含稀土氧化物的WC-TiC-TaC-Co-CuZnNi复合耐磨堆焊材料——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文出自山东大学王新洪等人于2003年发表在《材料科学与工艺》第11卷第3期的研究成果，受山东省自然科学基金资助。研究以WC-TiC-TaC-Co硬质合金、CuZnNi铜基合金及La₂O₃稀土氧化物为原料，研制了一种具有高耐磨性和良好抗冲击性能的复合耐磨堆焊材料。该研究的核心创新在于将硬质合金颗粒与铜基合金通过堆焊工艺复合，并利用稀土氧化物改善界面结合和基体组织。

耐磨堆焊材料在矿山机械、水泥工业、电力设备等重磨损工况中具有广泛应用。传统的单一硬质合金堆焊层虽然硬度高，但抗冲击性能差，在冲击载荷下容易出现剥落。而单一铜基合金堆焊层虽然韧性好，但耐磨性不足。如何将两者的优势结合，是耐磨堆焊材料研发的重要课题。

材料体系与制备工艺

复合堆焊材料的成分设计

该研究采用的复合体系由三个部分组成：WC-TiC-TaC-Co硬质合金颗粒作为耐磨相，CuZnNi铜基合金作为基体相，La₂O₃稀土氧化物作为组织改善剂。

硬质合金颗粒的引入使得堆焊层具有极高的硬度，而铜基合金基体则为硬质合金颗粒提供了良好的承载和缓冲作用。这种"硬相+软基"的复合结构是典型的伪共晶或伪共晶型耐磨设计思路。

稀土氧化物的作用机理

La₂O₃作为稀土氧化物，在焊接冶金过程中发挥多重作用。首先，稀土元素具有强烈的表面活性，能够吸附在晶界和相界面上，抑制晶粒长大，细化基体组织。其次，稀土氧化物在熔池中形成微熔渣，在凝固过程中促进形核，增加晶核数量。第三，稀土元素能够与氧、硫等杂质元素形成高熔点化合物，净化熔池，减少有害夹杂。

研究特别指出，加入La₂O₃后，硬质合金与基体的界面上形成了微晶过渡区。这一发现具有重要的科学意义。微晶过渡区的形成意味着硬质合金颗粒与铜基合金之间并非简单的机械结合，而是通过元素扩散形成了具有一定化学键合的过渡层。这种过渡层的存在显著改善了界面结合强度，避免了硬质合金颗粒在服役过程中从基体中剥落。

组织与性能分析

界面结合与元素扩散

通过SEM和TEM分析，研究者观察到硬质合金与Cu基合金之间通过元素扩散形成了连接界面。在焊接高温下，Co、W、Ti、Ta等元素从硬质合金颗粒向铜基合金扩散，同时Cu、Zn、Ni等元素向硬质合金颗粒扩散，形成了一定的互扩散层。这种扩散连接是复合堆焊层获得良好界面结合的关键。

稀土氧化物的加入进一步促进了界面扩散。La₂O₃在熔池中分解为La₂O₃微晶，这些微晶在界面处形成形核核心，促使界面区域形成微晶组织。微晶过渡区的硬度介于硬质合金和基体之间，形成了梯度过渡，有效缓解了界面处的应力集中。

耐磨性影响因素

研究通过摩擦磨损试验系统考察了硬质合金含量和载荷对耐磨性的影响。结果表明，堆焊层耐磨性随硬质合金含量的增加而增加，随载荷的增加而降低。这一规律符合磨损力学的基本原理：硬质合金含量越高，堆焊层中硬质相的体积分数越大，抵抗磨粒磨损的能力越强；载荷越大，单位面积上的接触应力越高，磨损速率自然增加。

加入La₂O₃后，由于基体组织细化和界面结合改善，堆焊层的耐磨性得到进一步提高。这说明在复合耐磨堆焊材料的设计中，不仅要关注硬质相的含量和分布，还要重视基体组织和界面质量对整体耐磨性的贡献。

工程应用价值与技术延伸

在钢管与管件制造中的应用前景

复合耐磨堆焊技术在钢管和管件制造中具有广阔的应用前景。例如，在油气输送管线中，弯头和三通等管件由于介质冲刷，磨损问题尤为突出。采用此类复合耐磨堆焊材料对管件内壁进行堆焊修复，可以在保持管件韧性的同时显著提高耐磨寿命。

在水泥工业中，生料磨和水泥磨的耐磨衬板、溜槽等部件同样面临严重的磨粒磨损问题。复合耐磨堆焊技术可以提供一种经济有效的修复方案。

工艺参数优化方向

基于该研究的发现，在实际工程应用中还需要进一步优化以下工艺参数：

• 硬质合金颗粒的粒径分布：颗粒过粗会导致应力集中，过细则耐磨性不足
• 堆焊层厚度：需要平衡耐磨寿命与堆焊成本
• 层间温度控制：避免多层堆焊时界面结合不良
• 后热处理制度：促进残余应力释放和界面扩散

关键思考与反思

稀土元素在焊接材料中的广泛应用

该研究展示了稀土氧化物在焊接材料中的重要作用。稀土元素在焊接冶金中具有"微量高效"的特点，添加量通常仅为0.1%~1.0%，但能显著改善焊缝组织和性能。在钢管焊接领域，稀土元素的应用也日益受到重视。例如，在低合金高强钢的焊丝中添加微量稀土，可以改善焊缝的韧性和抗裂性能。

从实验室到工程化的挑战

从实验室研究到工程化应用，复合耐磨堆焊材料还面临诸多挑战。硬质合金颗粒在堆焊过程中的熔化行为复杂，过高的热输入会导致硬质合金颗粒过度溶解，降低耐磨性；过低的热输入则可能导致颗粒未完全润湿，界面结合不良。此外，大尺寸工件的均匀堆焊、多层堆焊的层间质量控制等问题也需要在工程实践中逐一解决。

学习心得与总结

这篇文献给我最大的启发是复合设计理念在耐磨堆焊材料中的成功应用。传统的耐磨堆焊材料往往追求单一的超高硬度，而忽视了抗冲击性能的重要性。该研究通过硬质合金与铜基合金的复合，实现了硬度与韧性的良好平衡，体现了"刚柔并济"的材料设计理念。稀土氧化物的引入则展示了微量元素在改善界面质量和组织细化方面的独特优势。对于从事钢管、管件耐磨堆焊工作的技术人员而言，这一研究提供了重要的材料选择依据和工艺优化方向。在实际工程中，应充分考虑服役工况的磨损类型（磨粒磨损、冲击磨损、腐蚀磨损等），合理选择复合堆焊材料的组分和工艺参数，以实现最佳的经济效益。