高铬双金属耐磨板堆焊层组织与滑动摩擦磨损性能学习体会

研究背景与技术意义

河北钢铁集团矿业有限公司与中国矿业大学合作开展的这项研究，发表于《机械工程材料》2026年第50卷第5期，聚焦于高铬双金属耐磨板堆焊层的组织特征与滑动摩擦磨损性能。该研究在200 N和600 N两种载荷、干摩擦和石英砂摩擦两种环境下进行了系统的摩擦磨损试验，并与常用马氏体耐磨钢板进行了对比。这一研究对于矿山、电力、水泥等重工业领域的耐磨材料选型具有重要的参考价值。

组织特征与硬度梯度分析

文献研究表明，高铬双金属耐磨板堆焊层主要由Cr₇C₃碳化物、α-Fe基体和少量Cr₂₃C₆碳化物组成。这一组织特征与高铬铸铁的典型凝固组织一致。在共晶高铬铸铁（Cr含量约12-15%）中，Cr₇C₃作为主要碳化物相，具有极高的硬度（约1800-2000 HV）和良好的化学稳定性。Cr₂₃C₆则通常在低铬含量或特定凝固条件下形成，其硬度相对较低（约1200-1400 HV）。

从基体钢向堆焊层方向，熔合区的显微硬度呈梯度增大趋势。这一硬度梯度特征具有重要的工程意义。在双金属耐磨板中，基体钢提供韧性和焊接性，堆焊层提供耐磨性，熔合区的硬度梯度过渡可以有效缓解两种材料之间的应力集中，降低界面处裂纹萌生的风险。如果硬度梯度过于陡峭，则可能在界面处产生较大的残余应力，导致界面脱粘或裂纹萌生。

组织与性能对比

磨损机制的深入分析

文献指出，堆焊层在干摩擦和石英砂摩擦环境下的滑动磨损机制均以磨粒磨损为主。这一结论与高铬铸铁类材料的典型磨损行为一致。在干摩擦环境下，磨损以微凸体切削为主，即基体表面的微凸体在接触应力作用下被对方材料（如试验对偶件）切削去除。在石英砂摩擦环境下，磨损机制则更为复杂，微凸体切削与硬质石英砂微切削共同作用，两种环境下均伴随疲劳剥落磨损。

磨损机制的微观解释

• 微凸体切削：在干摩擦条件下，接触表面的微凸体在法向载荷作用下发生塑性变形，当变形超过临界值时，微凸体被剪切或切削去除。Cr₇C₃碳化物的存在提高了基体的抗切削能力，因为碳化物的硬度远高于铁素体基体，在切削过程中起到"挡刀"作用。
• 石英砂微切削：石英砂颗粒的硬度（约1200 HV）介于Cr₇C₃（约1800-2000 HV）和α-Fe（约200-300 HV）之间。在石英砂摩擦条件下，砂粒对基体铁素体产生微切削作用，但对Cr₇C₃碳化物的切削能力有限，从而形成"硬质相保护"效应。
• 疲劳剥落：在循环接触应力作用下，表面或次表面萌生微裂纹，裂纹扩展至表面后导致材料片状剥落。这一机制在两种摩擦环境下均存在，说明堆焊层不仅面临磨粒磨损，还承受着接触疲劳损伤。

从工程应用角度看，高铬双金属耐磨板特别适合以下工况：矿山破碎机的衬板（承受矿石的冲击和磨粒磨损）、球磨机的衬板（承受研磨介质的滑动摩擦和磨粒磨损）、水泥回转窑的衬板（承受高温下的滑动摩擦和热磨损）、电力磨煤机的磨辊（承受煤粉的磨粒磨损和冲击磨损）。在这些工况中，磨粒磨损是主要的磨损机制，高铬堆焊层中的Cr₇C₃碳化物能够提供优异的抗磨粒磨损能力。

工程实践中的关键考量

在实际工程应用中，高铬双金属耐磨板的使用需要关注以下关键问题：

第一，堆焊层与基体的结合强度。双金属耐磨板的性能不仅取决于堆焊层本身的耐磨性，还取决于堆焊层与基体之间的结合强度。如果结合强度不足，堆焊层可能在服役过程中发生整体剥离，导致材料失效。因此，在制造过程中需要严格控制堆焊工艺参数，确保熔合良好。

第二，热裂纹敏感性。高铬铸铁类材料具有较大的铸造收缩率和较高的热裂纹敏感性。在堆焊过程中，需要采用适当的预热和层间温度控制，以减少焊接残余应力，避免热裂纹的产生。

第三，硬度与韧性的平衡。高铬堆焊层虽然具有优异的耐磨性，但其韧性通常较低。在承受冲击载荷的工况中，需要评估堆焊层的抗冲击性能，避免脆性断裂的发生。

第四，工作温度限制。高铬铸铁的抗氧化性在高温下会显著下降，一般建议工作温度不超过500°C。在高温工况中，需要考虑材料的抗氧化和抗热震性能。

学习心得与总结

这篇文献通过系统的摩擦磨损试验，揭示了高铬双金属耐磨板堆焊层在不同载荷和摩擦环境下的磨损行为与机制。研究结果表明，高铬堆焊层在滑动干摩擦和石英砂摩擦条件下的耐磨性能均优于马氏体耐磨钢板，这为矿山、电力等行业的耐磨材料选型提供了重要的实验数据支撑。

从技术发展的角度看，高铬双金属耐磨板代表了"表面强化+基体韧性"的复合结构设计理念，即通过堆焊高硬度耐磨层提供耐磨性，通过韧性基体提供整体结构的承载能力和抗冲击能力。这种设计理念在工程实践中得到了广泛应用，未来值得进一步探索的方向包括：优化堆焊层成分以进一步提高耐磨性、开发适用于更高温度工况的耐热高铬堆焊材料、研究堆焊层与不同基体材料的匹配性、开展更复杂的实际工况模拟试验（如多轴循环载荷、热-力耦合载荷等）以获取更接近工程实际的磨损数据。