卓金管件有限公司近等物质的量比钼钒铌钛强化高铬铸铁堆焊层组织和耐磨性能的学习体会
研究背景与高熵合金设计理念
高铬铸铁（Cr约12%~30%）是经典的耐磨材料，广泛应用于球磨机衬板、破碎机锤头、管道耐磨衬里等领域。传统高铬铸铁堆焊合金（如TN65）虽然具有优异的耐磨性，但存在硬质相（Cr7C3）尺寸粗大、形貌不规则、分布不均匀等问题，导致涂层韧性不足、裂纹敏感性高。本文作者胡士昌等来自中国机械总院集团郑州机械研究所有限公司，在《机械工程材料》2026年第50卷第6期发表的论文，基于高熵合金（High Entropy Alloy, HEA）设计理念，设计了近等物质的量比的Mo/V/Nb/Ti多元强化高铬铸铁堆焊层，探索通过多主元合金化策略优化碳化物形貌和分布，实现硬度和耐磨性的协同提升。
高熵合金设计理念在堆焊中的创新应用
高熵合金的核心特征是"多主元、近等量"，即由五种或更多金属元素以近等原子百分比组成。这一设计理念的三大效应——高熵效应、迟滞扩散效应、严重晶格畸变效应——在堆焊合金设计中具有独特的应用价值：
- 高熵效应：多主元合金的混合熵远高于传统合金，有利于稳定固溶体相，抑制有害金属间化合物的形成。
- 迟滞扩散效应：多主元合金中原子扩散速率降低，有利于控制碳化物的形核和长大，获得更细小、更弥散的碳化物。
- 严重晶格畸变效应：不同尺寸金属原子的随机分布导致晶格严重畸变，提高固溶强化效果，同时增加位错运动阻力。
在本文的具体应用中，Mo、V、Nb、Ti四种元素的加入不仅提供了额外的碳化物强化相（MC型碳化物），更重要的是通过"迟滞扩散"效应调控了主碳化物Cr7C3的形貌和尺寸。
成分设计与实验方案
两种近等物质的量比设计
| 设计编号 | Mo:V:Nb:Ti（物质的量比） | Mo（质量分数%） | V（质量分数%） | Nb（质量分数%） | Ti（质量分数%） | Cr（质量分数%） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1# | 0.7:1.0:1.0:1.0 | 0.88 | 0.68 | 1.22 | 0.68 | ~15.7 |
| 2# | 1.0:0.7:1.0:1.3 | 1.25 | 0.48 | 1.22 | 0.85 | ~15.7 |
两种设计的Cr含量均约为15.7%，属于中高铬铸铁范畴。1#设计以V为主（V含量最高），2#设计以Mo和Ti为主。这种"近等量但略有偏移"的设计策略，是为了在保持高熵效应优势的同时，通过微调元素比例优化特定性能。
制备工艺
采用药皮焊条（SMAW）工艺在Q235钢板上制备堆焊层。将上述成分的合金粉末作为药皮材料，通过手工电弧焊（SMAW）进行堆焊。这一工艺选择具有实际工程意义——药皮焊条堆焊是工业中最常用的堆焊方法之一，设备简单、操作灵活、成本低廉，适合现场修复作业。
显微组织与物相分析
物相组成
三种堆焊层（1#、2#和TN65）的物相组成相似，均主要由以下相组成：
- M7C3（Cr7C3型碳化物）：主要的耐磨相
- γ-Fe（奥氏体）：韧性基体
- M3C（Cr3C型碳化物）：共晶碳化物
- (Nb,Ti,Mo,V)C：多主元MC型碳化物
- (Nb,Ti,Mo,V)(B,C)：含硼多主元碳化物
- Fe2B：硼铁相
值得注意的是，多主元MC型碳化物的出现是高熵合金设计理念的直接体现。Nb、Ti、Mo、V四种元素均与碳形成强碳化物，在近等量条件下形成复合MC型碳化物，其硬度通常高于Cr7C3（Vickers硬度可达2500~3000 HV），但体积分数较低，主要起第二相强化作用。
