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1、T E C H N O L O G YH o t Wo r k i n gT e c h n o l o g y 2 0 0 5N o . 1 2 堆焊是为了增大或恢复零部件尺寸或使焊件表面 获得具有特殊性能的合金层而进行的焊接,是一种重 要的减少磨损的方法 1 ,2 。采用堆焊方法在韧性良好的 钢基体上堆焊高铬铸铁耐磨层,既可以保证结构的强 度与韧性,又可以保证表面耐磨粒磨损性,在矿山机 械、 建筑机械等领域具有广泛的应用。 D 9 3 8是一种待发展的高铬铸铁堆焊焊条, 其堆焊 层金属硬度高、 耐磨性好, 推广应用价值高; 但由于该 焊条熔敷金属碳和合金元素含量较高,焊缝金属为熔 点较低的
2、高铬合金铸铁, 焊缝成型不易控制。 若焊接工 艺选择不当,焊接过程中易产生熔合不良及裂纹等缺 陷。因此, 对D 9 3 8堆焊工艺及机理进行研究, 找出该 类高铬耐磨铸铁焊条的施焊要点、堆焊金属组织及性 能等规律, 可为广大焊接工作者提供必要的参考。 1 D 9 3 8焊条的特点 D 9 3 8是石墨型药皮的强化型高铬铸铁堆焊焊条, 交直流两用。堆焊层硬度6 0 H R C, 其熔敷金属化学 成分 ( 质量分数,%)为:3 . 0 4 . 5 C , 2 6 . 0 3 4 . 0 C r , S i 2 . 5 0 , 2 . 0 3 . 0 Mo , Mn 1 . 5 0 ,其他3 . 0
3、。 2试验方法及过程 堆焊试验在Q 2 3 5基体上进行,试板尺寸为2 5 0 m m 2 0 0 m m 1 5 m m。焊前严格清理试件, 去除基体表 面的铁锈、油脂等污染物,并将试件预热到3 0 0 3 5 0 。选用!4 m m焊条, 预热规范:3 5 0 1 h。使用 Z X 7 - 4 0 0 B逆变式弧焊机, 直流电源反极性连接, 试验 共堆焊三层。 焊接要点: (1) 尽量采用短弧焊接。 施焊第 一层时,焊接电流为1 7 0A,以后各层焊接电流为 1 5 0 1 6 0 A。上下层焊缝方向呈十字形交叉, 以避免使 用过程中产生裂纹贯穿工件。 (2) 第一层在保证熔合良 好的前提
4、下, 可适当加快速度, 焊层厚度3 m m, 以防 止堆焊金属被过渡稀释。(3) 焊条摆动不宜过宽、 频率 不宜过快, 焊缝宽度控制在6 8 m m, 焊条与工件的夹 角与倾角均保持在7 0 8 0 。后一道焊道覆盖前一层 焊道的1 / 3 1 / 2。(4) 层间温度控制在3 0 0 3 5 0 , 焊 后随炉冷却(3 0 0 #室温) 。 在焊道中部切取金相及硬度试样以进行金相分析 及硬度测定。金相试样制备采用二步法: 先用1 0 %的 铬酸酐水溶液电解腐蚀出堆焊层组织,然后用4 %的 硝酸酒精溶液腐蚀出母材组织。试样观察在O L Y M- P U S金相显微镜下进行。试件堆焊表面经机加工
5、打磨 后,用H R A - 1 5 0型洛氏硬度测定堆焊层宏观硬度, 在 堆焊层表面及堆焊层横截面中部各测三点取平均值; 用H V S - 1 0 0 0型显微硬度计测试微区组织硬度。并用 D / m a x - Y A转靶X射线衍射仪测定堆焊层的相组成。 3试验结果及分析 3 . 1堆焊金属的显微结构 D 9 3 8焊条在低碳钢母材表面多道、多层堆焊时, 高铬铸铁堆焊工艺试验研究 王艳 1, 代海君 2 ( 1 .西华大学 材料学院,四川 成都6 1 0 0 3 9 ; 2 .成工工程机械股份有限公司,四川 成都6 1 0 1 1 0 ) 摘要:D 9 3 8是一种待发展的强化型高铬铸铁堆焊
6、焊条, 但其焊接工艺性差。在Q 2 3 5母材上对D 9 3 8堆焊工艺、 堆焊层 组织、 硬度进行了试验研究, 结果表明:选择合适的焊接电流, 严格控制层温在3 0 0 3 5 0 , 短弧焊接, 预热并缓冷, 可得到抗 磨且抗裂的堆焊层, 满足磨粒磨损工况的需要。 关键词: 高铬铸铁; 堆焊工艺;硬度; 金相组织 中图分类号:T G 4 5 5文献标识码:A !文章编号:1 0 0 1 - 3 8 1 4 ( 2 0 0 5 ) 1 2 - 0 0 4 0 - 0 2 R e s e a r c ho n O v e r l a y i n g We l d i n g P r o c e
