（材料加工工程专业论文）cr3支撑辊局部修复焊接材料和工艺的研究.pdf

摘要 轧辊在恶劣的环境下工作，很容易出现局部失效。如果能采用堆焊的方法 来修复轧辊的局部失效，使其性能达到原来轧辊的性能，那么经济效益肯定会 相当可观。从环保的角度上看，也能很大程度地节约资源，减轻对环境的压力。 c r 3 支撑辊由于其母材碳当量很高，焊接冷裂纹敏感性极高，局部失效后进行 堆焊修复难度很大。由于轧辊通常由铸造或锻造的方法制造，很少有人研究c r 3 的焊接性能。本文根据c r 3 支撑辊的母材特性以及工作条件研究其局部堆焊修 复的堆焊材料，全面地分析了其堆焊工艺。 所设计的堆焊焊条的基本要求是硬度( h r c 5 0 5 5 ) 和抗裂性达到要 求。根据要求以及试验经验设计和制作了五种焊条，所有的焊条均采用m 4 的h 0 8 a 焊芯和低氢型药皮。合金元素主要为c 、c r 、m o 、s i 、m n 。对五种 焊条熔敷金属的抗裂性、化学成分、硬度和耐磨性、回火稳定性、扩散氢 含量等进行了分析，在废旧的c r 3 支撑辊上进行的焊接试验验证了其中一种 焊条的熔敷金属的性能。另外，还采用现场焊接直观分析和汉诺威电弧分析 仪定量分析相结合的方法综合分析了这五种焊条的工艺性能。 c r 3 钢碳当量高，根据传统工艺，局部堆焊修复诸如轧辊的大型工件，一 般要预热到3 0 0 5 0 0 1 2 ，劳动强度很大，并且能耗高，因此降低预热温度很 有必要。在c r 3 支撑辊局部堆焊修复中，出现的裂纹基本都是焊接热影响区的 冷裂纹，因此避免在焊接热影响区出现冷裂纹成了制定堆焊工艺的关键。采用 焊接热模拟来研究堆焊工艺，一共模拟了1 0 种堆焊工艺的焊接热过程。通过对 这些模拟过程的热膨胀曲线、试样金相组织等的分析，研究了焊前预热、焊后 缓冷、延长冷却时间t s 5 与劬、焊后保温这四种因素对焊接热影响区冷裂纹产 生倾向的影响。本文还在废旧的c r 3 支撑辊上对几种热模拟试验结果进行了实 践验证。 结果表明，所设计的焊条至少有三种具有好的熔敷金属性能和工艺性能， 可以满足c r 3 支撑辊局部修复的要求。如果在焊后的冷却过程采取适当的措施 ( 比如缓冷、保温等) ，预热温度降到2 0 0 c 甚至更低是完全可能实现的。因此， 本文成功的设计了可用于c r 3 支撑辊局部堆焊修复的堆焊材料，并对传统的堆 焊工艺进行了优化。 关键词：c r 3 支撑辊，局部修复，堆焊材料，焊接热模拟，焊接工艺 a b s t r a c t r o l l e r sw o r ki np o o rc o n d i t i o n sa n dt h e ya r er a t h e rl i a b l et ob ep a r t i a l l y i n v a l i d a t e d i fb u i l d u pw e l d i n gc a nb eu s e dt or e p a i rt h ep a r t i a li n v a l i d a t i o n , a n d w h a ti sm o r e ，t h ef u n c t i o n a lp e r f o r m a n c eo ft h er e p a i r e dr o l l e r sc a nr e a c ht h e p e r f o r m a n c eo ft h eo r i g i n a lr o l l e r s ，t h e nt h ee c o n o m i cb e n e f i t sc a n b eq u i t e c o n s i d e r a b l e i nt h ev i e wo fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , t h er e s o r r c oc a nb es a v i n g l a r g e l y , a n dt h e p r e s s u r eo ne n v i r o n m e n t w i l lb er e d u c e d t h ec o l dc r a c k s u s c e p t i b i l i t yo fc r 3b a c k u pr o l l e r si se x t r e m e l yh i i g hf o rt h eq u i t eh i g hc a r b o n c o n t e n t , s oi ti sr a t h e rd i f f i c u l tt or e p a i rt h ep a r t i a ld e f e c t sb yb u i l d - u pw e l d i n g b e c a u s er o l l e r sa r eu s u a l l ym a d eb yf o r g i n go rc a s t i n g , t h ew e l d a b i l i t yo f c r 3s t e e li s s e l d o ms t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ep