（材料加工工程专业论文）微渣型高铬合金铸铁耐磨堆焊焊条研究.pdf

摘要 论文题目：微渣型高铬合金铸铁耐磨堆焊焊条研究 学科专业：材料加工工程 研究生：杨浩佩签名： 指导教师：徐锦锋教授签名： 摘要 啪l i i i i i i | l l i i i i i l l i i i i i l i 咖| f l l l 呻 y 2117 313 高铬合金铸铁由于具备耐磨、耐蚀和耐高温等综合性能，广泛应用于冶金、矿山、机 械及钢铁等行业装备的制造与修复。本文基于药皮过渡合金元素的技术思路，研制出微渣 型高铬合金铸铁耐磨堆焊焊条。分析了研制微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条的可行性，并制 备出了规格为3 2 i 姗3 5 0 n 珊的堆焊焊条：制定了焊条的堆焊工艺；测试分析了焊条 的焊接性能，研究了堆焊层的组织与性能。研究结果表明： 采用h 0 8 a 焊芯外敷c a o c a f 2 s i 0 2 g ( 石墨) 盐一氧化物型渣系药皮，制各出的微 渣型高铬合金铸铁耐磨堆焊焊条具有优良的焊接性能：在不预热的条件下没有出现气孔和 裂纹等焊接缺陷；堆焊焊条在正常工艺参数下焊接，除飞溅稍大外焊接工艺性能良好，适 用于交、直流两用焊机施焊。 在手工电弧堆焊条件下，c 、c r 元素的合金过渡系数分别为0 3 2 o 3 5 和0 7 8 0 8 7 。 通过b 4 c 过渡b 元素可以获得很高的过渡系数，其值达0 7 5 0 7 9 。由于三种堆焊合金含 碳量都较低( q 5 ) ，且堆焊层还有较多的w 和v ，在冷却过程中均没有发生马氏体相变， 而是以扩散型相变获得了具有体心立方结构的a f e 相、c r 7 c 3 和合金碳化物。三种堆焊层 的平均硬度为5 3 6 、5 6 2 和5 8 2 h r c 。 堆焊层摩擦系数与所加载荷大小成反比关系。由于形变强化效应完成速度不同，载荷 滑动速度较低时摩擦系数里非线性降低，而在载荷滑动速度较高时摩擦系数呈线性降低。 堆焊层的摩擦磨损率并不取决于堆焊层的硬度，而是取决于c r 7 c 3 的大小和连续性、 以及基体组织的抗塑性变形能力的综合作用。 关键词。微渣型药皮：高铬合金铸铁耐磨堆焊条；焊条工艺性能；堆焊层；组织与性能 t i t i e ：s t u d yo nh i g hc h r o m l u ma ll | o y i n gc a s ti r o nh a r d f - a c i n g e l e t r o d ef o r m i n gal 丌t l es l a g m a j o r ：m a t e r i a i sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：h a o p e iy a n g s u p e r 、，i s o r ：p r o f j i n f e n gx u a b s t r a c t s i g n a t u 怕：逝幽竺子 s i g n a t u r e ： v h i g hc h r o m i 啪a l l o yc a s t i r o n p o s s e s s i n gw e 缸p r o p c r t i e s 、c o 啪s i o n 他s i s t a n t 锄dh i 曲t c m p e m t u r e s i s t a n c e ，i sa p p i i e dt oe q u i p m e n tp r o d u c i n g 锄dm e n d i n gi ns e v e m lf i e