新型高硬度耐磨焊条

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http://www.paper.edu.cn新型高硬度耐磨焊条程尚华，张玉凤，孙丹丹，孙志远，王怡然天津大学材料学院材料加工工程，天津(300072)E-mail：csh198382@126.com摘要：本文所研制的焊条采用H08A焊芯，钒铁、钛铁、金属铬、金属镍、石墨和大理石等药皮组分，通过焊缝成分控制马氏体相变温度，探索性地研制了新型耐磨、免预热堆焊焊条。通过能谱分析、磨粒磨损试验、焊条工艺性能试验以及硬度测试，系统地研究了焊条药皮组分对堆焊层硬度、耐磨性和抗裂性的影响。实验母材样板为常用于轴类钢材的中碳钢45号钢，试验结果表明，焊缝金属的组织以马氏体组织为主，残余奥氏体分布于其中。通过电弧高温冶金反应，药皮中钒铁、钛铁和金属铬与石墨反应生成VC、TiC和Cr3C7等硬质相，并弥散分布于板条状马氏体和残余奥氏体的基体上。堆焊层具有良好的耐磨性和抗裂性。焊前无需预热，焊后不产生裂纹。关键词：堆焊焊条低相变点耐磨、免预热抗裂中图分类号：TG421引言耐磨焊条在冶金、矿山、水泥、机械等行业的应用非常广泛，有很多的科研工作者进行了大量的研究。国内外的焊接工作者经过多年的努力，通过多种工艺方法发展了耐磨堆焊技术，已研制出40多个系列60多种牌号的耐磨堆焊焊条如日本的HF－950、美国的[1]Faceweldl2、瑞典的OKE4－60S、中国的D667、D618、EDC68堆焊电焊条等，这些成果大幅度提高构件的综合技术指标，提高了构件的使用寿命，同时节省了大量贵重金属。这些堆焊焊条基本上是通C、Cr、W合金形成高碳高硬度的莱氏体、马氏体基体和CrxCy、WC硬质相，虽然在硬度方面能满足使用要求，但当硬度≥40HRC时，其抗裂性变差，为了防止产生裂纹，均要求焊前将工件预热300—600℃，这不仅严重恶化劳动条件，而且还[2]显著地提高成本。此外，由于这些硬质点颗粒大、脆性大，特别是与铁的结合强度低，在堆焊和磨损过程中常因大块的硬质点脆裂和脱落，而导致堆焊层失效，直接影响到耐磨堆焊[3]焊条的推广应用。因此迫切需要研制一种硬度高，耐磨性好，焊前不预热且不产生裂纹，焊后不需热处理，堆焊层抗脱落能力强的耐磨堆焊焊条。本文在广泛查阅相关文献的基础上，紧跟国际最新研究进展，对低相变点焊条及其改善焊接接头硬度、耐磨性及抗裂性的方法、技术、机理、适应性和影响因素等方面进行全面分析研究。理论上创造性地研究出了低相变点焊条配方，分析了相变应力产生，以及相变开始温度对焊接残余应力的影响规律；试验中以尽可能的在实际应用的情况下对低相变点焊条提高焊缝硬度、耐磨性及其抗裂性进行了验证；在应用上尽可能的提出低相变点焊条堆焊时的焊接规范，从经济角度和适用性方面为低相变点焊条的广泛应用提供理论依据。-1- http://www.paper.edu.cn2焊条设计2.1设计原理在从高温到室温的冷却过程中，钢铁材料要从奥氏体(A)组织状态发生一系列的组织转变（相变），根据相变开始温度的不同，分别称为高温转变、中温转变和低温转变，正常情况下相对应的转变组织为铁素体(F)、珠光体(P)、贝氏体(B)和马氏体(M)。这些组织的转变机制、晶体结构和组织形态的不同，造成它们的比容也不相同，总体的规律是组织转变温度越低，所获得的转变组织的比容越大。不同组织的比容与其含碳量有一定的关系，碳钢各相[4]组织在常温下的比容见表1所示。