碳化物形貌对比
| 对比指标 | 1#堆焊层 | 2#堆焊层 | TN65堆焊层 |
|---|---|---|---|
| M7C3圆整度 | 最圆整 | 较圆整 | 不规则（长条状） |
| M7C3平均粒径 | ~12.45 μm（最小） | 较大 | 更大 |
| M7C3数量 | 最多 | 较多 | 较少 |
| M3C共晶含量 | 较低 | 较高 | 中等 |
| 硬度（HRC） | 64.1 | 62.5 | 65.1 |
| 磨损质量损失（g） | 0.0771 | 0.0931 | 0.0677 |
从碳化物形貌来看，1#堆焊层的M7C3最为圆整、数量最多、平均粒径最小（约12.45 μm），这是其硬度和耐磨性优于2#的关键原因。圆整、细小的碳化物对基体的应力集中效应最小，有利于提高涂层韧性。TN65的M7C3呈长条状，虽然硬度最高（HRC65.1），但长条状碳化物易成为裂纹扩展通道，韧性较差。
性能分析与机理讨论
硬度-耐磨性关系
1#堆焊层硬度为64.1 HRC，与TN65的65.1 HRC接近，但磨损质量损失（0.0771 g）略高于TN65（0.0677 g）。这一结果表明，硬度并非耐磨性的唯一决定因素。磨损表面的犁沟深度分析显示，1#和TN65的犁沟均较浅，说明两者在磨粒磨损机制下表现相近。
多主元强化的协同机制
Mo/V/Nb/Ti的协同作用体现在多个层面：
- 碳化物细化：多主元MC型碳化物作为形核核心，促进M7C3的细化
- 扩散迟滞：多主元环境降低碳和合金元素的扩散速率，抑制碳化物长大
- 晶格畸变强化：不同尺寸原子（Mo、V、Nb、Ti）的随机分布增加固溶强化
- 界面强化：多主元碳化物与基体之间的界面结合力更强，有利于提高抗剥落能力
与工程实践的关联
管道耐磨堆焊中的应用前景
高铬铸铁堆焊层在石油天然气管道（含砂流段）、矿山管道（矿浆输送）、水泥管道（熟料输送）等工况中具有广泛应用。本文的研究表明，通过高熵合金设计理念优化高铬铸铁堆焊合金成分，可以在保持高硬度的同时改善碳化物形貌和分布，从而提高涂层的综合耐磨性能和抗剥落能力。这对于延长管道服役寿命、减少停机检修频率具有重要意义。
焊条制备的工艺挑战
将合金粉末作为药皮材料制备焊条，在工艺上面临以下挑战：粉末粒度控制、药皮配方优化、焊条烘干制度、焊接参数匹配等。在实际生产中，建议通过小批量试焊验证焊接工艺参数，确保堆焊层性能稳定。
学习心得与启示
本文的最大创新在于将高熵合金设计理念引入传统高铬铸铁堆焊合金的优化设计中。高熵合金作为材料科学的前沿领域，其设计理念（多主元、近等量、高熵稳定）为传统合金体系的优化提供了全新的思路。本文的成功表明，前沿材料设计理念与传统工程应用的结合，往往能产生"1+1>2"的效果。
对于从事钢管和管件技术工作的人员而言，本文的启示在于：合金成分设计不应局限于传统的"经验配方"模式，而应借鉴前沿材料科学的设计理念，通过系统性的成分优化实现性能的协同提升。同时，本文采用SMAW药皮焊条工艺制备堆焊层，验证了新工艺在常规焊接设备上的可行性，这对于推广新技术具有重要的工程实践意义。
总体而言，这是一篇将前沿材料设计理念与工程应用紧密结合的优秀论文，其"多主元碳化物调控传统碳化物形貌"的机理阐释和"近等量设计优化性能"的实验验证，对高铬铸铁堆焊合金的进一步发展具有重要的指导价值。