7、 d u r e o f H i g h C h r o mi u mC a s t I r o n E l e c t r o d e WA N GY a n 1 , D A I H a i - j u n 2 ( 1 . C o l l e g e o f M a t e r i a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , X i h u a U n i v e r s i t y , C h e n g d u 6 1 0 0 3 9,C h i n a ; 2 . C h e n g g o n g E n g i n e e r i
8、 n g - m a c h i n e S t o c k C o . L t d . C h e n g d u6 1 0 1 1 0,C h i n a ) A b s t r a c t:D 9 3 8i san e wt y p es t r e n g t h e n e ds u r f a c i n ge l e c t r o d e, b u t t h ew e l d a b i l i t yi s n t g o o d. O v e r l a y i n gw e l d i n gp r o c e d u r e e x p e r i m e n t w
9、 i t hQ 2 3 5a s b a s e m e t a l w a s c o n d u c t e da s w e l l a s t h e m i c r o s t r u c t u r e a n dh a r d n e s s o f p a d d i n gl a y e r w a s t e s t e d . T h e r e s u l t s s h o wt h a t h i g h r e s i s t a n c e t o w e a r a n d c r a c k c a n b e a t t a i n e d w i t h
10、 s u c h w e l d i n g c o n d i t i o n s a s a p p r o p r i a t e w e l d i n g c u r r e n t , t h e i n t e r b e d d e d t e m p e r a t u r e o f 3 0 0 3 5 0 , s h o r t a r c , p r e h e a t i n g a n d s l o wc o o l i n g a n dp a d d i n g l a y e r s u i t s t h e c o n d i t i o n o f a
11、 b r a s i v e w e a r . K e y w o r d s:h i g h c h r o m i u mc a s t i r o n ; o v e r l a y i n g w e l d i n g p r o c e d u r e ; h a r d n e s s ; m i c r o s t r u c t u r e 收稿日期:2 0 0 5 - 0 7 - 2 6 作者简介: 王艳( 1 9 7 0 - ) ,女,四川资阳人,讲师,硕士,主要从事焊接材料、 焊 接工艺研究;电话:0 2 8 - 8 1 8 5 2 1 3 9; E - m a i
12、l:w a n g y a n g 7 8 8 1 6 3 . c o m 4 0 热加工工艺2 0 0 5年第1 2期工艺技术 从母材熔合线到堆焊表层,由于母材的稀释作用堆焊 层基体组织依次为亚共晶!共晶!过共晶组织。试样 在显微镜下观察,整个焊缝和熔合区附近没有产生微 裂纹, 焊缝组织以母材的晶粒作为形核基底, 以联生方 式进行结晶, 并且沿传热最快方向择优生长, 形成柱状 晶形态。图1(a) 清楚地显示了近母材表面的显微结 构, 呈现共晶碳化物十马氏体十残余奥氏体的亚(近) 共晶组织, 整个熔合区的冶金结合状况良好, 这对整个 堆焊接头的性能将十分有利。在堆焊层断面上部1 / 3 区域中
