卓金管件有限公司碳钢-高铬耐磨双金属板药芯焊丝研制——文献学习体会
文献概况与工业需求背景
马朝等来自陕西延长石油榆林凯越煤化有限责任公司、中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司和西安理工大学的联合研究团队，在《当代化工研究》2025年第2期发表了关于碳钢-高铬耐磨双金属板用药芯焊丝研制的文章。该研究受陕西省创新能力支撑计划、西安市科技计划项目和榆林市科技计划项目资助，体现了跨机构协作的科研模式。
碳钢-高铬耐磨双金属板是化工、电力、建材等领域的常备易耗产品，其典型应用包括：球磨机衬板、破碎机衬板、溜槽衬板、风机叶片、煤仓衬板等。这些部件在服役过程中承受强烈的磨粒磨损，普通碳钢衬板的使用寿命往往较短，频繁更换导致停机损失和运营成本增加。双金属板通过在高韧性碳钢基体表面堆焊高硬度耐磨层，实现了"韧性-硬度"的协同优化，显著延长了使用寿命。
成分设计与相图分析
Fe-Cr-C三元系相图的指导作用
文献从Fe-Cr-C三元系相图出发进行成分设计，这是高铬耐磨材料研发的经典方法。Fe-Cr-C三元系中，随着Cr含量的增加，相组成从铁素体+碳化物转变为奥氏体+碳化物，最终形成过共晶组织。不同Cr含量对应的相组成和碳化物类型如下。
| Cr含量（质量分数） | 主要相组成 | 主要碳化物类型 | 典型硬度范围 |
|---|---|---|---|
| 10-20% | 铁素体+马氏体 | Cr₇C₃ | 40-50HRC |
| 20-30% | 马氏体+残余奥氏体 | Cr₇C₃ | 50-58HRC |
| 30-40% | 过共晶组织（奥氏体+共晶碳化物） | Cr₇C₃、Cr₂₃C₆ | 55-65HRC |
| 40-60% | 过共晶组织 | Cr₇C₃、Cr₂₃C₆ | 60-68HRC |
药芯成分的调整策略
文献指出"通过调整药芯成分可使碳钢表面高铬耐磨层的微观组织中分布大量垂直于基材的柱状(Cr,Fe)₇C₃碳化物"。这一发现具有重要的工程意义。
- 柱状碳化物的方向性：垂直于基材的柱状碳化物在磨粒磨损过程中，其长轴方向与磨损方向一致，可有效抵抗磨粒的切入和犁沟作用。
- 过共晶组织的协同作用：基体中的过共晶组织（奥氏体+共晶碳化物）提供了额外的硬度和耐磨性，与柱状碳化物形成互补。
- 硬度目标：洛氏硬度达到57.7HRC以上，满足大多数磨粒磨损工况的需求。
药芯与实芯焊丝的比较
| 对比项目 | 药芯焊丝 | 实芯焊丝 |
|---|---|---|
| 合金元素控制 | 精确，可通过药芯配方调节 | 受限于焊丝基体成分 |
| 熔敷效率 | 高 | 中等 |
| 飞溅 | 较少 | 较多 |
| 成本 | 中等 | 较低 |
| 适用工艺 | FCAW/GMAW | GMAW |
| 冶金灵活性 | 高 | 低 |
药芯焊丝的优势在于可通过调整药芯中的合金粉末比例，精确控制堆焊层的最终成分。对于高铬耐磨层而言，Cr含量的精确控制至关重要，因为Cr含量直接决定了碳化物类型和硬度水平。
微观组织与硬度分析
柱状碳化物的形成机制
垂直于基材的柱状(Cr,Fe)₇C₃碳化物的形成，与堆焊层的凝固模式密切相关。在多层堆焊过程中，每一层的凝固方向受下层已凝固金属的散热影响，倾向于垂直于界面方向生长。这种"异质形核+定向凝固"的机制，使得碳化物沿垂直于基材的方向排列，形成柱状形态。
柱状碳化物的优势在于：在磨粒磨损过程中，磨粒主要沿表面切向运动，而柱状碳化物的长轴方向垂直于表面，磨粒难以沿柱状方向切入，从而提高了抗磨粒磨损能力。相比之下，等轴状碳化物在各个方向上的抗磨能力相当，但无法利用方向性优势。
硬度分布的均匀性
