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一种新型耐磨耐蚀抗裂药芯焊丝
双击自动滚屏 发布者:chianweld 发布时间:6/26/2007 阅读:3638

 

 

 

一种新型耐磨耐蚀抗裂药芯焊丝

 

 

张清辉1,肖逸锋1,汪中玮2

 

1.湘潭大学 机械工程学院,湖南 湘潭 4111052.株洲硬质合金集团有限公司,湖南 株洲 412000

 

 

摘要:在具有优良耐磨性的高铬铸铁材料和具有优良抗氧化抗腐蚀性的高铬铁素体不锈钢材料之间,研究一种新型含硼、铌的耐磨、耐蚀、抗裂性优良的堆焊用药芯焊丝。采用该焊丝堆焊后,熔敷金属比高铬铸铁材料有明显好的耐磨性和抗裂性,且具有耐腐蚀性,也降低了焊丝成本。新研制的焊丝可用于既要求耐磨性、抗裂性,同时又要求耐腐蚀性的场合。

关键词:药芯焊丝;耐磨性;耐蚀性;抗裂性

中图分类号:TG422.3       文献标识码:B

 

高铬铸铁是一种优良的耐磨粒磨损材料,但抗裂性很差,而高铬铁素体不锈钢是一种优良的耐高温腐蚀材料,韧性好,但硬度低,不能作为耐磨材料。如何保留它们各自的优点,克服它们的不足,研究一种以耐磨为主,同时耐腐蚀性等综合性能优良的堆焊药芯焊丝是研究的思路。

 

1  合金元素的设计

新设计的药芯焊丝要求耐磨性、耐腐蚀性、抗裂性等综合性能良好,为此要保留高铬铸铁和高铬铁素体不锈钢某些优良性能而改善其不良性能,这样在焊丝的成分方面就有所相同也有所不同,成分的共同点是都含有较高的铬,新设计焊丝的w(Cr)拟在28%左右;不同点在于考虑焊丝的硬度、耐磨性要比高铬铸铁好,特别是焊丝抗裂性要比高铬铸铁好,耐腐蚀性能尽可能和铁素体不锈钢相当,另外要考虑焊丝成本与高铬铸铁相比有所降低,因而就必须加入一些与之不同的合金元素,例如BNbNi等。

1.1 硬度和耐磨性

一般高铬铸铁材料的硬度略高于HRC50,耐磨性较好,但要进一步提高硬度和耐磨性,从试验研究中发现,在诸多合金元素中以B为最佳,硬度将由HRC50左右提高到HRC60以上。

1.2  焊丝的抗裂性

高铬铸铁是一种优良的耐磨材料,但堆焊时极易产生裂纹,即使在堆焊中采取了多种措施,也会产生裂纹。为提高焊丝的抗裂性,宜采用少量多种合金元素合金化,如在焊丝中加入NbNiMoV,稀土硅等元素。需要特别提出的是,上面提到加入B能显著提高堆焊金属的硬度和耐磨性,但是它对堆焊金属的抗裂性影响也是很大的,在加入量不当的情况下,也会显著降低堆焊金属的抗裂性。不过如在加入B的同时加入一定量Nb,抗裂性的下降将得到较大缓解。本研究的焊丝中没有像许多高铬铸铁药芯焊丝一样,为保证堆焊金属中达到铸铁组织的含C量而加入大量石墨粉,而是采用添加大量高碳铬铁来实现的,使堆焊金属w (C)1.5%,这比高铬铸铁中的含C量低一些,但在配方中加入了较多的B,能够起到一部分C的作用。另外,研究发现,在焊丝中也不能加入较多的C,因为C是奥氏体化元素,若过量则不能保证堆焊金属中产生较多的铁素体组织,实际上对抗裂性也不利。

1.3  焊丝的耐腐蚀性

耐磨堆焊是一种表面改性技术,并非用于承力连接制造容器,堆焊金属除耐磨损外,往往还要承受高温氧化和SO2等气体的腐蚀。为了提高耐高温和气体腐蚀性能,焊丝中的w (C)必须保证在28%左右,比许多高铬铸铁药芯焊丝含Cr量高。另外,加入适量Ni可进一步提高耐腐蚀性。

1.4  焊丝成本

作为耐磨损的高铬铸铁材料,除加入足够量的Cr以外,还需加入相对量较多的钼铁、钒铁等,但由于它们的价格相对来说比较昂贵,考虑多元合金强化原则的条件下只需略加一点,并主要以BNb元素替代。这样的合金设计,不仅耐磨、耐蚀等性能好得多,成本也低得多,这是由于硼铁相对于钼铁或钒铁而言价格比较低廉。对于Cr含量的保证,试验中很少添加金属Cr,而尽量以高碳铬铁和微碳铬铁来代替,这种设计在降低成本的同时,也便于调整焊丝的含C量。此外,为加强焊缝脱氧,有利于贵重元素的过渡,试验中还加入了一定量的价格低廉的中碳锰铁。

综上所述,本焊丝配方设计中加入的原材料粉剂是:金属铬、高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、镍粉、钼铁、钒铁、中碳锰铁、稀土硅等。

 

