热处理对Fe-Mo-Cr-B堆焊合金组织的影响——文献学习体会

文献概况与研究意义

本文由武汉科技大学张恒等人于2016年发表于《武汉科技大学学报》第39卷第3期，研究受湖北省科技攻关计划项目资助。Fe-Mo-Cr-B系堆焊合金因含有硼化物而具有极高的硬度（通常>60 HRC），是重磨损工况下重要的耐磨材料。然而，硼化物固有的脆性导致堆焊层韧性不足，且堆焊态下的组织往往不均匀，硬度分布差异大。本文以Mo、B、Cr、Ni、C及Fe粉末为药芯，低碳冷轧H08A钢为外皮，采用药芯焊丝埋弧堆焊方法制备Fe-Mo-Cr-B堆焊合金，系统研究了热处理对堆焊层组织、物相、成分及硬度的影响。

热处理前后组织演变

堆焊态组织

堆焊态Fe-Mo-Cr-B堆焊合金的组织由以下相组成：

堆焊态下，网状硼化物共晶组织（(Fe,Cr)₂B）的存在是导致韧性不足的主要原因。这种网状结构在堆焊冷却过程中沿晶界析出，形成了连续的脆性网络，严重阻碍了裂纹扩展路径的偏转，导致材料在受到冲击载荷时容易发生脆性断裂。

热处理后的组织变化

经950℃保温30min后淬火或退火处理，网状硼化物共晶组织消失，物相组成简化为α-Fe和颗粒状Mo₂FeB₂。这一转变具有深刻的冶金学意义：

1. 网状硼化物溶解：高温热处理使网状(Fe,Cr)₂B相溶解于α-Fe基体中，消除了连续的脆性网络。
2. Mo₂FeB₂重新析出：在冷却过程中，Mo₂FeB₂以颗粒状形式重新析出，其形态从网状变为颗粒状，显著改善了对裂纹扩展的阻碍作用。
3. 退火试样中Mo₂FeB₂数量较多：退火处理相比淬火处理，Mo₂FeB₂的析出量更多，这与退火过程中更充分的扩散条件有关。

硬度变化

热处理后试样堆焊层硬度分布较为均匀，硬度显著提高。堆焊态下由于网状硼化物分布不均，硬度存在较大梯度；热处理后，硼化物相的均匀化使硬度分布趋于一致。同时，热处理后试样堆焊层与基体结合界面过渡层的厚度增加，这一变化有利于降低界面处的应力集中，提高结合强度。

热处理工艺参数分析

950℃热处理温度的选择依据

950℃这一热处理温度的选择基于以下考虑：Fe-Mo-Cr-B合金中硼化物的固溶温度通常在900～1000℃范围内。温度过低则网状硼化物无法完全溶解，热处理效果不明显；温度过高则可能导致α-Fe晶粒粗化，甚至引起基体过热。30min的保温时间足以使网状硼化物充分溶解并均匀化，同时避免晶粒过度长大。

淬火与退火的工艺选择

在实际工程应用中，淬火处理和退火处理的选择取决于具体工况需求。淬火处理可获得更高的硬度和更好的耐磨性，但可能引入残余应力；退火处理虽然硬度略低，但能更有效地消除残余应力，提高材料的综合力学性能。对于承受交变载荷的耐磨部件，退火处理可能是更优选择。

工程实践中的关键问题

药芯焊丝埋弧堆焊的工艺控制

采用药芯焊丝埋弧堆焊制备Fe-Mo-Cr-B堆焊合金时，需要关注以下工艺要点：

1. 熔敷率控制：药芯焊丝的熔敷率直接影响堆焊层的合金元素含量。熔敷率过低会导致合金元素稀释，影响硼化物相的形成。
2. 焊接热输入：热输入过大将导致硼化物相粗化，热输入过小则可能导致熔合不良。需要找到热输入的优化窗口。
3. 层间温度：多层堆焊时，层间温度过高会加剧前一层的热影响区组织粗化，层间温度过低则可能导致冷裂纹。

界面过渡层的工程意义

文献提到热处理后堆焊层与基体结合界面过渡层的厚度增加，这一现象在工程实践中具有重要意义。过渡层是堆焊层与基体之间的"缓冲区"，其厚度直接影响界面处的应力分布。过渡层过薄则应力集中严重，容易在界面处萌生裂纹；过渡层过厚则可能引入过多的脆性相。热处理后过渡层厚度增加，有利于降低界面处的应力集中系数，提高堆焊层的整体可靠性。

学习心得与启示

这篇文献让我深刻认识到，热处理是堆焊合金性能调控的"最后一道关口"。堆焊态下的组织往往受限于焊接热循环的快速冷却特性，难以达到最优状态。而通过合理的热处理，可以显著改善组织均匀性、消除脆性网状相、提高硬度一致性。这一认识对从事耐磨堆焊工作的技术人员具有重要指导意义——在工艺设计中，不应仅关注堆焊过程本身的参数优化，还必须将焊后热处理纳入整体工艺方案。特别是对于Fe-Mo-Cr-B这类硼化物强化型合金，焊后热处理几乎是必不可少的工序。此外，文献中"淬火与退火"两种热处理方式的对比分析，为不同工况下的工艺选择提供了实用的参考依据。