i d ss u c h 笛m e t a l l u 唱y m i n i n g m h i n e 睇h y d m e l e c 仃i c i 劬锄ds o 蚰i nt h i sp a p e r l l a r d 缸：i n ge l e c 仃0 d ef 0 皿i n gal i n l es l a gw 舔p 他p 删 b yat e c h n i c a lt h i i l l ( i n go fn 狮s i t i o no fa l l o ye l e m e n t s “ac 0 锨沮e i e c 仃0 d e t h ef e 鹊i b i l n yo fp 他p a r i n g h a r d 伍c i n ge l e c 臼0 d ef o m l i n gal i t t l es l a gi s 锄a i y e dt h e o r e t i c a i l y 锄dt h eh a r d f a c i n ge l e c t r o d ew i t l lt h es i 碣o f 0 3 2 m m 3 5 0 m mw e 他p r o d u c e d ；t l l ep e r f o m 锄c 豁o f 、w i d i n gt e c h n o i o g yw 懿锄a l y 抚吐锄dt h e m i c m s t m c t u 旭觚dp m p e r t i 懿o ft 1 1 eh 删i n gl a y e 佟w e 他s t u d i e ds y s t c m a t i c a l i y m a i n 他s u t si n d i c a ：t et h a t ： s a i t - o x i d es l 鸥s y s t e ms u c h 嬲c a o c a f 2 一s i 0 2 g ( 鲈l p h h ) i s 吣e df o rc o a t i n gt h eh 0 8 ac 弱ti m nc 0 他 i no r d e rt 0o b t a i nt h ee l e c 仃1 ) d ef o 彻i n ga1 n l es l a g ，w h i c hh 雒麟c e i i e n tw e i d a b i l i t y ：帅d e rn op 他h e a t i n g c o n d i t i o n t h e 他a 心n ow e l dd e f e c t ss u c h 鹪p o r 船锄dc r k si nw e l d i n g ，w e l d i n g 妣h 1 1 0 l o g i c a ip r o p e r t i e sa 托 s a t i s f i e de x c e p ts p l 硒h i n g 1 1 1 ee i e c 仃o d ec o u l db e 吣e db ya co rd ca r cw e i d i n gm h i n e u n d e rt h ec o n d i t i o no fm 锄u a la r cw e l d n g t h e 仃锄s i t i o nc o e f f i c i e n t0 fe l e m e n t s ，s u c h 豳c 锄dc r i s 0 3 2 o 3 5 柚d0 7 8 o 8 7 陀s p e c t i v e l y t h e 们m i t i o nc o e f f i c i e n to fbe l e m e n t sc 锄b ei n c 嘞s e dt h