卓金管件有限公司Nb与Ti对Fe-7Cr-C-Nb-Ti堆焊合金组织演变及耐磨性能影响的学习体会
文献概况与研究意义
本文出自沈阳化工大学机械与动力工程学院团队，发表于《表面技术》2026年第55卷第5期，依托国家自然科学基金青年基金项目和辽宁省教育厅高等学校基本科研项目。研究采用等离子堆焊技术在20钢板上制备了5组不同Nb/Ti原子比的Fe-7Cr-C-Nb-Ti系堆焊合金，系统研究了Nb/Ti比对堆焊层组织演变和耐磨性能的影响规律。在工程机械、矿山机械、水泥设备等领域的耐磨堆焊应用中，Fe-Cr-C系高铬铸铁是最常用的堆焊材料之一，但纯Fe-Cr-C合金的耐磨性仍有提升空间。通过添加强碳化物形成元素Nb和Ti，可以显著改变碳化物的种类、形态和分布，从而优化合金的耐磨性能。本文的研究为高铬铸铁基耐磨堆焊合金的成分优化提供了重要的理论依据。
试验设计与研究方法
试验材料与工艺参数
试验采用等离子弧堆焊（Plasma Arc Surfacing, PAS）工艺，在20号钢板基体上制备堆焊层。等离子堆焊的优势在于热输入集中、熔池温度高、冷却速度快，有利于获得细小的微观组织和较高的硬度。20钢作为基体材料，具有良好的焊接性和加工性，适合堆焊试验。
5组试验的Nb/Ti原子比分别为0.5∶1、1∶1、1.5∶1、2∶1及2.4∶1，覆盖了从富Ti到富Nb的宽范围。这一设计思路体现了系统的变量控制方法，能够清晰地揭示Nb/Ti比对组织和性能的影响规律。
研究方法
研究采用了热力学分析（计算相图或相稳定性分析）、X射线衍射（XRD）分析物相组成、扫描电子显微镜（SEM）观察微观组织形貌、显微硬度测试（HV0.5）和磨粒磨损试验等综合手段。这种"热力学预测+实验验证"的研究方法，能够深入揭示组织演变的内在机理，而非仅仅停留在现象描述层面。
组织演变规律分析
相组成演变
随着Nb/Ti原子比从0.5∶1增大到2.4∶1，堆焊层的组织经历了从亚共晶到近共晶再到过共晶的转变过程。这一转变的核心驱动力是Nb和Ti对碳化物稳定性的不同影响。Nb的碳化物形成能力（C/N比）强于Ti，即Nb更易与C结合形成碳化物，因此随着Nb含量的增加，碳化物的总量和初生量逐渐增多。
| Nb/Ti原子比 | 组织类型 | 主要相组成 | 特征碳化物 |
|---|---|---|---|
| 0.5∶1 | 亚共晶 | α-(Fe-Cr)+网状共晶M7C3+(Nb,Ti)C | 共晶M7C3为主 |
| 1∶1 | 亚共晶 | α-(Fe-Cr)+共晶M7C3+(Nb,Ti)C | 共晶M7C3+(Nb,Ti)C |
| 1.5∶1 | 近共晶 | M+A'+(Nb,Ti)C+M7C3 | (Nb,Ti)C增多 |
| 2∶1 | 近共晶 | M+A'+(Nb,Ti)C+M7C3+NbC | (Nb,Ti)C为主 |
| 2.4∶1 | 过共晶 | 马氏体+奥氏体+大量初生(Nb,Ti)C+少量二次NbC+M23C6 | 初生(Nb,Ti)C为主 |
碳化物形态演变
碳化物的形态演变是理解耐磨性能变化的关键。在Nb/Ti=0.5∶1～2∶1范围内，初生(Nb,Ti)C呈颗粒状分布，颗粒尺寸适中（通常在2～10μm），均匀分布在基体中。这种颗粒状碳化物既具有足够的硬度提供耐磨性，又不会因尺寸过大而产生应力集中导致脆性断裂。
