（材料学专业论文）药皮组分粒径对d600r堆焊焊条性能的影响.pdf

摘要 纳米材料在焊接领域的应用越来越广泛，主要集中于焊接材料( 包括t i g 焊 电极材料、焊条药皮等) 、焊接结构、焊接工艺以及焊接保护等方面。目前市场上 已经有纳米焊条出售，但有关纳米材料在焊接过程中发挥作用机制的系统研究很 少见，而对于将药皮中某些组分细化，探讨其对堆焊焊条性能交互影响的研究亦 不多见本文立足于以上两点，将不同粒径的细粉材料加入d 6 0 0 r 堆焊焊条药皮 中，研究其对焊条性能的影响。 首先将不同粒径、不同比例( 指在大理石总含量中的比例) 的大理石加入 d 6 0 0 r 堆焊焊条药皮配方中，压涂焊条。讨论大理石粒径及加入比例对堆焊焊条 压涂性能及外观质量的影响。利用热分析技术测试药皮加热到1 5 0 0 过程中，各 种组分反应的重量和热量变化。使用g x 型一高温物性测试仪测定焊条药皮的熔 点。借助汉诺威电弧质量分析仪并结合焊接工人的施焊手感对焊条的工艺性能进 行评定。按照甘油法测定焊缝金属扩散氢的含量。利用h r - 1 5 0 a 洛氏硬度计和 m m - 2 0 0 磨损试验机对堆焊层的硬度和耐磨性进行测试。 研究表明，加入细粉大理石，焊条药皮粉末易结块，但焊条外观质量较好； 当大理石粒径为5 6 n m 且在大理石总含量中的比例为2 0 2 5 时，焊条工艺性能 最佳，而比例为2 5 时药皮熔点最低；随着纳米大理石( 粒径为5 6 n m ) 在大理 石总含量中的比例的不断增加，堆焊层金属中的扩散氢含量是逐渐减小的，而焊 条的熔敷效率总体上是逐渐增加的；加入适量的纳米大理石( 粒径为5 6 r i m ) 能 够增加合金元素的过渡，提高堆焊层金属的硬度和耐磨性。综合考虑得到当大理 石粒径为5 6 n m ，且加入比例为2 5 时，焊条性能达到最佳。 其次将大理石、钛铁和稀土硅以不同粒径和不同比例加入d 6 0 0 r 堆焊焊条药 皮配方中，压涂焊条。对焊条的熔敷效率、药皮熔点、工艺性能以及堆焊层金属 的硬度和耐磨性进行测试。 结果表明：细化钛铁可以改善焊条的工艺性能、提高堆焊层金属的硬度，降 低其耐磨性：细化稀土硅会提高焊条药皮的熔点以及堆焊层金属的硬度和耐磨 性；加入任何细粉均可以提高焊条的熔敷效率；三者的交互作用能够提高堆焊层 金属的硬度和耐磨性。综合发现，同时细化钛铁和稀土硅，可获得综合性能最优 的d 6 0 0 r 堆焊焊条。 关键词：堆焊焊条，纳米，工艺性能，耐磨性 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no f n a n o m e t e rm a t e r i a li nt h ef i e l do f w e l d i n gi sm o r ea n dn 加l i e x t e n s i v e ，w h i c hi sm a i n l yc e n t r a l i z e di nt h ef i e l do f w e l d i n gm a t e r i a l s ( i n c l u d i n gt h e e l e c t r o d em a t e r i a lo ft i gw e l d i n ga n dc o v e r e de l e c t r o d e ) , w e l d i n gs t r u c t u r e , w e l d i n g p | _ o 钾d l l 喝w e l d i n gs h i e l d , a n ds of i l lc u r r e n t l y , n a n o m c t e re l e c t r o d eh a sb e e ns o l do n t h em a r k d ，h o w e v e r , t h es y s t e m a t i cr e s e a r c ha b o u tt h ee f f e c tm e c h a n i s mo ft h e n r n o m c t e rm a t e r i a li nt h ec o u r s oo f w e l d i n gi se x h a o r d i n a r i l yr a r e 9a n dt h es s 叮l ea st h e s t u d yo ft h ei n t e r a c t i o no ft h i n n i n gc e r t a i no n l x m e n t so fc o a t i n go i lt h es u r f a c i n g e l e c t r o d ep c d o r m c e b a s i n go i lt h et w op o i n t sa b o v e , t h i sp a p e ra d d sf i n ep o w d e r m a t e r i a l so fd i f f e r e n ts i z et ot h ec o a t i n go fd 6 0 0 rs u r f a c