表1碳钢各相组织的比容(20℃)Table1Specificvolumeofdifferentmetallurgicalstructureat20℃含碳量0.1%的碳钢3组织比容C(cm/g)3比容C(cm/g)体积膨胀εV(%)线膨胀εL(%)奥氏体(A)0.1212+0.0033(C%)0.12153----铁素体(F)0.12710.12714.581.53珠光体(P)0.1271+0.0005(C%)0.127154.621.54贝氏体(B)0.1271+0.0015(C%)0.127254.711.57马氏体(M)0.1271+0.00265(C%)0.1273654.801.60如果按含碳量为0.1%的碳钢计算，在室温下单一组织的铁素体(F)、珠光体(P)、贝氏体(B)和马氏体(M)分别比奥氏体体积大4.58%、4.62%、4.71%和4.80%，这一数值实际上也是奥氏体完全转变情况下的相变体积膨胀。按线膨胀量为体积膨胀量的1/3计算，上述奥氏体完全转变的相变线膨胀为分别为1.53%、1.54%、1.57%和1.60%，其中奥氏体/马氏体转变的相变线膨胀最大。如果考虑到组织转变是在不同的温度下进行，而且组织转变并不完全的原因，实际的相变线膨胀数值要小于上述理论计算值。对于含碳量为0.4%～1.4%范围的碳[5]素钢，Hourdremond等人从理论上计算了其在奥氏体/马氏体转变时的体积膨胀量，计算结果约为2.7%～2.9%，也即相变线膨胀量为0.9%～0.97%（线膨胀量为体积膨胀量的1/3）。相变应力与热收缩产生的拉伸应力不同，它会引起压缩应力。室温下的焊接残余应力由焊接热收缩拉伸应力和相变压缩应力共同决定。下面分析相变应力对残余应力的影响。对于低碳钢材料，组织转变在较高的温度下（大于材料的塑性温度）进行，如图1中曲线1，此时材料处于塑性状态，因而相变体积膨胀不会产生相变应力，也不会影响热收缩产生的室温下的残余拉伸应力对于中碳钢或含合金元素材料，其相变开始温度处于350℃～600℃之间，如图1中曲线2，此时材料处于弹塑性或弹性状态，组织转变的体积膨胀产生相变应力，如果相变应力大于相变开始时的材料热收缩拉伸应力，那么在相变结束时刻就会引起压缩应力。相变结束后，热收缩继续进行，使压缩应力降低，并逐图1设计原理示意图渐转变为拉伸应力，室温下在构件中残余应力Fig.2-1Thediagrammaticsketchofdesignprinciple-2- http://www.paper.edu.cn仍然为拉伸应力。本文所设计的焊条，其焊缝金属具有图1中曲线3的冷却组织转变曲线。它的特点是相变开始温度远低于常规钢铁材料的相变开始温度,大约在100℃～350℃，以保证膨胀应变结束温度Tc3在室温附近，马氏体相变结束温度Mf就会在室温以下，此时相变体积膨胀应变为最大。因为不再发生相变结束后的热收缩或只有较小的热收缩，从而室温下可以获得残余压缩应力。对于焊接接头，普通焊条焊缝金属引起的最大焊接残余拉伸应力等于材料的屈服强度σs，相对应的弹性正应变值εs=0.1%～0.3%，如果所设计的低相变点焊条熔敷金属相变膨胀引起的负应变值εc＞εs，也就是说，相变膨胀应变完全可以抵消焊接残余拉伸应力引起的弹性正应变，并还剩余有足够的负应变，此时，即可以引起焊接残余压缩应力。2.2熔敷金属及渣系的选择熔敷金属合金系统的选择首先是考虑合金元素对熔敷金属马氏体相变开始温度Ms的影响。