r o p e l 五e so ft h eb a s em e t a la n dt h ew o r k i n g c o n d i t i o n s ，t h eb u i l d - u pw e l d i n gm a t e r i a l sh a sb e e ns t u d i e da n dt h ew e l d i n g p r o c e d u r e sf o rc r 3b a c k - u pr o l l e r sp a r t i a lr e p a i rh a sb e e nc o m p l e t e l ya n a l y z e di n t h i st h e s i s 1 1 1 eb a s i cr e q u e s t so f t h ed e s i g n e de l e c t r o d e sa r et h eh a r d n e s s ( h r c 5 0 5 5 ) a n d t h ec r a c kr e s i s t a n c e f i v ek i n d so f e l e c t r o d ea r ed e s i g n e da n dm a d e , t h ec o r ew i r eo f a l lt h ee l e c t r o d e si sh 0 8 a 0 4 ，a n dt h et y p eo f a l lt h ec o a t i n gi sl o w - h y d r o g e n t h e r e a r ec ，c r , m e ，s ia n dm na st h em a i na l l o ye l e m e n t s 1 1 l ec r a c kr e s i s t a n c e , c o m p o s i t i o n , h a r d a e s sa n dr e s i s t a n c et ow a a - , t e m p e rr e s i s t a n c e ，d i f f u s i b l eh y d r o g e n c o n t e n ta n de t co fd e p o s i t e dm e t a lo ft h e s ef i v ek i n d so fe l e c t r o d eh a v eb e e nt e s t e d a n da n a l y z e d ，a n dt h ep r o p e r t i e so fd e p o s i t e dm e t a lo fo n eo ft h e s ef i v ek i n d so f e l e c t r o d eh a v eb e e nv e r i f i e di nt h ew e l d i n gt r i a lw h i c hh a sb e e nm a d eo na n a b a n d o n e dc r 3b a c k u pm i l e r f u r t h e r m o r e ，am e t h o dw h i c hc o m b i n e st h ei n t u i t i v e a n a l y s i so f s p o tw e l d i n g 、v i mt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f h a v o v e r a n a 【，y s t o r i su s e dt ot e s tt h ew e l d i n gp r o c e s s i n gp r o p e r t i e so f t h e s ef i v ek i n d so f e l e c t r o d e t h ec a r b o nc o n t e n to f c r 3s t e e li sh i g h , a c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a lp r o c e d u r e s , t h ep a r t i a lr e p a i rb yb u i l d - u pw e l d i n go nl a r g ew o r k p i e c e ss u c ha sr o l l e r sa l w a y s n e e d st op r e h e a tt o3 0 0 c 5 0 0 c t h ew o r k i n gc o n d i t i o n sf o rw o r k e r si sp o o ra n d t h ec o n s u m p t i o no fe n c l 】g yi sm u c h , s ol o w e r i n gp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei sv e r y n e