m u g l l 仃跏临i t i o nv i ab 4 ca d d e di nc o a t n g ，w h o 嘲c h e st o0 7 5 0 7 9 1 1 1 e 他i sn om a n e n s i t et 瑚s f o m a t i o n d u r i n gc 0 0 l i n g ，b u tt h ec u b i c 洳f ep h 弱e 、c r 7 c 3 锄da l l o yc a r b i d e sf 0 册e db yd i 觚i 嘣璩t i o na 他o b t a j n e d b e c a u o ft h ecc o n t e n ti si o w e r ( 3 0 g p a ) 的性能特点，在耐磨材料领域得到越来越多的重视2 柚。文献【2 4 】 的作者早在1 9 8 8 年开始了碳化硼堆焊焊条的研制，得到了一种组织细小为马氏体+ 共晶 体+ 碳化物+ 贝氏体、工艺性能和耐磨性能良好的堆焊焊条。文献【2 5 】的作者通过正交 试验，找出了碳化硼和石墨含量对堆焊金属硬度和耐磨性的影响规律，获得硬度高达 6 8 7 l h r c 的堆焊焊条药皮配方。文献【2 6 】也表明，在f e c r c 合金中加入b 4 c 可以显 著细化堆焊合金晶粒，降低固溶体中c r 、v 等元素的固溶量，并使( f e 、c r ) 7 c 3 数量增加 并弥散分布。 1 6 2 高铬合金铸铁堆焊材料的研究现状 在高铬合金铸铁的技术研究上，二十多年来国内外铸造科技人员已进行了大量的研究 工作，取得了令人瞩目的成绩，其研究方向大概可以概括为以下几个方面：一是对铬系耐 磨铸铁化学成分合理性的设计、化学成分对组织和性能的影响规律及作用机理进行了深入 探讨，在保证硬度的前提下，尽可能提高铬系白口铸铁的冲击韧性和耐磨性，以保证耐磨 件在冲击和磨料磨损的工况下稳定使用。二是在化学成分合理性设计的基础上，对铬系耐 磨铸铁的热处理工艺展开研究，以获得和( f e 、c r ) 7 c 3 型碳化物良好匹配的基体组织，充 分发挥高硬度碳化物的耐磨性和基体组织对碳化物的支撑作用，保证在不同使用条件下耐 磨性得到充分发挥。三是对铬系耐磨铸铁生产中孕育处理和变质处理等技术手段进行研 究，以提高形核率、细化铸件晶粒、改变组织形貌、改善铸件微观组织结构，为提高铸件 性能提供有效的辅助工艺措施。四是对传统砂型铸造方法进行改进，将传统材料和现代材 料加工方法相结合，研究了金属型铸造、快速凝固、喷涂成型等新工艺在铬系耐磨铸铁制 备中的应用，为改善组织形态、提高铸件性能提供更广阔的空间2 。 焊接热循环和铸造相比有以下特点：一是最高加热温度高，二是高温停留时间短，三 是焊缝金属在热和应力不平衡的状态下结晶嚣。所以对高铬合金铸铁焊接材料的研究要 借鉴铸造方面的研究成果，并根据根据焊接热循环特点来设计焊材的合理化学成分，并获 得耐磨碳化物和良好基体组织的配合。 1 6 i 绪论 1 7 本课题研究目标与研究内容 1 7 1 研究目标 高铬合金铸铁具有优良的耐磨性能，且价格相对低廉具有耐低应力磨料磨损、高应力 磨料磨损、一定的耐蚀性和一定的耐高温性能等综合性能，因而在冶金、矿山等行业装备 修造中应用广泛。 以药皮过渡实现堆焊层合金化的堆焊焊条以其简单方便、合金成分调整灵活、制造容 易和成本低的优势，在堆焊中得到了广泛的应用。传统的高铬合金铸铁堆焊合金有相应的 五种牌号的堆焊焊条，分别是d 6 4 2 、d 6 4 6 ( c r 3 0 ) 、d 6 6 7 ( c r 2 8 n i 4 s i 4 ) 、 d 6 8 7 ( c r 3 0 m n 3 s i 2 b ) 、d 6 1 8 ( c r l 8 w 1 5 m o ) 和d 6 2 8 ( c r 2 8 m 0 5 ) 1 。