i n ge l e c t r o d ei no r d e rt o r e s e a r c ht h ei m p a c to nd e c t r o d ep r o p 酬i e s f i r s t l y , m a r b l ew i t hd i f f e r e n ts i z ea n dd i f f e r e n tp r o p o r t i o n ( r e f e rt ot h ep r o p o r t i o n o ff i n em a r b l ep o w d e rt ot h et o t a lm a r b l ec o n t e n ti nc o a t i n g ) w a sp u ti n t ot h ec o a t i n g o fd 6 0 0 rs u r f a c i n ge l e c t r o d e , t h e nt h ee l e c t r o d e sw e l em a d e t h ee f f e c to ft h es i z e a n dt h ep r o p o r t i o no fm a r b l eo nt h ep r e s sp e r f o r m a n c ea n da p p e a r a n c eq u a r r yo f s u r f a c i n ge l e c t r o d e sw e r ed i s c u s s e d b ym e a n so ft h e r m a la n a l y s i st e c h n o l o g yt h e v a r i a t i o no f w e i g h ta n d h e a tq u a n t i t yo f c o m p o n e n tf r o mi o o i l lt a 珥崩咖ct o1 5 0 0 w a sd e t e r m i n e d w i t ht h ea i do fg xh i 曲1 细p 啪n 聆p h y s i c a lf u n c t i o n d e t e r m i n a t o rt h em e l t i n gt e m p e r a t u r eo fc o a t i n gw a sm e s s u r o d t h eu s a b i l i t yo f e l e c t r o d e sw a se v a l u a t e dw i t ht h eh e l po fh a n n o v e ra n a l y s a t o rc o m b i n i n gw i t ht h e f e e l i n go fw e l d i n gw o r k e r s t h ec o n t e n to fd i f f u s m l eh y d r o g e ni nw e l d e dm e t a lw a s d e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h eg l y c e r i n em e t h o d t h eh a r d n e g sa n dw e a rr f s i s t a n c eo f w e l d e dm e t a lw a st e s t e du s i n gh r - 1 5 0 a r o c k w e l lh m - d a e s st e s t e ra n d v t m 一2 0 0w e a r t e s t i n gm a c h i n e i t i si n d i c a t e dt h a tt h ep o w d e ro fe l e c t r o d ec o a t i n gi sa p tt ol u m p , b u tt h e a p p c e r l m c eq u a l i t yi s b e t t e rw h i l ea d d i n gf i n em a r b l ep o w d e r t h eu s a b i l i t yo f e l e c t r o d ei st h eb e s t , w h e nt h es i z eo f m a r b l ei s5 6n ma n dt h ep r o p o r t i o ni s2 0 2 5 t h em e l t i n gt e m p e r a t u r eo f c o a t i n gi st h el o w e s t , w h e nt h ep r o p o r t i o ni s2 5 w i t ht h e c o n s t a n ti n c r e a s eo f t h ep r o p o r t i o no f n a n o m e t e rm a r b l et ot h et o t a lm a