高硬度高抗裂耐磨焊条的研制

Ｍｏｄｅｒｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ 现代焊接
高硬度高抗裂耐磨焊条的研制
Development and production of
electrodes with high hardness, high crack resistance and high wear resistance
合肥工业大学材料科学与工程学院 张 建 王国平 左小涛
［摘要］ 本文研制了一种Ｆｅ－Ｃｒ－Ｂ合金系堆焊焊条，在焊条配方中主要加入Ｃｒ、Ｂ，可以有效地提高堆焊层的硬 度，同时具有很高的抗裂性。研究表明：Ｘ射线分析该合金基体组织主要是马氏体组织和残余奥氏体组织，组织中 Ｃｒ －Ｆｅ相、（Ｃｒ，Ｆｅ）７Ｃ３和Ｆｅ２３（Ｃ，Ｂ）６等碳化物、硼化物的高硬度的硬质相均匀地分布在堆焊层上。由于此类硬质相的 存在使得合金系的硬度可达６５ＨＲＣ，抗裂性很好。
［关键词］ 堆焊；高硬度；抗裂性；耐磨性
前言
耐磨堆焊工艺广泛的应用于农业、 矿业等和其他高硬度高耐磨性的机械 器件中，硬度不同的两工件之间接触 时一般需要耐磨堆焊合金［１］。堆焊合金 不仅需要高硬度、高耐磨性，同时还 需要有好的韧性，而韧性主要由基体 组织的结构决定［２］。Ｃｈａｔｔｅｒｊｅｅ和ｐａｌ指 出堆焊合金中Ｃｒ的碳化物体积分数超 过３５％后，其耐磨性将不再提高［３］。因 此通过加入适量的Ｂ可以提高堆焊合金 的耐磨性和硬度［４］。目前所研制的耐磨 堆焊焊条当硬度高于６０ＨＲＣ时就无法 保证具有很好的抗裂性，本试验所研 制的焊条在保持硬度高达６５ＨＲＣ的同 时具有高的抗裂性。
使堆焊合金的硬度及耐磨性越高［５］，因 此采用的合金为高碳铬铁、硼铁。根 据试验研究本试验选择Ｃｒ含量为２０％， 依次改变Ｂ的含量来确定最佳的焊条药 皮配方。
２ 试验材料与方法
本试验采用Ｈ０８Ａ焊芯，直径４ｍｍ， 长 ４５０ｍｍ。 根 据 国 标 ＧＢ９８４— ２００１Ｔ将 堆焊焊条熔敷在Ｑ２３５Ａ低碳钢板上， 板厚１６ｍｍ见图１。焊前３５０℃烘干２ｈ， 堆焊三层，直流反接，每层的长度不 小于７０ｍｍ，宽度不小于１５ｍｍ。焊后
磨除表面１￣２ｍｍ，测试洛氏硬度，线 切割成１０ｍｍ×１０ｍｍ×２５ｍｍ的试块， 打磨抛光，采用４％的硝酸酒精腐蚀观 察金相组织与进行Ｘ射线衍射试验。 焊接工艺参数见表１。
根据改变加入硼铁的含量，将试 验分为以下７组，编号表２。
３ 试验结果与分析
３．１ 硬度试验 根据国标ＧＢ９８４—８５对堆焊层进
行了硬度试验，试验数据如表３。 由表３易知硼铁的含量小于１５％时
其硬度与硼的含量成正比例增长，继 续增加硼铁的含量堆焊合金的硬度略 有下降。文献［４］认为，堆焊合金中Ｂ 的含量在０．６％时晶粒细化与粗大的硬
１ 焊条药皮的设计
焊条药皮主要是大理石、金红石、 白云石、云母、钛白粉等。由于堆焊 材料中的合金元素越多并不一定就会
作者简介：张建（１９８７－），男，汉，安徽安庆人，硕士研 究生。
表１ 焊接工艺参数
焊接电压 焊接电流 层间温度 焊接速度
（Ｖ） （Ａ） （℃） （ｃｍ·ｍｉｎ－１）
２５￣２６ １７５￣１８５ １００±１０
１２￣１５
表２ 试验编号
编号 １＃ ２＃ ３＃ ４＃ ５＃ ６＃ ７＃ 硼铁（％） ０ ３ ９ １０ １５ １８ ２３
表３ 各组试验硬度（ＨＲＣ）
编号 １＃ ２＃ ３＃ ４＃ ５＃ ６＃ ７＃ １ ４３ ４９ ４９ ５７．５ ６６ ６４ ６５ ２ ４４ ４５．５ ５２．５ ６１．５ ６５ ６４ ６４ ３ ４６ ４８．５ ５１ ５８．５ ６５ ６４．５ ６３ ４ ５１ ４７ ５１．５ ６１ ６５ ６３．５ ６４ ５ ４９．５ ４８ ４７ ６０ ６４ ６４ ６４
平均值 ４６．７ ４７．６ ５０．２ ５９．７ ６５ ６４ ６４
现代焊接 ２０１０年第１０期 总第９４期 Ｊ－ ２７

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质先析碳化物共同提高耐磨性，继续 增加Ｂ时堆焊合金的先析碳化物和体积 分数发生了细小的变化，导致了Ｂ在堆
焊合金中饱和。由图２可知，组织中存 在较多的硬质相，因此该堆焊合金可 以获得较高的硬度，所测的硬度可达 到６５ＨＲＣ。 ３．２ 抗裂性试验
对于硬度比较高的堆焊合金容易 出现焊接裂纹，因此对于高硬度的堆 焊合金进行抗裂性试验很有必要。本 试验在焊接各个试样时首先初步判断， 即焊接过程中有无明显的断裂响声， 焊后除渣观察有无明显裂纹；然后将 堆焊合金表面磨除１￣２ｍｍ表面层，采 用放大镜观察表面有无裂纹。堆焊试 样在焊接时没有听到明显的响声，磨 除表面一层后也没有观察到裂纹。为 了进一步测试其抗裂性，将３００ｍｍ× ３００ｍｍ×１２ｍｍ的Ｑ２３５低碳钢钢板两端 拘束，用５＃焊条在上面焊一道２００ｍｍ的 焊道，焊接参数与堆焊时的参数相同。 同样方法观察有无裂纹，试验表明焊 接时没有响声，焊后除渣后没有裂纹， 磨除一层后也没有观察到明显的裂纹。 ３．３ 堆焊层组织分析
