高铬双金属耐磨板堆焊层组织特征与滑动摩擦磨损机理

文献概况与研究定位

刘添君、李锌铜、王庆良三位作者在《机械工程材料》2026年第5期发表的这篇研究，系统考察了高铬双金属耐磨板堆焊层在不同载荷（200 N、600 N）和不同环境（干摩擦、石英砂摩擦）下的滑动摩擦磨损性能。研究通过与常用马氏体耐磨钢板的对比，揭示了高铬双金属耐磨板堆焊层的组织特征和磨损机理。对于从事耐磨材料选型和堆焊工艺开发的同行而言，这一研究提供了有价值的对比数据。

堆焊层组织与硬度梯度特征

研究表明，堆焊层主要由Cr₇C₃碳化物、α-Fe和少量Cr₂₃C₆碳化物组成。这一组织组成是典型的高铬铸铁型堆焊层的特征——Cr₇C₃作为主要的硬质相，提供了优异的抗磨粒磨损能力；α-Fe基体则保证了基本的塑性和韧性。

从基体钢向堆焊层方向，熔合区的显微硬度呈梯度增大趋势。这一硬度梯度特征具有重要的工程意义：

• 应力缓冲作用：硬度梯度避免了堆焊层与基体之间硬度的突变，有效分散了热应力和机械应力，降低了界面处开裂的风险；
• 裂纹扩展阻碍：当裂纹从堆焊层向基体扩展时，硬度梯度的存在使裂纹扩展需要消耗更多能量，提高了结构的抗断裂能力；
• 界面结合强度：梯度过渡区的存在保证了堆焊层与基体之间的冶金结合质量，避免了脆性断裂。

滑动摩擦磨损性能对比

研究的核心数据是高铬双金属耐磨板堆焊层与马氏体耐磨钢板的磨损性能对比：

从磨损机理分析来看，两种环境下的磨损机制均主要为磨粒磨损，但具体表现形式有所不同：

1. 干摩擦环境：以微凸体切削为主。堆焊层表面的Cr₇C₃硬质相在摩擦过程中形成微凸体，对对偶材料产生犁沟作用，但由于Cr₇C₃的高硬度和良好的结合强度，微凸体不易脱落，磨损速率较低。
2. 石英砂摩擦环境：微凸体切削与硬质石英砂微切削共同作用。石英砂颗粒作为第三体进入摩擦界面，对堆焊层表面产生微切削作用。此时Cr₇C₃硬质相的抗微切削能力成为关键因素。

两种环境下均伴随疲劳剥落磨损，说明在循环载荷作用下，堆焊层表面会因疲劳累积而产生微裂纹，最终导致材料剥落。这一发现提示在实际工况中，需要考虑载荷循环次数对堆焊层寿命的影响。

载荷效应的工程意义

研究考察了200 N和600 N两种载荷条件下的磨损行为。从工程实践角度来看，载荷的增大通常会导致：

• 接触应力增大，可能引发堆焊层与基体界面的分层；
• 磨粒压入深度增加，加重磨粒磨损程度；
• 摩擦热增加，可能导致局部软化或氧化加速。

在实际的耐磨板应用中，如矿山输送带、水泥磨衬板、冶金设备衬里等，载荷条件往往是变化的。因此，耐磨板的设计需要综合考虑最大载荷、平均载荷和载荷循环特征，而不能仅依据单一载荷条件进行选材。

学习心得与工程建议

这篇研究让我深刻认识到，耐磨材料的性能评价不能脱离具体的工况条件。同一材料在干摩擦和含磨粒摩擦环境下的表现可能截然不同，而实际工况往往是多种磨损机制的叠加。对于工程选材而言，建立工况-磨损机制-材料性能的对应关系至关重要。高铬双金属耐磨板堆焊层在两种工况下均优于马氏体耐磨钢板的结果，为矿山、水泥、冶金等行业的耐磨材料选型提供了有力依据。同时，硬度梯度特征的分析也提醒我们在堆焊工艺优化中应重视熔合区的过渡质量，避免硬度突变导致的早期失效。