当Nb/Ti增大到2.4∶1时，初生(Nb,Ti)C的形态发生了显著变化——从颗粒状转变为枝晶状和团簇状。枝晶状碳化物具有各向异性，在某些方向上强度较低，容易成为裂纹源。团簇状碳化物则会在局部区域形成高硬度区，与周围基体之间的热膨胀系数差异增大，在服役过程中可能产生微裂纹。此外，共晶M7C3在Nb/Ti=2.4∶1时完全消失，取而代之的是少量的M23C6，碳化物体系的简化可能不利于耐磨性的维持。
耐磨性能与组织的关系
硬度与磨损量变化规律
试验结果表明，堆焊层的硬度和耐磨性随Nb/Ti增大呈现先升高后降低的趋势。在Nb/Ti=2∶1时，堆焊层达到最高硬度728.4HV0.5，最低磨损质量0.2091g。磨损表面光滑，未出现明显沟槽，磨粒侵入量最小。
| Nb/Ti原子比 | 显微硬度（HV0.5） | 磨损质量（g） | 磨损特征 |
|---|---|---|---|
| 0.5∶1 | 较低 | 较高 | 磨粒侵入明显 |
| 1∶1 | 中等 | 中等 | 轻度侵入 |
| 1.5∶1 | 较高 | 较低 | 侵入减少 |
| 2∶1 | 728.4（最高） | 0.2091（最低） | 表面光滑，无沟槽 |
| 2.4∶1 | 降低 | 升高（约为2∶1的3.1倍） | 出现沟槽，侵入增加 |
耐磨机理分析
Nb/Ti=2∶1时耐磨性能最优的原因可以从以下三个方面解释：第一，低碳马氏体基体提供了良好的强度和韧性基础，马氏体的板条状结构具有较好的变形抗力，能够有效抵抗磨粒的压入和犁沟。第二，大量尺寸适中的颗粒状初生(Nb,Ti)C硬质颗粒提供了有效的耐磨强化，颗粒状碳化物的硬度远高于基体，在磨粒侵入时首先被磨耗，形成保护层，减缓基体的磨损。第三，合金组织中总碳化物和共晶碳化物数量之间具有良好的平衡，既保证了足够的硬质相含量提供耐磨性，又避免了过多碳化物导致的脆性增加。
当Nb/Ti增大到2.4∶1时，耐磨性能显著下降的原因在于：枝晶状和团簇状碳化物的形态不利于均匀分散强化，容易形成应力集中；共晶M7C3的消失减少了连续网状碳化物的保护作用；M23C6的少量出现虽然硬度高，但韧性差，容易在磨粒冲击下剥落。
工程应用启示
从工程应用角度，本文的研究成果对高铬铸铁基耐磨堆焊合金的成分设计具有重要指导意义。在工程机械（挖掘机斗齿、推土机铲刀）、矿山机械（破碎机衬板、球磨机衬板）、水泥设备（磨辊、选粉机叶片）等耐磨工况中，Fe-Cr-C-Nb-Ti系堆焊合金是一种值得关注的候选材料。
在实际应用中，需要注意以下几点：第一，Nb和Ti的成本相对较高，需要在耐磨性能和经济性之间取得平衡。Nb/Ti=2∶1虽然性能最优，但Nb含量较高，成本也相应增加。第二，等离子堆焊工艺的热输入控制至关重要，过高的热输入会导致碳化物粗化和晶界析出，降低耐磨性。第三，堆焊层的冷却速度需要适当控制，过快的冷却可能导致马氏体转变不完全，残留奥氏体过多，降低硬度和耐磨性。
从质量控制角度，建议对Nb/Ti=2∶1的堆焊合金建立完善的工艺评定程序，包括焊接参数优化、热循环模拟、金相分析、硬度分布测试和耐磨性能验证等环节。在实际生产中，应定期进行堆焊层的金相检查和硬度抽检，确保堆焊质量的一致性。