試驗與研究

高碳高鉻堆焊焊條的研制及其堆焊合金顯微組織分析*

王廣山,霍仁杰

(遼寧軌道交通職業學院 機械工程系,沈陽 110023)

摘 要:為了研制具有優良耐磨性能和硬度的高強鋼耐磨堆焊焊條,設計了焊條藥皮的配方,選用了焊條藥皮的渣系,分析了藥皮成分對焊接飛濺的影響規律。對研制的堆焊焊條(Fe-Cr-C、Fe-Cr-C-Nb)進行了焊接試驗。試驗結果表明,焊條藥皮元素顯著影響堆焊熔敷合金焊縫的氣孔、飛濺等性能指標。顯微組織分析表明,碳含量及鉻-碳比對耐磨合金的碳化物方向、密度等分布狀態起到決定性影響,隨著其含量的增加,碳化物趨向垂直于堆焊層表面方向分布,合金的顯微硬度和耐磨性不斷提高,硬度最高值達到63HRC,相對磨損率為0.05;Nb 元素的增加對顯微硬度影響不大,但能使碳化物得以細化,分布更均勻,可以顯著改善合金的耐磨性。

關鍵詞:焊接;堆焊焊條;工藝性能;顯微組織;碳化物

0 引 言

高鉻合金以其優良的耐磨性和洛氏硬度而廣泛應用于水輪機葉片、高壓泵零件、掘進機盤形滾刀、破碎機滾筒等機械零件中[1-7]。采礦、電力和冶金工業的立磨、輥壓機、耐磨板同樣對材料的耐磨性提出了較高的要求[8-9]。在長期使用過程中,這些零件主要承受低應力磨粒磨損,使得金屬表面形成犁溝,反復磨損導致金屬表面塑性變形,進而斷裂,并最終失效。

國內外學者對堆焊合金的開發做了大量研究,BORLE S D 等[10]通過埋弧焊工藝研究了交流電波形對堆焊層碳化物微結構的影響;CORREA E O 等[11]認為Fe-Cr-C-Nb 系堆焊合金適合整修經過磨粒嚴重磨損部件,并提高其使用壽命;馬超等[12]采用藥芯焊絲埋弧焊方法研究了碳化物數量、形態、大小等對堆焊層耐磨性的影響。由此可見,堆焊合金組織性能受焊接方法及材料的影響較大。

為了研究提高零件表面硬度、增大耐磨性。進而延長其使用壽命的方法,開發研制了高碳高鉻堆焊焊條。目前使用的最重要的堆焊材料是焊條和焊絲,而堆焊焊條以其方便實現全位置堆焊而獲得廣泛應用。本研究通過探究高碳高鉻堆焊焊條的成分對熔敷金屬耐磨性、洛氏硬度等性能的影響,分析碳化物對微觀組織的影響及其耐磨機理,得到優良的堆焊性能,從而為高碳高鉻堆焊焊條的研究提供參考。

1 焊條設計思路

1.1 藥皮保護效果

焊條藥皮配方設計的首要問題是如何通過焊條藥皮熔化后產生的籠罩電弧和熔池的氣體、焊縫冷卻時覆蓋在焊縫表面的熔渣作用,減少產生氣孔的可能性。焊接氣孔主要存在兩種來源:①CO 氣體在液態金屬冷卻過程中來不及逸出;②空氣中的氣體入侵,阻礙了CO 的快速溢出,導致CO 受到氧化反應形成CO2 從而形成CO、CO2、N2 混合氣孔。焊條藥皮的保護作用主要有3 個階段:①熔滴形成階段的藥皮成分影響先期脫氧效果;②熔滴過渡階段藥皮成分影響電弧吹力與熔滴重力之間的熱力平衡[13];③液態金屬形成過程中,其流動性、熔池形狀受到藥皮成分的影響。而先期脫氧對于焊縫的保護至關重要。加熱干的藥皮套筒,藥皮中CaCO3 等物質受熱分解生成CO2 氣體,其中一部分受到基體材料的脫氧作用發生還原反應生成CO 氣體,大部分在熔融金屬凝固之前逸出;殘留的CO 氣體存在兩條途徑,一種是以CO 形式殘留在焊縫內部,另一種是在高溫下發生氧化反應生成殘留的CO2 氣體。試驗表明,隨著加熱時間的延長,通過測定藥皮先期脫氧裝置吸收到的含量可以看出,殘留的CO2 與CO 比例顯著降低。這表明,基體材料對氣體的還原反應作用顯著影響了熔池內部氣體的組成。因此,控制熔滴過渡過程中熔融金屬長大(還未完成熔滴過渡)的時間有助于改善焊縫中的氧含量。較低的氧含量需要降低脫氧劑的含量以及 CaCO3、CaF2 的比例,由此可見,藥皮中脫氧劑的含量及比例都與焊接藥皮的保護效果息息相關。但是過低的CaCO3 會降低藥皮的熔點,從而加快藥皮的熔化速度,最終導致藥皮與焊芯的同步熔化難以控制,反而降低了焊接藥皮的保護效果和工藝性能。試驗表明,15%的CaCO3 能夠獲得較好的保護效果。

