卓金管件有限公司Q235结构钢堆焊熔覆表面的摩擦磨损性能研究——文献学习体会
文献概况与研究背景
本文由李聪、陈雪琴、彭道衡、王金凤发表于《材料保护》2019年第52卷第10期，依托中央引导地方科技发展专项和湖北省教育厅自然科学重点项目资助。研究采用CO₂气体保护药芯焊丝电弧堆焊（FCAW-G）技术在Q235钢表面制备强熔覆层，系统研究了基体相、熔覆层和界面区的组织演变与摩擦磨损性能。
Q235钢（对应GB/T 700中的碳素结构钢）是我国用量最大的结构钢之一，广泛用于建筑、桥梁、机械制造和工程机械等领域。然而，Q235钢的耐磨性较差，在承受磨粒磨损或粘着磨损的工况下，表面极易产生磨损和失效。通过堆焊熔覆层提升其表面耐磨性，是一种经济有效的强化手段。
核心发现与技术解读
界面区的组织特征
文献发现界面区组织中不仅存在细小的针状马氏体，且晶粒明显细化。这一现象是堆焊熔覆过程中热循环和冶金反应共同作用的结果。在堆焊过程中，熔覆层与基体界面经历快速加热和冷却，局部区域奥氏体化后快速冷却形成针状马氏体；同时，熔池中的合金元素向基体扩散，在界面区形成成分梯度，促进了晶粒细化。
界面区由于发生了强烈的元素扩散和冶金反应，产生大量硬质相，提高了组织耐磨性。这一发现具有重要的工程意义——界面区往往是堆焊层与基体结合的关键区域，其性能直接决定了堆焊层的整体耐磨性和结合强度。
摩擦磨损性能对比
| 区域 | 摩擦系数 | 磨损面积 | 磨损形貌特征 | 主要磨损机制 |
|---|---|---|---|---|
| 基体区 | 最高 | 最大 | 塑性变形严重，局部"剥离坑" | 粘着磨损+磨粒磨损 |
| 熔覆层 | 中等 | 中等 | 犁沟和塑性变形 | 磨粒磨损为主 |
| 界面区 | 最低 | 最小 | 犁沟和塑性变形程度明显改善 | 磨粒磨损（减轻） |
文献指出界面区的摩擦系数最低、耐磨性最好，这归因于界面区大量硬质相的弥散强化效应。硬质相（如碳化物、氮化物等）在磨粒磨损过程中起到"阻挡"和"分散应力"的作用，使磨粒难以切入基体，从而降低了磨损速率。
磨损机制的深入分析
从磨损形貌分析，基体区的"剥离坑"是典型的粘着磨损特征，表明在摩擦过程中，磨料与基体表面发生局部粘着，随后在剪切力作用下被撕裂剥离。熔覆层的"犁沟"则是典型的磨粒磨损特征，表明硬质磨粒切入较软基体形成沟槽。界面区由于硬质相的存在，磨粒切入深度减小，犁沟变浅，塑性变形程度降低。
这一磨损机制的转变（从粘着磨损向磨粒磨损转变，再到磨粒磨损减轻）对于工程选材和表面强化方案设计具有重要指导意义。在实际应用中，应根据工况中的主导磨损机制选择合适的强化手段：若以粘着磨损为主，应优先提高表面硬度和降低摩擦系数；若以磨粒磨损为主，则应关注硬质相的弥散分布和基体韧性。
工艺优化与工程应用
CO₂气体保护药芯焊丝堆焊的工艺要点
CO₂气体保护药芯焊丝电弧堆焊（FCAW-G）是一种高效的堆焊工艺，具有以下特点。
- 焊接效率高，熔敷率大，适合大面积堆焊。
- 药芯焊丝中的合金元素可在熔池中形成合金化，无需额外送粉。
- CO₂保护气体成本较低，适合工业现场应用。
但在实际施焊中需注意以下工艺要点。
- 飞溅控制：CO₂保护焊的飞溅率较高，应选用低飞溅药芯焊丝或采用短路过渡模式。
- 气孔预防：CO₂气体在高温下易分解产生CO，若焊丝受潮或母材表面有油污，易产生CO气孔。应严格烘干焊丝并清理母材表面。
- 层间温度控制：多层堆焊时，层间温度一般控制在150~250°C，过高会导致晶粒粗化和韧性下降。
- 焊丝选型：应根据基体材料和工况要求选择合适的药芯焊丝，如耐磨工况可选用高铬合金药芯焊丝（如E120CrD2-16）。
在钢管和管件中的应用场景
Q235钢堆焊熔覆层技术在以下管件和钢管制造场景中具有应用价值。
- 管道内壁耐磨衬里：在输送矿浆、煤粉、灰渣等磨蚀性介质的管道中，采用堆焊熔覆层可显著延长管道寿命。
- 弯头和三通的内壁强化：管道弯头和三通处因流体冲刷和离心力作用，内壁磨损尤为严重，堆焊熔覆层可有效缓解这一问题。
- 法兰密封面耐磨处理：频繁拆装法兰的密封面可采用堆焊熔覆层提升耐磨性和密封可靠性。
关键疑问与工程反思
文献中界面区耐磨性优于熔覆层的结论，在工程上引发了一个重要思考：界面区的性能优势能否在整个堆焊层中实现？如果仅依靠界面区的高耐磨性，而熔覆层本身耐磨性一般，那么在长期使用中，熔覆层磨损后界面区将直接暴露于磨损环境中，可能导致整体性能急剧下降。因此，在实际应用中，应确保熔覆层具有足够的厚度（建议≥3 mm），以保证在熔覆层磨损殆尽之前，界面区不会过早暴露。
此外，文献未涉及堆焊层的疲劳性能。在实际工况中，管道和管件往往承受交变载荷（如压力脉动、振动等），堆焊层的疲劳裂纹萌生和扩展行为将直接影响结构安全。建议后续研究补充疲劳性能评价，特别是界面区作为裂纹萌生优先位置的风险评估。
学习心得与启示
本文的研究揭示了堆焊熔覆层界面区独特的组织强化机制和优异的耐磨性能，为Q235钢的表面强化提供了新的技术路径。其核心启示在于：界面区不仅是堆焊层与基体结合的"桥梁"，更是性能优化的"关键区域"。在工程实践中，我们应高度重视界面区的冶金质量控制，通过优化焊接参数、焊材选择和热处理工艺，最大限度地发挥界面区的强化效应。同时，耐磨性能的改善不应仅关注表面硬度，更应关注磨损机制的转变和综合性能的平衡，这才是表面强化技术走向成熟的关键所在。