W对Fe-Cr-C-W-B系堆焊合金组织和性能的影响——文献学习体会

文献概况与研究意义

本文出自沈阳工业大学邹宗轩等作者，发表于2021年《焊接学报》第42卷第7期。Fe-Cr-C-W-B系耐磨堆焊合金是矿山机械、水泥设备、电力行业等重磨损工况中广泛使用的表面强化技术。W作为强碳化物形成元素，在堆焊合金中形成高硬度硬质相，是提升耐磨性的关键合金元素。本文系统研究了W含量对Fe-Cr-C-W-B堆焊合金硬质相类型、硬度及耐磨性能的影响规律，为耐磨堆焊合金的成分优化提供了实验依据。

硬质相类型与W含量的对应关系

W在Fe基合金中可形成多种碳化物型硬质相，其类型和数量随W含量的变化而变化。本文通过X射线衍射和SEM-EDS分析，揭示了不同W含量下堆焊层中硬质相的演变规律。

从表中可以看出一个关键规律：硬度与耐磨性并非同步变化。当W含量为5.47%时，耐磨性能达到最佳（磨损量最小，为0.3825 g），但硬度并非最高；当W含量增加到6.35%时，硬度达到峰值（64.22 HRC），但耐磨性反而下降。这一现象具有重要的工程指导意义。

硬度与耐磨性解耦的机理分析

W含量从5.47%增加到6.35%时，硬度上升但耐磨性下降，原因在于堆焊层的淬硬性增加导致基体组织脆化。高W含量促进了更多碳化物型硬质相的析出，虽然提高了硬度，但使基体马氏体组织中的残余奥氏体减少、碳化物网络更加连续，堆焊层的韧性显著下降。在磨损过程中，硬质相与基体之间的结合力不足，硬质相容易从基体中脱落，形成磨粒磨损的加速机制。这一发现打破了"硬度越高耐磨性越好"的传统认知，提醒技术人员在耐磨堆焊合金设计中必须兼顾硬度与韧性。

工艺方法与分析手段

本文采用埋弧焊机进行明弧堆焊，使用药芯焊丝作为填充材料。药芯焊丝埋弧堆焊是一种高效的表面熔覆工艺，其特点是熔敷效率高、稀释率低、成形性好，适合大面积耐磨堆焊。明弧操作便于观察电弧状态和熔池形态，有利于工艺参数的实时调整。

工艺参数对堆焊层质量的影响

在耐磨堆焊的实际生产中，除合金成分外，工艺参数同样对堆焊层性能有重要影响。埋弧堆焊的关键工艺参数包括：焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊丝伸出长度、保护气体流量等。其中，焊接电流和焊接速度直接影响熔池体积和冷却速度，进而影响硬质相的析出形态和数量。过高的电流会导致熔池过热，硬质相粗化；过低的电流则可能导致熔池体积不足，堆焊层成形不良。

与工程实践的结合

在矿山机械行业，挖掘机斗齿、破碎机等设备的磨损问题长期困扰生产。Fe-Cr-C-W-B系耐磨堆焊合金是解决此类问题的重要手段。本文的研究结果对实际生产有以下指导价值。

• W含量应控制在5.47%左右，以获得最佳耐磨性能，而非一味追求高硬度。
• 硬质相的类型和数量是决定耐磨性的关键因素，FeWB和FeW₃C等钨碳化物的高硬度（>2000 HV）是耐磨性的主要贡献者。
• 堆焊层的淬硬性需要在耐磨性与抗冲击性之间取得平衡，特别是在承受冲击载荷的工况下，韧性不足可能导致堆焊层剥落。

关键疑问与反思

本文的研究存在几个可以深入探讨的方向。第一，磨损试验采用的是磨料磨损试验（干式磨料磨损），但实际工况中的磨损形式往往是复合磨损（磨料磨损+冲击磨损+粘着磨损），单一磨损形式的试验结果能否准确反映实际服役性能值得商榷。第二，未考虑堆焊层的多道堆焊情况，实际生产中通常采用多层堆焊，层间热循环对硬质相的形态和分布有显著影响。第三，未进行堆焊层与基体结合强度的测试，结合强度不足是耐磨堆焊层失效的常见原因之一。

学习心得

本文的最大价值在于揭示了硬度与耐磨性之间的非线性关系，纠正了工程实践中"以硬度论耐磨"的片面认识。对于从事钢管、管件表面耐磨堆焊的技术人员而言，这一认识尤为重要。在实际生产中，我们经常遇到堆焊层硬度很高但耐磨寿命不长的现象，本文的研究结果提供了一个合理的解释：硬质相过多、基体脆化导致硬质相脱落，反而加速了磨损。合金设计应追求"硬度适中、韧性足够、硬质相分布均匀"的综合最优状态，而非单一追求高硬度指标。