稀土及合金对粉块堆焊耐磨性的影响——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文出自佳木斯工学院尹柯等研究者，发表于《焊接》1998年第1期。研究采用碳弧堆焊方法，在高铬合金铸铁粉块中加入稀土及合金元素，探讨其对堆焊层耐磨性的影响。碳弧堆焊粉块技术是20世纪80至90年代国内耐磨堆焊领域的重要技术方向，其核心优势在于可以利用废旧粉块、合金铸铁废屑等作为堆焊材料，大幅降低材料成本，同时通过合金化设计实现高性能耐磨堆焊层。

核心技术观点

碳弧堆焊粉块技术的工艺特点

碳弧堆焊粉块技术是将合金粉块（通常为高铬铸铁粉块）通过碳弧气刨的方式熔化，然后堆焊到基体表面形成耐磨层。该方法具有以下工艺特点：第一，设备简单，仅需碳弧气刨设备和直流电源；第二，材料利用率高，可直接使用粉块或废屑；第三，熔敷效率高，适合大面积堆焊；第四，熔池温度高，合金元素过渡系数较高。

然而，碳弧堆焊粉块技术也存在明显不足：电弧不稳定、熔池温度过高导致合金元素烧损、堆焊层组织粗大、气孔和裂纹倾向较大等。这些问题的根本原因在于碳弧堆焊的热输入大、熔池温度高，且缺乏有效的保护气氛。

稀土在碳弧堆焊中的过渡行为

文献的重要发现之一是稀土在碳弧堆焊中的过渡量可观。稀土元素（RE）在焊接冶金过程中通常被认为容易氧化烧损，过渡系数较低。但碳弧堆焊粉块工艺的特殊性在于：粉块在电弧高温下逐步熔化，稀土元素以固态颗粒形式进入熔池，其氧化程度受熔池保护气氛和熔池温度共同影响。碳弧堆焊中碳弧本身产生的碳氧化气氛虽不利于稀土的保留，但粉块中稀土的初始含量较高，使得最终过渡量仍然可观。

稀土及合金元素对耐磨性的提升机制

适量的稀土及合金元素提高了堆焊层的耐磨性，其提升机制可从以下几个方面理解。

第一，稀土的晶粒细化作用。稀土元素作为强表面活性元素，在凝固过程中吸附在晶界和晶核表面，促进异质形核，细化晶粒。细化的晶粒结构提高了堆焊层的硬度和韧性，改善了耐磨性。

第二，稀土的变质作用。在高铬铸铁中，稀土元素可以改变碳化物的形貌和分布。未变质的高铬铸铁中，Cr7C3碳化物通常呈粗大的树枝状或网状分布，而稀土的加入可以使其转变为较细的颗粒状或短棒状，这种形貌转变有利于提高耐磨性。

第三，稀土对堆焊层组织的净化作用。稀土与硫、氧等有害元素形成稳定的稀土硫化物和氧化物，减少了有害夹杂物对堆焊层性能的不利影响。

合金元素的作用与协同效应

高铬铸铁粉块的基体合金设计

高铬铸铁粉块作为堆焊材料的基础，其合金设计直接决定了堆焊层的耐磨性能。典型的高铬铸铁成分中，铬含量通常在10%至30%之间，碳含量在2%至4%之间。铬元素通过与碳形成Cr7C3和Cr23C6碳化物，提供主要的耐磨性来源。碳含量的增加有利于提高碳化物含量，但过高的碳含量会导致碳化物粗大和脆性增加。

合金元素的协同强化

在稀土基础上进一步添加合金元素（如钼、钒、铌、钛等），可以产生协同强化效应。钼元素可以提高堆焊层的红硬性和回火稳定性；钒和铌可以形成高硬度的VC和NbC碳化物，进一步提高耐磨性；钛可以细化晶粒并形成TiC碳化物。这些合金元素与稀土的协同作用，使得堆焊层的耐磨性能得到显著提升。

工程实践中的问题与对策

碳弧堆焊粉块工艺的质量控制难点

在实际工程中应用碳弧堆焊粉块技术时，面临若干质量控制难点。第一，熔池温度过高导致合金元素烧损严重，特别是稀土和轻合金元素；第二，堆焊层组织粗大，晶粒尺寸可达200至500微米，影响耐磨性能；第三，气孔和裂纹缺陷控制困难；第四，堆焊层与基体的结合质量不稳定。

针对上述问题，可采取以下对策：控制堆焊层数，采用多层堆焊方式降低单层热输入；优化粉块粒度，采用细粒度粉块提高熔化均匀性；合理设计合金成分，在保证耐磨性的前提下提高合金的抗热裂性能；控制堆焊间隙，确保熔池与基体充分熔合。

粉块堆焊在耐磨部件修复中的应用

粉块堆焊技术在矿山机械、水泥工业、电力行业的耐磨部件修复中有着广泛应用。例如，在球磨机衬板、破碎机颚板、选粉机叶片、管道弯头等部件的耐磨修复中，碳弧堆焊粉块技术因其设备简单、成本低廉、现场适应性强而具有不可替代的优势。对于大型设备的现场修复，粉块堆焊技术往往是首选方案。

学习心得与启示

本文虽然发表于1998年，但其研究的核心思想——通过合金化设计提升堆焊层耐磨性能——至今仍然具有重要的指导意义。稀土在焊接冶金中的晶粒细化和变质作用，是材料科学中的经典课题，其基本原理在当代先进堆焊技术中仍然适用。

从技术演进的角度看，碳弧堆焊粉块技术代表了耐磨堆焊发展的早期阶段。随着激光堆焊、等离子堆焊、冷喷涂等先进技术的发展，堆焊层的组织控制和性能优化水平已大幅提升。但碳弧堆焊粉块技术在设备成本、现场适应性等方面的优势，使其在特定应用场景中仍具有实用价值。对于从事耐磨堆焊工程的技术人员而言，理解稀土及合金元素的强化机制，有助于在新工艺中合理设计合金成分，实现性能与成本的最优平衡。

本文的研究也提醒我们，在耐磨堆焊技术的选择中，不应盲目追求先进工艺，而应根据具体工况条件、设备条件、成本约束综合决策。粉块堆焊技术在特定场景下仍具有不可替代的优势，关键在于掌握其工艺特点和质量控制要点。