为了更好地了解高硬度高抗裂性 的机理，对５＃堆焊层的显微组织（图２ ￣４）以及Ｘ射线衍射物相分析（图５）。
根据图２与图４所示易知，堆焊合 金的基体组织为马氏体和残余奥氏体， 硬质相主要为Ｃｒ－Ｆｅ相、（Ｃｒ，Ｆｅ）７ Ｃ３ 和 Ｆｅ２３（Ｃ，Ｂ）６。其中白色组织为高硬度的 （Ｃｒ，Ｆｅ）７Ｃ３和 Ｆ ｅ２３（Ｃ，Ｂ）６相 ， 黑 色 组 织 为 Ｃｒ－Ｆｅ与（Ｃｒ，Ｆｅ）７Ｃ３的共晶组织。Ｃｒ－Ｆｅ 相、Ｆｅ２３（Ｃ，Ｂ）６为复杂的面心立方晶体 结构，并且（Ｃｒ，Ｆｅ）７Ｃ３ 具有密排六方晶 体结构。而由文献［６］可知，（Ｃｒ，Ｆｅ）７ Ｃ３ 棱柱侧面显微硬度在１４００ＨＶ左右，棱 柱横截面的显微硬度在１７００￣１９００ＨＶ
左右；Ｆｅ２３（Ｃ，Ｂ）６的显微硬度在１０００￣１１００ ＨＶ。因此，该堆焊合金具有较高的硬 度。 ３．４ 耐磨性分析
根据图２所示的金相照片可知，该 组织中主要相是树枝状的（Ｃｒ，Ｆｅ）７ Ｃ３ 等 硬质相。由文献［７］可知，（Ｃｒ，Ｆｅ）７Ｃ３具 有很高的耐磨性。而对于本次试验， 该堆焊合金的硬质相主要以树枝晶的 形式存在，因此在磨损的时候硬质相 以网状的形式存在于磨损表面，使堆 焊合金具有更高的耐磨性。
４ 结束语
４．１ 对Ｆｅ－Ｃｒ－Ｂ耐磨堆焊合金，合理的 设计药皮中Ｃｒ，Ｂ的含量，获得了高硬 度无裂纹的耐磨堆焊合金。堆焊合金 的硬度可达６５ＨＲＣ。 ４．２ 堆焊合金中组织主要是高硬度的 Ｃｒ－Ｆｅ相、（Ｃｒ，Ｆｅ）７Ｃ３和Ｆｅ２３（Ｃ，Ｂ）６硬质相， 其显微组织为树枝状分布。
参考文献
［１］ ＣＺＩＣＨＯＳ Ｈ． Ａ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ， ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｓｅｒｉｅｓ［Ｍ］．１９７８． ［２］ ＬＵ Ｌ， ＳＯＤＡ Ｈ， ＭＣＬＥＡＮ Ａ． Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎｄ ａｂｒａｓｉｖｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ ｈａｒｄｆａｃｉｎｇ ａｌｌｏｙ ｗｉｔｈ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｈｒｏｍｉｕｍ ｃａｒｂｉｄｅｓ ａｄｄｉｔｉｏｎ［Ｄ］． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ ２ ００３． ３４７：２１４－２２． ［３］ Ｓ．ＣＨＡＴＴＥＲＪＥＥ， Ｔ．Ｋ． ＰＡＬ， Ｗｅａｒ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｈａｒｄ－ ｆａｃｉｎｇ ｄｅｐｏｓｉｔｅｓ ｏｎ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ［Ｊ］．Ｗｅａｒ ２００３，２５５：４１７￣４２５． ［４］ ＪＩ ＨＵＩ ＫＩＭ， ＫＡＮＧ ＨＥＥ ＫＯ， ＳＥＵＮＧ ＤＡＥ ＮＯＨ， ＧＹＵＮＧ ＧＵＫ ＫＩＭ，ＳＥＯＮ ＪＩＮ ＫＩＭ． Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｂｏｒｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ａｂｒａｓｉｖｅ ｗｅａｒ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ Ｆｅ－ｂａｓｅｄ ｈａｒｄｆａｃｉｎｇ ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Ｗｅａｒ ２００９，２６７：１４１５￣１４１９． ［５］张清辉，肖逸峰． 耐磨堆焊中的两重性［Ｊ］．焊接设备 与材料，２００３，３２（４）： ４３￣４５． ［６］王移山，李少华，潘川，柳小坚． 高铬铸铁型自保护 药芯焊丝的研制［Ｊ］．材料研究，２００９，增刊： ５９４￣５９６． ［７］ ＣＨＩＡ－ＭＩＮＧ ＣＨＡＮＧ，ＹＥＮ－ＣＨＵＮ ＣＨＥＮ， ＷＥＩＴＥ ＷＵ． Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎｄ ａｂｒａｓｉｖｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｃａｒｂｏｎ Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ ｈａｒｄｆａｃｉｎｇ ａｌｌｏｙ［Ｊ］． Ｗｅａｒ ２０１０， ４３： ９２９ ￣９３４．
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