TiC对亚共晶高铬铸铁堆焊合金组织与耐磨性能影响的研究体会

文献概况与研究背景

本文档所研读的文献发表于《中国表面工程》2024年第37卷第4期，作者马笑晗等来自北京工业大学材料科学与工程学院及威海天润金钰新材料科技有限公司。该研究针对农机触土部件在作业过程中因土壤沙石、杂草、秸秆等引起的严重磨损问题，采用药芯焊丝电弧焊方法在Q235钢基体上堆焊含TiC的亚共晶高铬铸铁耐磨层。研究通过对比原位合成TiC和粉芯直接添加TiC两种方法，系统分析了TiC对堆焊合金微观组织、硬度、抗磨粒磨损性能和抗冲击磨损性能的影响规律。

农机触土部件的耐磨修复是农业装备再制造领域的重要课题。传统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发生剥落失效。TiC作为一种高硬度、高模量的陶瓷增强相，其引入有望显著改善堆焊层的综合耐磨性能。

TiC增强机理与微观组织演变

TiC的两种添加方式对比

堆焊合金微观组织分析

文献通过金相显微镜、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）等表征手段，揭示了TiC对堆焊合金组织的影响：

基体组织：堆焊合金主要由γ-Fe（奥氏体）和α-Fe（铁素体）组成，TiC的加入细化了先析出奥氏体，使组织更加均匀。

碳化物相：M₇C₃型碳化物是高铬铸铁中的主要碳化物相，具有较高硬度和耐磨性。TiC的加入使M₇C₃碳化物的形态和分布发生变化，细化了共晶碳化物的尺寸。

TiC相：原位合成TiC以亚微米级颗粒形式弥散分布在基体中，直接添加TiC则以微米级颗粒形式存在。原位合成TiC由于尺寸更小、分布更均匀，对组织的强化效果更为显著。

TiC对硬度的影响

TiC的硬度高达2800HV，远高于高铬铸铁基体（约600-800HV）。TiC的加入使堆焊层宏观硬度显著提升：

原位合成TiC由于颗粒尺寸更小、分布更均匀，对硬度的提升效果优于直接添加方式。

耐磨性能分析与工程应用

磨粒磨损机理

磨粒磨损是农机触土部件的主要失效形式。在磨粒磨损过程中，硬质磨粒（如土壤中的石英颗粒）对堆焊层表面产生切削、犁沟和微切削作用。TiC的加入通过以下机制提高抗磨粒磨损性能：

1. 硬相强化：TiC作为硬质相直接抵抗磨粒切削，减少材料去除率。
2. 组织细化：TiC细化先析出奥氏体，使基体更加致密，提高耐磨性。
3. 抑制裂纹扩展：TiC颗粒阻碍微裂纹的萌生和扩展，减少共晶碳化物的开裂和剥落。

冲击磨损性能

冲击磨损是农机触土部件在高速作业时的主要失效模式。文献采用自制叶轮-滚筒冲击磨损试验装置，模拟了冲击磨损工况。结果表明：

• 无TiC堆焊层：冲击磨损表面出现明显的材料脱落和剥落坑，磨损失重较大。
• 原位合成TiC堆焊层：冲击磨损表面材料脱落显著减少，磨损失重降低约25-30%。
• 直接添加TiC堆焊层：冲击磨损性能有所改善，但效果不如原位合成方式。

TiC对冲击磨损性能的改善主要归因于：TiC颗粒提高了基体的韧性，抑制了冲击载荷下的裂纹萌生和扩展；同时，TiC的弥散分布增强了基体与碳化物相之间的结合力，减少了界面脱粘。

工艺参数优化建议

基于文献研究结果，提出以下工艺优化建议：

学习心得与总结

本次文献研读使我深刻认识到TiC作为陶瓷增强相在高铬铸铁堆焊层中的重要作用。原位合成TiC由于颗粒尺寸更小、分布更均匀，在提高硬度和耐磨性能方面表现优于直接添加方式，这一结论为TiC在耐磨涂层中的工程应用提供了明确的指导方向。农机触土部件的耐磨修复是一个兼具经济性和技术性的工程问题，合理的材料选择和工艺设计可以显著延长部件使用寿命，降低农业生产成本。建议后续研究结合多轴疲劳试验和加速寿命试验，建立TiC增强高铬铸铁堆焊层的寿命预测模型，为工程应用提供更全面的性能数据支撑。同时，应关注TiC添加对堆焊层韧性的影响，在硬度和韧性之间寻找最佳平衡点，以满足不同工况下的使用需求。