2  试验结果与分析

2.1  焊丝的抗裂性

焊丝的抗裂性是耐磨堆焊药芯焊丝的一个极为重要的指标。

试验采用普通Q235钢材料作试板,规格为200mm×100mm×20mm,对2种焊丝进行试验,在试板中央焊1150mm长的焊道,一般高铬铸铁焊丝的焊道横裂裂57条不等,而本研究焊丝多次重复试验均不产生裂纹。工厂现场施焊时,厂方用原有高铬铸铁焊丝在预热并堆焊过渡层的情况下,仍然开裂严重,而本研究焊丝即使在没有堆焊过渡层的情况下,也没有产生裂纹。这是由于该焊丝与高铬铸铁材料相比,成分和组织均发生了较大改变:在成分上降低C含量,增添NbNiMoV、稀土等多种元素合金化,在组织上不是脆性很大的铸铁组织,而是以铁素体、屈氏体为主,大量碳化物和硼化物弥散分布的组织。

2.2  焊丝的耐磨性试验

焊丝的耐磨性试验在MLS-23型温砂橡胶轮式磨粒磨损试验机上进行。试验用本研究焊丝与高铬铸铁焊丝进行对比,采用ф4mm药芯焊丝,在普通材料试板上同样堆焊2层,冷却后,用线切割机各切取试样3块,试样规格为57mm×25.5mm×6mm(试验面应在第3层焊道上),试验面用磨床磨平。试验机的橡胶轮直径为178mm,硬度为60(邵尔硬度),所加砝码质量为2.5kg,橡胶轮转速为240r/min,砂浆比例为1500g广东新会县石英砂配1000g自来水。通过将3块试样的平均磨损量进行比较,可知耐磨性的好坏,显然,磨损量小的耐磨性好。其耐磨性数据见表1

1  耐磨性试验数据

 

 

磨损前质量/g

磨损后质量/g

绝对磨损量/g

平均磨损量/g

高铬铸铁焊丝

1

63.8078

63.7600

0.0478

0.0548

2

63.8602

63.7906

0.0696

3

62.8574

62.8104

0.0470

本研究焊丝

1

64.1414

64.1104

0.0301

0.0301

2

64.3024

64.2733

0.0291

3

63.2376

63.2075

0.0301

从表1中的试验数据可知,

 

              高铬铸铁焊丝试样平均磨损量      0.0548

            ───────────────  ───── ≈ 1.82

               本研究焊丝试样平均磨损量       0.0301

 

由此可见,本研究焊丝的耐磨性为某高铬铸铁焊丝耐性的1.82倍,其耐磨性有较大改善,这是由于焊丝中加入了B,在堆焊金属中形成了多种硼化物。从结果来看,它对焊丝的硬度和耐磨性起了主要作用。另外焊丝中也加入了多种合金元素,形成了多种碳化物,特别是Nb对焊丝的硬度和耐磨性的影响也较大。

2.3  高温抗氧化抗硫化试验

由于条件所限,实际工作情况也较复杂,研究过程中仅简单地进行了如下试验。试板为3块,分别为45钢、表面堆焊一般高铬铸铁材料和表面堆焊本研究药芯焊丝。试板规格为100mm×60mm,将3块试板放入900℃的高温炉中,与此同时在炉中放入硫磺5g,保温4h,随炉冷至室温,再在试验面上收集氧化硫化物,3块试样上的氧化硫化物分别为2.80.50g。由此可知,45钢在此条件下氧化严重,高铬铸铁材料次之,本研究焊丝基本收集不到氧化物,说明本试验设计研制的高铬、增镍、降碳的药芯焊丝有较好的高温抗氧化硫化腐蚀性能。

2.4  堆焊金属的组织分析

本研究焊丝堆焊金属的金相组织照片如图1所示。由图可见,堆焊金属的组织细小均匀,通过测试显微硬度等手段初步估计其组织为铁素体、屈氏体以及多量的碳化物和硼化物,用Leica金相显微分析软件测得铁素体占46%。该组织组成复杂,晶粒得到了细化,已经不同于脆性很大的铸铁组织。这种以铁素体、屈氏体为主,并且大量碳化物和硼化物弥散分布的组织,保证了其良好的抗裂性和耐磨性。

 

3  结论

1)本研究药芯焊丝是综合高铬铸铁材料和高铬铁素体不锈钢材料的优势研制的一种新型药芯焊丝,可用于要求耐磨同时要求抗腐蚀、抗裂场合的堆焊。

2)本研究焊丝具有良好的耐磨性,优于一般的高铬铸铁材料。

3)本研究焊丝有良好的抗裂性,克服了高铬铸铁材料堆焊时极易开裂的致使弱点。

4BNbNi、稀土硅是改善本焊丝性能的主要元素,在现时条件下是性价比最高的元素,有利于提高焊丝性能而降低焊丝成本,这对耐磨堆焊材料的研究开发有较大的现实意义。

 

参考文献:

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⑸ 陈长江,姜幼卿  药芯焊丝CO2单面角焊背成形工艺〔J.焊接 ,200549(5)34-35

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⑻ 张清辉,肖逸峰  耐磨性和机加工性优良的药芯焊丝〔J.中国机械工程,200314(21)1874-1876

 
 
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