堆焊制备碳钢-高铬耐磨双金属板用药芯焊丝研制学习体会

技术背景与应用需求

碳钢-高铬耐磨双金属板是化工、电力、建材等行业中广泛使用的易耗产品，其核心功能是在碳钢基体上提供一层高硬度的耐磨层，以抵抗磨粒磨损、冲击磨损和切削磨损等复合磨损工况。马朝等人2025年发表的这项研究，从Fe-Cr-C三元系相图分析出发，设计并试制了适用于碳钢表面高铬耐磨层堆焊的药芯焊丝，通过调整药芯成分实现了耐磨层微观组织中大量垂直于基材的柱状(Cr,Fe)₇C₃碳化物的定向分布，使洛氏硬度达到57.7HRC以上。

Fe-Cr-C三元系相图分析

Fe-Cr-C三元系相图是高铬耐磨材料设计的基础。在该三元系中，随着铬含量和碳含量的变化，可以形成多种类型的碳化物，包括：

文献的关键创新在于通过调整药芯成分，使(Cr,Fe)₇C₃碳化物以柱状形态垂直于基材方向生长。这种定向生长的碳化物结构具有以下优势：

1. 抗磨粒磨损性能提升：垂直于基材的柱状碳化物在磨粒冲击方向上提供了最大的抗拔出力，减少了碳化物的脱落。
2. 抗疲劳性能改善：柱状碳化物与基体的结合界面面积增大，减少了界面处裂纹萌生的可能性。
3. 过共晶组织的协同作用：基体中的过共晶组织（由共晶碳化物和初生相组成）提供了额外的硬度和耐磨性，与柱状碳化物形成互补。

药芯焊丝设计要点

药芯焊丝的设计是高铬耐磨层堆焊质量的关键。与实芯焊丝相比，药芯焊丝具有以下优势：

• 成分调控灵活性高：药芯中可以添加多种合金粉末，通过调整药芯配比精确控制堆焊层的化学成分。
• 熔敷效率高：药芯焊丝的熔敷效率通常比同直径实芯焊丝高出30%-50%。
• 电弧稳定性好：药芯焊丝的电弧特性稳定，有利于获得均匀的堆焊层。

在设计高铬耐磨药芯焊丝时，需要重点考虑以下参数：

1. 药芯合金粉末配比：铬粉、碳粉（或含碳合金粉末如Cr₃C₂）、铁粉以及其他合金元素的配比直接决定了堆焊层的化学成分和微观组织。
2. 药芯填充率：填充率过高可能导致熔敷不均匀，过低则影响成分调控效果。通常药芯填充率控制在60%-75%之间。
3. 焊丝制造工艺：药芯焊丝的成型工艺（如粉末冶金法、拉拔法）影响药芯的均匀性和焊丝的机械性能。

工艺参数与质量评价

堆焊工艺参数对高铬耐磨层的性能有显著影响。建议在实际生产中采用以下工艺窗口：

堆焊完成后，应对耐磨层进行以下质量评价：

• 硬度测试：洛氏硬度应≥57.7HRC，硬度分布应均匀。
• 金相分析：观察碳化物的形态、分布和与基体的结合状态，确认柱状(Cr,Fe)₇C₃碳化物的定向分布是否实现。
• 磨损试验：采用干摩擦或含磨粒磨损试验，评价耐磨层的实际耐磨性能。
• 冲击试验：评价耐磨层的抗冲击性能，确保在实际工况下不发生脆性剥落。

工程应用展望

该研究提出的通过药芯成分调控实现碳化物定向生长的思路，对于提高高铬耐磨双金属板的服役性能具有重要的工程价值。在实际应用中，建议将耐磨层的硬度、碳化物形态分布与具体工况的磨损类型进行匹配：对于以磨粒磨损为主的工况（如磨煤机衬板、溜槽衬板），优先选择硬度高、碳化物含量高的耐磨层；对于以冲击磨损为主的工况（如破碎机衬板、挖掘机斗齿），则需要在硬度与韧性之间寻求平衡。同时，堆焊工艺参数的优化应结合具体的生产设备和操作条件，通过小试、中试到批量生产的逐步验证，确保工艺的稳定性和可重复性。