可以看出，传统的 高铬合金铸铁堆焊焊条合金种类组成各异，合金含量有高有低，必然导致堆焊层的使用性 能存在较大的差别，也造成在堆焊修复中合金系统组成和堆焊层不同的使用性能要求之间 难以达到比较精确的对应关系。由于近年来n i 、m o 等合金元素价格大幅上涨，选用传统 的高铬合金堆焊焊条在生产中很难获得良好的技术经济性。再者，由于高铬合金铸铁焊条 由于需要过渡的合金量大，采用传统的药皮配方必然导致药皮重量系数过高，药皮过厚又 导致套筒过长、电弧不稳定；或者导致药皮成块脱落，造成合金元素损失等问题；同时还 存在着需要清渣的工序，导致生产效率下降。对于堆焊焊条的这些局限，文献【2 9 】【3 1 】 的作者作了有益的探索，获得了工艺性能良好的无渣或微渣型堆焊焊条。又因为高铬合金 铸铁含碳量高，合金元素含量多，在焊接中容易产生裂纹，极易产生白口、淬硬组织，需 要采用合理的焊接和热处理工艺措施m 1 。为此，研究一种抗裂性强、预热温度低或免预 热的微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条，有很大的现实意义。 基于以上研究背景和意义，本课题的研究目标为：以一定含碳量和含铬量的合金系统 为基础，探讨相关合金成分对堆焊层组织和使用性能的影响；同时研制冶金性能和焊接工 艺性能良好、免预热或预热温度低的新型微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条。 1 7 2 研究内容 以上述研究目标为出发点，以药皮实现焊缝金属合金化，在研制微渣型高铬合金铸铁 耐磨堆焊焊条的基础上、深入探索焊条焊接工艺性能、堆焊层组织和性能。 具体研究内容由四部分组成： - 高铬合金铸铁耐磨堆焊焊条的研制 ( 1 ) 确定堆焊合金目标成分； ( 2 ) 确定高铬铸铁堆焊合金药皮渣系、药皮成分及微渣型药皮配方； ( 3 ) 制定高铬合金铸铁堆焊焊条药皮压涂与烘干工艺： ( 4 ) 制备高铬合金铸铁耐磨堆焊焊条。 b 高铬合金铸铁堆焊焊条工艺性能和堆焊工艺研究 1 7 西安理工大学硕士学位论文 1 8 ( 1 ) 实验测定高铬合金铸铁堆焊焊条的电弧稳定性和再引弧性，探讨药皮渣系及药 皮配方对焊条电弧性能的影响。 ( 2 ) 对高铬合金铸铁堆焊焊条的其他工艺性能进行综合评定，探索相关工艺性能的 影响因素。 ( 3 ) 探索合理的堆焊工艺，揭示堆焊工艺对堆焊层抗裂性和硬度的影响规律。 c 堆焊层组织分析 ( 1 ) 采用直读光谱仪分析堆焊层化学成份，计算堆焊层合金过渡系数； ( 2 ) 采用x 1 m 分析堆焊层物相组成； ( 3 ) 采用o m 技术分析堆焊层微观组织； ( 4 ) 测试堆焊层洛氏硬度； ( 5 ) 研究堆焊层组织形成规律。 d 堆焊层摩擦磨损性能 ( 1 ) 进行堆焊层摩擦磨损实验，研究不同滑动速度条件下加载载荷对堆焊层摩擦磨 损性能的影响； ( 2 ) 研究高铬合金铸铁堆焊层摩擦磨损机制： ( 3 ) 研究堆焊层微观组织与摩擦磨损性能的相关性。 总体研究路线如图1 2 所示。 图1 2 高铬合金铸铁耐磨堆焊焊条总体研究方案 f i g 1 - 2r e s 涨hp m g 咖o fh i g i lc h r o m i 岫a l l o yc 鹊t i r o nh a r d f a c i n ge l e c 协记e 2 徽渣型高铬合金铸铁堆焊焊条研制 2 微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条研制 2 1 引言 本章首先对研制微渣型高铬合金铸铁焊条的意义和可行性进行了理论预测，进而制定 了微渣型高铬合金铸铁焊条药皮配方方案，随之按照了本研究中所用熔敷金属的成分确定 药皮渣系及药皮组分配方，最后阐述了高铬合金铸铁焊条药皮压涂及烘干工艺。 