WC添加量对等离子堆焊FeCrNiSiB堆焊层组织与性能影响的学习体会

文献概况与研究意义

本文发表于2024年《材料开发与应用》第39卷第6期，作者团队来自青岛国实科技集团有限公司、青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司和国家海洋设备质检中心材料分析实验室，研究得到了青岛海洋科学与技术试点国家实验室"十四五"重大项目的资助。研究采用等离子堆焊技术在船用Q235低碳钢表面制备不同WC添加量（质量分数）的FeCrNiSiB堆焊层，系统研究了WC添加量对堆焊层组织、显微硬度及摩擦磨损性能的影响。这项研究对于海洋工程装备的表面耐磨强化具有重要的工程指导意义。

堆焊层组织特征分析

截面结构

FeCrNiSiB堆焊试样的截面呈现典型的三层结构：堆焊层、熔合区和基体。堆焊层的主要物相包括Cr₂₃C₆、Cr₃Fe₁₄C、游离碳（C）和碳化钨（WC）等。文献中描述的黑白两相结构特征值得深入分析：

这种黑白两相的微观结构是FeCrNiSiB体系堆焊层的典型特征。白色相作为黏结基体，将黑色相碳化物颗粒牢固地结合在一起，形成类似"陶瓷颗粒增强金属基复合材料"的结构。WC粉末添加量的增加提高了碳化物强化相（黑色相）的体积占比，从而提升了堆焊层的整体硬度。

WC添加量对组织的影响

WC作为高硬度碳化物（HV 2000-2500），其添加量直接决定了堆焊层中强化相的比例。当WC添加量较低时，堆焊层以白色黏结相为主，硬度较低但韧性较好。随着WC添加量增加，黑色碳化物相的体积分数增大，堆焊层硬度显著提升。然而，WC添加量过高可能导致以下问题：碳化物颗粒粗化、基体连续性降低、堆焊层脆性增加、易产生微裂纹。因此，WC添加量存在一个最佳范围。

硬度与摩擦磨损性能

硬度分布特征

文献指出，堆焊层的显微硬度随着WC添加量的增加而增加，且堆焊层底部的硬度高于上部。这一现象具有重要的工艺指导意义。堆焊层底部硬度较高，可能与以下因素有关：底部区域受基体稀释影响较大，Cr和Ni等元素含量较高，促进了更多Cr₂₃C₆和Cr₃Fe₁₄C碳化物的形成；底部冷却速率较快，晶粒更细，硬度更高。上部区域由于稀释率较低，WC颗粒相对较多但基体黏结相成分不同，硬度略低。

摩擦磨损性能

堆焊层的摩擦系数稳定在0.55-0.65之间，且随着WC添加量的增加，摩擦系数先降低后增加。这一"先降后升"的趋势可以用以下机理解释：WC添加量较低时，碳化物颗粒较少，摩擦副之间的黏着磨损占主导，摩擦系数较高。随着WC添加量增加，硬质碳化物颗粒增多，磨粒磨损机制逐渐占主导，摩擦系数降低。但当WC添加量超过某一临界值后，碳化物颗粒过度密集，基体黏结相不足，导致碳化物颗粒在摩擦过程中被拔出或脱落，形成三体磨粒磨损，摩擦系数反而升高。

文献最终确定堆焊电流为130 A、WC添加量为30%的FeCrNiSiB堆焊层具有最好的摩擦磨损性能。这一工艺窗口对于实际工程应用具有直接的指导价值。

工程实践应用思考

Q235钢作为船用结构钢，广泛应用于船舶甲板、舱壁和海洋工程平台结构。其表面耐磨强化需求主要体现在：甲板防滑层、甲板设备基座、系泊设备接触面、海洋平台结构件等部位。FeCrNiSiB/WC等离子堆焊层在这些部位的应用前景值得深入探索。

从工艺实施角度看，等离子堆焊在Q235钢上的应用需要注意以下几点：第一，Q235钢含碳量低，堆焊层与基体的稀释效应需要特别关注，建议采用多层堆焊工艺，首层采用与基体成分接近的过渡层，后续层采用含WC的强化层。第二，堆焊层与基体的结合强度是关键质量指标，建议采用剪切试验或剥离试验进行验证。第三，海洋环境中的腐蚀磨损是复合工况，FeCrNiSiB体系中的Ni和Cr元素有助于提高耐腐蚀性，但WC颗粒可能成为局部腐蚀的起始点，需要关注堆焊层的耐蚀性能。

这项研究为海洋工程装备的表面耐磨强化提供了系统的数据支撑，其"WC添加量-组织-硬度-摩擦磨损性能"的关联规律对于类似工况下的堆焊工艺优化具有普遍的参考价值。在实际工程推广中，建议结合海洋环境的加速腐蚀磨损试验，建立堆焊层在真实海洋工况下的寿命预测模型。