c e s s a r y h it h ep a r t i a lr e p a i rf o rt h ec r 3b a c k - u pm i l e r s ，m o s to ft h ec r a c k sa r e c o l dc r a c k sw h i c ha r ei nt h eh e a ta f f e c t e dz o n e ( h a z ) s ot h ek e yt od e t e r m i n e w e l d i n gp r o c e d u r e si st oa v o i dt h ea p p e a r a n c eo ft h ec o l dc r a c k si nh a z w e l d i n g t h e r m a ls i m u l a t i o ni su s e dt os t u d yt h ew e l d i n gp r o c e d u r e s ，1 0w e l d i n gp r o c e d u r e s a r es i m u l a t e d b a s e do na n a l y z i n gt h ed i l a t o m e t r i cc u r v e s ，m e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r e s o f t e s ts a m p l e so f t h e s es i m u l a t i o np r o c e d u r e s ，f o u rf a c t o r sw h i c hh a v ei n f l u e n c e so n t h et e n d e n c yo f t h ea p p e a r a n c eo f t h ec o l dc r a c k si nh a zh a v eb e e ns t u d i e d ，t h e s e f a c t o r sa r ep r e h e a t i n g , s l o wc o o l i n g ，e x p a n d i n gt h ec o o l i n gt i m e ( t s ，5a n d 劬) ，a n d h e a tp r e s e r v a t i o n v a l i d a t i n gt e s t sh a v eb e e nm a d eo na l la b a n d o n e dc r 3b a c k - u p r o l l e rt om a k es u r et h ec o l t e c t n e s so f t h er e s u l t so f t h ew e l d i n gt h e r m a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t ，a tl e a s tt h r e ek i n d so ft h ed e s i g n e de l e c t r o d eh a v eg o o d d e p o s i t e dm e t a lp r o p e r t i e sa n dw e l d i n gp r o c e s s i n gp r o p e r t i e s ，t h e yc a nf i t f o rt h e r e q u i r e m e n t so ft h ep a r t i a lr e p a i ro fc r 3b a c k l l pr o l l e r i fp r o p e rm e a s u r e s ( s u c h a s s l o wc o o l i n g , h e a tp r e s e r v a t i o na n de t c ) c & nb ea d o p t e di nc o o l i n gp r o c e s s , i ti s p o s s i b l et op u tt h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ed o w nt o2 0 0 co re v e nl o w e r s o ，i nt h i s t h e s i s ，t h ed e s i g no ft h eb u i l d - u pw e l d i n gm a t e r i a l sw h i c hc a nb eu s e dt or e p a i rt h e p a r t i a li n v a l i d a t i o no fc r 3b a c k u pr o l l e r si ss u c c e s s f u l ，a n dt h et r a d i t i o n a lw e l d i n g p r o c e d u r e sh a sb e e no p t i m i z e d k e yw o r d s ：c r 3b a c k - u pr o l l e r , p a r t i a lr e p a i r , b u i l d - u pw e l d i n gm a t e r i a l s ，w e l d i n g l h e r m a ls i m u l a t i o n , w e l d i n gp r o c e d u r e s h 1 此页若属实，请研究生及导师签名，并装订在学位论文的摘要前。