堆焊热轧制备高铬铸铁低碳钢耐磨复合板性能研究学习体会

文献概况与技术背景

李艳威等人在《塑性工程学报》2019年第26卷第5期发表的这篇论文，研究了一种创新的"堆焊-热轧"复合工艺制备高铬铸铁/低碳钢耐磨复合板的技术路线。该工作由国家自然科学基金资助项目（U1710254）、山西省科技重大专项资助项目等多个项目支持，研究团队来自山西省冶金设备设计理论与技术重点实验室。

高铬铸铁（通常指Cr含量在10%~30%的白口铸铁）因其优异的耐磨性能，被广泛应用于矿山破碎机、球磨机衬板、水泥磨机衬板等耐磨件。然而，高铬铸铁的韧性极差，脆性断裂是其主要失效模式。将高铬铸铁与低碳钢复合，可以兼顾耐磨性与韧性，形成"硬面+韧芯"的复合结构。传统的复合板制备方法包括爆炸复合、轧制复合、焊接复合等，而本文提出的"堆焊-热轧"工艺是一种具有创新性的方法，通过堆焊获得高铬铸铁层，再经过热轧实现与基板的冶金结合和性能优化。

工艺路线与实验方案

实验采用高铬铸铁焊条对碳钢板表面进行堆焊，经过对称组坯后分别采用15%、25%、30%的压下率在四辊轧机上进行多道次包覆热轧。这一工艺路线的设计思路非常巧妙：

第一，通过堆焊获得高铬铸铁层，避免了直接冶炼高铬铸铁的复杂性和成本问题。第二，对称组坯（即两面均堆焊高铬铸铁层）有利于热轧过程中的对称变形，减少板形缺陷。第三，多道次轧制而非单道次大压下，有利于均匀变形和避免开裂。第四，四辊轧机能够提供精确的压下量控制和良好的板形质量。

不同压下率下的工艺特征对比

微观组织与性能分析

研究采用扫描电镜和能谱点扫描、线扫描等方法对复合材料的结合界面和高铬铸铁层进行了微观组织观察，并研究了热轧对复合板力学性能的影响。实验结果揭示了几个重要的微观组织演变规律。

第一，复合板经过热轧后板形良好，高铬铸铁与低碳钢实现了热塑性变形。这一结果表明，在热轧温度和变形条件下，高铬铸铁层虽然韧性较差，但仍具有一定的塑性变形能力。高铬铸铁在热轧温度（通常在800~1000℃）下，基体组织中的奥氏体相提供了变形所需的塑性，而共晶碳化物则作为硬质颗粒抵抗变形。

第二，原堆焊结合界面处的裂纹和空隙缺陷被消除，且出现了无碳化物区域和组织共生现象。这一发现具有重要的工程意义。堆焊结合界面是复合板质量的关键控制区域，裂纹和空隙的存在会严重降低界面的结合强度。热轧过程中的塑性变形和再结晶作用，能够"愈合"这些缺陷。无碳化物区域的出现，可能与热轧过程中碳化物的溶解和扩散有关。组织共生现象则反映了两种不同材料在热轧过程中的相互扩散和界面反应。

第三，热轧使得堆焊高铬铸铁层的共晶碳化物链网状被打碎，碳化物弥散分布。这是本文最具价值的发现之一。高铬铸铁中的共晶碳化物通常呈网状或链状分布，这种连续网状结构虽然提供了耐磨性，但也严重削弱了基体的连续性，导致脆性断裂。热轧的塑性变形将连续的网状碳化物破碎为弥散分布的颗粒状碳化物，既保留了碳化物的耐磨贡献，又恢复了基体的连续性，从而显著改善了材料的综合力学性能。

热轧前后微观组织对比

工程应用价值与技术挑战

从工程应用角度审视，"堆焊-热轧"工艺具有显著的实用价值。对于矿山机械、水泥设备等需要耐磨复合板的大批量生产场景，该工艺可以替代传统的爆炸复合或焊接复合工艺，具有设备投资低、工艺灵活、成本可控等优势。热轧生产线在钢铁企业中普遍存在，利用现有热轧设备生产耐磨复合板，可以显著降低产业化门槛。

然而，从实验室研究走向工程应用，仍需解决以下技术挑战。第一，高铬铸铁层的堆焊质量是后续热轧成功的前提。堆焊层的厚度均匀性、成分一致性、内部缺陷控制都直接影响热轧效果。第二，热轧温度和压下量的精确控制是关键。温度过高可能导致碳化物过度溶解，温度过低则变形困难。压下率过大可能导致高铬铸铁层开裂。第三，复合板的尺寸精度和板形控制需要优化。热轧过程中，不同材料层的变形行为差异可能导致板形缺陷。

此外，本文的研究还提出了一个值得深思的问题：热轧对高铬铸铁层碳化物分布的改善，是否可以通过其他热变形工艺（如锻造、热轧-热处理联合工艺）实现？如果能够通过锻造工艺获得类似的碳化物弥散分布效果，是否可以进一步扩展该工艺到异形耐磨件的制备？这些问题值得后续研究深入探讨。

总体而言，本文提出的"堆焊-热轧"工艺是一种具有创新性的耐磨复合板制备方法，其核心优势在于通过热轧将高铬铸铁层的网状碳化物破碎为弥散分布，同时消除界面缺陷、提高结合强度。这一工艺思路对于耐磨复合材料的工程化制备具有重要的参考价值，也为后续开发新型复合工艺提供了有益的启示。