甘蔗破碎机锤尖Fe–Cr–C硬面层的微观组织与磨料磨损行为

《Metals》：Microstructure and Abrasive Wear Behavior of Fe–Cr–C Hardfacing on Hammer Tips for Sugarcane Shredders

　　

本研究旨在探究奥氏体缓冲层对Fe–Cr–C硬面层（hardfacing）在高铬白口铸铁（high-chromium white cast iron, HCWCI）甘蔗破碎机锤尖上的微观组织、硬度及磨料磨损抵抗性能的影响。硬面处理采用焊条电弧焊（shielded metal arc welding, SMAW）工艺，分别将两层Fe–Cr–C合金直接沉积于HCWCI基材，以及先在基材上沉积奥氏体缓冲层再覆盖Fe–Cr–C硬面层。微观组织表征采用光学显微镜（optical microscopy, OM）、扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）及能谱仪（energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDX），硬度分布通过显微维氏硬度测试（micro-Vickers testing）测定。磨料磨损行为依据ASTM G65标准采用干砂–橡胶轮试验（dry sand–rubber wheel test）进行评估。无缓冲层硬面层呈现过共晶Fe–Cr–C微观组织，含有粗大初生铬化物（chromium carbides），硬度高达约840 HV。相比之下，带缓冲层样品表现出富奥氏体基体（austenite-rich matrix）及较细的共晶碳化物（eutectic carbides），硬度降至约600 HV。磨料磨损试验表明，无缓冲层样品质量损失较低，而缓冲层样品质量损失显著增加。上述结果表明，无缓冲层的Fe–Cr–C硬面层具有更优的耐磨损性能。

## 研究背景与问题提出

甘蔗产业在泰国农业经济中占据重要地位，泰国为全球第二大食糖出口国和第四大生产国。甘蔗压榨过程中，破碎机锤尖承受来自附着土壤颗粒的高能量冲击与剧烈磨料磨损，导致功耗上升、压榨效率下降乃至设备失效。因此，开发经济高效的锤尖修复技术对于降低更换成本至关重要。硬面技术（hardfacing）通过在基体表面沉积耐磨涂层以增强耐磨损性能，已成为降低磨损维护成本的有效途径。其中，Fe–Cr–C合金因兼具高硬度、优异耐磨性和成本效益，被广泛应用于硬面处理。

尽管Fe–Cr–C硬面合金已通过多种焊接工艺（如气体保护焊GMAW、钨极惰性气体焊TIG、等离子转移弧焊PTA、埋弧焊SAW及焊条电弧焊SMAW等）沉积于不同基材，但将其应用于高铬白口铸铁（HCWCI）基材的研究尚属空白。HCWCI含有12%~30% Cr和1.8%~3.6% C，其微观组织中高体积分数的硬碳化物赋予其卓越的磨料磨损抵抗能力，是制造破碎机锤尖的理想材料。此外，奥氏体缓冲层对Fe–Cr–C硬面层稀释行为、微观组织演变及磨损性能的调控作用尚缺乏系统研究。因此，本研究聚焦于奥氏体缓冲层对HCWCI锤尖Fe–Cr–C硬面层微观组织、硬度分布及磨料磨损抵抗性能的影响机制。

## 关键技术方法

研究人员采用焊条电弧焊（SMAW）在HCWCI锤尖上分别制备无缓冲层（两层Fe–Cr–C直接沉积）和带缓冲层（奥氏体缓冲层+一层Fe–Cr–C）两种硬面层修复结构，使用UTP LEDURIT61硬面焊条和B?HLER FOX A 7-A缓冲焊条。通过光学发射光谱仪（OES）分析化学成分；采用光学显微镜、扫描电子显微镜及能谱仪进行微观组织表征与元素分析，并利用ImageJ软件计算稀释率和碳化物体积分数；采用Matsuzawa MMT-X7B显微维氏硬度仪（载荷200 g，保压10 s）测定从硬面层至基材的硬度分布；依据ASTM G65–16标准，使用干砂/橡胶轮磨料磨损试验机（橡胶轮转速200 rpm，法向载荷130 N，总滑动距离4309 m，石英砂粒径212~300 μm，供给速率340 g/min）评估三体磨料磨损性能，每组三个试样；磨损前后采用精度0.0001 g的分析天平称量质量损失，并通过扫描电子显微镜观察磨损表面形貌。

## 研究结果

### 3.1 化学成分分析

新锤尖的OES分析结果为3.61 wt% C和16.91 wt% Cr，含2.66 wt% Mo，确认为HCWCI材质。磨损后锤尖表面Mn（0.847→0.415 wt%）、Si（0.832→0.572 wt%）及Mo（2.66→2.47 wt%）显著 depleted，归因于服役过程中的优先氧化。无缓冲层硬面层保留较高C（4.5 wt%）和Cr（29.2 wt%），接近焊条设计成分；而缓冲层样品因稀释效应，C降至2.8 wt%、Cr降至24.9 wt%，Ni（3.4 wt%）和Mn（2.1 wt%）升高。

### 3.2 宏观结构

两种修复结构的各层厚度均约2.5 mm。硬面层和缓冲层的稀释率分别为29%和33%，成分差异导致稀释率略有不同。

### 3.3 光学显微组织

HCWCI基材呈现菊花状簇集的共晶碳化物（M₇C₃）。无缓冲层样品的顶层（第二层）含有六边形和 elongated 初生碳化物，为典型过共晶组织；底层（第一层）为细 dendritic 形态，无明显粗大初生碳化物。缓冲层样品的顶层显示均匀分布的细共晶碳化物和富奥氏体基体；底层为等轴 dendritic 奥氏体组织，晶粒较粗。热影响区（HAZ）因快速热循环导致部分碳化物溶解和奥氏体化，随后快冷转变为马氏体。