13、出现过共晶组织,过共晶组织的基体中马氏体 有所减少,残余奥氏体相应增加。基体上分布有大量 的块状初生碳化物, 见图1(b) 。碳化物尺寸则随距母 材表面距离的增加而逐渐增大直至稳定。X射线衍射 分析表明: 堆焊层相组成为 + M7C 3+ M3C + ( 少量), 其中 合金碳化物以M7C 3型为主。作为抗磨粒磨损材料, 碳 化物是堆焊层中的抗磨骨架相,赋予堆焊金属较高的 硬度, 而基体组织马氏体具有较高的屈服强度, 有助于 碳化物抵抗显微范围内的机械应力,奥氏体组织的塑 性和应变能储积释放率高, 裂纹在奥氏体中扩展困难, 有使裂纹钝化、 阻止裂纹穿过基体而扩展的作用 3 。因 此, 该堆焊金
14、属组织具有较好的抗磨性与抗断裂性。 3 . 2堆焊金属的硬度 在堆焊层表面及横截面中部进行宏观硬度测试, 得 到堆焊层表面平均硬度为6 1 . 8 H R C, 堆焊层横截面中部 平均硬度为6 2 . 4 H R C。在堆焊接头截面, 从堆焊层向母 材逐点测试显微硬度, 结果见图2。 堆焊截面的 维氏 硬度呈现一个由小到 大逐渐稳定的变化规 律, 但堆焊表层硬度略 低。由母材熔合线至堆 焊近表层,共晶物、 初 生碳化物逐渐增多直 至稳定, 碳化物M7C 3具 有较高的硬度( 1 2 0 0 1 6 0 0 H V ), 共晶物显微硬度也较 高( 5 2 4 8 7 7 H V ) 4 , 且共
15、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硬度增加。随着初生 碳化物数量增多,其尺寸也变大,堆焊层硬度稍有提 高。 整个堆焊截面均由马氏体、奥氏体基体和碳化物 组成,然而堆焊过程中因后层熔融金属使前面已凝固 金属再次受热, 甚至部分重新熔化, 导致该区域部分过 饱和碳及铬以碳化物的形式从富铬奥氏体中析出, 即 产生“ 直接” 二次硬化现象, 其结果是堆焊层硬度增加。 相反, 堆焊表层金属因无二次热的影响, 故其H R C值 和H V值略低。 3 . 3堆焊工艺的影响分析 尽量保证电弧的稳定, 使堆焊合金层质量均匀, 是 制定该堆焊工艺的要点之一。本试验通过限制焊接工 艺参
16、数、 运条方式、 弧长、 电源极性等控制熔深以达到 降低稀释率、 稳定成分的目的。试验堆焊第一层时, 焊 接电流为1 7 0 A, 其目的是提高电弧功率, 有助于焊缝 与基体材料Q 2 3 5之间良好熔合。随工件温度升高应 将电流降到1 6 0 A或更低, 以避免合金元素过多烧损。 采用短弧焊接, 可高电弧力度及集中热量, 减少合金元 素的烧损并有助于焊缝成型。D 9 3 8焊条可以交直两 用, 但在条件允许的情况下应采用直流反接。 因为直流 电源的电弧稳定好, 而反接熔深浅, 稀释率低。 防止堆焊层金属开裂是制定本焊接工艺的一个出 发点。 因为D 9 3 8堆焊金属的硬度高、塑性低。母材 Q
17、 2 3 5与堆焊金属的线膨胀系数相差较大, 在焊接热循 环的作用下形成较大的内应力,易使堆焊层金属在焊 后的冷却过程中开裂。本试验避免堆焊金属开裂的工 艺方法是:提高预热温度,控制层温,焊后保温 缓冷。 其中层间温度的控制十分关键, 堆焊过程中层温 控制在3 0 0 3 5 0 , 层温过高将造成合金元素的过度 烧损, 热应力集中, 增大裂纹倾向, 过低则熔合不良。 4结论 (1)D 9 3 8强化型高铬铸铁堆焊焊条焊接工艺严 格。采用本文所述的试验工艺在Q 2 3 5基体上进行堆 焊, 堆焊层与基体间熔合良好, 堆焊金属性能稳定。 (2)堆焊层在马氏体、奥氏体基体上分布有大量 的合金碳化物
18、硬质相,其组织构成具有优异的耐磨粒 磨损性与抗裂性。 (3) 堆焊截面中部平均硬度为6 2 . 4 H R C, 表面平 均硬度为6 1 . 8 H R C, 与维氏硬度分布一致。堆焊层坚 硬耐磨, 满足硬度6 0 H R C的性能要求。 参考文献: 1 夏明生, 徐道荣, 秦琳, 等.F e 3A l基合金的堆焊工艺试验研究 J .热加工工艺,2 0 0 4,( 1 ) : 3 6 - 3 7 . 2 王娟.表面堆焊与热喷涂技术 M .北京: 化学工业出版社,2 0 0 4 . 3 郝石坚.高铬耐磨铸铁 M .北京: 煤炭工业出版社, 1 9 8 8 . 4 任振安, 宣兆志, 刘海军, 等.高铬铸铁堆焊层组织对冲蚀磨损性 能的影响 J .焊接学报,1 9 9 9,( 2 ) : 1 2 6 - 1 3 1 . (责编/责校:娄鸿恩) ( a )熔合区(左上部为堆焊层)( b )堆焊层 图1堆焊接头组织 图2堆焊接头截面的硬度分布 4 1