藥皮中B 元素的添加是提高藥皮保護作用、改善焊縫耐磨性能的另一個關鍵因素,熔池中B元素的加入改變了合金中碳化物的形狀,從而改善了堆焊層的耐磨性。本試驗向藥皮中添加B2O3進行合金成分的過渡,含量為3.8%。

1.2 焊條藥皮渣系的選用

本研究藥皮渣系選用CaCO3+CaF2+SiO2,合金系為BaF2-Al-Mg 系,同時加入適當的碳酸鹽及氟化物,以此來改進熔渣的理化性能。

藥皮中的Al 是重要的脫氧元素,在熔滴過渡完成后,熔敷金屬中的這些元素首先發生氧化還原反應生成氧化物,達到了脫氧的效果。這一脫氧過程的氧化產物形成焊渣,添加元素含量對熔渣覆蓋性、脫渣性等工藝性能的影響十分顯著。適當提高Al 含量,能改善焊縫的工藝性能。

1.3 藥皮成分對焊接飛濺的影響

焊接飛濺主要是由電爆炸和氣體爆炸兩種機理引起的。選用適當的焊接工藝能夠將電爆炸引起的飛濺控制在一個恒定的范圍內,那么如何通過控制藥皮含量控制氣體爆炸引起的飛濺是需要著重考慮的。藥皮中不同成分的物質含量對飛濺的影響見表1。

由表 1 可見,當碳酸鹽/脫氧劑的比例為4∶1 時,飛濺非常大,并且隨著電流的增大而增大,此時藥皮基本不脫氧,可以認為是氣體爆炸和電爆炸的混合作用導致的飛濺;降低這一比例至 3∶2 時,飛濺有所減小,電爆炸的比例減小;降到2∶3 時,飛濺的比例基本不隨著電流的改變而改變,此時可以認為是深度脫氧,氣體爆炸不再是飛濺產生的主要原因。試驗結果表明,碳酸鹽與脫氧劑含量比為2∶3 時,焊接飛濺較小,藥皮保護效果更好。

表1 不同氧化成分藥皮對飛濺的影響

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2 試樣制備與試驗方法

2.1 堆焊合金的制備

對所研制的不同化學成分(Fe-Cr-C,Fe-Cr-C-Nb)的堆焊焊條進行焊接試驗,焊條直徑為 4 mm,焊接速度為 170 mm/min,焊接電流130~200 A;根據成分不同進行編號,分別為1#、2#、3#和 4#。考察碳含量、鉻-碳比、Nb 元素對碳化物微觀組織及性能的影響。對堆焊層橫截面進行取樣,取樣尺寸為10 mm×10 mm。

2.2 微觀組織試驗

金相試樣磨平、拋光后,采用王水(硝酸5 mL、鹽酸15 mL),并配合 5.5%的三氯化鐵水溶液進行腐蝕。然后,依次用水和酒精溶液洗凈烘干,用JSM-6360 場發射掃描電子顯微鏡觀察試樣的微觀組織。

2.3 洛氏硬度試驗

根據GB 2654—2008 規定,對堆焊合金進行洛氏硬度試驗。采用HR-150A 型洛氏硬度計,加載力為150 kg,加載時間為15 s,對堆焊合金表面至少3 個分散的點進行檢測。