对于手工电弧焊来说，使焊缝金属合金化的方式有两种，一种是通过焊芯过渡，另一 种是通过药皮即将合金成分加在药皮中，通过焊接冶金过程使焊缝金属合金化。对于高铬 铸铁合金因为不能轧制及拉拔制成焊芯，只能采用药皮过渡合金元素来实现焊缝合金化。 通过药皮进行合金化，当药皮熔化时，药皮中的合金剂在很多情况下来不及完全 熔化，原因是药皮中的其他组分比合金剂能在更低的温度下熔化。这时，合金剂的颗 粒悬浮于液态熔渣中，其中一部分由熔渣的对流运动带到熔渣与金属液面交界处被液 态金属表面层所溶解，进而扩散或对流到金属内部，并逐步使成分均匀化，而最终实 现焊缝金属的合金化。通过对熔滴金属和焊缝金属的化学成分分析表明，在正常的药 皮厚度下，熔滴金属和焊缝金属的化学成分基本相同，这表明此情况下合金化主要是 在熔滴冶金反应区内完成。而当药皮厚度( 或重量系数) 提高到某一值以后，熔滴成 分基本不变，而焊缝金属的合金成分高于熔滴，这是由于一部分熔渣直接进入熔池， 在这种情况下，熔滴反应区和熔池反应区共同完成焊缝金属的合金化黯。 综上所述，如果能研制一种微渣型的高铬合金堆焊焊条，通过减少药皮重量系数 可以减少渣内合金剂进入熔滴和熔池的路径长度，既可以减少贵重合金剂的在渣中的 残留损失，提高合金剂的过渡系数，同时又提高了堆焊焊条的技术经济性；并且也可 以大大减少清渣的工作量，提高了堆焊的生产效率。 可行性分析：微渣型堆焊焊条研制的关键问题是如何在减少熔渣用量的情况下对 熔滴和熔池金属进行保护，防止贵重合金剂的氧化烧损，所以确定适当保护方式是研 制此类焊条最重要的前提。 熔渣的保护作用分为渣保护、气保护和气渣联合保护三种。为了减少熔渣数量达 到微渣的目的，很显然，只有采用气保护的方式。在药皮原材料中，有造气作用的原 料有大理石、菱苦土、石墨以及木粉和淀粉等。而石墨在电弧空间能形成还原性气氛， 可以保护熔化金属和减少合金元素的烧损，并可以在焊缝中形成游离碳，有利于合金 碳化物的形成。所以，对于研制微渣型高铬合金铸铁电弧焊条而言，石墨是一种非常 理想的气保护原材料。在确定以石墨为主要气保护原材料以后，再根据提高合金过渡 系数及保证焊条冶金性能的要求，选用氧化性较低的碱性渣系，通过药皮配方的调整， 研制一种合金过渡系数高、微渣并且焊接冶金性能和工艺性能良好的堆焊焊条是完全 可能的。 1 9 西安理工大学硕士学位论文 2 2 熔敷金属成分设计 含有大量铬合金元素的c r 2 6 高铬铸铁，因为c r 可以提高金属的抗氧化性，还可以提 高基体的电极电位使母材的耐蚀性增加，同时由于其具有大量高硬度的碳化物而具有优异 的耐磨性能，因而在高铬合金铸铁中c r 2 6 的综合性能良好，既可用于磨料磨损，也可用 于高温磨损及湿态腐蚀磨损工况h 1 。c r 2 6 铸铁成分见表2 1 。从表中可以看出，该铸铁 c r c 比接近1 0 ，还含有较多的m o 元素以及一定量n i 、c u 元素，合金空冷淬透性较好， 表2 1c 心6 铸铁成分( 、v t ) t a b 2 - lc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fc r 2 6c a s ti m n ( 叭) 注：该铸铁相当于k m t b c r 2 6 牌号( g b 厂r8 2 3 6 一1 9 9 9 ) 空淬金相组织为马氏体+ m 7 c 3 + 残余奥氏体+ 二次碳化物。 