文献报告硬度达到57.7HRC以上，但未给出硬度分布的详细数据。在实际工程中，堆焊层的硬度均匀性是评价堆焊质量的重要指标。硬度不均匀可能导致局部过早磨损，降低双金属板的使用寿命。建议后续研究补充以下硬度测试。
- 表面硬度分布：沿堆焊方向测量多点硬度，评估均匀性。
- 截面硬度梯度：从基材到堆焊层表面测量硬度变化，评估稀释区宽度。
- 熔合区硬度：检测熔合区的硬度值，评估是否存在脆性组织。
工艺参数与质量控制
FCAW堆焊的典型工艺参数
| 参数 | 参考范围 |
|---|---|
| 焊接电流 | 200-350A |
| 焊接电压 | 22-32V |
| 焊接速度 | 150-400mm/min |
| 送丝速度 | 4-8m/min |
| 保护气体 | CO₂或Ar+CO₂混合气 |
| 气体流量 | 15-25L/min |
| 预热温度 | 100-200°C |
| 层间温度 | ≤300°C |
稀释率的控制
稀释率是双金属板堆焊中的关键参数。稀释率过高会导致耐磨层的Cr含量下降，硬度降低；稀释率过低则可能导致结合强度不足。对于高铬耐磨层，建议稀释率控制在15-30%之间。
控制稀释率的措施包括。
- 采用多层堆焊，第一层采用与基材匹配的焊材，后续层采用高铬药芯焊丝。
- 减小焊接电流，降低熔池深度。
- 提高焊接速度，减小单位长度热输入。
- 采用窄焊道、多焊道的堆焊方式。
工程应用与性能评价
磨粒磨损试验方法
评价双金属板的耐磨性能，通常采用以下试验方法。
| 试验方法 | 标准号 | 适用工况 | 评价指标 |
|---|---|---|---|
| 干摩擦磨损 | GB/T 12444 | 一般磨粒磨损 | 磨损率（mg/km） |
| 砂磨磨损 | GB/T 16649.1 | 含砂介质磨损 | 磨损率、硬度保持率 |
| 冲蚀磨损 | ASTM G76 | 含固液流冲蚀 | 冲蚀率 |
| 磨料磨损 | GB/T 12504 | 磨料颗粒磨损 | 磨损率 |
与同类材料的对比
| 材料 | 硬度（HRC） | 耐磨性 | 韧性 | 成本 |
|---|---|---|---|---|
| 普通碳钢（Q235） | 15-20 | 低 | 高 | 低 |
| 高锰钢（Mn13） | 18-22（加工硬化后可达40-50） | 中 | 高 | 中 |
| 高铬铸铁（Cr26） | 55-60 | 高 | 低 | 中 |
| 本文献药芯焊丝堆焊层 | ≥57.7 | 高 | 中 | 中 |
| 碳化钨堆焊层 | 70-80 | 极高 | 低 | 高 |
本文献研制的药芯焊丝堆焊层硬度≥57.7HRC，耐磨性接近高铬铸铁水平，但韧性优于高铬铸铁，成本低于碳化钨堆焊层，具有较好的性价比。
学习心得与启示
该文献从Fe-Cr-C三元系相图出发，通过调整药芯成分实现柱状碳化物的定向排列，这一研究思路体现了"成分设计→组织调控→性能优化"的材料研发逻辑。柱状碳化物的方向性排列是一个值得深入研究的课题，在其他耐磨材料（如耐磨钢、陶瓷涂层）中同样存在类似的"织构效应"。
一个值得思考的问题是：柱状碳化物的方向性在多层堆焊过程中是否始终保持？随着堆焊层数的增加，上层凝固方向可能受到下层已凝固金属的影响，导致碳化物方向发生偏转。建议在后续研究中通过金相分析验证多层堆焊中碳化物方向的一致性。
此外，文献未涉及堆焊层的抗热疲劳性能。在某些工况下（如高温烟气环境），双金属板可能承受温度循环载荷，抗热疲劳性能与抗磨粒磨损性能同等重要。建议在后续研究中补充热疲劳试验，全面评价堆焊层的综合性能。
从工程实践角度，该文献研制的药芯焊丝为化工、电力、建材等行业提供了经济实用的耐磨解决方案。在实际应用中，应根据具体工况（磨粒硬度、磨损速度、温度、介质等）选择合适的堆焊材料和工艺参数，并通过现场试验验证其适用性。