2.4 耐磨性試驗

耐磨性試驗采用MLS-23 型濕砂橡膠輪式磨損試驗機,橡膠輪直徑為180 mm,橡膠輪邵爾硬度為HS60,載荷為100 N,轉速為 240 r/min,磨料為50~65 目的石英砂,石英砂與水的質量配比為 3∶2。試驗經過預磨、洗凈、烘干,稱量初始質量、絕對損失質量,最終得到相對磨損率指標。

3 試驗結果與分析

3.1 碳含量及鉻-碳比對堆焊合金組織的影響

對于高碳高鉻堆焊合金,碳含量及鉻-碳比的變化顯著影響著產生的碳化物的分布、尺寸、性質及碳化物間距,從而影響堆焊層的硬度及耐磨性。堆焊層的化學成分及鉻-碳比見表2,高碳高鉻堆焊合金橫截面的微觀組織如圖1 所示。

表2 高碳高鉻堆焊層的化學成分及鉻-碳比

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由表2 和圖1 可知,w(C)為 4.3%~4.7%的堆焊合金組織是由基體組織(黑色)和碳化物(白色)組成。分布于基體上的初生碳化物M7C3 為柱狀碳化物,橫截面呈六角形,是堆焊合金中的主要硬質相。

圖1 中,1# 試樣的 w(C)為 4.3%,鉻-碳比為6.05 時,長方形和六角形的碳化物均有所分布,六角形碳化物分布范圍更廣泛,表明這種硬質相(M7C3)既有平行于堆焊層表面的方向分布,又有垂直于堆焊層表面的方向分布,分布狀態不統一(見圖1(a));控制碳含量不變,減小鉻-碳比至 5.58(見圖1(b)),2# 試樣中垂直于堆焊層表面方向分布的碳化物的密度有所增加,且存在定向分布的趨勢;提高w(C)至4.5%,維持鉻含量不變,減小鉻-碳比至5.33,同時加入 0.8%的金屬 Nb(見如圖1(c)),白色碳化物全部為長方形,表明碳化物幾乎全部垂直于堆焊層表面方向分布,碳化物密度顯著提高,碳化物呈現顯著的定向分布狀態;進一步提高w(C)至4.7%,維持鉻含量不變,減小鉻-碳比至 5.11,同時加入 1.2%的金屬Nb(見如圖1(d)),與圖1(c)相比,碳化物更細小,碳化物之間的間距更小,碳化物的分布更均勻,但碳化物的分布方向、密度、尺寸沒有明顯變化。

圖1 高碳高鉻堆焊合金橫截面的微觀組織

圖1 中不同碳含量及鉻-碳比的碳化物顯微組織分析結果表明,隨著碳含量的提高,碳化物的形貌和分布發生了顯著變化,這兩個因素也是決定堆焊合金硬度和耐磨性的重要因素。從微觀上看,碳含量越充足,碳化物以聯生結晶生長的優勢越顯著[14],其生長方向垂直于焊接接頭的等溫線,而由于焊接過程的特殊性,等溫線隨著焊縫散熱方向的分布而分布,這也就是橫截面微觀組織沿著垂直于堆焊層表面分布的碳化物數量越來越多,分布密度逐漸增大的原因。在適當范圍內,隨著碳含量的提高,鉻-碳比開始下降,對合金硬度和耐磨性貢獻較大的硬質相大量分布。國內外研究表明[15],在碳化物種類、數量、分布密度保持恒定的條件下,垂直于磨損面定向分布的碳化物對合金的耐磨性貢獻最大,因此,提高碳含量和降低鉻-碳比是提高合金耐磨性的重要途徑,從而成為焊條成分選擇、合金元素配比的重要依據。