基于提高堆焊金属抗裂性并在获得优良的技术经济性和耐磨性的前提下，需要采取降 低含碳量并加入少量的硼元素的措施1 。对于含碳量降低导致堆焊层硬度和耐磨性下降， 采用适量添加硼铁，通过生成硼化物来提高堆焊层的硬度和耐磨性。有研究表明，在高铬 条件下硼和铬可以形成c r b 和c r 2 b ，有利于耐磨性的提高m 1 。但硼的加入增加了堆焊层 的裂纹敏感性3 ，所以本文采取加入碳化硼代替加入硼。综上所述，本研究选取c r 2 6 铸 铁为参考成分作为堆焊合金目标成分，采取了低碳并加入碳化硼，确定了以c - c r - b - w 二v 合金系统为基础的系列堆焊熔敷金属成分，见表2 2 。并在此合金系统的基础上分别添加 m o 元素和n i 元素，探讨相关合金成分对堆焊层组织和使用性能的影响。 表2 2 堆焊层目标化学成分( v y l ) t a b 2 - 2n o m i n a lc o m p o s i t i o no f h a r d f a c i n gi a y e r s ( 坩) 2 3 渣系选择与药皮配方设计 2 3 1 熔渣及其作用 焊接熔渣是焊条药皮在焊接时受热熔化后覆盖在焊缝上的物质。它主要是金属和非金 属的氧化物以及由这些氧化物复合成的各种盐类。 2 0 2 徽渣型高铬合金铸铁堆焊焊条研制 在焊接过程中，熔渣所起的作用如下： a 机械保护作用 熔渣能够在焊接过程中将液态熔融金属与空气隔开，保护液态金属不被氧化和氮化。 熔渣凝固后所形成的渣壳覆盖在焊缝上，也可以防止处于高温的焊缝金属受空气的有害作 用。 b 冶金处理作用 所谓冶金处理作用，即熔渣能与液态金属发生一系列的物理化学反应，这些反应在很 大程度上影响着焊缝金属的化学成分和性能。这表现在焊条药皮或熔渣可以通过冶金反应 去除有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷、去氢等，也可以使焊缝合金化。 c 改善焊接工艺性能 良好的焊接工艺性能能够保证焊接化学冶金过程顺利进行，并获得优质焊缝或堆焊层 金属。选用合适的熔渣渣系，可以改善电弧性能、易于脱渣、减少飞溅、减少烟尘污染， 保证焊条具有良好的操作性和焊缝成形。 d 改善热规范作用 焊接时熔渣上浮并在焊缝表面凝固，覆盖焊缝金属，能够使结晶完了的高温焊缝继续 受到保护，免遭空气的侵入。同时药皮熔化时吸热，熔渣凝固时放热，使焊缝金属受热并 减缓冷却速率，改善了金相组织。 2 3 2 熔渣的物理性质 熔渣的物理性质包括熔点、密度、粘度、导电性和表面张力等。它不仅直接影响焊条 的工艺性能，而且对保护效果和焊接冶金过程等也有着重要的影响。 熔渣单位体积的质量，也可理解为熔渣的密度，是熔渣的基本性质之一。它对熔渣在 熔池金属中的浮出速度、夹渣产生难易和熔渣流动性的大小等有着直接的影响。 液态熔渣的表面张力、与金属的界面张力和润湿能力对焊条的冶金性能和工艺性能有 非常重要的影响。通常认为降低界面张力可细化熔滴，提高熔渣对液态金属的润湿性，可 以使反应接触面增大，从而提高冶金反应速度，有利于焊接冶金反应的进行。实践证明， 熔渣与金属之间的界面张力将会直接影响熔滴的大小，减小界面张力是细化熔滴的主要技 术措施之一。熔渣的表面张力越小，其界面张力越大，则附着功越小，脱渣性越好。 粘度是熔渣的主要物理性质之一，它代表熔渣内部相对运动时，各流层之间所产生的 内摩擦力。熔渣粘度过小会使渣的流动性增加，熔渣覆盖焊缝的能力下降，失去应有的保 护作用，并使焊缝成形粗糙。当熔渣粘度过大，使得熔渣与液态金属之间的对流运动困难， 冶金反应难以充分进行；同时使熔池内部气体逸出阻力增大，导致焊缝气孔敏感性增大： 并产生压铁水现象，导致焊缝表面凹凸不平。 