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 研究生。：羝至堡醐业、 f f 关于论文使用授权的说明 本人完全r 解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交i = 仑文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可姒公布论文的全部内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：避导师! 签名，：琶选臼期2 业、 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章引言 堆焊是焊接领域中的一个分支，是一种熔焊工艺。堆焊技术在我国 起源于2 0 世纪5 0 年代末，几乎与焊接技术同步发展【i l 。它的目的是借 用焊接手段对金属材料的表面进行厚膜改质，即在零件上堆覆一层或几层具 有希望性能的材料【2 】。堆焊是用于修复的重要方法之一，许多表面缺陷都可以 通过堆焊进行消除，在修复轧辊、模具等部件方面具有重要的应用价值，它 不仅是延长材料或零件服役寿命的工艺方法，而且还成为先进制造技术的发 展基础睁。j 。我国是一个材料消耗大国，采用堆焊的方法来修复受损的机械零 件不仅可以恢复零件原来的尺寸，而且可以进一步提高工作面的性能，这对 于降低生产成本，节约材料提高使用寿命，减少配件消耗意义很大。 钢铁工业是国民经济的重要基础产业，近几年来钢铁产业在中国经济快 速增长的推动下，出现了较快的增长。冶金轧辊是轧钢的主要大型工具，也是 轧机上的主要消耗部件 6 - 4 1 。我国轧辊制造业经过几代科研人员的不懈努力和 几十年的发展和壮大，今天已经成为世界轧辊产量大国，轧辊制造技术和材质 品种方面有很大的发展【9 j 。c r 3 系列轧辊是目前使用量很大的优质轧辊。 轧辊的质量和使用寿命直接关系到轧机的生产效率、产品质量及生产成 本【m 1 2 】。由于轧辊的工作环境恶劣，所以轧辊很容易出现局部失效1 3 】。常见 的轧辊局部缺陷形式有划伤、粘辊、剥落、裂纹等。轧辊出现的局部缺陷多 发生在表层2 5 4 0 m m 厚的淬火层上【1 4 】。这类失效轧辊的尺寸有时远没有达到 满足使用要求的最小临界尺寸，因此如果仅仅由于轧辊的局部失效而导致轧 辊整体报废或者整体堆焊修复，这显然是很浪费的。如果能采用堆焊的方法 来修复轧辊的局部失效，并且使用性能达到原来轧辊的性能，那么将会有很 好的经济价值，对环境造成的负荷也大大减少。因此对轧辊的局部修复技术 研究无论从节约能源、节约资源还是环境保护等方面都具有重要意义 t 4 a 们。 c r 3 系列轧辊母材可焊性极差，加上轧辊工况苛刻，局部堆焊修复难度较 大。课题的目的就是设计堆焊材料，利用堆焊技术对c r 3 支撑辊的局部 失效进行修复，使其能在机加工后达到使用要求，并对堆焊工艺进行探 武汉理工大学硕士学位论文 讨，找出堆焊工艺对修复质量的影响机理，从而优化的堆焊工艺。 1 2 和本课题有关的国内外研究现状 课题主要包括两部分：堆焊材料的研究和堆焊工艺的研究。 1 在堆焊材料研究方面 堆焊材料按使用形式可分为焊丝、焊带、焊条、焊剂等，焊条堆焊适用 于工作量比较小或用其它自动化焊接方法难以处理的场合。堆焊质量依赖焊 工的水平。由于局部修复工作量较小，且灵活性很大，所以采取手工电弧焊 比较合适。 对于手工电弧焊的焊条，国内外已经取得了一些发展。如中国研制出的 成熟产品d 5 0 7 ，d 5 1 7 等、日本的h f 9 5 0 、美国的f a c c w e l d l 2 以及瑞典的 o k e a 6 0 s 掣悖l 。目前，纳米技术也已经开始用于焊接材料的开发。虽然很多 常规的堆焊焊条在硬度方面能满足使用要求，但当h r c 4 0 时，其抗裂性变 差。为防止产生裂纹，一般要求焊前将工件预热3 0 0 以上，这不仅严重恶化 劳动条件，而且还显著提高成本f 1 蚍”。目前，国内外专家学者通过研究，在 研制性能优良的堆焊焊条方面已经积累较多的经验。比如，文献【2 2 】讲述了天 津大学的李午申等老师研制的d s 0 6 n i 焊条具有优良的耐磨、耐蚀、抗裂、耐 热性和工艺性能，室温下不预热焊接不产生裂纹，焊态下可进行机加工。可 显著改善劳动条件，降低工艺成本。可广泛用于工作温度4 5 0 以下受水、蒸 气、石油介质作用的碳钢和低合金钢部件、高、中压阀门密封面和轧辊的表 面堆焊等。文献【2 3 】讲述了两种能用于局部修复白口铸铁轧辊的焊条。文献 2 4 】 报道了将n b t i v r e 复合变质剂加入碱性焊条药皮中，以h 0 8 a 为焊芯压制 舛o m m 焊条，该种焊条可以局部修复9 c r 2 m o 轧辊。