CaCO3对复合粉粒和实心焊丝明弧堆焊高铬合金组织及耐磨性影响的学习体会

文献概况与研究背景

本文由湘潭大学龚建勋等发表于《表面技术》2023年第52卷第2期，受湖南省自然科学基金（2021JJ30669）资助，研究CaCO3作为活性剂对复合粉粒和实心焊丝明弧堆焊高铬合金组织及耐磨性的影响。该研究针对高铬合金堆焊中熔合比过高、合金元素烧损严重、组织性能不理想等长期存在的工程难题，提出了一种创新的解决方案——通过引入CaCO3改变电弧特性，从而提高复合粉粒的熔化量并降低母材稀释。

实验方案与创新思路

研究以复合粉粒和实心焊丝作为填充材料，采用自保护明弧焊法制备系列高铬合金堆焊层。创新之处在于将CaCO3引入复合粉粒作为活性剂，改变电弧对填充材料的作用属性。

检测手段包括：X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）及附属电子能谱仪（EDS）、高速摄影仪拍摄电弧影像、电流电压数据采集。

关键实验结果与深入分析

CaCO3对电弧特性的影响

CaCO3的引入使堆焊电弧形态从圆锥形转变为扁平钟罩形，电弧覆盖面积扩展约2倍。这一变化是理解CaCO3作用机理的关键。CaCO3在高温下分解为CaO和CO2，CaO作为碱性氧化物改变了电弧等离子体的成分和特性，使电弧的覆盖面积扩大，从而增加了对复合粉粒的加热面积和熔化效率。

熔合比与合金化效果

CaCO3的引入使熔合比从0.281大幅降低至0.140，降幅近50%。熔合比的降低意味着母材的稀释作用显著减弱，堆焊合金中的合金元素含量提高，从而改善了堆焊层的组织和性能。同时，粉粒填充量从43.7%提高到47.5%，说明电弧对复合粉粒的熔化效率也提高了。

组织演变与耐磨性提升

随着CaCO3添加量增大，堆焊合金组织由亚共晶结构转变为过共晶结构，初生M7C3相的体积分数明显增加。M7C3是高铬合金中主要的硬质相，其体积分数增加直接导致了硬度的提高和耐磨性的改善。堆焊合金硬度从55.4 HRC提高至62.3 HRC，磨损质量损失从54.9 mg降低至16.7 mg，耐磨性净增加2.3倍。

磨损方式包括微观切削和显微剥落，说明堆焊层的耐磨机制以硬质相的抗切削能力和基体的抗剥落能力为主。

CaCO3的协同作用机理

CaCO3在堆焊过程中的作用机理可归纳为以下几个方面：

1. 电弧扩展效应：CaCO3分解产生的CO2和CaO改变了电弧等离子体的成分，使电弧形态从集中的圆锥形扩展为扁平的钟罩形，增大了电弧对填充材料的加热面积。
2. 熔深控制效应：电弧形态的改变使熔深由碗形变为浅平形，减少了母材的熔化量，降低了熔合比。
3. 合金化增强效应：熔合比的降低使堆焊合金中的Cr、C等合金元素含量提高，促进了M7C3等高硬度碳化物的形成。
4. 组织调控效应：CaO作为碱性氧化物，可能影响凝固过程中的碳化物形核行为，促进过共晶组织的形成。

工程应用价值与工艺建议

该研究对于高铬合金堆焊工程具有重要的指导意义：

1. 矿山设备耐磨件：高铬合金堆焊层广泛用于矿山破碎设备、磨矿设备的耐磨件，CaCO3的引入可以显著提高堆焊层的耐磨性，延长使用寿命。
2. 水泥工业耐磨件：水泥磨、选粉机等设备的耐磨件，通过添加CaCO3优化堆焊工艺，可显著提高耐磨性能。
3. 电力行业耐磨件：燃煤电厂的磨煤机、给煤机等设备的耐磨件，同样受益于该技术的耐磨性能提升。

工艺建议：CaCO3的添加量需要优化控制，过多可能导致电弧不稳定或产生气孔；复合粉粒的混合均匀性至关重要，建议在送粉前进行充分的机械混合；堆焊时应采用多层多道工艺，每道堆焊后进行适当的锤击处理以消除残余应力；对于重要工件，堆焊后应进行金相检验和硬度测试，确保堆焊层质量。

学习心得与启示

该文献的创新之处在于用一种低成本、易获得的物质（CaCO3）解决了高铬合金堆焊中长期存在的熔合比过高和合金元素烧损问题。这种"以小博大"的技术思路令人印象深刻。CaCO3作为活性剂，通过改变电弧的物理特性间接影响了堆焊层的冶金质量，这种间接调控的思路对于其他堆焊工艺同样具有借鉴意义。对于工程技术人员而言，这一研究启示我们在解决焊接工艺问题时，不应局限于传统的成分设计和参数调整，而应积极探索物理化学效应的协同作用。同时，该研究也体现了材料科学与焊接工艺深度融合的重要性，只有深入理解冶金机理，才能实现工艺的创新突破。