药芯焊丝明弧堆焊Fe-Cr-C-B合金组织及耐磨性——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文出自大连海洋大学贾华与沈阳工业大学刘政军等作者，发表于2020年《沈阳工业大学学报》第42卷第1期，系辽宁省教育厅科学研究经费项目和大连海洋大学科研项目资助成果。Fe-Cr-C-B系耐磨堆焊合金是在传统Fe-Cr-C系合金基础上引入B元素形成的多元复合体系。B作为强碳化物形成元素，可与Cr、Fe形成硼碳化物型硬质相，进一步提高堆焊层的硬度和耐磨性。本文采用自保护耐磨堆焊药芯焊丝，通过明弧堆焊方法在Q235基体表面制备Fe-Cr-C-B耐磨堆焊合金，系统研究了B含量对堆焊层组织、硬度和耐磨性的影响。

B元素的合金化作用机理

B在Fe基合金中具有独特的合金化作用。B的原子半径小（0.098 nm），与碳原子半径接近（0.077 nm），可以替代碳原子进入碳化物晶格中，形成M₃(C,B)、M₂₃(C,B)₆、M₇(C,B)₃等硼碳化物型硬质相。这些硬质相的硬度通常高于纯碳化物型相，是提升堆焊层耐磨性的关键。

组织演变规律

本文通过金相显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析，揭示了B含量对堆焊层组织的影响规律。堆焊层主要由马氏体、少量残余奥氏体、M₃(C,B)、M₂₃(C,B)₆和M₇(C,B)₃相组成。

随着B质量分数的增大，基体组织转变为马氏体（残余奥氏体减少），共晶硬质相增多，并呈连续网状分布在基体组织周围。当B的质量分数为3%时，堆焊层的耐磨性达到最佳，其硬度为61.5 HRC，磨损量为0.3629 g。

多元复合强化机制

本文提出的"多元复合强化"概念值得深入理解。Fe-Cr-C-B系合金的耐磨性来源于多种强化机制的协同作用。

• 固溶强化：B和Cr原子溶入铁素体基体，引起晶格畸变，提高基体强度。
• 第二相强化：M₃(C,B)、M₂₃(C,B)₆、M₇(C,B)₃等硬质相弥散分布在基体中，阻碍位错运动。
• 细晶强化：B的加入可能细化晶粒，提高基体强度。
• 相变强化：马氏体相变产生的固溶强化和位错强化。

药芯焊丝埋弧堆焊工艺特点

本文采用自保护耐磨堆焊药芯焊丝进行明弧堆焊，这一工艺选择有其合理性。药芯焊丝埋弧堆焊相比实心焊丝具有以下优势。

• 合金元素收得率高：药芯中的合金元素在熔池中充分溶解，有利于形成均匀的合金组织。
• 熔敷效率高：药芯焊丝的熔敷速度高于实心焊丝，适合大面积堆焊。
• 成形性好：药芯焊丝的熔池流动性好，堆焊层成形均匀。

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，适合实验室研究和工艺优化。

与工程实践的结合

在电力行业，磨煤机磨辊、球磨机衬板等设备的磨损问题严重制约生产效率和设备寿命。Fe-Cr-C-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。

• B含量应控制在3%左右，以获得最佳耐磨性能。
• 共晶硬质相的连续网状分布有利于提高耐磨性，但过量的硬质相可能导致堆焊层脆性增加。
• 药芯焊丝埋弧堆焊工艺适合大面积耐磨堆焊，但需注意明弧操作时的飞溅和氧化问题。

关键疑问与反思

本文的研究存在几个值得深入探讨的问题。第一，磨损试验采用的是干式磨料磨损，但实际工况中的磨损形式往往是湿式磨料磨损或冲击磨损，试验条件与实际工况的差异可能导致结论的局限性。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，层间热循环对组织和性能的影响未涉及。第三，未进行堆焊层与Q235基体的结合强度测试，结合强度不足是堆焊层失效的常见原因。

学习心得

本文的研究体现了"多元合金化协同强化"的设计思想。B元素的引入不仅形成了新的硬质相类型，还改变了基体组织的相组成（残余奥氏体减少、马氏体增加），实现了基体与硬质相的协同强化。对于从事耐磨堆焊的技术人员而言，这一研究启示我们：合金设计不应局限于单一元素的添加，而应追求多元素协同效应，通过合理的成分配比实现性能的最优化。同时，本文也提醒我们，合金元素的添加并非"越多越好"，必须找到最佳配比窗口，避免引入新的缺陷类型。