药芯焊丝堆焊耐磨合金层工艺及性能研究

Keyword：Co2gasshielded arewelding; Weldingwire withfluxcored;Overlapwelding;Wear-resisancealloy
0引言
对于磨损失效零部件的修复而言，国内外大致可分为两类。一类是基于机械结合机理的技术，主要包括刷镀和喷涂等，基于机械结合机理技术的修复，缺陷是堆焊层与基体材料的结合强度低（如刷镀在150～200MPa之间，喷涂一般低于80MPa）［1］；另一类是基于冶金结合机理的技术，常用方法有焊条电弧焊、CO2气体保护焊等。采用手工电弧焊进行堆焊，效率低、焊工劳动强度大，采用CO2气体保护焊修复磨损面，则是一种高效率的方法，但又缺少硬度高、耐磨性能好的堆焊合金材料。为了寻得CO2气体保护焊药芯焊丝堆焊合金材料，试验对比了不同成分的药芯与多种合金元素堆敷的工艺性能及焊层质量，研究了药粉组成对堆焊层硬度与耐磨性的影响规律，研制了一种耐磨损的Fe/Cr-WC系药芯焊丝堆焊合金。通过调节药粉元素含量，提高堆焊层的硬度，降低磨损量，使堆焊合金具有优异的耐磨损性能。
1实验
1.1试验材料
（1）Fe/Cr-WC系焊丝药粉组成：焊丝药粉以Cr元素为主要强化合金元素，添加适量WC粉末和Mo、V元素等而成，其化学成分见表1。
表1药芯焊丝化学成分
Table1 Composition ofwelding wire with flux cored
药粉组成Cr WC Mo V Mn Ti石墨烧结粉
Ke为某合金元素在该铁合金中的百分含量，若为纯金属粉末则为100%。
1.2试验设备
焊接设备选用武汉军械士官学校研制的JXNB300逆变式CO2气体保护焊机；实验试样为普通碳素钢，规格100mm×40mm×20mm。耐磨性实验采用玄武三号实验机，磨损销的材料为40Cr（φ20mm），表面粗糙度Ra0.3-0.5μm，实验采用点接触式，载荷80N﹑速度0.787m/s(600r/min),大气环境；磨损失重用分析天平称重,取3次失重的平均值作为一个数据点；采用XJP-6A金相显微镜观察其金相组织。
1.3焊接工艺参数
在一定的焊丝直径、焊接电流和电弧电压的工艺条件下，焊速增快，堆焊层的熔深及熔宽都有所减小。如果焊速过快气体保护效果变坏，可能产生气孔。反之，焊接速度过慢时，生产率低，且由于工件受热时间长，焊接变形增大。药芯焊丝焊接工艺参数见表2。
表2药芯焊丝焊接工艺参数
Table2 Experimenta dataofoverlap welding
3Байду номын сангаас论
（1）WC粉末和Cr、Mo、V元素堆焊合金系的配比适当，能使研制的Fe/Cr-WC系药芯焊丝堆焊合金层具有优异的耐磨损性能。
（2）研究中发现，Cr元素与C元素形成Cr7C3硬质相，Mo、V元素与C元素会形成Mo2C、VC、V2C硬质相，WC会发生氧化、再结晶、新相析出等各种物理化学反应形成WC、W2C等硬质相，分布在堆焊层中。
(1.Wuhan Ordnance Noncommissioned Officer School, Wuhan,430075, China；2.SanxiConstructOccupation Technique Technolocy Taiyuan，030006，China)
Abstract：Adopt aCo2gasshielded areweldingmethod,useFe/Cr-WCweldingwire withfluxcoredto overlapweldingwear-resisancealloybydeveloped.Assing the average degree of hardness of the layer and wearing away to lose is heavy and the analysis of the tiny view organization, studied bearing ofwear resisance of welded alloyto wear away function.Systematically discussed the metal alloy chemical element in theflux coredat the same time Cr and WC, Mo and V towear resisance of welded alloydegree of hardness and bear the influence regulation of whettingfunction, made sureflux coredthus the content is in the best metal alloychemical element.Result expresses the content of Cr chemical element as 5.5%~6.0%, the content of WC powder is 3.9%~4.2%, in 1.6%, when the content of Mo chemical element's the content of V chemical element is in 3.2% scopes Fe/Cr-WC fasten going together with of theflux cored wiresilkwear resisance of welded alloyratio adequacy, thewear resisance of welded alloyhas better degree of hardness and bears to whetfunction.
