碳化钨铁基自熔合金堆焊层的组织及性能学习体会

文献概况与研究价值

本文发表于《材料保护》2018年第51卷第6期，由辽宁工程技术大学孟媛媛、任瑞晨等完成。研究利用CO₂气体保护堆焊，在Q235钢表面堆焊Fe₃₁₄自熔合金和Fe₃₁₄与WC的混合粉末，系统考察了涂层厚度和WC含量对堆焊层组织及性能的影响。研究结论明确：当涂层厚度为3 mm、WC含量为30%时，堆焊层硬度达到最高65.7 HRC，磨损量最低16 mg。

这一研究在CO₂气体保护堆焊领域具有开创性意义。CO₂气体保护焊（GMAW-CO₂）以其低成本、高效率、设备简单等优势，在制造业中广泛应用，但其在堆焊领域的研究相对薄弱。

关键技术要点解读

CO₂气体保护堆焊的工艺特点

CO₂气体保护堆焊的主要挑战在于飞溅大、稀释率较高。为获得高硬度堆焊层，需要选择高合金粉末或添加硬质相（如WC）。Fe₃₁₄是一种典型的铁基自熔合金粉末，其成分通常为Fe-20Cr-6Ni-6Mo-3C，具有优异的自熔性和耐磨性。

WC含量对组织的影响机理

WC（碳化钨）是一种超硬相（维氏硬度约2400 HV），其晶格常数为0.4079 nm，与Fe基体晶格匹配性较差。在堆焊熔池中，WC的行为取决于熔池温度和冷却速率：

1. WC含量低（<20%）：WC在熔池中大部分溶解，形成固溶体和碳化物，硬度提升有限。
2. WC含量适中（20%~40%）：部分WC溶解、部分WC保留，形成"未溶WC+共晶碳化物"的复合组织，硬度显著提升。
3. WC含量高（>40%）：大量未溶WC颗粒聚集，形成应力集中点，可能导致堆焊层开裂或剥落，硬度反而下降。

文献发现WC含量30%时硬度最高，这正好处于"适中"范围。此时堆焊层显微组织由多角形碳化物（未溶WC）和少量共晶组成，WC颗粒均匀弥散分布在铁基体中，既提供了硬质相的耐磨作用，又保持了基体的韧性。

涂层厚度的影响

涂层厚度3 mm时性能最优，这涉及到热输入和稀释率的平衡：

• 厚度<2 mm：热输入不足，熔池浅，稀释率高，合金元素被严重稀释，硬度偏低。
• 厚度=3 mm：热输入适中，熔池深度合理，稀释率控制在可接受范围，合金元素充分保留。
• 厚度>4 mm：多层堆焊时层间结合可能出现薄弱环节，且总热输入过大导致基体过热，影响整体性能。

与工程实践的结合

在矿山机械和耐磨件制造领域，CO₂气体保护堆焊是一种经济实用的表面强化方案。对于以下典型应用：

• 溜槽、漏斗内壁的磨粒磨损防护
• 破碎机锤头的刃口强化
• 管道弯头内表面的耐磨处理
• 球磨机衬板的修复

CO₂气体保护堆焊的优势在于：设备投资低（一台普通CO₂焊机即可）、操作简便、生产效率高、材料成本低。

从质量控制角度，CO₂气体保护堆焊需要注意以下要点：

在实际操作中，我建议在堆焊前对基体进行适当的坡口加工（V型或U型坡口），以增加熔合面积，降低稀释率。对于多层堆焊，第一层采用较薄的熔敷（1~1.5 mm），后续层逐渐增加厚度，这样可以有效降低稀释率并改善层间结合。

关键疑问与思考

文献中未详细讨论CO₂气体保护堆焊的飞溅问题对堆焊层质量的影响。CO₂保护堆焊的飞溅率通常较高（可达5%~15%），飞溅颗粒可能嵌入堆焊层表面，形成表面缺陷。在实际生产中，需要采取以下措施：

• 优化焊接参数（降低电流、增加电压）
• 采用脉冲CO₂焊接技术
• 堆焊后进行表面清理（喷砂或机械打磨）

此外，WC在堆焊过程中的溶解行为受多种因素影响（熔池温度、冷却速率、粉末粒度等），文献中未涉及粉末粒度对WC溶解率的影响。从理论分析，细粒度WC（<75 μm）在熔池中溶解率更高，而粗粒度WC（>150 μm）保留率更高。在实际应用中，应根据目标性能选择合适的粉末粒度。

学习心得与启示

这篇文献为CO₂气体保护堆焊这一"低成本"工艺路线提供了有力的实验数据支撑。在工程实践中，我们往往面临"性能最优"与"成本最优"的矛盾。等离子堆焊虽然性能优异，但设备投资和运行成本高；而CO₂气体保护堆焊在适当优化后，可以以较低成本获得接近等离子堆焊的性能。

对于钢管和管件制造企业而言，CO₂气体保护堆焊是一种值得推广的表面强化方案。特别是对于大批量、低附加值的耐磨件修复，CO₂气体保护堆焊的经济性优势非常明显。关键在于工艺参数的精确优化和过程控制的严格执行，通过PDCA循环持续改进，完全可以在保证质量的前提下实现成本最优化。