高铬铸铁堆焊层组织对冲蚀磨损性能的影响(1)

高铬铸铁堆焊层组织对冲蚀磨损性能的影响
任振安 宣兆志 刘海军 宋国太 杨 坚
(长春 吉林工业大学)
(吉林省电力科学研究院)
摘 要 采用正交试验法研究了粘结焊剂中高碳铬铁、石墨、钼铁对埋弧堆焊层组织、硬度及耐冲蚀磨损性能的影响规律。

堆焊层为亚共晶组织时,硬度低,耐冲蚀磨损性能差;共晶堆焊层硬度高,耐冲蚀性能有所提高;堆焊层为含有少量一次碳化物的过共晶组织时,硬度高,耐冲蚀磨损性能最好;一次碳化物过多时,虽然硬度高,但耐冲蚀磨损性能下降。

试验得到了最佳粘结焊剂配方。

关键词: 高铬合金铸铁 堆焊层 冲蚀磨损
0 序 言
高铬合金铸铁是一种用途广泛的耐磨材料,受到人们的普遍关注,对其成分、组织及性能做了
大量研究[1~8]。

一般认为,高铬合金铸铁耐磨性好,但冲击韧性差,故主要用于磨粒磨损条件下,对其耐冲蚀磨损性能的研究很少[9]。

而采用堆焊方法在韧性良好的钢基体上堆焊合金铸铁耐磨层,既可以保证结构的强度与韧性,又可以保证表面耐磨性[10]。

本文采用高合金粘结焊剂配以低碳钢焊丝进行埋弧堆焊,探讨了焊剂中合金剂高碳铬铁、石墨、钼铁加入量对堆焊层组织的影响,进而得出了堆焊层组织对硬度及耐冲蚀磨损性能的影响规律。

1 试 验
母材为Q235钢,规格为260mm 65mm 10mm 。

埋弧焊丝为H 08A 普通低碳钢焊丝,直径4mm 。

粘结焊剂的原料有大理石、萤石、石英、钛白粉、石墨、高碳铬铁、钼铁、硼铁、钛铁等物质。

按焊剂配方称取药粉干混后,加入15%左右的水玻璃湿混,用3mm 3mm 的筛子过筛造粒,50 低温烘干后二次过筛再在350 ~400 温度下烘干2h,炉内冷却后装袋待用。

用上述H 08A 焊丝配以自制的粘结焊剂在MZ-1000型埋弧自动焊机上进行堆焊。

堆焊规范为U =42~44V,I =550~600A,v H =10mm/s,焊丝伸出长度H =50mm 。

采用 四道三层 堆焊法,第一层并排焊二道,再在第一层中间堆焊二道(层),总堆高12~15mm 。

由于母材较薄,为防止烧穿及焊接变形,将其固定在自制的夹具上堆焊,底部有铜垫板,并控制层间温度不超过200 。

堆焊后进行金相分析及硬度测定。

在焊道中部切取金相及硬度试样。

磨平抛光后用盐酸苦味酸酒精溶液腐蚀金相试样,用VIDAS 图象分析系统观察记录堆焊层组织并进行组织定量分析。

用HR-150A 型洛氏硬度计测定堆焊层宏观硬度,在堆焊层横截面中部测三点取平均值,用HX-1000型显微硬度计测试微区组织硬度,并用D/max-YA 转靶X 光衍射仪测定典型堆焊层的相组成。

在自行设计的喷射式固体粒子冲蚀磨损试验机上进行冲蚀磨损试验,其原理是用压缩空气流带动磨粒冲到磨损试样表面,磨损试样座可以旋转以调节试样表面与磨粒流方向的夹角。

做冲蚀
刘海军现在大连冷冻机厂工作。

第20卷 第2期1999年6月
焊接学报
HANJIE XUEBAO
Vol.20 No.2June 1999
磨损试验前后,在LIBROR AEU-210型万分之一克电子分析天平上称取试样重量,二者之差为冲蚀失重,即绝对失重W B。

试验时控制磨粒(石英砂,60~120目)流量为110g/min,压缩空气流量为1.3m3/h,冲蚀时间为10min,误差5s以内,选取15 ,90 两个冲蚀角度进行试验。

除W B值外,还可以用相对耐磨性 A来评价磨损试样的抗冲蚀磨损性能。

A=W A
W B
(1)式中W A为高锰钢试样的绝对失重值。

W A、W B的单位均为mg。

当W B<W A或 A>1时磨损试样的抗冲蚀磨损性能优于高锰钢试样。

2 试验结果与讨论
2.1 试验结果
根据单因素试验结果[11],选定粘结焊剂组成物中的高碳铬铁(Cr-Fe)、石墨(C)、钼铁(Mo-Fe)为正交试验的主要因素,分别以A、B、C表示,其余因素均作为试验条件处理。