r b l ec o n t e n t , t h e c o n t e n to fd i f f u s i b l eh y d r o g e ni nw e l d e dm e t a lb a 3 0 m es m a l l e r , b u tt h ed e p o s i t e d e f f i c i e n c yt m n st ob eh i g h e r w h e nt h ea m o u n to f t 恤o m e t e rm a r b l e ( t h es i z ei s5 6 皿m 1 i 5s u i t a b l e , t h et r a n s i t i o no fa l l o y i n ge l e m e n t sw i l li n c r e a s e , a n dt h eh a r d n t ：$ sa n dw c m r e s i s t a n c eo fw e l d e dm e t a lw i l lb eh e i g h t e n e d a tl a s tw ef i n dt h a tw h e nt h es i z eo f m a r b l ei s5 6i l ma n dt h ep r o p o r t i o ni s2 5 ，t h ep e r f o r m a n c eo fd 6 0 0 rh a r d f a c i n g e l e c t r o d ei st h eb e s t s e c o n d l y , m a r b l e ，t i t a n i t u ni r o na n dr a r ee a r t h s i l i c o nw i t hd i f f e r e n ts i z ea n d d i f f e r e n tp r o p o r t i o nw e f op u ti n t ot h ec o a t i n go fd 6 0 0 rs m f a c i n ge l e c t r o d ea n dt h e n e l e c t r o d e sw e r op r e s s e d d e p o s i t e de f f i c i e n c y , m e l t i n gt e m p e r a t u r eo fc o a t i n g , u s a b i l i t ya n dt h eh a r d n e ；$ a n dw e a l - r e s i s t a n c eo f w e l d e dm e t a lw e r em e a s u r e d t h er e s u l tp r o v e st h a tt h i n n i n gt i t a n i u mi r o n 锄i i l l p r o v et h eu s a b i l i t yo f e l e c t r o d e , e n h a n c et h eh a r d n e s so fw e l d e dm e t a l ，a n dl o w e ri t sw e a rr e s i s t a n c e t l a n n h l gn i r ce a r t hs i l i c o nc a ni n c r e a s et h em e l t i n gt e m p e r a t u r eo fc o a t i n ga n dt h e h a r d n e s sa n dw e 盯r e s i s t a n c eo f w e l d e dm e t a l 1 1 圮d e p o s i t e de f f i c i e n c yw i l li n c r e a s e w h e np u t t i n ga n yf i n ep o w d e ri n t oc o a t i n g a n dt h ei n t e r a c t i o no ft h r e ef i n ep o w d e r s 伽i m p r o v eh a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c eo fw e l d e dm e t a l i ti s f i n d t h a tt h e p 曲咖卸o f e l e c t r o d ei st h eb e s t , w h e nt h i n n i n gt i t a n i u mi r o na n dm a r b l ea tt h e s a m et i m e k e y w o r d $ ：s u r f a c i n ge l e c t r o d e , n a n o m e t e r , u s a b i t i t y ，啊肾r e s i s t a n c e 1 i 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_ 5 5 l l 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( 签名) ：羟查 关于论文使用授权的说明 日期趔、! 