按照合金元素对Ms点的影响规律，可以把它们大致分为三类,即提高Ms点的元素，如：Co、Al等；对Ms点影响不显著的元素，如B等；降低Ms点的元素，如：C、Mn、V、Cr、[6]Ni、Cu、Mo、W、Si等。Pickering认为Al是降低Ms点的元素。近年的研究表明，稀土Re也是降低Ms的元素，但是没有明确影响的程度如何。合金元素降低Ms点作用可以用下面的经验公式（I）表达，公式中的各元素的系数Ax是用统计方法求得的。Ms(℃)＝T0－ACWC－AMnWMn－ACrWCr－ANiWNi－AMoWMo－ASiWSi－AWWW－AVWV－ACuWCu－AAlWAl=T0－ΣAxWx（I）其中：Ax1%某一合金元素x含量对马氏体相变开始温度的降低系数；Wx某一合金元素x的含量，wt%不同的作者对于每一合金元素对Ms点作用影响的观点是不一致的，得到的公式也不尽[7]相同，本文选取较有代表性的公式：2Ms(℃)=512－453C－16.9Ni+15Cr－9.5Mo+217(C)－71.5(C)(Mn)－67.6(C)(Cr)(II)然而，由于考虑Ms点随C含量呈指数下降这一事实，因此由测量确定的和由计算确定的不同合金系统的Ms点就会有很大的差异。尽管如此，合金元素对Ms点的影响还是具有明显的规律性，可以针对其相应的合金系统，对实际钢种的Ms点进行预测和分析。总体上可以看出，对马氏体相变开始温度Ms降低的影响顺序是：C、Mn、Cr、Ni、Mo、Si、W、V。参考合金元素在钢中的作用，结合低相变点焊条要实现的目的和要求，低相变点焊条熔敷金属的合金体系选择为Mn-Cr-Ni-Ti-V，初步确定各种化学元素的成分范围总结于表2。表2熔敷金属的化学成分范围（wt%）Table2-3Chemicalcompositionrangesindepositedmetaltobedesigned元素CMnCrNiSiTiVSP范围0.33-0.40.5-17-86-70.4-11.5-21.5-2<0.030<0.030根据实验应用条件与环境，本焊条选用盐－氧化物型熔渣中的CaO-CaF2-SiO2渣系，焊条药皮类型为低氢钙型。-3- http://www.paper.edu.cn2.3焊条制备本文耐磨焊条的具体制作方案如下：焊芯用低碳钢材料H08A，直径4mm，包裹药皮后的焊条直径6.4mm。采用多种元素合金化，通过药皮过渡合金元素，药皮为低氢钙型，选用CaO-CaF2-SiO2渣系，焊芯和药皮均应控制含碳量以保证低相变点和较多的针状马氏体组织的形成以及较好焊接工艺性能。药皮主要组成物质量分数范围（%）：大理石=20～35、萤石=8～15、钛白粉=2～5、低碳锰铁=2～5、钛铁合金=7～12、钒铁合金=7～12、石英=1～2、金属铬=13～28、金属镍=20～30、其它药皮组成物3～5。参考现有低氢型药皮配方确定第一次试验用药皮配方，经检验发现得到的焊缝硬度和耐磨性不高。而且焊接过程中焊接工艺性能不好，飞溅大，焊缝成型差，因此决定在这基础上添加合金V、Ti以及增加萤石和钛白粉来改善焊缝的性能，结果证明这次比上次的硬度的耐磨性要好，同时飞溅也得到了一定的改善，但硬度还没有到我们预想的程度，因此我们再调整几次得到了较为理想的硬度和耐磨性能。确定了最终的配方，采用此配方的焊条在45号钢钢板上进行堆焊焊接，模拟实际使用环境，得到的性能可以很好的反应出实际使用的情况。3实验结果及其分析用研制的耐磨焊条在25mm厚的45#钢上进行了堆焊，焊前对母材进行了打磨，把表面的铁锈和油污等清理干净，焊条在使用前进行了烘干，加热温度为350℃，保温时间为2h。