TiC钢结硬质合金与堆焊过渡层的界面组织及性能研究——学习体会

一、文献概况与研究意义

本文发表于2024年《热加工工艺》第53卷第11期，作者吴书菲等来自郑州大学材料科学与工程学院和郑州机械研究所有限公司，研究受河南省科技攻关专项项目资助。TiC钢结硬质合金是一种新型复合硬质材料，兼具钢的韧性和硬质合金的硬度，广泛应用于矿山、冶金、石油化工等恶劣工况下的耐磨部件。本文采用ERNiCrMo-3焊丝在TiC钢结硬质合金上堆焊过渡层，系统研究了不同热输入下界面组织及性能的变化规律，为TiC钢结硬质合金耐磨件的堆焊修复和制造提供了重要的材料学依据。

二、试验方法与工艺参数

本文采用GTAW（钨极氩弧焊）工艺，在TiC钢结硬质合金试样上堆焊ERNiCrMo-3过渡层。试验设置了不同焊接热输入水平，通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、显微硬度计和万能试验机，对界面微观组织、元素分布、硬度梯度和剪切强度进行了系统表征。

关键工艺参数及测试结果如下：

三、界面组织与元素扩散分析

SEM和EDS分析揭示了TiC钢结硬质合金与ERNiCrMo-3堆焊金属之间的重要界面特征：

1. 熔合区形成：两者之间存在60至150微米厚的熔合区，该区域是母材与堆焊金属相互溶解、扩散形成的过渡带。
2. 元素扩散：Ti、C、Fe、Ni、Cr、Mo等元素在界面处发生显著扩散，形成了成分渐变的过渡区域。TiC颗粒在熔合区中部分溶解，部分保留，对界面强度和组织均匀性产生重要影响。
3. 冶金结合：母材和堆焊金属之间实现了良好的冶金结合，无未熔合或分层现象。
4. 热输入影响：随着热输入增加，熔合区厚度增大，界面处晶粒有异常长大的趋势。当热输入为3.5 kJ/cm时，界面组织最为均匀，无气孔、裂纹及晶粒异常长大现象。

四、硬度梯度与剪切强度

硬度测试结果显示，在母材与堆焊焊缝之间存在一个硬度逐渐变化的缓冲区域。这一缓冲区域的存在具有重要意义：

• 它有效缓冲了母材与堆焊层之间的硬度差异，降低了因热膨胀系数不匹配而产生的界面应力集中。
• 硬度梯度平缓过渡有利于提高界面的抗裂性能和结合强度。

剪切强度试验结果表明，最佳热输入条件下界面剪切强度可达443 MPa。这一数值表明TiC钢结硬质合金与ERNiCrMo-3堆焊金属之间的结合强度足以满足恶劣工况下耐磨件的使用要求。从工程应用角度，443 MPa的剪切强度意味着堆焊层在承受高应力、高磨损条件下不会发生界面剥离或剪切破坏。

五、关键工艺窗口与缺陷控制

本文研究揭示了焊接热输入对界面质量的关键影响，为工艺优化提供了明确方向：

• 热输入过低：熔合区薄，冶金结合不充分，界面结合强度不足。
• 热输入适中（3.5 kJ/cm）：熔合区厚度适中，元素扩散充分，组织均匀，无缺陷，结合强度最高。
• 热输入过高：熔合区过厚，晶粒异常长大，可能出现气孔或裂纹，结合强度下降。

在实际生产中，应严格控制焊接热输入在工艺窗口内，同时关注堆焊层数、层间温度和冷却速率等参数的协同优化。

六、学习心得与工程展望

本文研究为TiC钢结硬质合金的堆焊修复和制造提供了扎实的材料学基础。TiC钢结硬质合金作为一种新兴耐磨材料，其堆焊工艺研究尚处于起步阶段，本文的界面组织与性能研究填补了相关领域的空白。

从工程应用角度思考，TiC钢结硬质合金的堆焊过渡层设计还需考虑以下问题：多层堆焊时各层之间的热循环累积效应、大尺寸工件的焊接变形控制、以及堆焊层在实际工况下的长期服役行为。这些问题的深入研究将进一步推动TiC钢结硬质合金在恶劣工况耐磨件领域的规模化应用。