三：! 本人完全了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 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以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( 签名)修匆导师( 签名)建盛期趔 武汉理工大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 堆焊及堆焊焊条的发展现状 堆焊是用焊接的方法将具有一定性能的材料堆敷在工件表面的一种工艺过 程。其被广泛地应用于耐磨损、耐腐蚀或有特殊性能要求的零件的制造或修复中。 在少数情况下堆焊分别具有或兼有如下功能：可以提高耐磨性与耐腐蚀性，从而 延长零件寿命；便于在一个韧性好的母材上制取一层很硬的金属表层，从而取得 最佳的性能组合；可以经济地利用贵金属元素；可以为企业节省维修和更换零件 的费用。另外应用堆焊还能更合理地利用材料，以获得优异的综合性能，对改进 产品设计也有重大意义【“2 1 。但堆焊时必须要根据工件的工作环境和磨耗的类型 来选择合适的熔敷合金，否则不但不能体现出堆敷金属的特殊性能【3 】，还会造成 一定量的经济损失。 一般堆焊工件及工况条件非常复杂，堆焊时必须根据不同的工况条件、不同 的性能要求选用合适的堆焊材料。目前，由于所用堆焊方法不同，选用的堆焊材 料主要有焊丝、板状带极、焊条等。手工电弧焊由于成本低，设备移动灵活，操 作方便等优点，在堆焊中被广泛采用。每年堆焊材料的消耗量相当大。手工电孤 焊用焊条在堆焊材料消耗中占的比例为8 0 。因此，采用哪种方法或借助什么样 的手段来研制出满足工作条件要求的焊条，尤为重要。为满足各行业及不同使用 条件的要求，通常是选用合金钢焊芯或在堆焊焊条药皮中加入不同系的合金以及 不同的合金剂配比，来达到所要求的性能。为此，许多研究单位在以下方面进行 了深入的研究：( 1 ) 高韧性高硬度耐磨堆焊焊匀寸+ 叫；( 2 ) 高硬度冷焊堆焊焊条【1 0 l ； ( 3 ) 无渣堆焊焊射一2 】；( 4 ) 多元合金系堆焊焊刹m 悯。近年来，科学家将纳 米材料加入焊条药皮中，研制出纳米耐磨堆焊焊条 1 2 纳米材料在焊接领域的应用发展 纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级( 1 0 9 m ) 的超细材料。它的微粒尺寸大于 武汉理工大学硕士学位论文 原子簇，小于通常的微粒，一般为l 1 0 0 r i m 。由于其粒径较小，且结构特殊， 因而在力学、电学、磁学和光学等方面产生了不同于传统材料的全新特性，主要 表现为表面效应和小尺寸效应1 1 6 - 2 5 1 。这使其在国防、电子、航空、化工等领域得 到了广泛的应用，但在焊接领域的应用还处于理论探讨和应用研究的初始阶段。 2 0 世纪9 0 年代，科学家开始尝试将纳米材料和纳米技术应用于焊接领域， 但主要集中在热喷涂和焊接工艺两个方面 2 6 - 3 1 1 。2 0 0 0 年，国外出现了在焊丝表 面喷涂纳米t i 0 2 涂层以代替传统镀铜气保护焊实心焊丝的新技术【3 2 1 。2 0 0 1 年， 部分学者根据国内外对纳米材料已经取得的研究成果，就纳米材料和纳米技术在 焊接材料、焊接保护、热喷涂以及焊剂中的应用前景做了初步探讨【3 3 书】。2 0 0 3 年，杨德新、赵秀娟等在堆焊焊条药皮中添加纳米合金粉末，改善了堆焊焊条焊 接工艺性，提高强化相均匀分布并优化焊缝性能 3 6 - 3 9 。2 0 0 4 年，何柏林结合纳 米材料的特性，进一步阐述了其在钎焊材料、焊接保护、热喷涂、焊接工艺和焊 接结构中的应用【帅】。同年，公开号为c n l 5 8 6 7 9 0 的专利“一种纳米焊条药皮配 方”在公开说明书中提出在焊条药皮中添加纳米材料，改善了焊条断弧、烟尘大 等不足，但该说明书中没有给出实际案例。2 0 0 7 年，姚上卫在总结前人研究成果 的基础之上，进一步探讨了纳米材料和纳米技术应用于传统焊接领域的可能，为 焊接学科的发展提供了新的思路和发展方向】。 1 3 本课题研究的目的、意义 目前所用的堆焊焊条药皮通常采用微米粉末制备而成，存在着焊接反应不完 全，化学元素过渡不好，不能充分发挥合金元素的作用，得到的堆焊层组织粗大， 硬度分布不均匀，耐磨性差等缺点，纳米材料的加入能够有效的改善上述缺点。 纳米焊条的优点主要表现在以下方面【4 2 】： ( 1 ) 纳米材料的比表面积大，在电弧燃烧过程中，反应充分，能最大程度 的脱氧，脱硫，合金元素损失少，焊缝含氧量低；纳米药皮反应瞬间可形成更多 的气体，可更为有效的隔绝空气，保护焊接区；纳米材料使熔渣和液态金属冶金 反应充分；这些都可以显著提高焊缝性能。 ( 2 ) 纳米材料能有效催动焊芯和药皮熔化，提高药皮反应速度，有效保证 起弧快，电弧燃烧稳定，焊缝光滑成型好。 ( 3 ) 加入纳米材料后，由于充分脱氧，不易产生飞溅，不污染工件 ( 4 ) 由于熔渣覆盖性好，纳米焊条更适合全位置焊接。 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 纳米焊条焊接过程中烟尘少，劳动条件好。 ( 6 ) 纳米材料提高了焊条的熔敷效率，使焊接工作效率大大提高。 目前市场上已经有纳米焊条出售，但有关将纳米材料加入焊条药皮中的试验 研究论文仅见数尉州9 】，而对于纳米材料在焊接过程中发挥作用机制的系统研究 更不多见，同时对于将药皮中某些组分细化，探讨其对堆焊焊条性能交互影响的 研究亦很少见。 本设计将立足以上几点进行研究。首先将不同粒径不同比例的大理石加入 d 6 0 0 r 堆焊焊条药皮配方中，压涂成焊条，研究大理石的粒径和加入比例( 指 在大理石总含量中的比例) 对焊条的压涂性能、工艺性能和冶金性能，如耐磨性、 熔敷效率等各项性能的影响。努力寻求适当的大理石粒径，研究出一种综合性能 较理想的堆焊焊条。然后探讨大理石、钛铁和稀土硅三种细粉材料在d 6 0 0 r 堆 焊焊条药皮配方中所起的作用，研究这三种组分粒径对d 6 0 0 r 堆焊焊条性能的 影响及机理。寻找综合性能较理想的堆焊焊条药皮组分的粒径组合，使得堆焊焊 条具有优良的工艺性能、堆焊层具有良好的耐磨性能，为此种焊条的进一步改进 提供有益的借鉴。 下文提到的细粉大理石加入比例均是指在大理石总含量中的比例 3 武汉理工大学硕士学位论文 第二章大理石粒径对d 6 0 0 r 堆焊焊条性能的 影响及机理分析 2 。1 试验设计 2 1 1 试验设计及条件 为满足某轧辊厂轧辊修复的需要，现已制备一系列熔敷金属硬度不同的堆焊 焊条，在实际生产中这些堆焊焊条均已满足厂方的要求为进一步优化其性能， 现选择其中熔敷金属硬度最高的d 6 0 0 r ( 硬度为5 8 h r c ) 焊条作为研究对象。 由于大理石在焊接过程中主要起到造渣、造气和稳孤的作用，而且在d 6 0 0 r 焊 条配方中其所占比例较大，因此在保持原配方的基础之上，将不同粒径和比例的 大理石分别加入药皮中制备多组焊条，进而研究这些焊条的综合性能。具体粒径 及加入比例如表2 1 所示。 表2 1 加入不同粒径和比例大理石制备的焊条预先设计总表 豢邋 r nh r 2h 1 3耵4 i r r 5i r r 6册胁 粒径 7 0 9 0 n mol o 2 0 2 5 5 0 l o 0 1 0 0 1 3 0 r i mo00ooo 2 5 o 球磨o00oo002 5 粗粉l 9 08 07 55 0o7 57 5 注：表中比倒指的是不同粒径的大理石在总大理石中所占的比例 纵行代表不同粒径的大理石。 “h t ”及其后的数字表示试验焊条编号。 表2 1 中，当粒径固定为7 0 9 0 n m 时，为了更好的分析其加入比例对d 6 0 0 r 堆焊焊条性能的影响，可得到表2 - 2 。同时当比例为2 5 时，为了方便研究大理 4 武汉理工大学硕士学位论文 石粒径对焊条性能的影响，可得到表2 3 。 表2 - 2 加入不同比例大理石制备的焊条设计表 豢邋 i r r l h t 2i m耵4 r r 5h t 6 、 粒径 7 0 9 0 n m o 1 0 2 0 2 55 01 0 0 表2 3 加入不同粒径大理石制备的焊条设计表 粒径编号 h r 4肼h 聘h _ r l i ：t ；r j 2 5 7 0 9 0 n ml 1 3 0 n m 球磨粗粉 注：其余7 5 均为粗粉大理石 2 1 2 试验研究内容及技术方案 2 1 2 1 研究内容 ( 1 ) 不同粒径大理石的获得及粒径的测定方法 ( 2 ) 大理石的粒径及其加入比例对堆焊焊条以下性能的影响： a 机械压涂性能： b 焊接工艺性能： c 熔敷金属的硬度、耐磨性和显微组织 2 1 2 2 技术方案 选取不同粒径的大理石( 原始、球磨、纳米) ，以原始大理石作为基准，纳 米级作为变化条件，选取与原始大理石呈不同比例的几组配置方法对焊条进行设 计。通过测定焊条压涂性能、焊缝成型、焊条药皮强度、焊条熔敷效率、焊条药 皮耐潮性、堆焊层硬度及组织等，可以得到大量的实验数据。比较所有实验数据， 从中确定一组或几组综合性能最好的堆焊焊条。其具体步骤如下： ( 1 ) 制作焊条，评定药皮组分粒径对焊条压涂性能的影响。其过程主要包 括配粉一拌粉一压涂一磨头、磨尾一烘干。通过以上整个过程，从焊条药皮均匀 度、偏心度及表面光洁度等方面评定焊条药皮压涂性能。 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 根据国标g b 9 8 4 - - 8 5 的具体要求，对焊条外观质量、焊条药皮强度以 及焊条药皮耐潮性进行评定。 ( 3 ) 利用热分析技术测试药皮加热到1 5 0 0 过程中，各种组分反应的重量 和热量的变化。 ( 4 ) 用g x 型一高温物性测试仪测定焊条药皮的熔点。 ( 5 ) 通过测定电弧稳定性、脱渣性、焊缝成型以及飞溅等项目来评价焊条 的工艺性能。 ( 6 ) 测试焊条的熔敷效率以及焊缝金属中扩散氢的含量。 ( 7 ) 用汉诺威电弧质量分析仪测试所有焊条的短路电压和电流概率密度分 布、短路时间和变异系数等参数，确定焊条熔滴的过渡形式、电弧稳定性、飞溅 大小，以此来衡量所压涂焊条的工艺性能。 ( 8 ) 将焊条在5 0 m m x s 0 m m x l o l l m l 的钢板上进行堆焊，然后取熔敷金属， 测试其化学成分、硬度、组织及耐磨性 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 焊条压涂 焊条压涂工艺就是按焊条配方的设计要求制备涂料和焊芯，并把涂料涂敷在 焊芯上，使之达到规定的形状、尺寸，经烘干成为焊条的过程。这个过程中包括 粉料准备及粉料粒径尺寸确定、配粉、拌粉、压涂成型、磨头，磨尾、烘干等步 骤。焊条压涂成型的质量将会直接影响到焊条的工艺性能的好坏，因而在压涂过 程中对粉料的均匀程度、焊条偏心度和焊条表面成型必须控制好，确保在使用中 不产生因焊条的成型而影响到焊条工艺性能和堆焊层的组织性能的现象。 2 2 1 焊条压涂前的准备 2 2 1 1 焊芯选定 实验选用h 0 8 a 焊芯，直径4 0 r a m 。 h 0 8 a 的成分1 4 3 】：c 0 1 ，m n = 0 3 o 5 5 ，s i 0 0 3 c r 0 2 ，n i 2 0 5 舢时间段内累计的短路时间( z ) 作为判据，伍) 越 小，焊条工艺性能越好明。由图2 - 1 8 可以计算各种焊条在t - 2 0 5 搠匿时问段内 4 0 武汉理工大学硕士学位论文 累计的短路时间伍) ，如表2 - 1 5 所示。在表2 - 1 5 中，h t l 在t l 2 0 5 留时间 段内累计的短路时问) 为1 7 5 9 m s ，而加入纳米大理石的焊条其( z ) 均比 h t l 的小，其中h t 4 最小，为1 5 5 5 m s ，故加入细粉大理石可以改善焊条的工艺 性能。 表2 1 5 t l 2 0 5 m s 时间段内累计的短路时间( j ，】曙) 编号 项目 盯l眦肺h t 4 h r 5 h r 6i r 丌腓 r l 2 0 5 r n s 时问段内 1 7 5 91 7 4 51 6 9 71 5 5 51 5 8 91 5 6 31 6 2 4 1 6 1 9 累计的短路时间 2 9 4 小结 ( 1 ) 焊条出现渣墅过设和喷射过设的倾向大小与短路电压概率密度和 ( q ) 、短路电流概率密度和亿) 以及t 1 2 0 5 m s 时间段内累计短路时问 ( z ) 有关。上述各值越小，出现渣壁过渡和喷射过渡的倾向越大。 ( 2 ) 测试表明，加入细粉大理石制备的焊条其短路电压概率密度和( 以) 、 短路电流概率密度和( i ，) 以及t l 2 0 5 m s 时间段内累计短路时间瓴) 均比 加入微米级大理石的h t l 小，其中h t 4 的所有值均最小，因此加入细粉大理石 可以改善焊条的工艺性能，当加入比例为2 5 时，焊条工艺性能达到最佳 4 1 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 0 堆焊层金属性能测试 2 10 1 堆焊层金属性能测试试验 2 1 0 1 1 试样制备 将每组焊条分别在4 5 斓上进行堆焊，堆焊层数l o 层，前8 层水冷，后两层 空冷。电焊机型号：z x - 4 0 0 型逆变焊机。焊接规范：焊接电流i = 1 7 3 a ，采用直 流反接。堆焊完毕待空冷后，用线性切割机在堆焊层中切取形状为m 1 5 m m x l s m m 的熔敷金属试样。 2 1 0 1 2 金相组织观察 试样切好后，用2 0 0 目到2 0 0 0 目的砂纸磨试样，然后在抛光机上进行抛光， 表面要求没有划痕。试样抛光好后，用4 硝酸酒精对试样进行腐蚀，在奥林巴 斯b x 5 1 m 落射投射两用显微镜下分别观察组织形貌，放大倍数分别为5 0 、1 0 0 、 2 0 0 、5 0 0 倍。 2 1 0 1 。3 硬度测试 试验仪器：h r - 1 5 0 a 洛氏硬度计，初试验力：9 8 1 n ，总试验力：1 4 7 1 n ， 保载时间2 0 s 。试块大小： 1 5 m m x l 5 m m 。每个试样测试1 0 个点，去掉最大值 和最小值，然后取平均值，使剩余8 个点的硬度值与平均值的偏差不应超过士1 5 。 2 1 0 1 4 耐磨性测试 试验方法：磨损实验是在m m - 2 0 0 磨损试验机上进行的，采用连续滑动干磨 损实验，实验载荷为9 8 n 。利用失重法来测定其耐磨性。试件先预磨1 5 分钟， 之后用酒精将预磨的断口表面清理干净，再用分析天平称重( 精度o 0 0 0 1 9 ) ，记 录数据作为磨损前的重量。正式磨损2 小时后，酒精清洗后称重，记录数据，作 为磨损后的重量。 磨损量= 磨损前的重量一磨损后的重量 然后对磨损量取倒数，即作为评价耐磨性的标准 2 1 0 1 5 磨损面形貌测试 将耐磨试验后的试样用酒精清洗干净后，在s 5 7 0 扫描电镜( s e m ) 下观察 武汉理工大学硕士学位论文 组织形貌。放大倍数分别为：1 0 0 0 倍。 