文献【2 5 】讲述了权旺林、 张汉谦等人研制出了可用于修复9 c r 2 冷轧辊表面的高强高韧堆焊焊条。d k d w i v e d i l 2 6 1 对f c - 6 c r - 0 7 c 和f c 3 2 c r - 4 5 c 两种铁基堆焊焊条的微观 组织和磨损机理进行了研究。文献 2 7 1 讲述了b a y h a n 和y i l m a z 研制了三种焊 条：e h 6 0 0 、e h - 6 0 0 、e h 1 4 m n ，这三种焊条可以用来堆焊犁头以增加耐磨 性 总体来说，与国外相比，国内堆焊材料品种过少，还不能满足实际生产 的需要。 2 在堆焊工艺研究方面 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 轧辊局部堆焊修复工艺 轧辊整体堆焊修复已经有较为成熟的工艺，但是对于局部堆焊修复，有 详细报道的相关文献却不是很多。 文献【u 叫s 】等报道了有关白口铸铁轧辊缺陷的补焊的研究，该研究可以实 现在白口铸铁轧辊上进行冷焊修复局部缺陷。任登义、张元彬等i 。5 , 2 4 , 2 8 】在 9 c r 2 m o 钢轧辊的局部堆焊修复上有所研究，也可以实现冷焊，其堆焊焊缝为 两层三部分，分别由三种专用焊条填充。另外，文献【2 9 】也讲述了一种轧辊 局部创面的修复方法。 目前国内外对于钢轧辊的修复，除了张元彬、任登义，邹增大等人研究 了冷焊修复9 c r 2 m o 钢轧辊和白口铸铁轧辊外，均采用3 0 0 - 5 0 0 的热焊法 阱j o 川。c r 3 系列的轧辊的局部堆焊研究国内外还未见报道，然而大型构件高 温预热可行性极差，严重限制了生产应用，所以将预热温度降低势在必行， 但是由于预热温度降低的时候内应力会更大，裂纹敏感性更大【2 8 , 3 2 , 3 3 1 。 2 ) 利用焊接热模拟方法分析焊接工艺【3 9 】 低合金高强钢、超高强钢、有色金属，以及特种合金的焊接热影响区是 最容易出现裂纹的危险区域。因此在研究焊接工艺时，深入研究热影响区中 的组织性能是非常必要的。然而热影响区中的各区段非常狭窄，很难单独取出 进行相应的试验研究。采用热模拟技术，就可以在一定尺寸的试件上，模拟焊 接热循环及焊接应力应变对焊接热影响区中某个区段的影响，从而研究该区 段的组织及性能的变化规律。因此可以利用热模拟技术来研究在何种焊接工 艺下焊接热影响区具有较好的组织和性能，产生裂纹的可能性最小。 焊接热模拟技术从4 0 年代开始，前苏联、日本从5 0 年代就开始焊接模拟 技术的研究，我国从6 0 年代开始研究焊接热模拟技。7 0 年代以来，世界各国 对焊接模拟技术及其有关测试装置进行了大量的研究工作，得到了飞速发展。 美国的“g l e e b l e l 5 0 0 ”和日本的“t h c r m o r c s t o r o w ”代表了当代广泛使用的模 拟试验机，它们不仅能模拟焊接热循环，同时也能根据实际焊接过程模拟焊 接应力和变形。最近，随着其它现代相关技术( 如材料科学、计算机技术、 工程测量技术) 的发展，g l e e b l e 2 0 0 0 、g l e e b l e 2 5 0 0 甚至g l e e b l e 3 8 0 0 也已经 被开发出来投入了使用。 1 3 研究目标、研究内容和解决的关键问题 武汉理工大学硕士学位论文 1 研究目标 设计出满足c r 3 支撑辊局部堆焊修复要求的堆焊材料，并通过现场堆焊 修复试验和对c r 3 钢的焊接热模拟试验来研究和探讨堆焊工艺，对堆焊工艺 进行优化。 2 研究内容 1 ) 堆焊材料的研究 根据要求设计和制作堆焊材料( 课题所研究的堆焊材料为手工电弧焊焊 条) 。对焊条的主要性能进行测试和分析。 2 ) 堆焊工艺的研究 在堆焊材料满足要求的情况下，对堆焊工艺进行研究探讨，主要研究堆 焊工艺对局部修复的影响，利用热模拟来研究其机理，对传统工艺进行优化。 3 解决的关键问题 1 ) 符合c r 3 支撑辊局部堆焊修复要求的焊条的设计、制作。 2 ) 焊条工艺性能的定量分析。 3 ) 探讨工艺因素对堆焊修复的影响和机理，以及优化传统工艺。 1 4 采取的研究方法 主要采取以下研究方法： 1 ) 根据c r 3 支撑辊的母材特性和工作条件来设计多种堆焊焊条，并通过 硬度试验、耐磨性试验、回火稳定性试验、抗裂性试验以及现场修复试验等 来判断是否符合要求。 2 ) 使用汉诺威电弧分析仪来定量分析所设计的焊条的工艺性能。 3 ) 使用g l e e b l e l 5 0 0 d 热模拟试验机来对c r 3 钢进行焊接热模拟试验，通 过对热模拟试验的数据的比较、分析，以及对热模拟试样的分析，来研究不 同焊接工艺下焊接热影响区产生冷裂纹的可能性的大小。 4 ) 用设计出的焊条在不同的焊接工艺下进行现场堆焊试验，以验证焊接 热模拟实验的可靠性，并确定较好的工艺。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章c r 3 支撑辊局部修复堆焊材料的设计 本课题根据厂方要求，焊条焊态下熔敷金属的硬度值应在h r c 5 0 - 5 5 。