钛化物陶瓷颗粒增强铁基堆焊合金层组织与耐磨性学习体会

研究背景与技术意义

朱书志等人在《兵器材料科学与工程》2026年第49卷第4期发表的这篇论文，围绕提高零件表面耐磨性这一工程需求，研究了钛化物陶瓷颗粒原位合成对铁基堆焊合金层组织和耐磨性的影响。在矿山机械、水泥设备、电力设备等重工业领域，铁基堆焊合金因其良好的综合性能和成本优势被广泛应用，但其耐磨性往往难以满足苛刻工况的要求。通过添加钛元素实现原位合成硬质陶瓷颗粒，是一种有效的强化手段。

试验设计与工艺参数

堆焊工艺与材料体系

研究采用明弧堆焊（SMAW）工艺在Q235钢基体表面制备两种铁基堆焊合金层：Fe-Cr-C-B-N（不含钛）和Fe-Cr-C-B-N-Ti（含钛质量分数4%）。明弧堆焊工艺简单、设备要求低、现场适应性强，是工业现场最常用的堆焊方法之一。

原位合成机制

添加4%钛后，堆焊合金层中形成了TiC、TiB₂和TiN三种钛化物陶瓷硬质相。这些硬质相是在堆焊熔池凝固过程中原位合成的，而非外加的预制备颗粒。原位合成的优势在于颗粒与基体之间具有良好的冶金结合，避免了外加颗粒常见的界面脱粘问题。同时，原位合成过程中钛元素优先与C、B、N等间隙元素结合，消耗了这些元素，间接影响了基体中碳化物、硼化物的形成。

显微组织演变分析

含钛堆焊层的组织组成

含钛堆焊合金层的组织由板条马氏体（M）、少量残余奥氏体（A）、TiC、TiB₂、TiN、M₂₃(C,B)₆、M₃(C,B)和M₂B组成。这一组织组成体现了多元合金系统中复杂的相竞争关系。

钛化物陶瓷颗粒（TiC、TiB₂、TiN）呈现灰黑色，形状不规则，为细小颗粒且均匀弥散分布。这种分布特征有利于耐磨性的提升，因为硬质相的均匀分布可以分散磨损载荷，避免局部应力集中导致的早期失效。

初生奥氏体晶粒细化，内部有板条马氏体生成。钛元素的加入促进了晶粒细化，这可能与钛化物颗粒的形核作用有关。细化晶粒不仅可以提高强度和硬度，还能改善韧性，避免高硬度材料常见的脆性断裂问题。

共晶组织呈断续网状分布，其中硬质相M₂₃(C,B)₆、M₃(C,B)和M₂B数量相对减少但分布更均匀。这一现象表明钛元素的加入改变了碳和硼的分配行为，减少了传统硬质相的数量，但通过钛化物颗粒的补充实现了整体硬度的提升。

耐磨性评价与机制分析

磨损性能对比

硬度提高5.3%而磨损量减少20.8%，这一结果表明耐磨性的改善并非单纯由硬度提升驱动，而是硬质相分布和基体组织的协同作用。在磨粒磨损机制中，硬质相的分布均匀性对磨损抗力的贡献可能超过硬度本身的贡献。

磨损机制推测

铁基堆焊合金在干摩擦或含磨粒环境中的磨损机制通常包括磨粒磨损、氧化磨损和疲劳磨损。钛化物陶瓷颗粒的高硬度和均匀弥散分布可以有效抵抗磨粒切削，减少表面犁沟的形成。同时，板条马氏体基体提供了足够的韧性和强度，避免了脆性剥落。这种"硬相+韧基"的组织结构是耐磨材料设计的经典思路。

工程应用思考

钛化物陶瓷颗粒增强铁基堆焊合金的耐磨性提升为工业现场提供了新的选择。在实际应用中，需要考虑以下因素：

1. 钛元素的来源和成本：4%的钛含量需要通过含钛焊材或焊丝添加实现，需评估焊材成本和经济性。
2. 堆焊工艺适应性：明弧堆焊对钛元素的烧损率较高，可能需要调整焊接参数或采用保护焊工艺。
3. 多层堆焊的可行性：钛化物颗粒在多层堆焊中的分布均匀性需要验证。
4. 与基体的结合强度：高硬度堆焊层与Q235钢基体之间的结合强度是工程应用的关键。

从材料设计角度看，这种通过添加活性元素实现原位合成硬质相的思路具有推广价值。类似的方法可以应用于添加钒、铌、锆等元素，形成不同的陶瓷硬质相，从而针对不同的磨损工况设计最优的堆焊合金成分。

总体而言，这篇研究为铁基堆焊合金的耐磨性提升提供了一条技术路线，其原位合成思路和组织调控方法对堆焊材料研发具有重要的参考价值。在矿山、水泥、电力等行业的耐磨堆焊应用中，这种含钛铁基合金有望成为传统Fe-Cr-C-B-N合金的有效补充。