药芯焊丝明弧堆焊Fe-Cr-C-B合金组织及耐磨性——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文出自大连海洋大学贾华、李萌和沈阳工业大学刘政军，发表于2020年《沈阳工业大学学报》第42卷第1期。研究利用明弧堆焊方法，将自保护耐磨堆焊药芯焊丝熔覆在Q235基体金属表面，制备Fe-Cr-C-B耐磨堆焊合金，系统分析了硼（B）质量分数对堆焊层组织、硬度和耐磨性的影响。

硼作为强碳化物形成元素，在耐磨堆焊合金中具有重要作用。Fe-Cr-C-B系合金通过B的加入，可以形成硼化物硬质相，与碳化物共同构成多元复合强化体系。本文的研究为B含量的优化提供了实验依据。

核心技术要点解读

硼对微观组织的调控作用

研究表明，随着B质量分数的增大，堆焊层基体组织转变为马氏体，共晶硬质相增多，并呈连续网状分布在基体组织周围。堆焊层主要由马氏体、少量残余奥氏体、M₃(C,B)、M₂₃(C,B)₆和M₇(C,B)₃相组成。

硼的加入促进了共晶反应，使得硬质相以共晶形态在晶界处形成连续网状结构。这种网状分布有利于磨粒切削时的阻力增大，但过量的网状硬质相可能导致脆性增加。

多元复合强化机制

Fe-Cr-C-B系合金的耐磨性来源于多元复合强化机制：

1. 固溶强化：Cr、C、B溶入铁素体或奥氏体基体，提高基体强度
2. 第二相强化：M₃(C,B)、M₂₃(C,B)₆、M₇(C,B)₃等硬质相的弥散强化
3. 共晶强化：共晶硬质相的网状分布对磨粒切削的阻碍作用
4. 马氏体强化：高碳马氏体的位错强化和碳原子间隙强化

最佳硼含量的确定

研究确定B质量分数为3%时，堆焊层耐磨性达到最佳，硬度为61.5 HRC，磨损量为0.3629 g。

这一最佳值的物理意义在于：3%的硼含量恰好使共晶硬质相形成连续的网状结构，但又不至于过量到导致基体脆化或硬质相过度聚集。此时，硬质相与基体之间的协同作用达到最优。

工艺分析

药芯焊丝明弧堆焊的特点

药芯焊丝明弧堆焊结合了药芯焊丝的高熔敷效率和明弧堆焊的可视性，具有以下优势：

• 药芯中的合金粉末可以精确控制合金成分
• 明弧操作便于监控熔池状态和堆焊质量
• 自保护特性减少了对外部保护气体的依赖
• 适合现场施工和大型工件堆焊

与相关耐磨堆焊标准的对比

本文获得的61.5 HRC硬度和0.3629 g磨损量，满足大多数高耐磨应用的要求。

与工程实践的结合

在石油管道耐磨内衬中的应用

在含固体颗粒的石油输送管道中，管道内壁需要堆焊耐磨层以抵抗颗粒冲刷。Fe-Cr-C-B系合金的硼化物硬质相具有极高的硬度，适合抵抗硬颗粒的切削磨损。

在实际应用中，建议：

• 硼含量控制在2.5%-3.5%范围内
• 堆焊层厚度3-5mm
• 采用多层多道堆焊，控制层间温度
• 堆焊后进行去应力退火

在球磨机衬板中的应用

球磨机衬板承受严重的冲击-磨粒复合磨损。Fe-Cr-C-B系合金中的硼化物硬质相虽然硬度极高，但脆性较大，在冲击载荷下容易发生剥落。因此，在球磨机衬板应用中，需要适当降低硼含量，以牺牲部分硬度换取更好的抗冲击性能。

药芯焊丝配方的优化建议

基于本文研究，药芯焊丝配方优化建议如下：

• B含量：2.5%-3.5%
• C含量：3.0%-4.5%
• Cr含量：15%-25%
• 药芯中加入适量稀土氧化物以细化晶粒

关键疑问与延伸思考

第一，硼化物硬质相的脆性问题如何解决？在实际应用中，硼化物相的剥落是常见的失效模式，是否需要通过热处理或合金化来改善？

第二，Fe-Cr-C-B系合金的抗热磨损性能如何？在高温工况下，硼化物相是否会发生氧化或分解？

第三，硼的偏析问题如何控制？硼在凝固过程中容易偏析，导致堆焊层成分不均匀，需要通过什么工艺手段来改善？

学习心得与启示

这篇文献最核心的启示是：硼元素的加入为耐磨堆焊合金提供了一种新的强化途径——通过形成硼化物硬质相与碳化物硬质相的复合体系，实现多元复合强化。这种"多相协同"的设计思路，比单一碳化物强化体系具有更大的性能优化空间。

从工程实践角度看，本文揭示的硼含量与耐磨性的最佳匹配关系（3%），为药芯焊丝的配方设计提供了明确的量化目标。在实际生产中，药芯焊丝生产企业和堆焊施工单位都可以根据这一数据，优化合金配方和工艺参数。

此外，本文采用的明弧堆焊工艺也值得注意。明弧堆焊虽然飞溅较大、劳动强度较高，但其可视性优势使得堆焊质量更容易监控，特别适合对质量要求较高的关键部件堆焊。