另 外，要实现局部修复，熔敷金属必须得有良好的抗裂性。 2 1 焊芯的确定 为了便于配方调试，在设计上选择0 4 的焊芯，焊芯材料选择堆焊焊条常 用的h 0 8 a ，借助药皮过渡合金元素。h 0 8 a 的主要成分如表2 1 嘲l 。 表2 - 1h 0 8 a 的化学成分( ) 化学成分质量百分比 牌号 cm nsps ic rn ic u h 0 8 a! d 1 0o 3 0 一5 5 1 如0 3 0：抑0 3 0郢0 3 0如2 0茎0 3 0! 三o 2 0 2 2 药皮类型的确定 电焊条的药皮在焊接过程中不但可以造渣、造气对熔池起到机械保护作 用，而且还有向焊缝中渗入合金元素改善冶金并改善焊条工艺性能的等作用。 目前应用于堆焊焊条的药皮类型有：钛钙型、低氢钠型、低氢钾型、石墨型 等【4 ”。针对不同的药皮类型适用不同的堆焊合金系统的特点，同时为了保证 所研制的焊条具有良好的性能，本文选择了低氢钠型药皮。 2 3 合金系统的确定 合金元素是影响焊缝组织和性能的重要因素根据母材的主要成分( 如 表2 2 ) 、支撑辊工作条件以及前期试验经验，本课题设计的焊条熔敷金属的 主要合金元素为：c 、c r 、m o 、m n 、s i 。 表2 - 2c r 3 钢的几种主要元素的质量百分比( ) i元素cm n c r l 质量百分比0 6 5 o 7 50 5 0 0 8 03 o o 3 6 武汉理工大学硕士学位论文 所用合金元素在焊缝合金中的主要作用卅】： c ：c 是强烈的奥氏体形成元素和降低m s 点元素。在堆焊材料的设计中， c 是最重要的强化元素，同时也是致脆元素。c 具有间隙固溶强化的作用，增 加材料中的c 的含量，将促进孪晶马氏体的形成，增加碳化物数量，减少碳 化物质点距离，增7 j n - 次硬化峰值，获得高的硬度。但是c 含量的增加会使 材料的的冲击韧度下降，为此，在满足性能要求的前提下，应尽量减少c 的 含量。 c r ：c r 提高淬透性，产生固溶强化，促进马氏体的形成，在高合金超高 强钢的设计中，c r 有促进二次硬化效应，形成细小弥散的沉淀相，提高硬度 和拉伸屈服强度。在铬铁合金中，当c r 含量在2 6 以内时，合金的冲击韧度 会随着c r 含量的增加而增加，但是超过2 6 时，冲击韧度则会急剧下降。c r 的二次硬化峰值在5 0 0 左右。 m o ：m o 能增加淬透性，产生固溶强化，抑制回火脆性，形成m 0 2 c ，增 进二次硬化效应，是二次硬化峰的原因，m o 的二次硬化峰值约为 5 7 0 5 8 0 。当m o 含量较低时，随m o 含量增加，硬度增加，耐磨性提高。 当m o 含量增加到一定程度后，m o 形成特殊的碳化物：m o c ，m 0 2 c ， ( m o f e ) 2 3 c 6 ，( m o f e ) 6 c 等。随m o 含量的继续增加，m o 的碳化物也将越来越 多，故耐磨性提高。当m o 含量再继续增大时，由于药皮中m o 含量受到限制， m o 的特殊碳化物将不再增加，而m o 只能以原子态过渡到焊缝中去，这样， 基体a 相急速增加，硬度下降。继续增加m o 含量，耐磨性也要下降。 m n ：m n 是稳定奥氏体元素，降低m s 点，提高淬透性。此外，m n 还是 良好的脱氧剂和脱硫剂，m n 与s i 联合作用有利于降低焊缝中的氧含量，与s 结合形成m n s ，防止的熔点的f e s 形成，防止焊缝金属中产生热裂纹的倾向， 提高焊缝中铁素体和奥氏体的强度和硬度，同时又是弱碳化物形成元素，取 代渗碳体中的部分f e ，形成复合渗碳体。但是过量的m n 含量将使钢的晶粒 粗化，使钢的延展性降低，韧性下降。 s i ：s i 是强铁素体形成元素，s i 除在铁素体和奥氏体中提高固溶强化的 作用外，还具有脱氧作用，降低焊缝中的氧含量，降低氧对焊缝金属的不利 作用。 最后确定堆焊熔敷金属主要化学成分的目标质量百分比如表2 3 。因为要 求熔敷金属有好的抗裂性，因此熔敷金属目标碳含量低于母材 6 武汉理工大学硕士学位论文 表2 3 熔敷金属主要化学成分的目标质量百分比( ) l化学元素c c rs im nm o l 目标质量百分比 o 2 旬4 53 o - 4 5o 2 加5 0 5 i 5o 3 o 6 2 4 药皮的确定 2 4 1 药皮组成物的作用 本文设计的焊条药皮用到的成分及其作用如下 4 0 , 4 1 4 h 9 】： 大理石 化学式为c a c 0 3 ，含c a 0 5 6 0 3 ，c 0 2 4 3 9 7 ，属三方晶系，比重2 缸2 9 g c m 3 。纯大理石析出c 0 2 的开始分解温度为8 2 5 ( 2 ，但与其它物质混合后， 其开始分解温度可降到5 0 0 1 3 左右。焊条用大理石，应含c a c 0 3 2 9 5 。主要 作用是造气与造渣。大理石分解产生的c a o 是碱性氧化物，能提高熔渣的碱 度，增加熔渣的表面张力和熔渣与熔化金属之间的界面张力，粗化熔滴，影 响熔滴过渡形态。增强熔渣的脱硫、磷能力。大理石分解产生的c 0 2 气体， 可排除电弧区内的空气，阻止氮气侵入液态金属中，并降低电弧气氛中的氢 分压，有利于焊缝金属降氢。 萤石 又称氟石。