高铬双金属耐磨板堆焊层滑动摩擦磨损性能研究的学习体会

文献概况与工程背景

刘添君等作者来自河北钢铁集团矿业有限公司和中国矿业大学，在《机械工程材料》2026年第50卷第5期发表了这篇关于高铬双金属耐磨板堆焊层组织与滑动摩擦磨损性能的研究论文。研究在不同载荷（200 N、600 N）和不同环境（干摩擦、石英砂摩擦）下对高铬双金属耐磨板堆焊层进行了滑动摩擦磨损试验，并与常用马氏体耐磨钢板进行了对比。这一研究直接面向矿山机械和重型运输设备的耐磨需求，具有很强的工程应用针对性。

堆焊层组织与硬度特征

相组成分析

文章研究表明，堆焊层主要由Cr₇C₃碳化物、α-Fe基体和少量Cr₂₃C₆碳化物组成。这一相组成特征是高铬铸铁类堆焊材料的典型特征。Cr₇C₃是面心立方结构的碳化物，硬度较高且分布相对均匀；而Cr₂₃C₆是复杂立方结构的碳化物，通常沿晶界呈网状分布，虽然硬度更高但脆性也更大。

熔合区硬度梯度

文章指出从基体钢向堆焊层方向，熔合区的显微硬度呈梯度增大趋势。这一硬度梯度是堆焊层与基体之间冶金结合的直观体现，也是堆焊层在服役中抵抗剥离的关键因素。合理的硬度梯度意味着：

• 熔合区具有良好的冶金结合，避免了界面处的脆性断裂
• 硬度过渡平缓，减少了热应力和残余应力的集中
• 在磨损过程中，基体能够参与承载，延缓堆焊层的整体失效

滑动摩擦磨损性能对比分析

摩擦因数与磨损量

实验结果表明，堆焊层在滑动干摩擦时的摩擦因数与马氏体耐磨钢板处于同一水平，但在滑动干摩擦和石英砂摩擦时的磨损质量损失和体积磨损率均低于马氏体耐磨钢板。

磨损机制分析

文章明确指出，堆焊层在干摩擦和石英砂摩擦环境下的滑动磨损机制均主要为磨粒磨损。具体而言：

• 干摩擦环境下：以微凸体切削为主，即堆焊层表面的微凸体与对偶件表面相互切削
• 石英砂摩擦环境下：微凸体切削与硬质石英砂微切削共同作用，石英砂颗粒作为磨粒直接切削堆焊层表面
• 两种环境下均伴随疲劳剥落磨损，即循环应力作用下表面裂纹萌生扩展导致的材料剥落

这一磨损机制分析具有重要的工程指导意义。在实际矿山工况中，物料（如铁矿石、煤炭）中含有大量硬质颗粒（石英、刚玉等），其硬度远高于普通钢材，因此磨粒磨损是主导磨损机制。高铬双金属堆焊层中弥散分布的Cr₇C₃硬质相能够有效抵抗磨粒切削，而α-Fe基体提供的韧性则抑制了疲劳剥落的发生。

载荷与环境因素的交互影响

载荷效应的分析

研究设置了200 N和600 N两种载荷条件。从磨损力学角度分析，载荷的增加会导致接触应力增大，从而加剧磨粒切削深度和疲劳裂纹扩展速率。对于高铬双金属堆焊层，在较低载荷（200 N）下，Cr₇C₃颗粒能够有效抵抗微凸体切削；而在较高载荷（600 N）下，部分Cr₇C₃颗粒可能被拔出或破碎，导致磨损速率加速。

三体磨损与二体磨损的对比

干摩擦属于典型的二体磨损（两固体表面直接接触），而石英砂摩擦属于三体磨损（磨粒介于两个固体之间）。三体磨损通常比二体磨损更为严重，因为磨粒可以在自由状态下反复切削表面。研究结果证实，石英砂摩擦环境下的磨损量确实高于干摩擦环境，但高铬双金属堆焊层相对于马氏体耐磨钢板的优势在三体磨损条件下更加明显。

工程应用与工艺建议

应用场景定位

高铬双金属耐磨板特别适用于以下工况：

• 矿山溜槽、料仓、漏斗等受矿石冲击和磨蚀的部件
• 水泥厂生料磨、熟料磨的衬板
• 电力行业煤粉管道、灰斗
• 船舶压载舱、矿砂船货舱

工艺优化建议

基于研究结果，在实际应用中提出以下建议：

• 堆焊层厚度设计应充分考虑磨损余量，建议设计厚度为预期磨损量的2~3倍
• 堆焊层与基体的硬度匹配应遵循"外硬内韧"原则，确保熔合区硬度梯度合理
• 对于承受重载冲击的工况，可适当增加堆焊层厚度或采用多层堆焊
• 堆焊后建议进行适当的应力消除处理，降低残余应力对疲劳剥落磨损的影响

学习心得与启示

这篇文献的价值在于通过系统的对比试验，定量证明了高铬双金属耐磨板堆焊层相对于传统马氏体耐磨钢板的优越耐磨性能。特别是磨损机制的分析，清晰地揭示了Cr₇C₃硬质相在抵抗磨粒磨损中的关键作用，以及α-Fe基体在抑制疲劳剥落中的协同效应。

从工程选材的角度，这一研究为矿山和水泥行业的耐磨部件选材提供了新的思路。传统上，马氏体耐磨钢板因其高硬度和良好的加工性能而被广泛使用，但高铬双金属耐磨板在磨粒磨损工况下表现出更优的耐磨性，且其堆焊工艺灵活性使得现场修复和局部强化成为可能。对于从事耐磨材料选型和表面工程技术的工程师而言，深入理解不同磨损机制下材料的失效行为，是实现科学选材和合理设计的基础。