2 10 2 堆焊层金属性能试验结果及分析 2 1 0 2 1 堆焊层金相组织观察及结果分析 由于组织相差不大，故在此只选取两张5 0 0 倍的金相照片作说明。因焊接 规范相同，冷却方式相同，只是大理石粒径不同，虽然保护作用加强，但是基 本不会改变焊态组织。堆焊层金属在焊态下均为隐针马氏体+ 残余奥氏体+ 少 量的碳化物，如图2 1 9 所示，图中白色网状物质为残余奥氏体，弥散分布的 黑色点状物质为碳化物。而差别只在于其中晶粒大小、残余奥氏体和碳化物含 量的多少及其形态分布，纳米大理石加入焊条中使晶粒稍细化了一点。 ab 图2 1 9 焊态组织，5 0 0 ( a ) h t i 焊态组织，5 0 0 ( b ) h t 6 焊态组织，5 0 0 2 1 0 2 2 堆焊层金属性能分析 表2 1 6 试样硬度射试结果( h r c ) 测试点 平均值 缮母 l23 4 56789l o ( 去最值) 玎l5 6 85 4 75 8 75 9 56 0 66 1 55 7 ，85 8 o5 曼05 6 05 8 - 3 2 6 0 05 8 26 0 95 9 05 6 85 9 65 9 56 0 55 9 26 0 55 9 5 6 r 1 35 7 66 2 95 7 35 8 75 9 26 2 06 1 66 0 56 1 16 2 56 0 4 耵45 7 36 2 66 1 56 2 36 2 o6 3 16 3 26 1 76 1 56 1 66 2 0 5 武汉理工大学硕士学位论文 续表2 1 6 h t 55 9 26 l ，o6 1 o6 i o 6 0 76 1 46 1 66 2 66 1 76 1 56 l r 2 4 盯65 7 96 0 05 9 46 0 06 0 65 9 66 0 06 0 86 0 26 1 06 0 0 8 h 1 7 6 0 4 6 0 86 1 66 1 1 6 0 8 6 2 46 0 56 0 16 0 76 2 26 1 1 3 h t 85 8 45 7 5 6 0 4 6 0 85 9 65 9 65 9 36 0 56 0 06 0 35 9 7 8 表2 1 7 试样磨损量测试结果 项目 原始重量实验后重重量差值圈数每一圈磨损量重量差值的 编八幢量，g 室 差值 x l o 气 倒数1 ，g h t l2 0 3 4 2 l 2 0 3 2 1 5 o 0 2 0 62 4 7 4 8 8 3 24 8 5 4 h 1 22 0 力1 42 0 2 7 3 90 0 1 7 52 4 9 8 97 5 7 1 4 胁2 0 2 7 1 32 0 2 6 3 60 ，0 0 7 72 5 0 2 03 0 8 1 2 9 8 7 m 42 0 3 1 0 62 0 3 0 5 6o 2 5 1 3 41 9 92 0 0 0 0 h t 52 0 2 6 3 42 0 2 5 2 30 0 l i i2 5 5 8 94 3 49 0 0 9 耵6 2 0 3 5 9 72 0 3 3 8 70 0 1 5 82 4 9 7 26 3 36 3 2 9 脚 2 0 2 9 92 n 2 8 8o o i l2 5 1 2 44 3 89 0 9 l 耵82 0 3 2 2 0 3 1 6 60 0 1 3 32 5 1 3 25 2 97 5 1 9 堆焊层金属性能主要的评价指标是耐磨性，在本课题试验过程中，堆焊层金 属受到磨料磨损和粘着磨损混合作用。粘着磨损理论郾j ：当两个摩擦面显微凸起 端部接触时，彼此强烈地粘着在一起，在外力作用下，面间相对滑动，当粘着接 点的强度高于相接触的一个或两个固体的强度时，可能在材料的表面下发生断 裂，发生材料的迁移，即粘着磨损。磨料磨损的基本原理是：磨料在压力的作用 下压入材料的表层，材料产生微犁沟、微切削和微观断裂( 脆性材料) 或塑性变 形( 塑性材料) ，从而引起材料磨损。众所周知，金属材料的硬度及耐磨性等与 其微观组织有密切关系，就堆焊金属而言，其耐磨性主要取决于硬质相的形态、 分布、数量、大小、基体的性质以及基体与硬质相的匹配掣 鲫。由于显微组织 决定了堆焊金属的耐磨性，因此，硬度高的堆焊金属耐磨性不一定好，硬度与耐 磨性并非对应的关系【6 1 “j 。 纳米大理石的加入总体上使试样的硬度比粗粉大理石焊条堆焊层的平均硬 度高。而从表2 1 6 中可以看出。纳米大理石焊条堆焊层的硬度分布比较均匀，表 武汉理工大学硕士学位论文 中h t i 硬度的最大值与最小值之差为7 i - i r c ，而全纳米的h t 6 最大硬度与最小 硬度差值只有3 h r c 。由表2 1 1 熔敷金属化学成分测试结果可以看出，堆焊层中 s i 和c r 的含量明显增多，其中s i 是固溶强化元素，它的含量增加，会增加基体 的强度和硬度。而c r 是强碳化物生成元素，它可以与c 结合生产硬度更高、耐 磨性更好的碳化物，且其尺寸小，数量多，分布均匀。同样从表2 1 6 和表2 一1 7 中看出试样的硬度和耐磨性是随着纳米粉末的增多，其堆焊层金属的硬度和耐磨 性大体上是先增加后降低，呈抛物线状。h t 4 ( 粒径为5 6 r i m 的大理石，占总大 理石含量的2 5 ) 堆焊层硬度最高、耐磨性最好，分别为6 2 0 5 h r c 、2 0 0 ( 1 g ) ， h t l 、h t 2 、h t 6 的硬度和耐磨性最差。