化学式o a f 2 ，含c a s l 1 ，f 4 8 9 ，属等轴晶系，比重3 1 8 g c r a 3 ，熔点1 2 7 0 - 1 3 5 0 。冶金部己制定冶金用萤石标准( y b 3 2 卜8 1 ) ，一 级萤石c a f 空9 5 ，二级萤石c a f 之9 0 。均可用于焊条。主要用于造渣和改 善熔渣的物化性能。它可降低碱性熔渣的熔点、粘度和表面张力，增加熔渣 的流动性。有利于降低焊缝金属的气体杂质，有脱氢作用。 锰铁 按锰铁中的含碳量不同，可分为高碳锰铁( 含碳1 5 - 7 ) 、中碳锰铁( 含 碳o 5 - 1 5 ) 和低碳锰铁( 含碳卯5 ) 。其主要作用是脱氧及合金化。用锰 脱氧后生成m a o ，所以附带起造渣作用。由于锰铁的含磷量较高，应注意焊 缝金属增磷的问题。 铬铁 按铬铁中的含碳量不同，可分为低碳铬铁( 含碳o 1 6 - - o 5 0 ) 中碳铬铁 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 含碳o 5 0 - 1 o ) 低碳铬铁( 含碳4 1 9 o ) 。其主要作用是作为合金剂。 钛铁 化学式为f e t i 0 3 ，含f e 3 6 8 、t i 3 1 6 、氧3 1 6 。属三方晶系菱面晶 体，呈铁黑色或钢灰色。比重4 7e c e m 3 ，熔点1 4 5 0 1 2 。 钛是一种活泼元素，对氧亲和力大，脱氧效果好。钛脱氧后生成t i 0 2 也 有造渣作用。用钛铁脱氧时，有微量的钛元素过渡到焊缝中去，能细化晶粒， 提高韧性。 钼铁 其主要成分为m o 、f e 。其主要作用也是作为合金剂，也有造渣脱氧的作 用。 稀土硅 适量的稀土硅可提高堆焊合金组织的高温稳定性，回火二次硬化和抗蠕 变能力。细化晶粒，改善塑性和韧性，使碳化物在晶界聚集形成耐磨网架，提高 堆焊合金高温耐磨性能。 纯碱 化学式n a 2 c 0 3 ，其主要作用是改善压涂性能，另外也有造渣和稳弧的作 用。 石墨 主要成分为c ，其主要作用为稳弧和石墨化。石墨还可以增塑和润滑， 改善压涂性能。另外，石墨在电弧高温下有强的氧化性，氧化后生成的c 0 2 可作为电弧下熔池金属的保护气体，对其他的合金过渡起到保护作用。 稀土氧化物 在焊条药皮中添加适量的稀土氧化物可以细化焊缝组织、增加针状铁素 体的含量、提高焊缝金属的低温冲击韧性和降低焊缝中扩散氢含量。稀土元 素具有脱氢、脱硫、减少夹杂物数量、净化焊缝组织的作用。 金红石 化学式为 r i 0 2 ，含钛6 0 ，含氧4 0 ，属四方晶系柱状晶体，呈暗红或 褐红色，比重为4 2 6 - - 4 3g e m 3 ，熔点为1 8 2 5 ( 2 。金红石具有稳弧和造渣作用， 可调整熔渣的熔点，粘度，表面张力和流动性，有利于全位置施焊，改善焊 缝成型，减少飞溅和咬边。因此药皮中加入大量金红石的焊条具有良好的焊 接工艺性能。 武汉理工大学硕士学位论文 硅微粉 主要成分为s i 0 2 ，是由纯净石英粉经先进的超细磨工艺流程加工而成。 其主要作用是造渣。 硅铁 主要成分是s i 、f e 。其主要作用是脱氧和合金化。硅脱氧后生成s i 0 2 ， 因而也有造渣作用。 由于高硅铁易与水玻璃发生化学反应使焊条发泡，故通常采用低硅铁或 通过钝化处理。 水玻璃 主要用作粘接剂，也有稳定电弧和造渣的作用。焊条用水玻璃有钠水玻 璃和钾水玻璃两种。钠水玻璃可以单独使用，但是钾水玻璃则多和钠水玻璃 混合后使用。水玻璃加入药皮中，使药皮具有一定的强度、易于涂敷。当钾、 钠水玻璃混合使用时，在碱性低氢型药皮中还有显著的稳弧作用。水玻璃模 数增大时，其粘接性增强。焊条用水玻璃模数一般在2 4 之9 ，但是为了减少 焊条药皮的吸湿性，可以使用模数大于3 0 的水玻璃。 2 4 2 药皮外径的设定 焊条药皮的厚薄直接影响到焊条的焊接工艺性能和焊缝金属的质量。焊 条药皮过厚，易使药皮套筒增长，直接导致断弧；而药皮过薄则达不到渣气 保护和合金过渡的目的。因此在焊条制造过程中，应该严格控制焊条药皮的 外径尺寸。可以采用药皮重量系数k 来控制药皮厚度，其公式【删如( 2 1 ) 。 k ：鱼1 0 0 g ( 2 1 ) 式中：足表示焊条药皮重量系数( ) ；g l 表示焊条药皮重量( g ) ；g 表 示药皮部分的焊芯重量( g ) 。 一般焊条药皮的重量系数在4 0 - - 6 0 之间，堆焊焊条要依靠药皮过渡大量 的合金元素，因此重量系数较高。本文的d 5 5 0 r 焊条的模径较大，定为6 8 m m 2 4 3 药皮组成成分的配比估算及确定 9 武汉理工大学硕士学位论文 焊条药皮通常由几种或者几十种原材料组成。而每种原材料除了几项主 要化学成分外，还有多种微量元素或化合物等组合在一起。因此，在计算药 皮配方设计时，只要抓住主要的化学成分作概略的估算。其方法是：先将配 方中的各项原材料的化学成分分别乘以配方百分比，单独得出实际设计配方 中的占有值。然后将各项原材料的同类化学成分逐一相加，其总和即为实际 设计配方中的主要组成成分【柙】。 在借鉴常用焊条的配方以及前期试验经验后，调整估算的药皮成分，最 终确定了五种焊条药皮配方。配方大体相似，除表2 - 4 中各组分比例略有差别 外，碳素铬铁、钼铁、稀土硅等组分相同。