堆焊Mo-Cr-Fe-B合金覆层的组织及性能研究——文献学习体会

文献概况与技术背景

本文由武汉科技大学李子豪等学者发表于《武汉科技大学学报》2018年第41卷第4期，基金来源为武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室青年基金（2016QN18）和教育部重点实验室开放基金（FMRUlab17-7）。研究采用自制Mo-Cr-Fe-B系药芯焊丝，通过堆焊法在Q235钢基体表面制备合金覆层，系统研究了覆层的组织结构、物相组成、硬度分布及耐磨性能。

Mo-Cr-Fe-B系合金是一种以硼化物为主要强化相的耐磨合金体系，其特点是硬度极高、耐磨性优异，但脆性较大。在管道耐磨保护、矿山机械、水泥设备等领域有潜在的应用价值。本文的研究为这一合金体系的工程应用提供了基础数据支撑。

覆层物相组成与形成机制

主要物相分析

XRD和EDS分析结果表明，覆层主要由以下物相组成：

这一物相组成反映了覆层凝固过程中不同区域的成分偏析特征。Mo₂FeB₂的形成需要较高的Mo和B含量，通常在凝固初期在富Mo区域形成；Fe₂B则在富铁区域形成。这种多相组织赋予了覆层优异的耐磨性能，因为不同硬度的相之间形成了有效的协同强化效果。

覆层成型反应过程

本文特别研究了覆层堆焊成型的反应过程，这是理解覆层组织形成机制的关键。在堆焊过程中，熔池经历以下阶段：

1. 加热熔化阶段：焊丝和基体材料熔化，形成混合熔池。
2. 成分混合阶段：不同元素在熔池中扩散混合，形成成分梯度。
3. 凝固析出阶段：随着温度降低，不同物相按热力学稳定性顺序析出。
4. 冷却转变阶段：残余奥氏体可能发生马氏体转变，硼化物发生析出。

这一反应过程的理解对于工艺优化至关重要。例如，如果熔池冷却速度过快，可能导致成分混合不充分，形成不均匀的物相分布；如果冷却速度过慢，则可能导致碳化物粗化，降低耐磨性能。

硬度分布与耐磨性能

硬度梯度特征

覆层硬度最高可达980HV0.5，这是一个非常高的硬度值，表明硼化物相的含量充足且分布均匀。硬度分布呈现梯度特征：从覆层表面向基体方向硬度逐渐降低。这种梯度分布有利于降低覆层与基体之间的应力集中，提高结合强度。

覆层与Q235钢基体的结合良好，在结合界面处有元素的扩散现象。元素扩散层的形成是保证结合强度的重要因素，扩散层的厚度通常在50-200μm范围内。如果扩散层过薄，结合强度不足；如果扩散层过厚，则可能导致界面脆性相过多，降低韧性。

耐磨性能评价

耐磨性试验结果表明，Mo-Cr-Fe-B覆层具有优异的耐磨性能。硼化物相的高硬度使其能够有效抵抗磨粒的切削作用，而不同硬度相之间的协同作用则提高了覆层的抗剥落能力。在实际应用中，这种覆层特别适用于以下工况：

• 干式磨损工况（如矿石输送溜槽）
• 低应力的冲蚀磨损工况
• 高温磨损工况（硼化物具有较好的高温稳定性）

与工程实践的结合

在管道耐磨保护中的应用

Mo-Cr-Fe-B覆层的高硬度特性使其在管道耐磨保护中具有应用潜力，但需要注意以下问题：

1. 脆性问题：硼化物含量过高会导致覆层脆性增大，在冲击载荷下可能产生裂纹。建议通过控制硼含量和热处理工艺来平衡硬度与韧性。
2. 加工性问题：高硬度覆层的后续加工（如切削、钻孔）较为困难，建议在堆焊时预留加工余量。
3. 结合强度：覆层与基体的结合强度需要满足服役载荷要求，建议通过剪切试验或剥离试验进行验证。

工艺优化建议

基于本文的研究成果，在实际工程中应用Mo-Cr-Fe-B覆层时，建议遵循以下工艺要点：

FMEA分析——典型缺陷与对策

• 裂纹：硼化物含量高时热裂纹倾向大。对策是控制硼含量不超过2%，并在焊后进行回火处理。
• 未熔合：线能量过低时熔深不足。对策是提高焊接电流或降低焊接速度。
• 气孔：焊丝药皮受潮或基体表面有水分。对策是焊前烘干焊丝，清理基体表面。
• 结合不良：基体表面清理不彻底或预热不足。对策是彻底打磨基体表面，适当预热。

关键疑问与思考

研读本文后，我有以下几点思考。第一，文中未讨论覆层在腐蚀环境中的行为，而Mo-Cr-Fe-B合金在酸性或碱性环境中可能面临腐蚀问题，建议补充耐蚀性测试。第二，覆层的断裂韧性数据缺失，这对于评估覆层在冲击载荷下的可靠性至关重要。第三，长期服役条件下硼化物相是否会发生分解或相变，需要开展高温时效试验来评估。

学习心得与启示

本文的核心贡献在于系统揭示了Mo-Cr-Fe-B系药芯焊丝堆焊覆层的物相组成、形成机制和性能特征。对于管道耐磨保护工程而言，这一研究提供了一种高硬度覆层的技术方案，但需要关注脆性和加工性问题。在实际应用中，建议将Mo-Cr-Fe-B覆层与其他耐磨方案（如高铬铸铁堆焊、陶瓷内衬等）进行对比评估，选择最适合具体工况的方案。同时，建议开展覆层与基体结合强度的系统研究，为工程应用提供更完整的数据支撑。