卓金管件有限公司近等物质的量比钼钒铌钛强化高铬铸铁堆焊层的组织和耐磨性能学习体会
文献概况与研究创新点
本文出自《机械工程材料》2026年第50卷第6期，作者胡士昌等来自中国机械总院集团郑州机械研究所有限公司，受河南省科技攻关计划项目（242102230046）资助。本文基于高熵合金设计理念，设计了近等物质的量比的Mo/V/Nb/Ti多元强化高铬铸铁堆焊层，并通过手工电弧焊在Q235钢板上制备堆焊层，系统研究了其显微组织、硬度与耐磨性能。该研究将高熵合金的设计理念引入传统高铬铸铁堆焊体系，是材料设计理念创新与传统工艺相结合的一个典型范例。
合金设计原理与成分方案
高熵合金设计理念的引入
高熵合金（High Entropy Alloy, HEA）是一种由五种或五种以上主要元素以近等原子比组成的新型合金体系，其核心设计理念是"高混合熵稳定固溶体"。传统合金设计以单一基体元素为主，而高熵合金通过多种元素的协同作用实现性能优化。本文将这一理念引入高铬铸铁堆焊体系，设计Mo/V/Nb/Ti四种强碳化物形成元素的近等物质的量比配比，旨在通过多元素的协同效应优化碳化物的形态、尺寸与分布。
两种成分方案的对比
| 成分参数 | 1#堆焊层 | 2#堆焊层 | 工程对照TN65 |
|---|---|---|---|
| Mo/V/Nb/Ti物质的量比 | 0.7:1.0:1.0:1.0 | 1.0:0.7:1.0:1.3 | 未采用多元设计 |
| Mo质量分数 | 0.88% | 1.25% | — |
| V质量分数 | 0.68% | 0.48% | — |
| Nb质量分数 | 1.22% | 1.22% | — |
| Ti质量分数 | 0.68% | 0.85% | — |
| Cr质量分数 | ~15.7% | ~15.7% | ~15.7% |
两种成分方案的主要差异在于Mo和V的物质的量比不同。1#方案中V的物质的量比高于Mo，2#方案中Mo的物质的量比高于V。这种差异化的设计是为了探究不同配比对碳化物形态与性能的影响。
显微组织与物相分析
物相组成
三种堆焊层（1#、2#和TN65）的物相组成相似，均主要由以下相组成。
- M7C3：高铬铸铁中典型的硬质碳化物，硬度高、耐磨性好，是主要的耐磨相。
- γ-Fe：奥氏体基体，提供基体强度与韧性。
- M3C：共晶碳化物，硬度较高但脆性较大。
- (Nb, Ti, Mo, V)C/(Nb, Ti, Mo, V)(B, C)：多元复合碳化物，是多元合金化设计的主要产物。
- Fe2B：硼化物，硬度极高但脆性大，来源于焊条药皮中的B元素。
碳化物形态特征对比
| 碳化物特征 | 1#堆焊层 | 2#堆焊层 | TN65堆焊层 |
|---|---|---|---|
| M7C3形态 | 最圆整 | 较圆整 | 较圆整 |
| M7C3平均粒径 | 约12.45μm（最小） | 较大 | 较大 |
| M7C3数量 | 最多 | 较少 | 较少 |
| M3C共晶碳化物含量 | 低于2# | 最高 | 中等 |
1#堆焊层的M7C3碳化物在圆整度、数量和平均粒径三个方面均优于2#和TN65堆焊层。M7C3碳化物更加圆整意味着应力集中系数更低，有利于提高材料的韧性；数量更多意味着耐磨性能更强；粒径更小意味着基体与碳化物的界面面积更大，有利于应力传递与分散。
硬度与耐磨性能对比
| 性能指标 | 1#堆焊层 | 2#堆焊层 | TN65堆焊层 |
|---|---|---|---|
| 硬度（HRC） | 64.1 | 62.5 | 65.1 |
| 磨损质量损失（g） | 0.0771 | 0.0931 | 0.0677 |