所设计的焊条命名为d 5 5 0 r 焊条， 五种焊条分别以l 号、2 号、3 号、4 号、5 号焊条作区分。五种焊条均采用 n a 水玻璃，模数为2 9 ，比重为1 4 9 9 m l 。 表2 4l 5 号焊条药皮中存在差别的组分的质量百分比( ) 焊条大理萤石低碳高碳钛铁石墨 9 6 0硅微雾化 编号石锰铁锰铁金红粉硅铁 石 1 号3 l3 6|31 0| 2 号3 l3 631 0o 5| 3 号4 12 03|0 5644 4 号3 6 52 43|o 5654 5 号3 2 52 83|o 5654 i o 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章确定了五种焊条的配方。 1 ) 五种焊条均采用m 4 的h 0 8 a 焊芯。 2 ) 五种焊条都属于低氢钠型焊条，焊条模径均为6 8 m m 。 3 ) 五种焊条的药皮的主要不同点在于大理石、萤石的量及比例。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章c r 3 支撑辊局部修复 堆焊材料的性能研究 厂方对焊条的主要要求是：修复时不裂，焊态熔敷金属硬度在h r c 5 0 5 5 。 因此本文需对抗裂性、硬度进行测试。另外，为了更好地掌握焊条性能，本 文还对与修复质量相关的焊条的其它性能作了研究，比如熔敷金属的回火稳 定性、耐磨性、扩散氢含量以及工艺性能等作了研究，并在有局部失效的c r 3 支撑辊上进行现场修复试验。 3 1 焊条熔敷金属的化学成分 了解堆焊熔敷金属的成分有助于掌握熔敷金属的性能，本文采用化学法 测试这l 5 号焊条熔敷金属的化学成分。 1 试验材料及设备 l 5 号焊条、q 2 3 5 钢板、z x g 3 0 0 型弧焊机、s x 2 6 1 3 高温箱式电阻炉、 钻床等。 2 试验方法及分析 先在钢板上堆焊熔敷金属，至少堆焊1 0 层，焊缝高度约为1 5 r a m 。然后 对熔敷金属进行退火处理，再在钻床上钻取熔敷金属的金属屑，最后采用化 学采样法测定收集的金属屑的化学成分。焊接采用直流反接，电流约为1 7 5 a 。 3 试验结果 l 5 号焊条熔敷金属主要成分的质量百分比如表3 1 。 表3 11 5 号焊条熔敷金属的化学成分的质量百分比( ) 焊条c ss im ac rm o啊 编号 1 号 o 2 9 0 0 0 9 0 o 2 7 0 7 2 3 7 2o 3 70 0 5 0 2 号o 4 20 0 0 1 4o 2 9l 1 64 1 20 4 60 0 6 0 3 号o 2 60 0 1 7o 2 30 8 53 6 90 5 40 o l l 4 号 o 2 20 0 1 50 2 8o 8 73 8 4o 5 l0 0 1 1 5 号o 3 00 0 1 3o 5 01 o l 3 9 7 o 5 00 ，0 1 4 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 由表3 1 可以看出，这五种焊条的熔敷金属的化学成分总体上相差不大。 2 号焊条的c 、m n 和c r 、t i 含量均最高，5 号焊条的s i 含量最高，而3 号焊 条的m o 含量最高。 虽然这1 5 号焊条药皮用到的含钛的组分只有钛铁和金红石，但五种焊 条的熔敷金属均含有少量的钛，这些钛的来源主要分为两部分：( 1 ) 钛铁和c 在电弧高温冶金反应条件下能形成形成t i c ；( 2 ) 药皮中的t i 0 2 与c 通过电 弧冶金反应也能生成t i c ，其反应如式( 3 - 1 ) ( 3 - 3 ) 【1 9 】。1 、2 号焊条钛的 来源包括( 1 ) 、( 2 ) 两部分，而3 、4 、5 号焊条的t i 的来源只包括第( 2 ) 部 分。 2 t i 0 2 + c - ，n 2 0 3 + c o t t i z o ；+ c = 2 t i o + c o t t i o + c = t i c + c o i ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 1 号焊条与2 号焊条相比较，2 号焊条的c 含量更高，这是因为2 号焊条 药皮中存在钛铁，钛铁是脱氧剂，虽然t i 对氧的亲和力不如c ，但是二者相 差不大，钛铁的存在会有利于石墨向熔敷金属中过渡c 。正因为有更多的c 过渡，使得生成更多的t i c ，这就是2 号焊条的t i 含量比1 号焊条略高的原 因。2 号焊条药皮中的石墨不仅过渡了一部分c ，而且石墨的脱氧作用以及其 氧化生成的部分c 0 2 在本试验条件下都有利于合金过渡，因此2 号焊条的m o 、 c r 、m n 含量均高于1 号焊条。 3 、4 、5 号焊条的药皮的主要区别在于大理石与萤石的含量及比例。c a c 0 3 在药皮反应中产生的c 0 2 在本试验条件下也对合金过渡有保护作用。另外， 熔渣的氧化性也能影响合金过渡，含c a o 多的熔渣更有利于合金过渡，这几 种焊条熔渣中的c a o 来自于c a c 0 3 和c a f 2 ，经计算可知熔渣中c a o 的含量 是3 号 2 0 5 m s 时间段内累计的短路时间，能够反映大理石一萤石焊条 “桥内过渡”的趋势，t i 2 0 5