最高，但冲击韧性差，在承受冲击载荷的工况下容易发生脆性断裂。

磨损试验结果分析

文献通过磨损试验对三种碳化物堆焊合金的耐磨性能进行了定量评估。磨损试验通常采用销盘法或环块法，在规定的载荷、速度和磨损介质条件下，测量堆焊层的磨损量和磨损率。

从磨损机理角度分析，堆焊层的耐磨性取决于以下因素：硬质相的硬度（抵抗磨粒切削和犁沟的能力）；硬质相的尺寸和分布（影响磨粒的嵌入深度和基体的塑性变形）；基体的强度和韧性（抵抗磨粒冲击和疲劳剥落的能力）；硬质相与基体的结合强度（防止硬质相在磨损过程中脱落）。

铸造WC耐磨性最高的原因可能是：铸造工艺使WC颗粒的尺寸较大且分布较为均匀，形成了有效的磨粒阻挡网络；同时，铸造WC与基体之间形成了较好的冶金结合，减少了颗粒脱落的倾向。然而，铸造WC的冲击韧性差意味着其在冲击磨损工况下可能表现不佳，因为较大的WC颗粒在冲击载荷下容易产生应力集中和裂纹萌生。

烧结TiC焊接工艺性较差的原因可能是：TiC的熔点极高（约3140°C），在电弧焊接条件下难以完全熔化和均匀分布；TiC与铁基熔池的润湿性较差，容易在界面处形成缺陷；TiC在熔池凝固过程中容易形成粗大的颗粒，影响堆焊层的均匀性。

金相与XRD分析的关键发现

文献采用金相分析和X射线衍射（XRD）对堆焊层的微观组织进行了表征。金相分析可以揭示碳化物颗粒的形态、尺寸、分布和与基体的结合状态；XRD分析可以识别堆焊层中的物相组成，包括基体相、碳化物相和可能的中间相。

从金相分析角度，烧结WC和烧结TiC堆焊层中的碳化物颗粒通常呈近球形或规则多面体形态，尺寸分布较为均匀，这是因为烧结工艺可以精确控制颗粒尺寸。而铸造WC堆焊层中的碳化物颗粒可能呈不规则形态，尺寸分布较宽，这是因为铸造工艺中碳化物的形成受凝固条件影响较大。

从XRD分析角度，三种碳化物堆焊层中除了主要的碳化物相外，还可能检测到以下物相：基体中的铁素体或马氏体相；碳化物与基体反应生成的中间相（如Fe7W6C、Fe2W4C等）；可能存在的氧化钛相（在TiC堆焊层中）。

工程选型与工艺建议

基于文献的研究结果，在实际工程应用中需要根据具体工况选择合适的碳化物类型：

对于以磨粒磨损为主、冲击载荷较小的工况（如输送设备内壁、料斗衬板），优先选择铸造WC堆焊合金，以获得最高的耐磨性。

对于磨粒磨损与冲击磨损并存的工况（如挖掘斗齿、破碎机衬板），建议选择烧结WC堆焊合金，在耐磨性和冲击韧性之间取得较好的平衡。

对于高温耐磨工况或对密度有特殊要求的场合，可以考虑烧结TiC堆焊合金，但需要采用特殊的焊接工艺（如预热温度较高、焊接热输入较大、采用多层堆焊）来改善其焊接工艺性。

在焊接工艺方面，碳化物堆焊合金的焊接需要特别注意以下要点：预热温度（通常需要在300-500°C范围，具体取决于碳化物类型和基体材料）；焊接热输入控制（避免过大热输入导致碳化物过度溶解或基体过热）；层间温度控制（防止多层堆焊时应力累积）；焊后热处理（消除残余应力，改善组织均匀性）。

学习心得与启示

本文的研究虽然发表于1996年，但其关于碳化物颗粒在堆焊复合材料中特性的对比分析至今仍然具有重要的参考价值。从材料设计角度，碳化物颗粒的种类、尺寸、分布和与基体的结合状态是决定堆焊层耐磨性的关键因素，这一认识在当前的表面工程研究中仍然适用。

从工程应用角度，我深刻体会到材料选型必须与工况匹配的重要性。铸造WC虽然耐磨性最高，但其冲击韧性差的缺点在某些工况下可能成为致命弱点；烧结TiC虽然综合性能良好，但焊接工艺性差限制了其应用范围。在实际工程中，需要根据磨损类型、载荷条件、温度环境等多因素进行综合评估，选择最合适的碳化物类型和堆焊方案。

对于从事矿山机械、煤炭开采、水泥行业等技术领域的人员而言，深入理解不同碳化物的特性差异和焊接工艺要求，是优化堆焊方案、延长设备寿命的基础。未来的研究方向可能包括：新型碳化物（如Cr3C2、TiN等）在堆焊复合材料中的应用、纳米碳化物颗粒的引入对堆焊层性能的影响、以及碳化物与基体界面结合强度的优化设计。