钨元素对Fe-Cr-C-W-B系堆焊合金组织和性能的影响——文献学习体会

文献概况与研究意义

本文出自沈阳工业大学邹宗轩、刘政军等学者，发表于2021年《焊接学报》第42卷第7期。研究采用埋弧焊明弧堆焊工艺，以药芯焊丝为填充材料，系统考察了钨（W）质量分数变化对Fe-Cr-C-W-B耐磨堆焊合金的硬质相组成、硬度及耐磨性能的影响规律。

耐磨堆焊合金在矿山机械、水泥工业、电力设备等领域的耐磨衬板、磨煤机衬瓦、球磨机衬板等部件上有着广泛的应用。钨作为重要的碳化物形成元素，其添加对堆焊层的硬质相形成和耐磨性具有显著影响。本文的研究为钨含量优化提供了系统的实验依据。

研究揭示了随着钨含量增加，堆焊层中硬质相种类和数量的演变规律。当W质量分数为2.73%时，堆焊层中的主要钨硬质相为FeWB、Fe₂W和FeW₃C。这些钨的碳化物和硼化物是堆焊层耐磨性的主要贡献者。

W质量分数	主要硬质相	洛氏硬度	磨损量
2.73%	FeWB、Fe₂W、FeW₃C	较低	较高
5.47%	硬质相比例显著增加	61.63 HRC	0.3825 g（最佳）
6.35%	硬质相比例继续增加	64.22 HRC（最高）	0.4182 g

本文最具工程价值的发现是：硬度最高点对应的耐磨性并非最优。当W含量为6.35%时，硬度达到最高值64.22 HRC，但磨损量反而从0.3825 g增加到0.4182 g，耐磨性有所下降。

这一现象的原因在于：过高的钨含量导致堆焊层的淬硬性显著增加，基体组织转变为高碳马氏体并伴随大量残余奥氏体，使基体韧性降低。在磨损过程中，虽然硬质相本身硬度很高，但由于基体与硬质相之间的结合强度不足，硬质相容易从基体上脱落，形成"磨粒磨削"与"疲劳剥落"的复合磨损机制，反而加速了材料损耗。

这一发现对工程实践具有直接的指导意义：耐磨堆焊合金的设计不能单纯追求最高硬度，必须兼顾基体韧性与硬质相-基体结合强度之间的平衡。

研究确定W质量分数为5.47%时耐磨性能最佳，磨损量为0.3825 g，洛氏硬度为61.63 HRC。这一结论为Fe-Cr-C-W-B系药芯焊丝的配方设计提供了明确的目标值。

从合金设计角度分析，5.47%的钨含量恰好处于硬质相形成量与基体韧性之间的平衡点。过低的钨含量（2.73%）不足以形成足够的硬质相，耐磨性不足；过高的钨含量（6.35%）虽然硬质相更多，但基体脆化导致硬质相脱落加剧。

本文采用的埋弧明弧堆焊（open-flame submerged arc surfacing）工艺，是将焊剂层暴露在外部的埋弧堆焊方式。与传统的埋弧堆焊相比，明弧堆焊具有以下特点：

药芯焊丝的使用进一步提高了堆焊效率，同时药芯中的合金粉末可以作为合金化元素的载体，精确控制堆焊层的化学成分。

耐磨堆焊合金的硬度要求通常参考以下标准：

本文获得的61.63 HRC硬度值，满足大多数耐磨堆焊应用的要求，接近高硬度耐磨堆焊层的典型水平。

在水泥和矿山行业中，球磨机衬板是典型的耐磨堆焊应用。衬板通常采用Q235或Q345作为基体，表面堆焊耐磨合金层。根据本文的研究结论，如果选用Fe-Cr-C-W-B系药芯焊丝，应将钨含量控制在5.47%左右，以获得最佳的耐磨性能。

实际工程中的磨损机制往往是多种机制的复合。对于高硬度耐磨堆焊层，常见的磨损机制包括：

本文揭示的硬质相脱落现象，本质上是一种疲劳剥落机制。在实际工况中，如果冲击载荷较大，这种机制会更加显著。

基于本文的研究成果，在实际生产中建议采取以下措施：

本文的研究虽然系统，但仍有以下问题值得进一步探讨：

第一，研究采用的是磨料磨损试验，主要模拟的是磨粒磨损工况。在实际应用中，衬板往往承受冲击-磨粒复合磨损，钨含量对冲击耐磨性的影响可能与磨料磨损不同。

第二，研究未涉及堆焊层的抗热疲劳性能。在球磨机中，衬板表面承受温度循环变化，钨的添加是否有利于改善抗热疲劳性能？

第三，药芯焊丝中其他元素（Cr、B、C）与钨的交互作用如何？是否存在协同效应或拮抗效应？

这篇文献最核心的启示是：在耐磨堆焊合金设计中，"硬度-耐磨性"并非简单的正相关关系。这一认知对于工程技术人员具有重要的纠偏价值。在实际工作中，我们经常看到一些技术人员片面追求硬度指标，导致堆焊层虽然硬度很高，但实际使用寿命反而不如硬度稍低但韧性更好的方案。

从更深层的角度看，耐磨性是一个综合性能指标，它取决于硬质相的硬度、数量、分布、形态，以及基体与硬质相之间的结合强度，还有基体本身的抗变形能力。任何单一指标的优化都不能保证整体耐磨性的提升，必须从多相组织的协同作用角度进行系统优化。