高铬铸铁型药芯焊丝

高铬铸铁型药芯焊丝
（北京固本科技有限公司）
1耐磨堆焊材料合金体系
高铬铸铁的基本合金体系是Fe-Cr-C，在此基础上，往往还加入其他合金元素，常见的体系有Fe-Cr-Mo-B、Fe-Cr-B-C、Fe-Cr-V-Mo-Ti、Fe-Cr-C-Nb、Fe-Cr-C-V等。

本课题自制高铬铸铁药芯焊丝，其中，Nb对药芯焊丝堆焊层性能的影响是研究的重要一部分，故采用Fe-Cr-C-Nb系高铬铸铁型药芯焊丝。

铁基堆焊合金耐磨性良好，且价格较便宜，具有很好的经济性，因而应用最为广泛。

除此之外，堆焊合金体系主要还有钴基合金体系、镍基合金体系、铜基合金体系及碳化物增强合金体系。

钴基堆焊合金成本较高，高温条件下耐磨性能优异，多应用于一些特殊耐磨件，镍基堆焊合金同样也多用在高温耐磨工况条件下。

铜基堆焊合金摩擦系数较低，抗黏着磨损性能优秀，所以常用于滑动接触磨损工件中，而不用于抗磨粒磨损或高温磨损工况环境中。

在碳化物增强堆焊合金中，常以W、Ti、Mo、Nb、V等合金元素的碳化物作为增强相，具有很高的硬度和耐磨粒磨损性能，但高温下有些碳化物容易过热分解。

2高铬铸铁型药芯焊丝概况
在高铬铸铁堆焊中，为了使堆焊层更容易得到非平衡组织，也就是亚稳奥氏体基体上分布M7C3型碳化物，往往采用明弧堆焊，这样可以使焊后冷却速度足够快，以更容易得到粗大的初生M7C3型碳化物。

对于高铬铸铁型药芯焊丝的明弧堆焊，脱氧和脱氮是首先要考虑的问题，所以药芯焊丝中需要添加铝、硅、锰等基本的脱氧元素。

铝主要用于先期脱氧，硅锰用于熔池阶段的脱氧。

高铬铸铁本身就是硬而脆的组织，因而对于氮并不需要刻意地完全消除，甚至可以加入少量氮，氮可以代替部分碳，形成碳氮化物，以增加堆焊层组织的硬度及耐磨性。

在高铬铸铁型药芯焊丝自保护明弧堆焊过程中，并不会有大量的氮溶入熔池，形成氮气孔，这主要是因为，在高铬铸铁药芯焊丝中，碳含量较高，较高的含碳量可以降低氮在铁中的溶解度，从而使焊缝中的含氮量不会太高。

熔滴阶段碳氧化生成CO、CO2气体，加强了保护，并且降低了气相中的氮的分压，不利于氮溶入熔滴；熔池阶段碳氧化生成CO、CO2气体促进熔池中氮的逸出。

此外，钛、铝等元素对氮有较大亲和力，能形成稳定的且不溶于液态铁的氮化物，从而浮到熔池表面形成一层薄的渣壳。

所以，在高铬铸铁堆焊层组织中，并不会有过高的氮含量，也一般不会产生氮气孔。

高铬铸铁型药芯焊丝往往采用比较高的填充率，在50%左右，以使堆焊组织达到过共晶成分，在凝固得到的过共晶组织中，才会出现大量的高硬度的初生M7C3型碳化物，它们组成抗磨骨架，使组织具备较高的耐磨性。

