Mo元素对Cr27高铬铸铁堆焊层组织与摩擦磨损性能的影响——文献学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于《表面技术》2026年第55卷第11期，由安徽工业大学张文扬、胡磊与广东省特种设备检测研究院袁霖合作完成，受广东省市场监督管理局科技项目（2025CT12）资助。研究采用冷金属过渡（CMT）电弧堆焊工艺，对比了含Mo与不含Mo的Cr27高铬铸铁药芯焊丝堆焊层的组织与耐磨性能差异。高铬铸铁（Cr27）是工业耐磨件领域应用最广泛的堆焊材料之一，广泛用于水泥、矿山、电力等行业的耐磨衬板与管道修复。Mo元素的添加对高铬铸铁堆焊层的性能调控是一个值得深入探讨的课题，本文的研究为Mo在高铬铸铁堆焊合金中的作用机理提供了新的实验证据。

核心发现与技术参数解读

微观组织演变机制

文献的核心发现在于Mo元素通过两条路径显著改善了堆焊层的微观组织。第一条路径是凝固过程中的异质形核效应：Mo元素在凝固早期优先析出高熔点的Mo₂C相，该相作为异质形核核心，大幅提高了奥氏体的形核率，从而细化了晶粒。EBSD分析显示，添加Mo后奥氏体晶粒细化了约38.6%。第二条路径是Mo₂C对晶界的钉扎作用：在凝固后期，Mo₂C颗粒钉扎晶界，有效阻止了奥氏体晶粒的继续长大。

与此同时，Mo元素的添加还降低了碳在奥氏体中的固溶度，使更多的碳元素参与共晶反应，从而提高了M₇C₃共晶碳化物的体积分数。这一发现具有重要的冶金学意义——它揭示了Mo对高铬铸铁共晶组织的双重调控作用：既通过形核细化晶粒，又通过降低碳固溶度促进碳化物析出。

关键性能对比

从数据来看，摩擦系数的降幅（38.8%）远大于硬度增幅（7%），磨损量的降幅（50%）也远大于硬度增幅。这一现象值得深入思考：耐磨性的提升并非单纯依赖硬度，晶粒细化和碳化物体积分数提高对摩擦系数的降低贡献更为显著。黏着磨损与磨粒磨损是两种堆焊层的主要磨损形式，但Mo的添加显著改善了摩擦学性能，说明Mo₂C颗粒可能起到了第三体润滑的作用。

工艺缺陷与问题

文献指出，Mo元素的添加导致堆焊过程中飞溅显著增加，并诱发了横向裂纹的形成。这一现象在实际生产中是不可忽视的问题。飞溅增加可能与Mo₂C的高熔点导致电弧稳定性下降有关，而横向裂纹则可能与Mo元素的强淬硬作用导致的凝固应力过大有关。在实际工程中，需要权衡Mo带来的性能提升与工艺缺陷之间的矛盾，通过优化工艺参数（如降低焊接电流、增大预热温度、调整保护气体流量等）来抑制裂纹的产生。

与工程实践的结合

在钢管耐磨内衬、管道修复等实际应用中，Cr27高铬铸铁堆焊层是常用的耐磨防护手段。本文的研究对以下工程场景具有直接的指导意义：

1. 耐磨管道内衬修复：在火电厂煤粉管道、水泥厂生料管道中，含Mo的Cr27堆焊层可提供更长的使用寿命，减少停机修复频率。
2. 阀门密封面修复：高磨损工况下的阀门密封面可采用含Mo堆焊层，利用其更低的摩擦系数改善密封性能。
3. 耐磨衬板制造：含Mo堆焊层的耐磨性提升约50%，可显著延长衬板更换周期，降低维护成本。

关键疑问与思考

文献中有一些值得进一步探讨的问题。首先，Mo₂C颗粒在磨损过程中的行为尚未深入分析——这些硬质颗粒是在磨损过程中起到磨粒磨损的加剧作用，还是通过第三体润滑机制降低摩擦系数？其次，Mo含量是否存在一个最优窗口？过量的Mo是否会导致更多的横向裂纹和飞溅，反而降低堆焊层的整体质量？第三，堆焊层的残余应力状态如何受Mo添加的影响？这直接关系到堆焊层的抗热疲劳性能。

学习心得与启示

本文的研究方法值得借鉴——通过CMT工艺实现精确的合金成分控制，结合EBSD、SEM和销盘磨损试验的多手段验证，构建了从成分到组织到性能的完整证据链。Mo₂C作为异质形核核心的作用机理与钢铁材料中常见的TiC、NbC等碳化物形核机制有异曲同工之处，但Mo₂C的特殊之处在于其高熔点与钉扎晶界的双重作用。对于从事耐磨堆焊材料研发的技术人员而言，本文提供了一个清晰的思路：通过添加特定合金元素调控凝固过程中的相析出行为，从而实现对微观组织和宏观性能的系统优化。在实际应用中，需要综合考虑性能提升与工艺可行性的平衡，尤其是Mo添加导致的飞溅增加和裂纹倾向问题，需要在工艺窗口优化中予以解决。