在母材表面堆焊一层，采用直流反接，电流大小为186-190A，电压为24-27V。得到的焊缝熔深为余高为3.2mm，熔深为2.5mm，焊缝宽为14.5mm。得到的焊缝化学成分如表3所示，并对焊缝进行了硬度和耐磨试验以及观察金相组织。表3焊缝化学成分%CSiMnPSCrNiVTi0.360.280.860.020.00917.185.361.60.623.1硬度试验试验中从焊缝、熔合线附近到热影响区均匀选取10个点进行测量，其中1点位于焊缝中央位置，2到4点位于焊缝区，5到7点位于熔合线附近（熔合区），8到10点位于热影响区。表4列出各个区域的硬度。表4试样硬度结果焊缝熔合区热影响区位置12345678910硬度（HRC）54.5545453.55047.5454036.534.5平均硬度值5447.537由硬度试验的结果，我们可以看出从焊缝中心向熔合区再到热影响区，它们的硬度是呈下降的趋势的，焊缝的硬度最高，平均硬度值（HRC）为54，熔合区的硬度次之平均值为47.5，热影响区的平均硬度为37，这些值都远远高于母材45号钢的硬度（HRC<20）。由此可见，这种焊条能较大的提高母材的硬度和耐磨性。这是因为，在焊接过程中，母材对熔敷金属的稀释明显，有大量的C溶入熔敷金属中，使得焊后熔敷金属生成大量的马氏体，-4- http://www.paper.edu.cn同时这些C元素与焊条中过渡进来的合金元素形成碳化物硬质相（Cr7C3、TiC和VC等），从而使得焊缝硬度变高。3.2摩擦磨损试验实验中试验机选择M－200型销－环式摩擦磨损试验机，其它条件如表5：表5摩擦磨损实验条件试样数量选材硬度粗糙度摩擦类型实验温度速度实验时间13焊缝HRC540.8干摩擦室温200r/min1h2345#钢HB1700.8干摩擦室温200r/min1h经过几组实验，得到了此次摩擦磨损试验的结果，如表6表6摩擦磨损试验结果编号原始重量磨后重量划痕宽度d平均失重体积差平均体积差母材Q9.32929.29365.875.3919母材X9.319.28645.330.02624.03274.8129母材E9.33039.30095.735.0140焊缝18.22468.22381.760.1446焊缝28.31928.30831.820.00080.15990.1434焊缝38.30458.30521.680.1258对比结果提高了32.5倍提高了33.6倍由上面的结果可知，在45号钢上用笔者所研制的耐磨焊条焊接所得到的焊缝的耐磨度比母材45号钢高了30多倍，用体积法计算得到的结果是提高了33.6倍。因此此焊条能大大提高被堆焊钢件的耐磨性能。主要的原因是堆焊层主要靠Cr7C3(1665HV)、TiC(3200HV)和VC(2800HV)等碳化物硬质相增强，这些化合物不仅具有高的硬度，与基体的结合力大，并且碳化物颗粒弥散分布于基体，碳化物间间距小，对基体割离作用小，有利于耐磨性提高。此外，塑性好的铁素体和低碳马氏体（在金相分析里作介绍）能有效地支撑镶嵌在其中的碳化物颗粒，当在外力作用下碳化物周围产生位错增殖，阻碍碳化物滑移，延缓碳化物剥落，从而导致此堆焊焊条具有高耐磨性。3.3抗裂性试验采用手工电弧焊，直流反接的方式进行堆焊试验,具体的焊接工艺参数为焊接电流180～190A，焊接电压23～26V，焊接速度100～120mm/min。在规格为200mm×100mm×25mm的45号钢钢板上进行堆焊试验，焊前无预热，焊后不进行热处理。