高铬双金属耐磨板堆焊层组织与滑动摩擦磨损性能研究学习体会

文献概况与工程背景

刘添君等发表于《机械工程材料》2026年第50卷第5期的这篇文章，针对矿山机械、输送设备等领域的耐磨需求，研究了高铬双金属耐磨板堆焊层的组织和滑动摩擦磨损性能。研究在不同载荷（200 N和600 N）和不同环境（干摩擦和石英砂摩擦）下进行了系统的摩擦磨损试验，并与常用马氏体耐磨钢板进行了对比。结果表明，高铬双金属耐磨板堆焊层在滑动干摩擦和石英砂摩擦条件下的磨损质量损失和体积磨损率均低于马氏体耐磨钢板，展现出更优的耐滑动磨损能力。该研究为耐磨板材料的选择和工艺优化提供了实验依据。

堆焊层组织与硬度梯度分析

高铬铸铁堆焊层的典型组织特征

文章指出堆焊层主要由Cr₇C₃碳化物、α-Fe和少量Cr₂₃C₆碳化物组成。这一组织特征是高铬铸铁（Cr含量通常在20%~30%）的典型表现。Cr₇C₃是一种亚稳态碳化物，硬度极高（约2000~2500 HV），但稳定性较差，在较高温度或长时间保温条件下容易分解为更稳定的Cr₂₃C₆。Cr₂₃C₆虽然硬度略低，但热稳定性更好。两种碳化物的共存状态直接取决于凝固速率和冷却条件。

熔合区硬度梯度的工程意义

文章特别指出"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"。这一现象具有重要的工程意义。硬度梯度意味着熔合区存在一个从软到硬的过渡区域，这个区域的力学性能介于基体和堆焊层之间。在实际服役过程中，当堆焊层表面受到磨粒切削时，磨损首先发生在高硬度的表面层，而熔合区的硬度梯度则提供了从硬到软的缓冲，有助于延缓裂纹的萌生和扩展。

然而，硬度梯度也带来了潜在的风险。如果基体钢与堆焊层的硬度差异过大，在热循环或冲击载荷作用下，界面处可能产生较大的热应力和机械应力，导致界面开裂或堆焊层整体剥落。因此，在实际应用中，需要关注堆焊层与基体的匹配性，确保界面结合强度满足服役要求。

滑动磨损机制的深度解析

干摩擦与石英砂摩擦的磨损机制对比

文章对两种摩擦环境下的磨损机制进行了详细分析，这一分析框架对理解耐磨材料的失效模式具有重要参考价值。

在干摩擦环境下，磨损机制以微凸体切削为主，伴随疲劳剥落磨损。微凸体切削是指摩擦表面上的微观凸起在相对滑动过程中对对方表面产生犁沟作用，形成连续的切屑。疲劳剥落磨损则是由于反复的接触应力作用，在表面下萌生微裂纹，裂纹扩展至表面后导致材料成片剥落。

在石英砂摩擦环境下，磨损机制为微凸体切削与硬质石英砂微切削共同作用，同样伴随疲劳剥落磨损。石英砂（SiO₂，莫氏硬度7）作为第三方磨粒，其硬度远高于堆焊层表面，在摩擦过程中嵌入或滚动于接触表面之间，对堆焊层产生强烈的切削作用。这种"三体磨损"模式是矿山、水泥、电力等行业中最常见的磨损形式。

与马氏体耐磨钢板的对比分析

文章将高铬双金属耐磨板堆焊层与常用马氏体耐磨钢板进行了对比，发现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，但在磨损质量损失和体积磨损率方面均低于马氏体耐磨钢板。这一结果表明，高铬双金属耐磨板堆焊层的耐磨性优势主要体现在材料去除速率的降低，而非摩擦因数的变化。

从材料设计角度来看，高铬铸铁中的Cr₇C₃碳化物虽然硬度极高，但数量相对较少，主要起"骨架"支撑作用；而马氏体耐磨钢中的碳化物数量更多但硬度略低。在实际磨损过程中，高铬堆焊层的高硬度碳化物能够更有效地抵抗磨粒切削，而马氏体钢则依靠较高的基体硬度和一定的碳化物数量来抵抗磨损。两种材料各有优势，选择时需根据具体工况确定。

工程应用中的关键考量与反思

载荷与工况的匹配性

文章在200 N和600 N两种载荷条件下进行了试验，但实际工程中的载荷往往远高于实验室条件。矿山机械中的耐磨板可能承受数十吨的物料冲击和研磨载荷，实验室的200 N和600 N载荷只能模拟轻载工况。因此，在将实验结论推广到实际工程应用时，需要充分考虑载荷量级的差异，必要时进行更大载荷条件下的验证试验。

磨粒磨损与冲击磨损的协同作用

文章的研究聚焦于滑动摩擦磨损，但实际矿山工况中，耐磨板往往同时承受磨粒磨损和冲击磨损的双重作用。高铬铸铁虽然抗磨粒磨损性能优异，但其韧性相对较低，在冲击载荷下容易发生脆性断裂。因此，在实际应用中，高铬双金属耐磨板的"双金属"设计——即高铬铸铁堆焊层与韧性较好的基体钢组合——正是为了兼顾耐磨性和抗冲击性。

焊接工艺对组织的影响

高铬铸铁的焊接性较差，容易产生冷裂纹和热裂纹。在实际堆焊过程中，需要严格控制以下工艺参数：预热温度（通常150~250°C）、层间温度、热输入、焊接速度及冷却速率。过高的热输入会导致Cr₇C₃碳化物分解，降低硬度；过低的冷却速率则可能导致粗大碳化物的形成，影响耐磨性。此外，多层堆焊时的层间温度控制至关重要，过高的层间温度会导致前一层组织过度回火，硬度下降。

该研究为高铬双金属耐磨板在矿山、水泥、电力等行业的应用提供了有价值的实验数据，特别是磨损机制的分析框架对耐磨材料的选择和工艺优化具有重要的指导意义。工程技术人员在应用该研究成果时，应充分考虑实验室条件与实际工况的差异，必要时进行针对性的补充验证。