高铬双金属耐磨板堆焊层组织与滑动摩擦磨损性能学习体会

研究背景与工程需求

刘添君等人在《机械工程材料》2026年第50卷第5期发表的这篇论文，研究了高铬双金属耐磨板堆焊层的组织与滑动摩擦磨损性能。高铬铸铁耐磨材料因其高硬度和优异的磨粒磨损抗力，在矿山、冶金、建材等行业被广泛应用。双金属耐磨板通过堆焊工艺将高铬铸铁耐磨层与低碳钢基体结合，既保证了表面的耐磨性，又利用了基体的强度和韧性，是一种经济有效的耐磨解决方案。

堆焊层组织与显微硬度分析

组织组成特征

堆焊层主要由Cr₇C₃碳化物、α-Fe基体和少量Cr₂₃C₆碳化物组成。Cr₇C₃是高铬铸铁中的主要硬质相，其硬度高（约1800~2000 HV）、热稳定性好，是抗磨粒磨损的主要贡献者。Cr₂₃C₆作为少量存在的次要碳化物，其硬度和数量均低于Cr₇C₃。

熔合区硬度梯度

从基体钢向堆焊层方向，熔合区的显微硬度呈梯度增大趋势。这种硬度梯度是堆焊层与基体冶金结合的自然结果，反映了熔池中合金元素浓度的渐变。硬度梯度的存在有利于减少应力集中，避免熔合区成为裂纹萌生的优先位置。在实际工程中，熔合区的硬度梯度也是评价堆焊质量的重要指标之一。

滑动摩擦磨损性能对比

试验条件与结果

研究在不同载荷（200 N和600 N）和不同环境（干摩擦、石英砂摩擦）下进行了滑动摩擦磨损试验，并与常用马氏体耐磨钢板进行了对比。

高铬双金属堆焊层在干摩擦和石英砂摩擦环境下的磨损性能均优于马氏体耐磨钢板，这一结果验证了高铬铸铁基体中大量Cr₇C₃碳化物的耐磨优势。

磨损机制分析

研究揭示了两种环境下的磨损机制差异：

• 干摩擦环境：以微凸体切削为主，伴随疲劳剥落磨损。微凸体切削是金属对金属干摩擦的典型磨损机制，表面微凸体在法向载荷作用下发生塑性变形和剪切断裂。
• 石英砂摩擦环境：微凸体切削与硬质石英砂微切削共同作用，同样伴随疲劳剥落磨损。石英砂（SiO₂）硬度约700~800 HV，远高于堆焊层基体，其微切削作用显著加剧了磨损。

两种环境下均伴随疲劳剥落磨损，说明循环接触应力导致的表面疲劳裂纹萌生和扩展是不可忽略的磨损机制。Cr₇C₃碳化物的均匀分布可以有效阻断疲劳裂纹的扩展路径，提高材料的抗疲劳剥落能力。

工程应用与选材建议

适用工况分析

高铬双金属耐磨板适用于以下工况：

1. 矿山破碎机和输送设备：物料硬度高，磨粒磨损严重。
2. 水泥磨筒体和衬板：物料研磨过程中磨粒磨损占主导。
3. 冶金行业料仓和溜槽：高温环境下需要兼顾耐磨性和耐热性。
4. 电力行业煤粉管道：煤粉磨蚀性强，要求内壁耐磨。

选材对比

在实际工程中，高铬双金属耐磨板与马氏体耐磨钢板的选择需要综合考虑：

• 成本：高铬铸铁焊材成本通常高于马氏体钢焊材。
• 耐磨性：高铬铸铁在磨粒磨损工况下优势明显，但在冲击磨损工况下可能不如马氏体钢。
• 加工性：高铬铸铁硬度高，后续加工困难，设计时需考虑预加工余量。
• 焊接性：高铬铸铁的焊接性较差，容易出现冷裂纹，需要严格控制预热和焊后热处理。

个人思考

这篇研究的价值在于通过系统的摩擦磨损试验，定量对比了高铬双金属堆焊层与传统马氏体耐磨钢板的性能差异，为工程选材提供了数据支撑。在实际工作中，耐磨材料的选型往往依赖经验判断，缺乏系统的性能数据。这种基于试验的对比研究有助于建立科学的选材依据。

一个值得关注的细节是，研究在干摩擦和石英砂摩擦两种环境下都观察到疲劳剥落磨损。这说明即使是磨粒磨损主导的工况，疲劳机制也不可忽视。在设计耐磨部件时，除了考虑表面硬度，还应关注材料的抗疲劳性能，避免表面疲劳裂纹导致的早期失效。

此外，熔合区硬度梯度的发现对堆焊工艺控制有重要启示。在实际生产中，应通过控制焊接热输入、层间温度和堆焊层厚度来优化硬度梯度，避免熔合区出现过硬或过软的异常区域。建议在实际堆焊工艺评定中增加熔合区硬度分布的检验项目。

总体而言，这篇研究为高铬双金属耐磨板的推广应用提供了性能依据，其磨损机制分析对耐磨材料设计具有重要的指导意义。在矿山、水泥等重磨损行业中，这种双金属耐磨板有望替代传统的单一材料耐磨方案，实现更优的性能和更长的使用寿命。