碳化钛对亚共晶高铬铸铁堆焊合金微观组织与耐磨性能的影响

文献概况

马笑晗等人在《中国表面工程》2024年第37卷第4期发表的研究论文，系统研究了TiC（碳化钛）对亚共晶高铬铸铁堆焊合金微观组织和耐磨性能的影响。该研究采用药芯焊丝电弧焊方法在Q235钢基体上制备堆焊层，对比了原位合成TiC和粉芯直接添加TiC两种方法的效果，为农机触土部件的耐磨修复提供了新材料方案。

研究背景与技术需求

农机触土部件（如犁铧、旋耕刀、播种开沟器等）在作业过程中承受着来自土壤中沙石、杂草根茬、秸秆等物质的严重磨粒磨损和冲击磨损。传统的高铬铸铁堆焊层虽然具有较好的耐磨性，但在冲击载荷下容易产生剥落失效。TiC作为一种高硬度（HV3000以上）、高热稳定性的硬质相，有望通过细化基体组织和增强界面结合来改善堆焊层的综合耐磨性能。

微观组织演变分析

研究表明，耐磨堆焊合金主要由γ-Fe（奥氏体）、α-Fe（铁素体）、M₇C₃（共晶碳化物）和TiC四相组成。TiC的加入对组织产生了以下关键影响：

原位合成方式之所以性能更优，原因在于：原位生成的TiC颗粒尺寸更细小（通常在1-5μm），分布更均匀，与基体的界面结合更牢固。相比之下，粉芯中添加的TiC颗粒较大（10-50μm），容易在界面处形成应力集中点，反而可能成为裂纹萌生源。

耐磨机理分析

从磨损机理角度分析，TiC改善耐磨性能的主要途径包括：

1. 细化基体组织：TiC作为异质形核核心，促进先析出奥氏体的细化和均匀分布，提高了基体的硬度和强度。
2. 强化共晶碳化物：TiC的存在改变了共晶碳化物的析出形态，使其由连续网状转变为分散的颗粒状，减少了碳化物开裂和剥落的风险。
3. 提高界面结合强度：原位合成的TiC与基体形成冶金结合，在冲击载荷下不易发生界面脱粘，从而减少了材料的脱落。
4. 自润滑效应：TiC的高硬度使其在磨粒磨损过程中不易被磨除，形成保护性硬点，阻止磨粒的进一步侵入。

工程应用前景与思考

该研究为农机触土部件的耐磨修复提供了有价值的新材料方案。在实际应用中，需要考虑以下几个工程化问题：一是药芯焊丝的成本控制，TiC粉末的添加增加了焊材成本；二是堆焊层与Q235钢基体的结合强度，需要确保在冲击载荷下不发生界面剥离；三是堆焊层的可焊性和修复性，当堆焊层局部损坏时是否可以进行局部补焊。

从材料设计角度看，原位合成TiC的方法虽然性能最优，但对焊接工艺参数的要求更为严格。Ti的强亲氧性和高活性意味着在焊接熔池中TiC的生成需要精确控制碳活度和温度梯度。建议在实际生产中采用惰性气体保护（如Ar+CO₂混合气体）并适当增加焊前预热温度，以确保TiC的稳定生成。