石墨自润滑铁基合金堆焊层制备与性能研究的学习体会

文献概况与研究意义

本文发表于2019年《佳木斯大学学报（自然科学版）》第37卷第5期，作者王崧阁、庄明辉、马振、李慕勤来自佳木斯大学材料科学与工程学院。文章使用CO2气体保护焊在Q235钢上堆焊铁基石墨自润滑涂层，通过在药芯焊丝中添加SiC，利用SiC在电弧及熔池高温作用下以原位自生方式产生石墨润滑相。该研究由国家自然科学基金（31370979）和2018佳木斯大学校长创新创业项目（XZYE2018-18）资助，体现了产学研结合的研究特色。

石墨自润滑涂层是一种在基体金属中分散石墨润滑相的功能涂层，石墨相在摩擦过程中转移至摩擦表面，形成润滑膜，降低摩擦系数与磨损率。与传统的固体润滑涂层相比，原位自生石墨相与基体的结合更为牢固，不易脱落，且石墨相的形态与分布可以通过工艺参数进行调控。

原位自生石墨相的形成机理

SiC在电弧高温下与熔池中的氧发生反应，生成CO和SiO2，同时释放碳原子。碳原子在熔池凝固过程中以石墨形式析出，形成原位自生的石墨润滑相。这一过程的化学反应可以表示为：

SiC + O2 → SiO2 + CO（高温氧化反应）

释放的碳原子在熔池冷却过程中，由于碳在铁中的溶解度随温度降低而减小，过饱和的碳以石墨形态析出。石墨相的形态（片状、蠕虫状、球状）与尺寸，对涂层的摩擦学性能有决定性影响。球形石墨相相比片状石墨相，对基体的应力集中效应更小，且更均匀地分散在基体中，有利于提高涂层的综合性能。

工艺参数优化与性能分析

文献通过系统试验，确定了最优工艺参数组合，并研究了添加不同合金元素对石墨相的影响。

在最优工艺条件下，焊接飞溅小，堆焊层表面成型良好，自生石墨相分布均匀，石墨相呈球形，尺寸约为8～15μm，最高体积分数约为8%，宏观硬度为38.9HRC。

进一步添加4wt.% Ni粉后，石墨相体积分数下降至4%，但石墨相被细化，耐磨性达到最佳，宏观硬度提高到42.7HRC。Ni的添加促进了石墨相的形核与细化，使石墨相尺寸减小、分布更均匀，同时Ni的固溶强化作用提高了基体硬度。

当再次添加40wt.%硼铁粉与15wt.%碳化硼粉时，石墨自润滑相体积分数进一步下降至2%，而宏观硬度提升至53.3HRC。硼的添加显著提高了基体硬度，但石墨相含量大幅减少，涂层的自润滑性能相应下降。

与工程应用的关联思考

石墨自润滑涂层在工程中的应用场景主要包括：滑动轴承、导向面、活塞环槽、模具型腔、液压缸筒等需要减摩耐磨的部件。在钢管与管件制造领域，石墨自润滑涂层可用于模具制造中的导向面堆焊，例如弯头成型模具的导向面、三通成型模具的滑动面等，通过降低摩擦系数减少模具磨损，提高模具使用寿命与成型精度。

从工艺角度看，CO2气体保护焊作为一种成熟的焊接方法，设备简单、成本低、操作方便，适合中小企业的现场应用。但CO2保护焊的飞溅相对较大，需要在实际生产中通过优化焊接参数（如增加电感、控制弧长、优化气体流量）来减少飞溅，保证堆焊层的表面质量。

学习心得与启示

这篇文献系统地揭示了SiC原位自生石墨相的形成规律与工艺参数优化路径，并探讨了Ni、B等合金元素对石墨相形态与涂层性能的影响。研究结果表明，石墨相的体积分数、形态与尺寸是影响涂层摩擦学性能的关键因素，通过合金元素的添加可以调控石墨相的析出行为，实现硬度与润滑性的平衡。对于从事功能涂层堆焊研发的技术人员而言，理解碳源选择、合金元素作用、工艺参数优化之间的内在联系，是开发高性能石墨自润滑涂层的基础。该研究为铁基石墨自润滑堆焊涂层的工程应用提供了有价值的实验数据与工艺指导。