### 3.4 扫描电子显微分析

基材SEM显示不规则块状和分枝状碳化物，以及 rod-like 和 needle-shaped 的M₂₃C₆二次碳化物。EDX证实亮相为富Cr碳化物（44.8 wt% Cr，18.7 wt% C），基体以Fe为主（82.3 wt%）。

无缓冲层样品：顶层为典型过共晶Fe–Cr–C组织，粗大 polygonal 初生铬化物嵌入共晶基体；底层较细且 directional。EDX验证初生碳化物含50~53 wt% Cr，基体约68 wt% Fe。线扫描显示硬面层/HAZ界面处Cr和Fe的渐变。

缓冲层样品：顶层粗大的 island-like 奥氏体相被 elongated 和 rod-like 铬化物环绕，归因于缓冲层的稀释效应。底层为粗 dendritic 奥氏体。EDX证实 island-like 区域为富Ni奥氏体（~60.5 wt% Fe，13.8 wt% Cr，4.7 wt% Ni）。碳化物体积分数：无缓冲层样品顶层58.63±1.05%、底层56.07±0.13%；缓冲层样品顶层42.19±1.23%、底层38.21±0.34%。

### 3.5 硬度

无缓冲层样品顶层硬度800~870 HV，底层800~880 HV；缓冲层样品顶层580~620 HV，底层420~480 HV。HAZ达峰值（无缓冲层900~950 HV，缓冲层850~900 HV）；基材稳定于480~580 HV。硬度与碳化物体积分数呈线性正相关。

### 3.6 磨料磨损行为

无缓冲层样品质量损失仅0.44±0.22 g，缓冲层样品高达5.98±0.15 g。无缓冲层样品耐磨性（7.8 m/mg）约为缓冲层样品（0.7 m/mg）的11倍，与硬度正相关。

### 3.7 磨损表面形貌与分析

无缓冲层样品：浅沟槽和 plowing 痕迹，局部坑洞为碳化物断裂痕迹，机制为 micro-plowing 和碳化物断裂。缓冲层样品：深而连续的沟槽、micro-delamination，机制包括 micro-cutting、plowing 和氧化磨损。EDX映射显示缓冲层样品Fe分布均匀、O分布广泛，表明基体大量去除和不稳定氧化膜形成。

## 讨论总结

研究人员深入分析了稀释效应对硬面层组织性能的决定性作用。无缓冲层条件下，Fe–Cr–C合金直接沉积于HCWCI基材，保留了高C、高Cr含量，促进粗大初生铬化物和共晶碳化物的形成，碳化物体积分数高达58.6%，硬度达845 HV。这些硬质碳化物有效承载载荷并限制磨料颗粒压入，使磨损以浅层 micro-plowing 和局部碳化物断裂为主。相反，奥氏体缓冲层引入的Ni、Mn等元素通过稀释效应降低了碳化物形成元素的有效浓度，稳定了奥氏体基体，导致碳化物体积分数降至42.2%，硬度降至575 HV。较软的奥氏体基体在磨料作用下发 生更严重塑性变形，使磨料颗粒更深地切入表面，形成深沟槽和 micro-delamination，同时不稳定氧化膜的反复生成与剥落加剧了氧化磨损。

研究指出，碳化物体积分数是控制硬度的主控因素，而硬度与耐磨性呈强正相关。粗大初生碳化物而非细小共晶碳化物对耐磨性贡献更为关键，因其能有效屏障磨料颗粒运动并保护基体。该研究发表于《Metals》期刊，为甘蔗破碎机锤尖的硬面修复工艺优化提供了重要依据：在纯磨料磨损工况下，直接硬面处理优于带缓冲层方案。

## 研究结论翻译

本研究关于HCWCI锤尖Fe–Cr–C硬面层的微观组织、硬度及磨料磨损行为的主要结果总结如下。

研究表明，奥氏体缓冲层的应用显著影响硬面过程中的稀释行为，导致沉积Fe–Cr–C层中C、Cr含量降低，Ni、Mn浓度升高。这些成分变化直接影响微观组织和磨损性能，凸显了稀释控制对HCWCI硬面处理的关键作用。

无缓冲层条件促进了含有粗大初生富铬碳化物的过共晶组织形成，而缓冲层条件则产生了由奥氏体 island 和 elongated、rod-like 碳化物组成的改性组织。这些观察为缓冲层相关的组织演变及其对碳化物形态和分布的影响提供了深入认识。

缓冲层引起的微观组织改性导致硬度和磨料磨损抵抗性能显著降低。无缓冲层沉积层因更高的碳化物含量而具有更高硬度和显著更低的材料损失；缓冲层沉积层则因更多奥氏体基体和更低碳化物体积分数而磨损增加。

磨损表面检查表明，磨料磨损通过 micro-cutting、micro-plowing、碳化物断裂和局部材料去除的组合方式发生。无缓冲层沉积层优越的耐磨性主要归因于铬化物网络的有效抗磨特性。

从实际应用角度，结果表明奥氏体缓冲层对于在严重磨料条件下工作的HCWCI部件单层Fe–Cr–C硬面处理并不有利。对于耐磨性为主要性能要求的甘蔗破碎机锤尖，推荐采用无缓冲层的直接硬面处理。

上述结论基于实验室规模的ASTM G65磨料磨损试验和SEM/EDS微观组织表征。尽管这些方法为磨损性能和微观组织演变提供了有价值的见解，未来研究应纳入冲击-磨料或循环磨损试验以及X射线衍射（XRD）等专门相鉴定技术，以进一步验证稀释、微观组织与磨损行为之间关系在服役相关条件下的可靠性。