将两块焊好的焊板放置24h，通过断面解剖和显微观察,在焊道和热影响区均未发现裂纹,这说明该焊条具有较高的抗裂性。原因有三：(1)由于所研制的焊条是低相变点焊条，焊缝金属及其近缝区均获得了残余压缩应力，压应力的存在有效地调节了焊接接头残余应力的分布，松驰了接头的应力集中；(2)化学冶金反应生成的TiC、VC和Cr7C3等碳化物，在冷却过程中成为结晶时的非自发形核核心．使熔敷金属基体组织细小，能有效地阻止微裂纹的萌生和扩展；(3)碳化物弥散分布在低碳马氏体+残余奥氏体的基体上．弥散分布的TiC、VC和Cr7C3等碳化物颗粒与铁的结合力强不易破碎，并能阻碍基体中微裂纹的扩展，从而使-5- http://www.paper.edu.cn焊条堆焊金属具有良好的抗裂性能．3.4焊缝组织分析图2焊缝组织图2000×图3熔合区组织图1000×图2是苦味酸腐蚀剂下在“电镜”能谱分析时截取的金相图。我们可以看出，焊缝中含有大量的针状组织，且针状相互交错，同时有许多细小平行的带纹（应为孪晶带），形貌呈浮凸状，分析为孪晶马氏体（针状或片状马氏体），中间夹着一些束条状组织，含碳量较低，分析为板条状马氏体，还有一部分残余奥氏体组织以及在晶界析出的合金碳化物，经能谱分析这些合金碳化物为Cr、V、Ti与C形成的XC型及其复合型碳化物；还有一些看上去较“光滑”的区域，该区域含碳量极少，分析认为是含碳量极少的间隙固溶体－铁素体以及由于焊接过程中未能与C发生反应的合金元素，硬质碳化物弥散的分布在这些基体上，正是焊缝得到高耐磨性同时能操持较好的抗裂及抗剥离能力的原因所在。图3为NeophtonII型光学显微镜下的焊缝熔合区的1000倍显微组织，由于成分和组织的差异，焊缝金属和母材金属有明显的界限，熔合线呈现较规则，有半熔状态的母材块体嵌入焊缝，类似于异种钢焊接接头熔合区的半岛，母材金属与焊缝金属的熔合良好。母材对焊缝的稀释作用，使熔合区焊缝侧组织与内部焊缝组织差异较大。4结论（1）通过控制焊缝组织马氏体转变温度（Ms点），以及合金元素在钢中的作用，本文给出了新型耐磨焊条的配方，焊芯为H08A，药皮主要组成物质量分数范围（%）：大理石=20～35、萤石=8～15、钛白粉=2～5、低碳锰铁=2～5、钛铁合金=7～12、钒铁合金=7～12、石英=1～2、金属铬=13～28、金属镍=20～30、其它药皮组成物3～5。（2）堆焊焊缝的硬度较高，焊缝平均硬度达到HRC54，与此相对应的是焊缝金属比母材45#钢的耐磨度提高了30多倍。最后残余应力为压缩应力，得到较为理想的抗裂性能。（3）从金相组织图分析得出，焊缝金属的组织以马氏体组织为主，残余奥氏体分布于其中，属于马氏体与奥氏体的混合组织，马氏体的形态主要以针状马氏体为主，局部区域夹带有板条状马氏体组织。参考文献[1]银锐明,银舜生,钟定铭等.EDC68高硬度高耐磨堆焊电焊条。焊接学报，2001,Oct.,Vol.22,No.5[2]OsbomJS，KotechiDJ．Abrasionresistanceofiron．basedhard-facingalloy[J]．WeldingJournal，1995，74(8)：269—278[3]王爱珍．冷堆焊高硬度耐磨复合合金[J]．焊接学报，2000，21(3)：62—65[4]田莳，李秀臣，刘正堂，金属物理性能，北京：航空工业1994，48～89-6- 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