铁基合金粉块氩弧堆焊层中Ni含量对组织与性能的调控机制解析

文献核心内容概述

陈广帅、朱庆波、郝建明三位来自三一重型装备有限公司的技术人员在《煤矿机械》2020年第2期发表了关于Ni对铁基合金粉块氩弧堆焊层组织和性能影响的研究。该研究以Q235钢板为基体，采用氩弧焊工艺将铁合金混合粉末压块熔敷于基材表面，系统考察了粉末压块成分和堆焊工艺参数对堆焊层组织与性能的作用规律。研究结论明确：在压块粉末总质量固定为16 g、镍铁含量为0.64 g、堆焊电流为180 A的工艺条件下，堆焊层硬度达到峰值HRC48.9，耐磨性能最优，相对磨损量仅为0.013 4 g/(cm²·min)。这一结果对煤矿机械耐磨部件的表面强化与修复具有直接指导价值。

关键技术参数与工艺窗口分析

粉末压块成分设计的定量关系

该研究采用粉末压块形式进行氩弧堆焊，这在工程实践中是一种较为特殊的工艺路线。与传统的药芯焊丝或实心焊丝堆焊不同，粉末压块堆焊具有合金成分灵活可调、制备工艺简便、适用于小批量多品种修复作业的优势。研究中将压块粉末总质量固定为16 g，通过调整镍铁含量来改变堆焊层的合金化程度。镍铁含量为0.64 g时，相当于占粉末总质量的4%，这一比例在铁基合金堆焊层中属于中等偏低水平的镍合金化。镍作为奥氏体形成元素，在铁基堆焊层中能够扩大γ相区、稳定奥氏体组织，同时提高堆焊层的淬透性和耐蚀性。当镍含量较低时，堆焊层以马氏体或贝氏体组织为主，硬度高但韧性不足；当镍含量过高时，组织中残留奥氏体量增加，硬度下降。该研究确定的0.64 g镍铁含量对应了硬度与韧性的最佳平衡点。

堆焊电流对熔敷效果的影响机制

堆焊电流为180 A时获得最佳性能，这一参数与16 g粉末压块的熔化需求相匹配。电流过小时，粉末压块不能完全熔化，易产生未熔合、夹渣等缺陷；电流过大时，基体稀释率增大，堆焊层合金元素被稀释，硬度和耐磨性反而下降。氩弧堆焊的热输入控制是获得优质堆焊层的核心环节，180 A电流在Q235基体上熔敷铁基合金粉末压块，热输入适中，既能保证粉末充分熔化并与基体形成良好的冶金结合，又能将稀释率控制在合理范围内。

堆焊层性能测试结果解读

工程实践中的思考与启示

在煤矿机械领域，刮板输送机中部槽、转载机链轮、掘进机截齿等部件长期承受煤矸石的磨料磨损和冲击磨损，表面强化与修复是延长使用寿命的关键手段。该研究采用的铁基合金粉块氩弧堆焊工艺，为这些部件的再制造提供了一种经济可行的技术路线。与高成本钴基合金和镍基合金堆焊材料相比，铁基合金具有明显的成本优势，而通过Ni元素的合理调控，可以弥补铁基合金在硬度和耐磨性方面的不足。在实际工程应用中，堆焊层的硬度并非越高越好，还需要考虑与基体的匹配性以及堆焊层自身的抗裂性。HRC48.9的硬度水平对于煤矿机械耐磨件而言，属于兼顾耐磨性和韧性的合理区间。值得注意的是，该研究采用粉块压堆焊方式，在工程实践中还需关注粉末压块的制备质量、压块与基体的贴合度以及堆焊过程中的气体保护效果。氩弧堆焊对操作人员技能要求较高，但设备投资相对较低，适合在维修车间或井下检修站进行现场修复作业。该研究为铁基堆焊材料的合金设计提供了实验依据，后续可进一步开展Ni含量与堆焊层抗裂性、冲击韧性之间的关系研究，以及堆焊层在煤矿实际工况下的磨损寿命考核，为工艺参数的优化提供更全面的支撑。