大面积耐磨合金堆焊层表面成形改善及其性能的研究——文献学习体会

文献概况与研究问题

这篇1993年发表于《北京工业大学学报》的论文，由北京工业大学金属材料科学与工程学系完成，针对大面积耐磨复层板堆焊中表面成形不良的问题，研究了向合金粉末中加入硅（Si）、硼（B）及联合加入Si+B对堆焊层表面成形、硬度和显微组织的影响。该研究具有鲜明的工程导向性——大面积耐磨复层板广泛应用于矿山机械、水泥设备、电力设备等强磨损工况，堆焊层的表面质量直接影响其使用寿命和可靠性。

表面成形问题的工程根源

普通铬铁堆焊的表面缺陷

文献指出，以普通铬铁为外填充合金粉末在A3板上堆焊耐磨层时，表面成形较差。从冶金学角度分析，其原因包括：一是铬铁的熔点较高（约1890℃），在熔池凝固时容易形成硬脆的铬的氧化物夹杂，影响熔池流动性；二是铬铁中碳含量波动大，导致碳化物析出不均匀，熔池表面张力不稳定；三是大面积堆焊时热输入大，熔池宽而浅，凝固过程中收缩应力大，容易产生表面裂纹和凹坑。

硅与硼的改善机理

文献发现，加入适量的硅和硼能够有效改善堆焊层的表面成形。硅的作用机理是：降低熔池的表面张力，提高流动性，同时硅能与氧结合形成SiO₂，减少铬的氧化损失；硼的作用机理是：硼是强碳化物形成元素，能与碳结合形成B₄C，同时硼的加入改变了熔池的凝固行为，在空冷条件下促进马氏体的析出，提高淬透性。联合加入Si+B时，两种元素的协同作用使表面成形改善效果更为显著。

工艺参数与性能数据

从数据可以看出，加入Si和B后，堆焊层的硬度和淬透性均有显著提升。特别是加入硼铁后，基体组织中在空冷条件下就有马氏体析出，这是一个重要的发现——说明硼的加入显著提高了堆焊层的淬透性，使堆焊层在不经过热处理的情况下就能获得较高的硬度和耐磨性。

工程应用与工艺优化

在矿山机械和水泥设备的耐磨衬板制造中，大面积堆焊是一个常见工艺。根据我的实践经验，改善堆焊层表面成形的关键措施包括：

1. 合金粉末的预处理：将铬铁粉末进行适当的合金化改性，加入5-10%的硅铁和1-3%的硼铁，可以显著改善粉末的熔化和流动性。
2. 堆焊工艺参数的优化：采用大电流、低电压、快速焊的工艺策略，使熔池保持适当的宽深比；多层堆焊时严格控制层间温度，避免过热导致组织粗化。
3. 预热与后热处理：对于大面积堆焊，适当的预热（150-200℃）可以减小热应力，降低裂纹倾向；堆焊完成后的去应力退火（550-650℃）可以消除残余应力，提高堆焊层的韧性。
4. 表面质量的后处理：对于表面成形仍不够理想的堆焊层，可以采用火焰加热或感应加热进行表面回火，改善表面的硬度和韧性匹配。

学习心得与反思

这篇文献虽然发表时间较早，但其对Si和B改善堆焊层表面成形机理的分析仍然具有指导意义。特别是关于硼提高淬透性的发现，对于选择堆焊材料和设计堆焊工艺具有重要参考价值。

从工程实践的角度看，表面成形不良不仅影响外观质量，更重要的是影响堆焊层的使用寿命。表面裂纹和凹坑是应力集中的源，在循环载荷作用下容易萌生疲劳裂纹，导致堆焊层过早失效。因此，改善表面成形是保证堆焊层服役可靠性的关键措施之一。

值得反思的是，在实际生产中，一些技术人员对堆焊层的表面质量重视不够，认为只要硬度达标就可以使用。这种观念是错误的——表面成形不良的堆焊层即使硬度很高，其实际使用寿命也可能远低于表面质量良好的堆焊层。

总结

该文献通过系统的实验研究，揭示了Si和B对耐磨合金堆焊层表面成形、硬度和淬透性的改善作用，为大面积耐磨复层板的堆焊工艺优化提供了科学依据。在实际工程中，我们应当将合金粉末的改性、焊接参数的优化和后处理工艺结合起来，从材料、工艺、后处理三个维度系统性地提高堆焊层的质量，而不是仅仅关注单一的硬度指标。