Q235结构钢堆焊熔覆表面摩擦磨损性能研究——文献学习体会

文献概况与研究意义

本文发表于《材料保护》2019年第52卷第10期，由李聪、陈雪琴、彭道衡、王金凤等人完成，研究获得了中央引导地方科技发展专项（2019ZYYD023）和湖北省教育厅自然科学重点项目（D20181801）的资助。研究采用CO₂气体保护药芯焊丝电弧堆焊技术（FCAW-CO₂）在Q235结构钢表面制备了强熔覆层，系统研究了基体相、熔覆层和界面区的组织与摩擦磨损性能。

Q235钢是我国应用最广泛的结构钢之一，其屈服强度为235 MPa，硬度约为120～180 HV，在机械传动、输送设备、工程机械等领域有大量应用。然而，Q235钢的耐磨性能较差，在摩擦磨损工况下容易快速减薄。通过表面熔覆技术在其表面制备高硬度耐磨层，是一种经济有效的强化手段。本文的研究重点在于界面区的组织与性能，这是表面熔覆技术中最为关键也最为复杂的区域。

工艺参数与熔覆层制备

研究采用CO₂气体保护药芯焊丝电弧堆焊技术进行熔覆层制备。CO₂气体保护药芯焊丝电弧堆焊（FCAW-CO₂）具有以下工艺特点：第一，药芯焊丝中含有合金元素，可以在不依赖外部送粉的情况下实现高合金熔敷层的制备；第二，CO₂保护气体的氧化性较强，有利于形成硬质的氧化铁和碳化物，提高熔敷层硬度；第三，该工艺焊接效率较高，适合大面积熔覆。

CO₂气体保护电弧堆焊的焊接热输入通常介于手工电弧焊和MIG焊之间，熔池较大，冷却速率适中，有利于形成以马氏体为主的组织。药芯焊丝中的合金元素（如Cr、Mo、V、B等）在熔池凝固过程中析出形成硬质相，是熔覆层获得高硬度的主要来源。

工艺要素	技术特征	对熔覆层的影响
保护气体	CO₂（强氧化性）	促进氧化铁、碳化物形成
焊丝类型	药芯焊丝	合金元素自送，无需外部送粉
热输入	中等	冷却速率适中，利于马氏体形成
熔池状态	较大	稀释率较高，界面反应充分

界面区组织与性能的关键发现

研究的最重要发现集中在界面区的组织特征上。在熔覆层与基体的界面区域，不仅发现了细小的针状马氏体组织，而且晶粒明显细化。这一发现具有重要的理论和工程意义。

界面区组织的特殊性源于以下几个因素：第一，界面区在焊接热循环过程中经历了最剧烈的温度变化，基体侧和熔覆层侧的冷却速率差异显著，导致界面处形成了特殊的凝固组织；第二，界面区发生了强烈的元素扩散和冶金反应，熔覆层中的合金元素向基体扩散，基体中的碳和合金元素向熔覆层扩散，形成了成分梯度区；第三，界面区的凝固条件特殊，既受到熔覆层凝固前沿的影响，又受到基体热传导的制约，形成了独特的凝固模式。

在摩擦磨损性能方面，研究通过摩擦系数和磨损失重来评价不同区域的耐磨性。结果表明，基体区、熔覆层和界面区的摩擦系数依次减小，即界面区的摩擦系数最低。从磨损形貌来看，基体区磨损面积最大，塑性变形严重，局部出现"剥离坑"；界面区由于硬质相的大量存在，磨损"犁沟"和塑性变形程度相比熔覆层有较大改善。

区域	摩擦系数	磨损面积	主要磨损机制	磨损形貌特征
基体区	最高	最大	塑性变形、磨粒磨损	"剥离坑"、大面积磨损
熔覆层	中等	中等	磨粒磨损	"犁沟"、塑性变形
界面区	最低	最小	轻微磨粒磨损	犁沟浅、变形小

界面区摩擦系数最低这一现象值得深入分析。通常认为，硬质相的存在会提高摩擦系数（因为硬质相增加了表面的粗糙度），但界面区的硬质相由于与基体形成了良好的冶金结合，不易发生剥落，反而能够"锁住"表面，减少了摩擦过程中的材料转移和犁沟效应。此外，界面区细小的针状马氏体组织具有较高的比表面积，有利于摩擦过程中形成保护性摩擦膜，从而降低摩擦系数。

界面冶金反应与元素扩散分析

界面区的强烈元素扩散和冶金反应是本文研究的核心内容之一。在焊接热循环过程中，界面区温度可达到1000～1400°C，这一温度条件下，碳、铬、钼等元素的扩散速率显著提高。根据Fick扩散定律，扩散通量与浓度梯度和温度的指数函数成正比，因此界面区的高温环境促进了快速的元素互扩散。

元素扩散的结果是形成了成分梯度区（Gradient Zone），该区域的化学成分介于基体和熔覆层之间。这一成分梯度区的存在对界面性能产生了双重影响：一方面，合金元素的富集促进了硬质相的析出，提高了界面的硬度和耐磨性；另一方面，碳的扩散可能导致界面附近出现渗碳层，如果渗碳层过厚，可能导致界面脆化。因此，在实际工艺中需要控制焊接热输入和焊接速度，以优化界面区的成分梯度。

工程应用中的界面控制策略

基于本文的研究结论，在工程实践中优化Q235钢表面熔覆层的界面性能，可以采取以下策略：

控制焊接热输入，避免界面区温度过高导致碳化物粗化或渗碳层过厚。
采用多层多道焊工艺，使每一层的界面区都经历适当的热循环，促进界面组织的均匀化。
选择合适的焊材，使熔覆层与基体的热膨胀系数匹配，减少界面残余应力。
焊后实施去应力退火处理，消除界面残余应力，降低界面开裂风险。
对于关键部位，可在焊前进行预热处理，减小基体与熔覆层之间的温度梯度。

学习心得与启示

本文的研究让我认识到，表面熔覆技术的成功不仅取决于熔覆层本身的性能，更取决于熔覆层与基体之间界面区的组织与性能。界面区是熔覆层与基体之间的"桥梁"，其质量直接决定了熔覆层的服役可靠性。在实际工程检测中，我们往往过于关注熔覆层表面的硬度和耐磨性，而忽视了界面区的微观组织特征。本文的研究提示我们，在制定熔覆工艺方案时，应当将界面区的组织控制作为核心目标之一，通过优化焊接参数和焊后热处理来确保界面区的组织均匀性和结合强度。同时，界面区硬质相的"锁定"效应也为我们理解摩擦磨损机理提供了新的视角——硬质相的有效性不仅取决于其硬度和数量，还取决于其与基体的结合质量。