为减少试验次数,选择水平数为3,因此,选用正交表L9(43),相应的试验因素水平值见表1。

表1 正交试验因素水平表
Table1 Factors and their levels of orthonormal experiment(g)
Level
Factor A
Cr-Fe
B
C
A B
C
Mo-Fe 1300350 24005024 35006550
在三个试验因素中,A、B两因素在不同的水平下会引起粘结焊剂体积的变化,从而对合金元素的过渡产生影响,故按体积不变原则相应调节配方中大理石、萤石、石英及钛白粉的含量,使焊剂制成后体积基本保持不变。

正交试验表及堆焊层组织、硬度及冲蚀试验结果见表2。

典型堆焊层组织见图1。

表2 正交试验结果
Table 2 Results of orthonormal experiment
No.
Factor
A B A B C
Micros tructure
type
M icrostructure proportion
Austenite Eutectic C I
Hardness15 erosion90 erosion
HRC W B A W B A 11111Hypoeutec tic88.711.3-26.120.4 1.7137.6 1.39 21222Hypoeutec tic83.216.8-37.428.8 1.2143.1 1.22 31333Hypoeutec tic59.940.1-56.229.2 1.1950.4 1.04 42123Hypoeutec tic30.569.5-58.118.0 1.9037.4 1.40 52231Eutectic-100.0-59.015.2 2.2942.2 1.24 62312Hyper-eutectic-85.314.760.114.1 2.4726.9 1.95 73132Hypoeutec tic42.657.4-57.926.0 1.3458.10.90 83213Hyper-eutectic-94.9 5.160.410.4 3.2220.8 2.52 93321Hyper-eutectic-64.135.960.223.6 1.4746.6 1.12
Note:Losing weights(W
A )of hi gh manganese s teel sample are34.8mg at15 erosion and52.4mg at90 erosion.
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(a)No.2(Cr15.4%,C2.6%,M o1.5%)(b )No.5(Cr20.5%,C3.3%
)
(c)No.8(Cr24.5%,C3.5%,M o2.5%)(d )No.9(Cr24.8%,C3.8%
)
图1 典型堆焊层组织 400
Fig.1 Microstructures of typical surfacing deposits
2.2 堆焊层组织对硬度的影响
由正交试验结果可知,堆焊层组织组成与性能的变化图2 组织与硬度的关系
Fig.2 Relation curve between microstructur es and hardness of sufacing deposits
有一定的规律性。

图2为堆焊层组织与硬度的关系曲线,图中横座标为组织组成,亚共晶段:共晶物+奥氏体(A)=100%,过共晶段:一次碳化物(C I )+共晶物=100%。

可见,堆焊层为亚共晶时,硬度较低。

例如,含88.7%A 的堆焊层硬度仅为HRC26.1。

随着共晶物增多,堆焊层硬度迅速增加,当共晶物达69.5%时,HRC 达58.1。

X 射线衍射分析表明,堆焊层组成相为A+M 7C 3+M 3C,由于共晶物显微硬度高(H m 524~877),而奥氏体显微硬度低(H m 368~451),且共晶物增多时,共晶碳化物尺寸变大,因此,共晶物增多使堆焊层宏观硬度增加。

堆焊层为共晶
及过共晶组织时,相组成均为M 7C 3+M 3C +A,但随着C I 数量增多,C I 尺寸也变大,堆焊层宏观硬度稍有提高。

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2.3 堆焊层组织对耐冲蚀磨损性能的影响
图3为堆焊层组织与相对耐磨性的关系。

可见,15 与90 冲蚀耐磨性变化比较接近。

耐磨性最佳点均出现在含有少量C I 的过共晶堆焊层中,C I 过多时耐冲蚀磨损性能反而下降。

二条曲线对比,90 冲蚀耐磨性低于15
冲蚀耐磨性。

图3 堆焊层组织与相对耐磨性的关系
Fig.3 Relation curves between microstructures and the relative
erosion resistance of surfacing deposits
堆焊层为亚共晶,共晶物较少时,由于初生奥氏体生长时间长,枝晶粗大,奥氏体较软,在15 小角度冲蚀时,磨粒不易于一次性切除磨屑,而使推挤和犁削占重要地位,因此其相对耐磨性稍好。