同时还可以看出h t 3 和h t 5 的硬度值 相差不大，分别为6 0 4 h r c 和6 1 2 4 h r c ，而耐磨性却有很大差别，其值分别为 1 2 9 8 7 ( 1 g ) 和9 0 0 9 ( 1 ，g ) ，说明并不是硬度越高，耐磨性越好。这均是由于在 没有加入纳米大理石粉末时，如h t i ，粗粉不具备纳米材料粒度小、表面活性高 的特点，导致堆焊层中的化学成分不均匀。这种化学成分的不均匀性，使得碳化物 的形核也变得不均匀，导致堆焊试块表面硬度不均匀，磨损较为严重。当随着纳 米材料加入量的增加，焊接时小熔滴增多，同时大理石瞬时产生的c 0 2 增多，气 渣保护效果更好，熔滴过渡好，熔化的药皮包覆在熔滴表面或夹在熔滴内，同熔 滴一起过渡到熔池中，药皮组成物和熔滴金属之间的冶金反应充分进行，使堆焊 层中的合金元素均匀分布，碳化物的形核、长大快而均匀，得到较为均匀的粒状 碳化物。当纳米大理石继续增加，超过2 5 时，大理石的表面积增大，电弧气氛 中的氧化性就会增强，使m o 、m n 等合金元素氧化损失增多( 见表2 1 1 ) ，进而 使堆焊层基体强度、硬度有所下降，最终导致堆焊层金属的耐磨性开始变差。 z1 0 2 3 磨损面形貌观察及分析 磨损面形貌观测结果如图2 - 2 0 a h 所示 4 5 武汉理工大学硕士学位论文 武汉理工大学硕士学位论文 g h 图2 - 2 0 各焊条堆焊层金属磨损形貌 ( a ) h t l 堆焊层金属磨损形貌( e ) h t 5 献旱层金属磨损形貌 h 1 2 堆焊层金属磨损形貌 ( 0r r r 6 删丢金属磨损形貌 h 1 3 堆焊层金届磨损形貌国肌堆焊层金属磨损形貌 ( d ) h t 4 堆j 鞘；金属磨j 期眵貌h t 8 堆焊层金属磨捞形貌 h t i 堆焊层金属磨损形貌如图2 - 2 0 a 所示，磨损表面有较深的犁沟和严重的 剽落现象，表明其塑性比较差，为磨粒磨损和秸着磨损的混合作用：h t 2 堆焊层 金属磨损形貌表面凹坑较多，同时剥落比较严重，表明其主要为粘着磨损，且耐 磨性较差。h t 3 堆焊层金属磨损形貌表面既有粘着物，又有大量脱落物。h t 4 和 h t 5 堆焊层金属磨损形貌相似，都是犁沟比较多，磨痕边缘均很整齐。但是h t 4 堆焊层金属磨损形貌表面几乎没有粘着物，且犁沟比较浅，表明其耐磨性较好； 而h t 5 堆焊层金属磨损表面上粘着物相对要多，且犁沟较深。h t 6 堆焊层金属 磨损形貌很光滑，表面的凹坑比较少，其塑性很好，犁削金属在压应力作用下被 压平。h 1 7 堆焊层金属磨损形貌表面出现的犁沟比较多，而且其表面受到挤压， 展现了很好的塑性。h t 8 堆焊层金属磨损形貌表面有大面积的脱落。各试样磨损 形貌所表现出的耐磨性与2 1 0 2 2 节分析一致。 2 1 0 3 小结 ( 1 ) 加入细粉大理石对堆焊层组织影响不大( 均为隐针马氏体+ 残余奥氏体 + 少量的碳化物) ，主要差别在于晶粒大小、残余奥氏体和碳化物含量的多少及其 武汉理工大学硕士学位论文 形态分布发生了变化。 ( 2 ) 加入细粉大理石使堆焊层金属平均硬度显著提高，而且其值分布较均 匀。 ( 3 ) 细粉大理石可以改善堆焊层金属的耐磨性。随着细粉大理石在大理石 总含量中的比例的不断增加，堆焊层的耐磨性呈抛物线状分布，在2 5 时耐磨性 最好。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 结论与展望 2 ”1 结论 试验通过改变大理石的粒径和加入比例，制备了多组焊条，并分析其压涂性 能、焊接工艺性能和堆焊层金属的性能，得到如下结论： ( 1 ) 加入细粉大理石，焊条药皮粉末易出现结块现象，可通过调节水玻璃 的浓度妥善解决此问题。同时随着细粉大理石加入比例的增加和大理石粒径的不 断减小，焊条药皮的颜色从黑灰色转变为灰白色。 ( 2 ) h t 6 药皮中的大理石比h t i 中的反应更加充分剧烈，其失重分别为 4 3 3 和3 4 1 。 ( 3 ) 纳米大理石的加入比例在2 0 2 5 范围内时焊条的焊接工艺性最佳。 ( 4 ) 随着纳米大理石加入比例的不断增加，堆焊层金属中的扩散氢含量是 逐渐减小的。 ( 5 ) 随着细粉大理石加入比例的增加以及大理石粒径的不断减小，焊条的 熔敷效率总体上是逐渐增加的。 ( 6 ) 增加纳米大理石的加入比例，焊条药皮熔点大体是先下降后上升，呈 抛物线状。含量在2 5 的时候，焊条药皮熔点屉低。 ( 7 ) 通过对组织、磨损形貌、硬度以及磨损性的分析，发现加入适量的纳 米大理石能够增加合金元素过渡，提高堆焊层金属的硬度和耐磨性。 ( 8 ) 整体考虑焊条的压涂性能、工艺性能，以及堆焊层金属的硬度和耐磨 性，可以确定当大理石粒径为5 6 r i m ，加入比例为2 5 时，d 6 0 0 r 堆焊焊条的综 合性能达到最佳。 2 1 1 2 展望 由于试验条件、试验方案以及研究时间等因素的影响，对大理石粒径对 d 6 0 0 r 堆焊焊条性能的影响及机理分析尚不够深入，今后应从以下几个方面着手 进一步研究。