由于过共晶组织含碳量高，组织硬而脆，加之堆焊时焊缝的冷却速度快，即使焊前预热、焊后保温缓冷，堆焊焊缝仍然难以避免产生一些细密的裂纹。

对于高铬铸铁堆焊层来说，一些横向贯穿焊缝的细密的裂纹并不是有害的，甚至是必要的，这些裂纹有释放焊接应力的作用，从而减少堆焊层在服役过程中大面积断裂剥落的可能性。

采用高铬铸铁自保护药芯焊丝对受磨损部件修复及堆焊时，往往需要打底层、过渡层以及硬面层组成的复合堆焊层，才能保证堆焊层的良好性能和服役状态。

这是因为，如果没有打底层，硬面层产生的裂纹将贯穿至基体，且硬面层组织硬而脆，基体组织较软，硬面层将极易剥落。

此外，在进行受磨损部件的堆焊修复时，受磨损部件表面往往是不平的，需要打底层将其基本修复平整，为下一层堆焊做好基础。

因此，对打底层的要求是，与基体结合良好，不需要很高的硬度，相对硬面层要有一定韧性，不产生裂纹。

打底层与硬面层的性能差别较大，所以中间需要过渡层的过渡作用。

过渡层需要有一定的硬度及耐磨性，以减少对硬面层的稀释，同时要有一定的止裂性，阻止硬面层产生的裂纹扩展至打底层及基体。

高铬铸铁型药芯焊丝成分的设计，首先要考虑保护方式，然后要考虑堆焊层组织、焊缝合金化、焊缝成形等问题。

关于高铬铸铁型药芯焊丝成分的研发设计，国内学者做过较多研究。

龚建勋等采用药芯焊丝明弧堆焊的方法获得了含Cr21-23，C3.5-4.2，Si1.4-1.6，B0-1.8的高铬铸铁堆焊耐磨合金，指出Si、B元素能促使M7C3型碳化物尺寸和体积分数增加，并且使其分布形态由弥散分布转为聚集排列。

王英杰等研究了药芯焊丝中添加V对高铬铸铁堆焊层组织及耐磨性的影响，研究表明，随着药芯焊丝中含V量的增加，堆焊层组织硬度及耐磨性均得到提高。

文献同时指出，药芯粉中石墨含量对焊接飞溅有一定影响，药芯配方中石墨含量为3%时飞溅率最低。

王清宝等的研究指出，在高铬铸铁型药芯焊丝中添加Nb、Mo后，在堆焊组织中，铌全部生成NbC；钼不仅生成少量Mo2C，而且固溶强化基体组织，但提高耐磨性的效果不如Nb 的作用强烈。

相较于未添加Nb、Mo的传统高铬铸铁药芯焊丝，该药芯焊丝的堆焊层耐磨料磨损的能力有所提高。

3熔滴过渡及飞溅率
由于堆焊方法采用药芯焊丝明弧堆焊的方法，飞溅始终是一个比较大的问题。

飞溅和熔滴过渡方式有着密切的关系，所以，对熔滴过渡的观察的分析就非常有必要。

研究熔滴过渡，常用的方法有三种，一是电流电压波形法，通过实时测量焊接电流电压，得到波形图，据此分析熔滴过渡模式。

该方法方便快速，不足之处是得不到熔滴过渡形貌的信息，是一种间接法；二是汉诺威焊接质量分析仪法，通过实时采样数据处理，评定出熔滴过渡模式，仍属于间接法，但信息量更大；三是高速摄影法，采用高速摄影机将熔滴过渡过程实时拍摄下来，可慢速或一帧一帧地回放，该方法直观，要得到熔滴过渡形貌的信息需采用此法，但成本相对较高。

该课题为了在研究高铬铸铁药芯焊丝熔滴过渡模式的同时，判断电弧的稳定性以及飞溅的产生机理，所以选择采用高速摄影法。

自保护药芯焊丝按照药芯粉末成分的不同，可以分为矿物粉型药芯焊丝和金属粉型药芯焊丝，而这两者的熔滴过渡方式有着明显区别。

关于矿物粉型药芯焊丝的熔滴过渡及飞溅，目前已有较多的文献述及。

潘川等利用高速摄影技术研究了直径为1.6mm的自保护药芯焊丝的熔滴过渡模式，该文章研究了焊接参数对熔滴过渡模式的影响，指出非短路附渣过渡是其主要熔滴过渡模式。

刘海云等采用高速摄像法观察了直径2.0mm的自保护药芯焊丝的熔滴过渡过程，指出该药芯焊丝立向下焊接时主要存在以下几种熔滴过渡模式：短路过渡、弧桥并存过渡、爆炸过渡和颗粒过渡。

王志明等更深入地研究了弧桥并存过渡模式的机理，分析了弧桥并存过渡的液桥的形态及本质，认为液桥是由熔融的渣和液态金属混合共同形成的。

潘川等利用高速摄影技术研究了直径 1.6mm自保护药芯焊丝焊接过程中的飞溅的形成机理和影响因素，将其飞溅形式按照形成机理的不同进行了分类，并且分析了药粉中各种成分对焊接飞溅的影响，研究认为，药芯中氟化物、氧化物和碳酸盐会增大飞溅，脱氧剂可以降低飞溅。