| 磨损表面犁沟深度 | 较浅 | 较深 | 较浅 |
1#堆焊层的硬度为64.1 HRC，略低于TN65堆焊层（65.1 HRC），但磨损质量损失为0.0771 g，与TN65（0.0677 g）接近，明显优于2#堆焊层（0.0931 g）。磨损表面的犁沟深度也是评价耐磨性的重要指标，犁沟越浅说明材料的抗犁沟磨损能力越强。1#堆焊层与TN65堆焊层的犁沟均较浅，说明两者在抗犁沟磨损方面表现相当。
多元合金化的协同效应分析
Mo的作用
Mo是强碳化物形成元素，能够形成Mo2C、MoC等硬质碳化物。Mo的加入还能提高钢的淬透性和高温强度。在1#方案中Mo的物质的量比相对较低（0.7），而V的物质的量比较高（1.0），这种配比可能有利于形成更细小的MC型碳化物。
V的作用
V是形成MC型碳化物最有效的元素之一，VC的硬度极高（约3000 HV），是钢中最硬的碳化物之一。V的加入能够显著提高材料的硬度和耐磨性，但过量的V可能导致碳化物粗化，降低韧性。
Nb和Ti的协同作用
Nb和Ti都是强碳化物形成元素，能够形成NbC、TiC等硬质碳化物。Nb和Ti的加入不仅能够提高硬度，还能通过钉扎位错和晶界来细化晶粒，提高材料的强韧性。在多元合金化设计中，Nb和Ti的协同作用可能产生"1+1>2"的增强效果。
协同效应的本质
多元合金化的核心在于多种元素的协同效应。单一元素的加入虽然能够提高某一方面的性能，但往往伴随着其他性能的下降。而多种元素的协同作用可以在提高硬度的同时保持或改善韧性，实现强韧化的平衡。本文的研究结果表明，近等物质的量比的Mo/V/Nb/Ti配比能够在高铬铸铁堆焊层中实现优异的耐磨性能，验证了多元合金化设计的可行性。
与工程实践的结合
高铬铸铁堆焊层的应用领域
高铬铸铁堆焊层广泛应用于以下领域。
- 矿山机械：破碎机衬板、球磨机衬板、溜槽等耐磨部件。
- 水泥工业：磨辊衬板、选粉机叶片、管道内壁等。
- 电力行业：风机叶片、煤粉管道、除灰管道等。
- 冶金行业：高炉出铁沟、铁水包内衬、连铸水口等。
多元合金化设计的工程应用前景
本文的研究成果为高铬铸铁堆焊层的成分优化提供了新的思路。在实际生产中，可以通过调整焊条药皮中的Mo/V/Nb/Ti配比，制备具有不同性能的高铬铸铁堆焊层，以满足不同工况的需求。1#方案（0.7:1.0:1.0:1.0）的耐磨性能与工程对照TN65接近，说明多元合金化设计有望替代传统单一合金化设计，成为高铬铸铁堆焊层的新发展方向。
工艺注意事项
在实际生产中应用多元合金化高铬铸铁堆焊层时，需要注意以下工艺要点。
- 焊条制备：多元合金元素的均匀分布是焊条制备的关键，需要确保药皮中各元素的混合均匀性。
- 焊接参数：手工电弧焊的焊接电流、电压、焊接速度等参数需要严格控制，以确保堆焊层组织的均匀性。
- 层间温度：多层堆焊时层间温度的控制对堆焊层组织有重要影响，过高或过低的层间温度都会导致组织粗化或开裂。
- 焊后热处理：适当的焊后热处理可以消除残余应力、改善组织均匀性，提高堆焊层的综合性能。
学习心得与启示
本文将高熵合金的设计理念引入传统高铬铸铁堆焊体系，是一次成功的材料设计理念创新。近等物质的量比的Mo/V/Nb/Ti配比设计，通过多元素的协同效应实现了碳化物形态的优化，使1#堆焊层在硬度和耐磨性能方面达到了与工程对照TN65相当的水平。这一研究成果对于高铬铸铁堆焊层的成分优化具有重要的指导意义，也为多元合金化设计在传统铸铁堆焊体系中的应用提供了实证依据。对于从事耐磨材料研究的工程师而言，本文提示我们：传统合金体系的性能优化不应局限于单一元素的调整，多元合金化设计可能带来意想不到的性能提升。同时，高熵合金的设计理念不仅适用于新型合金开发，也可以应用于传统合金体系的改进与优化。