3.2 Nb元素對堆焊合金組織的影響

影響碳化物分布方向的是碳含量及鉻-碳比,而影響其尺寸的因素與金屬Nb 元素的添加有關(見圖1),不含 Nb 的合金,碳化物尺寸以及碳化物之間的間距較大,而加入一定量的Nb 元素使得碳化物的尺寸減小,間距也減小。使用 Nano Measure 軟件,對圖1(d)中的碳化物進行測量可知,六角形平均直徑為14.84 μm,柱狀碳化物長度平均值為87.78 μm,具有固定分布取向的碳化物間距的平均值為12.47 μm。分析結果表明,Nb 元素通過細化晶粒的方式使得碳化物尺寸更小,分布更加均勻;另一方面Nb 易與C 元素在冶金反應中形成碳化物,與Cr 元素形成復雜碳化物,從而起到沉淀強化的作用,釘扎在晶界增大位錯滑移阻力,強度、韌性耐磨性均有所增強,從而提高了合金的綜合性能。圖1(c)和圖1(d)組織中由于 Nb元素的添加,就不會產生圖1(a)和圖1(b)中的微裂紋,可見,Nb 元素的添加改善了堆焊合金的焊接性能。

3.3 堆焊合金的性能

圖2 堆焊合金顯微硬度及耐磨性

不同成分焊條焊接形成的堆焊合金的顯微硬度和高應力銷盤試驗的相對磨損率如圖2 所示。由圖2 可知,當碳含量提高、鉻-碳比降低時,合金顯微硬度逐漸提高,分別為56HRC、58HRC、62HRC 和 63HRC,3 試樣和 4 試樣加入了 Nb元素,對顯微硬度的影響并不顯著;相對磨損率減小,且隨著Nb 元素的加入顯著減小,相對磨損率分別為 0.13、0.11、0.07 和 0.05。分析認為,Nb 元素細化了晶粒,使得碳化物分布更加均勻,減小了碳化物的間距,從而使其耐磨性得到增強。由此可見,選用 4 試樣的化學成分制備的焊條綜合性能最佳。

4 結 論

(1)在藥皮中增加一定量的 Al,以便改善BaF2-Al-Mg 藥皮渣系的工藝性能;控制碳酸鹽與脫氧劑質量比例為2∶3,可獲得焊接飛濺小、藥皮保護效果好的焊條藥皮。

(2)碳含量及鉻-碳比對堆焊合金顯微組織碳化物的分布狀態產生影響,隨著碳含量的提高、鉻-碳比的降低,碳化物有垂直于堆焊層表面方向分布的趨勢,改善了合金的顯微硬度及耐磨性;Nb 元素的增加對顯微硬度影響不大,但能使碳化物得以細化,分布更均勻,可以顯著改善合金的耐磨性。因此,提高碳含量、降低鉻-碳比、加入Nb 元素成為制備硬度高、耐磨性好的焊條的重要途徑。

(3)性能試驗表明,堆焊合金達到的顯微硬度最高值為63HRC,相對磨損率為0.05。

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Development of High-carbon and High-chromium Hardfacing Electrode and Microstructure Analysis of the Hardfacing Alloy

WANG Guangshan, HUO Renjie
(Department of Mechanical Engineering, Guidaojiaotong Polytechnic Institute, Shenyang 110023, China)

Abstract: In order to develop the wear-resistant surfacing electrode of the high strength steel with good wear-resistant properties, the formulation of the electrode coating was designed, the slag system of the electrode coating was selected, and the influencing rules of the coating composition on welding spatter was analyzed.The welding test of the surfacing electrode(Fe-Cr-C,Fe-Cr-C-Nb) was carried out.The results show that the element of the electrode coating has a significant effect on the weld porosity and spatter.Microstructure analysis shows that carbon content and chrome-carbon ratio play a decisive role in the distribution of carbide direction and density of the wear-resistant alloy.With the increase of the content, the carbide tends to be distributed perpendicular to the surface of the surfacing layer, and the micro-hardness and wear resistance of the alloy improve gradually.The maximum hardness reaches 63HRC, and the relative wear rate is 0.05.The increase of the element Nb has little influence on the micro-hardness, but it can make the carbide refined and distributed more evenly to improve the wear resistance of the alloy.

Key words: welding; surfacing electrode; technical properties; microstructure; carbide

中圖分類號:TG422.1

文獻標識碼:A

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2019.8.003

*基金項目:遼寧省教育廳科學研究一般項目(項目編號L2014558)。

作者簡介:王廣山(1979—),男,河南南陽人,博士,講師,主要從事材料加工方面的科研和教學工作。

收稿日期:2019-01-23

編輯:謝淑霞

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