药芯焊丝堆焊耐磨合金层工艺及性能研究
张玉峰1,王晓东2,姜忠宝1
(1.武汉军械士官学校，湖北武汉430075；2.山西建筑职业技术学院山西太原030006)
摘要：采用CO2气体保护焊方法，研制了一种耐磨损的Fe/Cr-WC系药芯焊丝堆焊合金。通过堆焊层的平均硬度、磨损失重及微观组织的分析，研究了堆焊合金的耐磨损性能。同时系统地讨论了药芯中合金元素Cr、WC、Mo、V对堆焊层硬度和耐磨性的影响规律，从而确定了药芯中最佳合金元素含量。结果表明Cr元素的含量为5.5%～6.0%，WC粉末的含量为3.9%～4.2%，Mo元素的含量在1.6%，V元素的含量在3.2%范围内时，Fe/Cr-WC系药芯焊丝堆焊合金的配比适当，堆焊层具有较好的硬度及耐磨性。
焊材规格焊接电流电弧电压焊接速度气体流量熔敷率熔敷速度
（mm）（A）（v）（cm/min）（L/min）（%）（kg/h）
1.2170～24024～2845 15 887.9
2试验结果与分析
2.1Cr元素对堆焊层性能的影响
药芯中Cr是主要的强化合金元素，Cr的含量对焊道金属硬度、耐磨性的影响如图1所示。
关键词：CO2气体保护焊；药芯焊丝；耐磨堆焊合金
图分类号：TQ153.1文献标识码：A
Research onPropertiesofFe/Cr-WCWeldingWirewithFlux CoredOverlap WeldingWear-resisanceAlloy
ZHANG Yufeng1; WANG Xiaodong2; JIANG Zhongbao1
2.2 WC对堆焊层性能的影响
WC本身熔点很高，较稳定，不容易分解，但焊接过程类似于冶炼的熔化过程，熔池温度高达1700℃以上，熔滴温度高达2000℃以上，焊丝在热源的作用下熔化，随后冷却凝固。在熔化-凝固过程中，WC会发生氧化、再结晶、新相析出等各种物理化学反应［4］。
2WC=W2C+C
W2C+O=W2（CO）
含量（wt%）5.5～6.03.9～4.21.63.21.05 0.06 0.8 1.5
（
M粉=（M焊—M带×η）÷（η×Kb×Ke）
式中：
M粉为配方中加入某纯金属粉末或铁合金、碳化物的百分含量；
M焊为堆焊焊道中某合金元素要求的百分含量；
M带为钢带中某合金元素的百分含量；
η为合金元素过渡系数；
Kb为粉芯焊丝的加粉重量系数，亦称包粉量（粉芯成分与焊丝重量之比）；
当药芯中Cr含量≤2%时，由于含Cr较低，堆焊层金属的硬度较低，失重较大，这也导致了堆焊合金在磨损过程中耐磨性能较低；当药芯中Cr含量2%～6%时，随着Cr含量的增加，试样堆焊层的平均硬度呈直线趋势增加，趋势明显，失重ΔW由0.05361g减少到0.04043g，堆焊层耐磨性明显增强。这是因为在堆焊层中，随着药芯中Cr元素含量的增加，堆焊层硬质相Cr7C3的数量也逐渐增加，所以堆焊层的硬度也就随之增加［3］，堆焊层耐磨性也随之迅速提高。Cr含量不是越多越好，它应与C含量有适当的比例关系，才能明显地改善堆焊层的耐磨性，而超过适当的范围，性能不会明显提高，有时反而下降。由图1可以看出，Cr含量在6.0%～6.5%时，堆焊层硬度变化不大，失重稍有增加。由此可见，药芯中Cr含量5.5%～6.0%为最好。
