药芯焊丝耐磨堆焊中FB树脂对碳化钨颗粒热保护作用学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于《海军工程大学学报》2012年第24卷第5期，作者李连杰、桂赤斌来自海军工程大学舰船工程系。研究针对药芯焊丝耐磨堆焊过程中碳化钨（WC）颗粒的熔化及溶解烧损问题，采用FB树脂作为热保护剂对铸造碳化钨颗粒进行表面包覆处理，并通过TIG焊堆焊试验验证其效果。在舰船制造及海洋工程中，螺旋桨、舵叶、轴系等部件长期承受海水腐蚀与固体颗粒冲蚀，WC颗粒增强铁基复合涂层是提升耐磨性的有效手段，但WC颗粒在焊接高温下的过度熔损是制约其性能发挥的关键瓶颈。

碳化钨颗粒热烧损机理分析

WC的热力学不稳定性

碳化钨在铁基熔池中面临严峻的热力学挑战。WC的熔点约为2870 ℃，但其在铁基熔池中的溶解温度远低于此值。在电弧堆焊温度（约2000～3000 ℃）下，WC颗粒会发生以下反应：

• 直接熔化：WC颗粒在熔池中部分或全部熔化，失去硬质相增强效果。
• 氧化烧损：WC中的碳被氧化为CO气体，导致颗粒碳含量降低甚至完全消失。
• 溶解扩散：WC中的W和C原子向铁基熔池扩散，形成固溶体或合金碳化物，原始WC颗粒消失。

热保护机制

FB树脂作为一种热绝缘材料，包覆在WC颗粒表面形成保护层。其作用机理包括：第一，在电弧加热初期，FB树脂首先熔化并形成液态膜，延缓热量向WC颗粒传递；第二，FB树脂分解产生的气体形成局部保护气氛，减少WC的氧化烧损；第三，树脂层增加WC颗粒与熔池之间的热阻，降低WC颗粒的熔化速率。

试验结果与微观组织分析

碳化物保留率

文献通过扫描电镜和能谱仪分析发现，采用FB树脂保护的WC颗粒在堆焊过程中熔化及溶解烧损明显降低，堆焊后复合层中保留了大量的WC颗粒。未保护的WC颗粒在堆焊后几乎完全消失，取而代之的是弥散分布的合金碳化物（如M₇C₃、M₆C等）。能谱分析显示，保留的WC颗粒周围碳元素含量较高，表明WC颗粒在熔池中的碳活度较高，有利于在基体中形成碳化物。

硬度分布特征

一个值得关注的发现是：热绝缘剂的使用与否对基体显微硬度的影响较大，而对堆焊层表面的洛氏硬度影响较小。这一现象可从以下角度理解：FB树脂的加入改变了熔池中的碳分布状态，使碳更集中于WC颗粒周围而非均匀分布于基体中，因此基体硬度受树脂影响较大；而堆焊层表面硬度主要取决于WC颗粒的体积分数和分布状态，两者差异不大。

磨损性能提升

通过湿砂橡胶轮磨损试验验证，采用热保护的堆焊层在磨损过程中能有效阻碍砂粒的犁削作用，耐磨性显著增加。这一结果符合磨损机理理论——WC颗粒作为硬质相，在磨损过程中起到抵抗磨粒切入和犁沟的作用，颗粒保留率越高，耐磨性越好。

工程应用价值与工艺优化建议

工艺参数优化

FB树脂包覆WC颗粒的药芯焊丝在堆焊工艺上需关注以下参数：

与同类技术的比较

FB树脂热保护法与以下技术路线相比各有优劣：

• 直接混合法：将WC颗粒直接混合于焊剂中，工艺简单但WC保留率低。
• 机械预合金化法：通过机械合金化制备WC-Fe预合金粉末，WC保留率较高但成本高。
• 激光熔覆法：热输入集中、WC保留率高，但设备昂贵、效率低。
• FB树脂包覆法：WC保留率显著提高、成本适中，适合批量生产。

学习心得

本文提出的FB树脂热保护策略是一种经济有效的WC颗粒保护方法，对于解决药芯焊丝堆焊中WC颗粒过度熔损这一行业难题具有重要参考价值。从技术角度看，FB树脂包覆法的核心优势在于以较低的成本实现了WC颗粒的高保留率，这对于需要大面积堆焊的工程应用尤为关键。在实际应用中，建议进一步优化FB树脂的包覆工艺，包括包覆厚度均匀性控制、树脂与WC颗粒的粘结强度以及树脂在高温下的分解行为研究。此外，对于舰船等海洋工程装备，堆焊层还需考虑耐海水腐蚀性能，建议补充盐雾试验和电化学腐蚀试验数据。总体而言，该研究为药芯焊丝耐磨堆焊技术的工程化应用提供了重要的技术支撑。