卓金管件有限公司用WO3+C纳米混合粉末制备堆焊用新型耐磨合金粉块的学习体会
研究背景与技术动机
本文发表于2003年《稀有金属与硬质合金》杂志，作者陈春焕、赵绣娟、杨德新来自大连铁道学院材料科学与工程系，研究受辽宁省基金资助。研究背景源于耐磨堆焊领域对高性能堆焊材料的迫切需求。传统的堆焊材料（如高铬铸铁、碳化钨堆焊层）虽然具有较高的硬度和耐磨性，但在某些特殊工况下仍存在不足：高铬铸铁韧性差、易剥落；碳化钨堆焊层中WC颗粒与基体的结合力不足，易在冲击载荷下脱落。
纳米材料因其独特的物理化学性质（高比表面积、高活性、量子尺寸效应等），在金属基体中可产生显著的强化效果。文献的创新点在于：以纳米级WO3+C混合粉末制备合金粉块，通过堆焊过程实现原位反应和纳米增强，获得高硬度、高耐磨性的堆焊层。
核心技术与制备工艺
WO3+C纳米混合粉末的特性
| 特性 | 纳米WO3+C粉末 | 微米级WO3+C粉末 |
|---|---|---|
| 粒径 | <100nm | 1-10μm |
| 比表面积 | 大 | 小 |
| 化学活性 | 高 | 低 |
| 粉末流动性 | 较差 | 较好 |
| 压制成块密度 | 较低 | 较高 |
| 堆焊层硬度 | HRC60-63 | HRC55-58 |
| 堆焊层含W量 | 高 | 低 |
纳米粉末的高活性使其在堆焊过程中更容易与熔池中的Fe、C等元素发生反应，形成富W碳化物相，实现强化效果。
合金粉块的制备工艺
合金粉块（Powder Block）是将混合粉末通过压制和烧结工艺制成的块状焊材，可直接用于电弧堆焊。制备流程如下：
- 粉末混合：将纳米级WO3和C粉末按一定比例（通常WO3:C = 85:15，质量比）混合均匀。
- 压制成型：在模具中加压压制（压力100-200MPa），制成所需形状的粉块。
- 烧结处理：在保护气氛（Ar或N2）中低温烧结（800-1000°C），提高粉块的结构强度和结合力。
- 性能检验：检测粉块的密度、抗压强度和化学成分。
堆焊工艺参数
| 参数 | 典型值 | 说明 |
|---|---|---|
| 焊接方法 | 手工电弧焊（SMAW）或埋弧焊（SAW） | 根据工件尺寸选择 |
| 焊接电流 | 150-250A | 控制熔深和稀释率 |
| 焊接速度 | 100-200mm/min | 手工焊速度 |
| 层间温度 | ≤200°C | 防止过热 |
| 堆焊层数 | 2-3层 | 根据厚度要求 |
| 预热温度 | 100-200°C | 视工件材质而定 |
堆焊层组织与性能分析
组织特征
文献通过金相分析发现，采用纳米WO3+C粉块堆焊的堆焊层组织具有以下特征：
- 富W碳化物（Fe6W6C）：这是堆焊层中的主要硬质相，呈颗粒状或网状分布，硬度极高，是耐磨性的主要贡献者。值得注意的是，堆焊层中并未形成WC相，这是因为在堆焊的高温条件下，WO3与C反应生成的W优先与Fe结合形成Fe6W6C，而非直接形成WC。
- 针状马氏体：基体组织为针状马氏体，硬度较高，为碳化物提供支撑骨架。
- 奥氏体：少量残余奥氏体存在于晶界处，有助于改善韧性。
与微米级粉末相比，纳米粉末制备的粉块堆焊层具有以下优势：
- 基体中含W量更高：纳米粉末的高活性使更多W元素进入熔池，提高堆焊层中的W含量。
- 组织更细小：纳米粉末作为形核核心，促进晶粒细化，形成更细小的组织。
- 硬度更高：HRC60以上，最高可达HRC63，而微米级粉末堆焊层通常为HRC55-58。
性能对比
| 性能指标 | 纳米WO3+C粉块堆焊层 | 微米WO3+C粉块堆焊层 | 高铬铸铁堆焊层 |
|---|---|---|---|
| 硬度（HRC） | 60-63 | 55-58 | 50-55 |
| 含W量（wt%） | 15-20 | 8-12 | 0 |
| 耐磨性（相对值） | 100 | 70-80 | 50-60 |
| 韧性 | 中 | 中低 | 低 |
| 组织特征 | 细小，Fe6W6C+针状马氏体 | 较粗，Fe6W6C+马氏体 | 共晶组织 |
工艺性评价
文献对粉块的焊接工艺性进行了系统评价，结果表明：
- 熔敷效率高：粉块堆焊的熔敷效率（kg/h）高于同等条件下的药芯焊丝，这得益于粉块的高熔敷量。
- 焊接过程稳定：电弧稳定，飞溅少，焊接质量一致性好。
- 适应性强：可手工焊也可自动焊，适用于不同尺寸和形状的工件。
- 成本低廉：粉块制备工艺简单，原材料成本低，适合大规模推广应用。
工程应用展望
纳米WO3+C粉块堆焊技术适用于以下耐磨工况：
- 矿山设备：破碎机衬板、球磨机衬板、溜槽等。
- 水泥设备：回转窑衬板、磨盘、磨辊等。
- 电力设备：磨煤机磨辊、磨盘衬瓦等。
- 冶金设备：高炉出铁沟衬板、转炉衬板等。
反思与技术延伸
本文发表于2003年，纳米材料在焊接领域的应用尚处于探索阶段。从今天的视角来看，纳米增强堆焊技术已取得显著进展：
- 纳米TiC、纳米Al2O3、纳米SiC等增强相已被广泛应用于堆焊材料中。
- 原位合成纳米碳化物/氮化物的技术路线逐渐成熟。
- 纳米复合堆焊层的断裂韧性、疲劳寿命等综合性能得到了显著改善。
然而，仍有若干问题值得深入探讨：第一，纳米粉末在堆焊过程中的团聚行为如何控制？第二，纳米增强相与基体的界面结合强度如何进一步提高？第三，纳米复合堆焊层在极端工况（高温、高压、强冲击）下的性能退化规律如何？
此外，文献中未涉及堆焊层的疲劳性能和断裂韧性，而这些性能在实际工程中同样重要。高硬度材料往往伴随低韧性，如何在高硬度与高韧性之间取得平衡，是纳米增强堆焊材料设计的关键挑战。
总结
本文的创新点在于将纳米材料引入堆焊领域，通过WO3+C纳米混合粉末制备合金粉块，实现了原位反应强化和组织细化的协同效果。堆焊层中富W碳化物（Fe6W6C）的形成和针状马氏体基体的组织特征，赋予了堆焊层HRC60以上的超高硬度和优异的耐磨性能。对于从事耐磨堆焊技术研发的技术人员而言，纳米增强是一个值得深入探索的方向，但需综合考虑成本、工艺性和综合性能，实现技术的最优解。