随着共晶物增多,初生奥氏体变得细小,冲蚀时显微切削占主导地位,耐磨性下降。

堆焊层中共晶物多于奥氏体后,由于硬度在HRC58以上,切削抗力显著增大,耐磨性上升。

当共晶物中共晶碳化物尺寸变大尤其是过共晶组织中出现少量尺寸较小的C I 时,堆焊层耐冲蚀磨损性能显著提高,这与冲蚀磨损理论中硬质相尺寸大于磨粒切削沟槽深度时才能提高材料的抗磨能力的观点是一致的。

初生碳化物数量超过10%以后,C I 粗大,冲蚀时碎裂倾向增大,使堆焊层抗冲蚀磨损能力下降。

而在低应力磨粒磨损条件下,C I 达30%~40%时耐磨性仍很好[12]。

在90 撞击型冲蚀磨损条件下,由于初生奥氏体塑性好,表面磨屑脱落前变形次数多,亚共晶堆焊层随着共晶物的增多耐冲蚀性能稍有下降,在共晶组织数量增加到60%以上后,由于堆焊层硬度高,且共晶物连成一片,有较强的抵抗撞击能力,耐冲蚀性能回升,当堆焊层出现少量细小C I 时,耐冲蚀磨损性能最好。

C I 数量多,尺寸增大后,受磨粒撞击时容易碎裂,使耐磨性迅速下降。

2.4 试验结果平衡分析
根据表2的正交试验结果,采用简便的极差分析法,可以得出如下分析结果。

从三种因素对堆焊层硬度的影响来看,主次因素依次为A,B,C,A B,优组合为A 3B 2C 3。

15 冲蚀时,主次因素为A,A B,B,C,优组合为A 2B 3C 3;90 冲蚀时,主次因素为A B,B,A,C,优组合为A 3B 2C 3。

综合考虑对堆焊层硬度与耐磨性的影响,主次因素依次为高碳铬铁、石墨、钼铁,再考虑焊剂的工艺性及成本,得到最佳配方为A 2B 2C 3,即高碳铬铁400g,石墨50g ,钼铁50g ,加上适量造渣剂、保护剂和粘结剂。

由于此配方在正交表中未出现,故做了验证性试验。

其堆焊层组织、硬度及耐磨性与No.8配方相近。

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3 结 论
采用高合金粘结焊剂配以低碳钢焊丝进行埋弧堆焊获得高铬合金铸铁堆焊层是可行的。

用正交试验法研究堆焊层中奥氏体、共晶物及一次碳化物组织组成对堆焊层硬度、耐冲蚀磨损性能的影响得到如下结论。

(1)改变粘结焊剂中高碳铬铁、石墨、钼铁加入量可以分别获得亚共晶、共晶、过共晶堆焊层。

(2)堆焊层组织与性能有一定规律性。

亚共晶组织中共晶物增多时,堆焊层硬度显著提高,达到共晶及过共晶组织时,堆焊层硬度又稍有增加。

(3)堆焊层为过共晶组织且C I 较少时,15 及90 冲蚀相对耐磨性均达到峰值,为高锰钢的2.5倍以上,组织为亚共晶或含有较多C I 的过共晶时,耐冲蚀磨损性能下降。

(4)粘结焊剂中影响堆焊层组织与性能的合金剂主次顺序为高碳铬铁、石墨、钼铁,试验得到了堆焊层性能良好的最佳粘结焊剂配方。

(1998-10-13收到初稿,1999-03-24收到修改稿)
参 考 文 献
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130 焊 接 学 报20卷
Influence of Structures of High -Cr White Iron
Surfacing Deposits on Erosion Resistance Ren Zhen an ,Xuan Zhaozhi,Liu Haijun
(J ilin University o f Technology )Song Guotai ,Yang Jian (Jilin Academy o f Power Science)
Abstract In this paper,the orthonormal experiment is applied to study the influence of chromium -iron,graphite and molybdenum -iron in the bonded flux on the microstructures and properties of the submerged arc surfacing deposits.Furthermore the effect of the microstructures of the surfacing depositon the hard -ness and the erosion resistance is summarized.When the microstructures of the deposits are hypoeutectic,the hardness and the erosion resistance of the deposits are low.Those of the eutectic deposits are high.Those of and the hyper -eutectic deposits with a small amount of C I are highest.Excessive C I will decrease the properties of the deposits.Finally the favorable directions for producing the bonded flux are obtained.Key words high-chromium white iron,surfacing deposit,erosion
作者简介 任振安,45岁,男,博士,副教授。

现在吉林工业大学焊接教研室任教。

主要从事灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁焊接冶金及焊接新材料研究。

1994年博士毕业后,在材料表面冶金强化领域开展了研究工作。

发表科研论文10余篇。

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