W2（CO）=2W+CO
WC分解生成的W元素，主要用来增加堆焊合金的红硬性。W与C原子的亲和力大，易结合成高熔点、高硬度的W2C，在随后的冷却过程中W2C析出，可有效地阻止晶粒的长大。图2为堆焊后的焊道金属金相图。由图可以看到，焊道中晶粒细小，呈规则多边形，铸状晶碳化物呈针状，碳化物也有部分呈树支形态，这些针状、树枝形态碳化物应是液态中析出的产物，既WC先分解、氧化、再结晶，然后在冷却过程中从液态中析出的W2C，因焊道冷却速度较快，碳化物呈针状或树枝形态，小的颗粒是未完全溶解的WC颗粒［5］。
图3堆焊层金属的硬度、磨损量与wc含量的关系
2.3 Mo、V元素对堆焊层性能的影响
为研究Mo、V元素的作用，固定其它合金元素的含量，调节药芯中Mo、V元素含量。Mo、V元素对堆焊层硬度及耐磨性的影响规律，如图4所示。
图4堆焊层金属的硬度、磨损量与Mo、V含量的关系
从图4可以看出，当Mo元素含量＜0.45%时，堆焊层平均硬度较低，失重也较大。当Mo元素含量为0.45%～1.6%范围内变化时，随着Mo元素含量的增加，试样堆焊层的平均硬度有较大幅度的增长，从50.1HRC增加到55.8HRC，耐磨性也随之提高，失重ΔW由0.0610g减少到0.0346g；当V元素含量为＜2.2%时，堆焊层的平均硬度相对较低，失重也较大。而当V元素的含量在2.2%～3.2%的范围内变化时，随着堆焊合金中V元素含量的增加，试样堆焊层表面的硬度增加幅度较大，由50.1HRC增加到56.9HRC，堆焊层失重ΔW由0.0348g减少到0.0316g,耐磨性明显增强。这是因为在堆焊过程中，熔池温度高达1000℃以上，熔池中的Mo、V元素与C元素会形成Mo2C、VC、V2C硬质相，分布在堆焊层中。随着Mo、V元素含量的增加，质相的数量相应增加，从而提高了堆焊层的硬度和耐磨性。由于合金粉末中C元素的含量是有限的，加之还含有其它碳化物形成元素，使得有过剩的Mo、V元素不能以硬质相的形式存在［6］。而且过剩的Mo、V元素会偏析于晶界，导致堆焊层易开裂，合金粉末中的Mo、V元素含量不能过高。Mo元素的含量控制在1.6%，V元素的含量在3.2%范围内时，Mo、V元素和C元素含量相匹配，较易形成硬质相，达到良好的强化效果，堆焊层耐磨性达到最好。
图2药芯焊丝堆焊层金相图
Figure 2Microstructures of fwelding wire with flux cored overlap welding alloy
为了便于讨论WC对堆焊层的平均硬度及耐磨性的影响，绘制了图3。当WC元素含量为≤0.5%时，堆焊层平均硬度相对较低，失重也较大。但WC的含量由1.5%增加到4.0%的过程中，堆焊层的平均硬度迅速提高，由50.4HRC增加到55.2HRC，堆焊层失重ΔW由0.0518g减少到0.0334g。这是由于在高温的熔池中WC能形成WC、W2C等硬质相，使得堆焊层硬度增加，耐磨性增强。当WC的含量超过4.0%时，提高堆焊合金中的WC元素含量就会增大堆焊层的开裂倾向。试验得出当WC元素的含量在3.9%～4.2%范围内时，堆焊层性能为最佳。