表面毛化对巴氏合金MIG堆焊层界面组织及结合强度影响学习体会

文献概况与研究背景

本文由南华大学机械工程学院阙铭鑫等人完成，发表于《表面技术》2021年第50卷第10期，受国家自然科学基金（51975270, 51705287, 51505210）等多项基金资助。研究聚焦于利用MIG焊在表面毛化处理的Q235钢基体上堆焊SnSb11Cu6巴氏合金，系统考察了不同毛化参数对界面组织及结合强度的影响。

巴氏合金（Babbitt alloy）作为滑动轴承的常用衬层材料，具有低摩擦系数、良好的嵌藏性与顺应性，广泛应用于船舶、石油化工、电力等行业的大型旋转设备轴承中。然而，巴氏合金与钢基体之间的冶金结合强度往往不足，在重载或冲击工况下容易发生整体剥离，严重影响轴承的使用寿命与运行安全性。表面毛化处理作为提升界面结合强度的物理方法，其作用机制与参数优化一直是工程界关注的重点。

毛化参数设计与试验方案

本文设计了两种毛化形貌（直槽与网格槽）和两组毛化参数（槽深与槽间距），试验方案如下：

毛化形貌	槽深（mm）	槽间距（mm）	备注
直槽	0.15	1	单向平行槽
直槽	0.15	1.5	单向平行槽
直槽	0.3	1	单向平行槽
直槽	0.3	1.5	单向平行槽
网格槽	0.15	1	正交网格
网格槽	0.15	1.5	正交网格
网格槽	0.3	1	正交网格
网格槽	0.3	1.5	正交网格

试验采用MIG焊方法在毛化钢基板上堆焊巴氏合金，利用X射线衍射仪（XRD）分析堆焊层组织成分，利用金相显微镜、扫描电镜（SEM）和X射线能谱仪（EDS）表征界面组织、微观形貌和元素分布，利用电子万能试验机与体视显微镜检测结合强度与润湿角。

界面组织演变与结合机制分析

文献揭示了毛化处理提升巴氏合金与钢基体结合强度的三重作用机制：

第一，增加接触面积。 毛化凹槽显著增加了巴氏合金与钢基体的实际接触面积，从平面接触变为三维嵌合接触，从而提高了总的界面结合力。网格槽毛化虽然可以获得比直槽毛化更大的接触面积，但实际结合强度提升并不显著，原因在于其他因素的制约。

第二，机械咬合作用。 毛化凹槽中嵌合的部分巴氏合金在凝固后形成机械互锁结构，类似于榫卯连接。这种机械咬合作用在承受剪切载荷时尤为有效，能够显著提高界面的抗剥离能力。

第三，促进界面反应。 毛化轮廓边缘的材料（钢基体的Fe）在MIG焊接热循环中易于熔化，与巴氏合金中的Sn、Sb、Cu等元素发生界面反应，生成金属间化合物（如FeSn₂、Fe₃Sb等）。这些金属间化合物虽然脆性较大，但作为冶金结合的桥梁，显著提升了界面的化学结合力。

从SEM与EDS分析结果来看，毛化试样的界面区域存在明显的元素扩散带，Fe向巴氏合金侧扩散、Sn和Sb向钢基体侧扩散，证实了界面反应的确实发生。XRD分析则检测到了金属间化合物相的存在，进一步佐证了界面反应对结合强度的贡献。

结合强度定量分析与结果讨论

试验结果表明，巴氏合金与钢基板之间的结合强度从无毛化试样的39.67 MPa提升至毛化试样的50.14 MPa，提升幅度约为26.4%。这一提升幅度在工程上具有重要意义，尤其对于承受重载或冲击载荷的滑动轴承而言。

然而，不同毛化参数试样之间的结合强度变化不大，这一现象值得深入分析。网格槽毛化试样虽然获得了更大的接触面积，但毛化轮廓峰对三相线位移产生了更强的钉扎作用，导致巴氏合金在网格槽表面的浸润性更差。浸润性差意味着润湿角增大，液态巴氏合金在毛化表面上的铺展不充分，凹槽底部的填充率降低，反而削弱了机械咬合与界面反应的协同效果。

这一发现提示我们，毛化处理并非"越深越好、越密越好"。槽深与槽间距的优化需要在增加接触面积与维持良好浸润性之间寻求平衡。过深的槽可能因填充困难而产生未熔合缺陷，过密的槽可能因散热过快而导致熔池流动性下降。

工程实践启示与工艺建议

结合本文研究成果与工程实践经验，提出以下工艺建议：

毛化参数优选：对于Q235钢基体上的巴氏合金堆焊，推荐槽深0.15 mm、槽间距1 mm的直槽毛化方案，在结合强度与工艺可行性之间取得较好平衡。
毛化工序安排：毛化处理应在堆焊前完成，且毛化表面应保持清洁，避免氧化层与油污影响浸润性。可采用喷砂或酸洗作为毛化前的预处理。
MIG焊接参数控制：巴氏合金熔点低（约230-260°C），MIG焊接时需严格控制热输入，采用低电流、低电压、高焊接速度的参数组合，避免过度熔蚀钢基体。
多层堆焊策略：对于厚堆焊层要求，可采用多层堆焊方式，每层之间进行适当的中间退火以消除残余应力。
质量检验方法：结合强度测试可采用剪切试验或剥离试验，配合金相检测界面质量，必要时进行超声检测（UT）筛查内部缺陷。

学习心得与反思

本文的研究方法体现了材料表面工程领域"以界面为核心"的研究范式。从5W2H的角度审视：What（研究什么）——毛化对巴氏合金堆焊界面结合的影响；Why（为什么研究）——提升滑动轴承的可靠性与使用寿命；Who（谁来做）——南华大学材料工程团队；When（何时）——2021年发表；Where（在哪里应用）——船舶、石化、电力等行业的大型轴承；How（怎么做）——设计毛化参数、MIG堆焊、多手段表征；How much（效果如何）——结合强度提升约26%。

从FMEA的角度评估，巴氏合金堆焊层的失效模式主要包括：整体剥离、局部剥落、微裂纹扩展、疲劳剥落等。毛化处理主要针对整体剥离这一失效模式，通过提升界面结合强度来降低剥离风险。然而，毛化处理并不能完全消除微裂纹扩展与疲劳剥落的风险，这些失效模式需要通过控制堆焊层内部质量与优化轴承结构设计来加以解决。

综合来看，本文在巴氏合金堆焊界面强化方面提供了有价值的实验数据与机理解释，但在毛化参数的系统优化与长期服役性能评估方面仍有待进一步研究。对于从事滑动轴承制造与维修的技术人员，本文的结论具有直接的工程指导意义。