钼元素对Cr27高铬铸铁CMT堆焊层组织与耐磨性能影响的学习体会

文献概况与研究背景

这篇由安徽工业大学张文扬等人发表在《表面技术》2026年第55卷第11期的论文，聚焦于钼元素对Cr27高铬铸铁药芯焊丝CMT（冷金属过渡）堆焊层组织与摩擦磨损性能的影响规律。高铬铸铁因其优异的耐磨耐腐蚀性能，广泛应用于矿山、水泥、电力等行业的耐磨衬板、溜槽及辊套等关键部件的修复与强化。然而，传统堆焊工艺往往面临飞溅大、裂纹倾向高、稀释率难以控制等问题。本文采用CMT电弧堆焊工艺，通过对比含Mo与不含Mo两种堆焊试样的宏观形貌、显微组织和耐磨性能，揭示了Mo元素在凝固过程中的晶粒细化机制及其对耐磨性的提升作用。

核心发现与技术要点

钼元素的晶粒细化机制

文献中最具理论价值的发现是Mo元素通过双重机制细化奥氏体晶粒。在凝固初期，Mo元素优先析出高熔点的Mo₂C，这些细小的高熔点碳化物颗粒作为异质形核核心，显著提高了奥氏体的形核率。在凝固后期，Mo₂C颗粒继续钉扎晶界，有效阻止奥氏体晶粒的长大。这种"先形核、后钉扎"的双重作用机制，使添加Mo元素的堆焊层奥氏体晶粒细化约38.6%，为理解合金元素在快速凝固条件下的微观组织调控提供了清晰的物理冶金解释。

碳化物体积分数与硬度提升

Mo元素的添加不仅细化了基体晶粒，还通过降低C元素在奥氏体中的固溶度，促使更多碳元素参与共晶反应，形成更多的M₇C₃型共晶碳化物。两种堆焊层均以(Fe,Cr)₇C₃共晶碳化物与奥氏体基体为主要组织，但含Mo堆焊层的M₇C₃碳化物体积分数显著提高。堆焊层平均硬度从690HV提升至740HV，提升约7%。这一硬度提升幅度虽然看似不大，但在实际服役条件下，硬度的提升往往意味着耐磨性的显著改善，尤其是对于以黏着磨损和磨粒磨损为主的工况。

摩擦磨损性能的大幅改善

最引人注目的结果来自销盘磨损实验：含Mo堆焊层的平均摩擦系数从0.645降至0.395，降幅接近39%；磨损量降低约50%，耐磨损性能提升一倍。两种堆焊层的磨损形式均以黏着磨损与磨粒磨损为主，但Mo元素的添加显著降低了摩擦系数与磨损失重。这一结果对于高铬铸铁堆焊层在实际工况下的使用寿命延长具有直接的指导意义。

工艺问题与工程对策

飞溅与裂纹问题

文献明确指出，Mo元素的添加导致堆焊过程中飞溅显著增加，并诱发横向裂纹形成。从焊接冶金学角度分析，Mo₂C的高熔点特性使得熔池中Mo的偏析加剧，局部区域的碳当量升高，增加了凝固裂纹倾向。横向裂纹的产生可能与Mo元素对晶界偏析的影响有关，Mo在晶界的富集会降低晶界强度，在热应力作用下萌生裂纹。

在实际工程应用中，针对这一问题可采取以下对策：一是适当降低焊接热输入，减缓冷却速率，降低热应力峰值；二是优化焊丝药皮配方，增加脱氧剂含量，减少Mo元素的氧化损失；三是在堆焊层之间插入过渡层，降低母材与堆焊层之间的热膨胀系数差异；四是采用多道多层堆焊工艺，利用后道焊道的回火效应降低前道焊道的残余应力。

CMT工艺的优势体现

CMT工艺相较于传统MAG堆焊，具有低热输入、低飞溅、稀释率低等显著优势。对于高铬铸铁这类高合金、高碳材料，低热输入有利于控制稀释率，保持堆焊层的合金成分和硬度。同时，CMT工艺对熔池的精确控制能力，为Mo元素等合金元素的均匀分布提供了有利条件。

学习心得与工程启示

本文的研究思路值得借鉴：通过单一变量法，系统对比Mo元素有无对堆焊层组织和性能的影响，结论清晰可靠。Mo₂C作为异质形核核心的机制解释，为高铬铸铁堆焊材料的成分设计提供了理论依据。在实际工程中，对于需要提高耐磨性的堆焊修复场景，适量添加Mo元素是一个值得尝试的技术路线，但必须同步解决飞溅和裂纹问题。建议在后续研究中，进一步探索Mo与Ti、V等微合金元素的协同作用，以及Mo含量梯度变化对组织和性能的影响规律，以建立更加完善的成分-工艺-组织-性能关系模型。此外，Mo元素在高铬铸铁中的偏析行为值得用热力学模拟和数值计算手段进行深入研究，以便在工程实践中实现更加精准的组织调控。