2 3 3 常用药皮原材料的作用 粘结在焊芯上的各种粉料和粘结剂的混合物称为药皮，未涂挂之前的混合物称为涂 2 l 西安理工大学硕士学位论文 料，按其在焊接过程中所起的作用，可以分为以下几项： a 稳弧 一般含低电离电位元素的物质都有稳弧作用。主要作用是改善焊条的引弧性能和提高 电弧燃烧的稳定性。这种药皮原材料通常称为稳弧剂。常用的稳弧剂有碳酸钾、碳酸钡、 大理石、长石、云母、纯碱、水玻璃和金红石等 b 造渣 药皮某些原材料受焊接热源加热后熔化形成具有一定物化性能的熔渣，覆盖着熔化金 属，保护熔池，隔离大气的不良影响，并使焊缝冷却速度缓慢，改善焊缝的成形。这种原 材料被称为造渣剂。它们是焊条药皮最基本的组成物，常用的是钛铁矿、金红石、氟化钡、 白泥、赤铁矿、大理石、石英砂、长石、萤石、云母等。 c 造气 药皮中的有机物和碳酸盐在焊接时产生气体，形成对焊接区的封闭气体类保护层，目 的是排除空气，防止环境气体的侵入，保护熔化金属，同时还有助于熔滴的过渡。这类物 质被称为造气剂，如微晶纤维素、木粉、竹粉、淀粉、大理石和菱苦土等。有机物所造成 的气体主要是c o 和h 2 ，碳酸盐析出的气体为c 0 2 ，在高温时进一步分解为c o 。 d 脱氧 降低药皮或熔渣的氧化性和脱除金属中的氧，这种原材料称为脱氧剂。对氧亲和力比 铁大的合金元素都可以作为脱氧剂。常用的有锰铁、硅铁、钛铁和铝粉等。 e 合金化 作用是添加或补充焊缝金属所需的合金成分，用于添加到焊材中的合金或补充在焊接 过程中合金元素的烧损。合金剂通常采用铁合金或金属粉，如锰铁、硅铁和钼铁等。 f 粘结 用以调和药粉使之牢固地粘结在焊芯上，并使焊条药皮具有一定的强度，这类物质叫 粘接剂。一般说来酸性焊条常用钾钠混合水玻璃，碱性焊条常用钠水玻璃，由于水玻璃中 含有钾、钠等低电离电位元素，所以除起粘结作用外，还可以起到稳弧作用。 g 成形 用以改善焊条的压涂性能以便于用机器压制焊条的原材料叫成形剂。常用的成形剂有 钛白粉、白泥、云母、糊精等，可以增加药粉的塑性、弹性和滑性，使焊条滑而不开裂。 h 稀释 稀释剂能够稀释熔渣粘度，增强熔渣流动性。 一般的焊条药皮原材料中都需考虑加入1 0 种左右的组成物，以起到相应的作用。药 皮中某些原材料可以起到多种作用，如大理石可以造气、稳弧和造渣等。 2 3 4 渣系及药皮组成 a 渣系确定 2 徽渣型高铬合金铸铁堆焊焊条研制 焊接过程中药皮分解熔化形成气体和熔渣，起到机械保护、冶金处理、改善工艺性能 的作用。应用于耐磨堆焊焊条的药皮渣系主要有c a o - c a f 2 - s i 0 2 、c a o c a f 2 t i 0 2 、 c a o - c a f 2 - n 0 2 - z 雨2 、c a c 0 3 c a f 2 - 石墨、c a c 0 3 c a f 2 一s i 0 2 - 稀土氧化物荔。以上渣系应 用最多是低氢型碱性渣系，这类型药皮渣系配方设计简单，气渣联合保护性良好，因而堆 焊层金属中的h 、o 、n 、s 、p 等杂质含量低，塑性、韧性等力学性能优良，抗裂性较好。 结合相关文献，并通过预实验验证，确定选用典型碱性低氢c a o c a f 2 s i 0 2 g ( 石墨) 的药皮渣系。根据所选药皮渣系，确定焊条药皮配方主要为金属碳酸盐、氟化物和铁合金 三类物质，并添加一定量的石墨。 b 药皮组分设计 为实现所定渣系，本文在设计焊条药皮配方时，主要考虑以下几点： ( 1 ) 由于是通过药皮过渡合金元素并希望实现微渣型堆焊，因而药皮必须加入足够 数量的合金剂，同时加入一定数量的石墨来实现无残留渣的气保护作用以有效防止焊接熔 滴过渡过程中合金元素的氧化烧损；加入少量的其他脱氧剂实现沉淀脱氧。 ( 2 ) 药皮中应有少量的碳酸盐、氟化物等，焊接时通过它们的冶金作用可以脱硫、 脱磷和去氢，提高焊接接头的抗裂纹和抗气孔能力。 ( 3 ) 设计药皮配方时必须考虑焊接操作的特点，确保优良的焊条工艺性能。 ( 4 ) 考虑焊条生产工艺，确保良好的药皮压涂质量。 由于所确定的渣系为c a o c a f 2 s i 0 2 g ( 石墨) 渣系，其基本类型是碱性石墨型。因此 碱性石墨型焊条配方构成为：合金剂原材料如高碳铬铁、钒铁和钨铁等；气保护剂如石墨、 少量的大理石和萤石；提高脱氧效果的中碳锰铁；稳弧剂如纯碱等。在选定碱性石墨型焊 条药皮的情况下，只需在此药皮配方思路的基础上，根据对化学成分、机械性能及工艺性 能的具体要求，进行配方优化试验即可。其中各种具体组分的作用为： ( 1 ) 微渣型碱性石墨型药皮中，石墨的作用非常重要，一是石墨被电弧加热以后会 氧化生成c 0 2 气体，可以有效的保护焊接区，防止空气中的氢、氧、氮侵入而造成危害： 二是石墨在高温作用下可以先期脱氧，防止合金元素烧损；三是石墨为导电材料，且高温 氧化时放出大量的热量，有利于提高电弧稳定性：四是石墨本身是固体润滑剂，石墨的加 入可有效的改善药皮的压涂性能，这对于合金剂数量多、药皮塑性较差的堆焊焊条尤为重 要。 ( 2 ) 金属碳酸盐的主要作用是在电弧中分解产生c 0 2 气体使熔融金属与空气隔离以 及能够提高对熔滴的喷力，减少飞溅。分解出来的氧化物不仅稳定电弧，还保证了熔渣的 碱性氧化物数量以减少熔敷金属中的的s 、p 含量。还增加熔渣的表面张力、提高熔渣与 金属的界面能力。氟化物的主要作用是去氢和造渣、稀渣，特别是在含有金属碳酸盐的配 方中能有效地降低熔渣的熔点、粘度和表面张力，提高熔渣的流动性。金属碳酸盐和氟化 物在药皮中的相互配合能够调节焊条工艺性能，如提高大理石含量并降低萤石含量，电弧 稳定性增加、熔渣的碱度和氧化性增大，同时熔渣的熔点提高、粘度和表面张力增大、熔 2 3 西安理工大学硕士学位论文 渣的流动性变差、焊缝宽度变窄余高增加；提高萤石含量降低大理石含量，会使电弧稳定 性降低、药皮熔点降低、焊条套筒变短、电弧吹力不足、飞溅增大、熔渣变稀等。常用金 属碳酸盐有大理石、菱苦土和碳酸钡，常用氟化物有萤石、氟化钡、氟化钾等。考虑使用 效果及经济性因素，在选择金属碳酸盐时，本试验采用的是大理石，而氟化物则是选用萤 石。 ( 3 ) 硅酸盐的加入不仅使焊条在压涂时具有良好的塑性和弹性，而且其加入不但能 改善熔滴的过渡形态，提高焊条的熔化速度，还可调整熔滴的粘度使熔滴的表面张力减少， 从而使飞溅减少，获得很好的工艺性能，由于硅酸盐含有酸性氧化物，可以和药皮脱氧剂 的脱氧产物碱性氧化物结合成为低密度高熔点的盐提高脱氧效果。本文选择了石英粉为硅 酸盐组分，石英粉的主要成分为s i 0 2 。 ( 4 ) 金属粉末的添加有钛铁、硅铁和锰铁等脱氧剂。脱氧剂的作用是降低焊接金属 中的含氧量，改善韧性以及延展性。硅是一种低廉的元素，适量的硅可排除焊缝中的氧， 增加钢的强度和硬度，大于1 时会降低钢的韧性，而硅铁和锰铁的联合脱氧效果较好。 锰铁主要用于脱氧剂，也有一定的渗合作用，同时还对脱硫有利，此外，锰氧化时放出大 量热量，提高熔池温度，有利于冶金反应。钛铁是药皮中常用的脱氧剂，钛铁是一种活泼 元素，对氧的亲和力大，脱氧效果好。 2 3 5 合金元素的计算 a 合金过渡系数 在手工电弧焊的条件下，查阅有关文献资料，正常焊接参数下碱性药皮中合金元素的 过渡系数，7 见表2 3 阳1 ： 表2 3 合金元素的过渡系数，7 刚 t a b 2 31 n h et r a n s i t i o nc o e 币c i e n to fa l l o y i n ge l e m e n t s 1 b 药皮外径尺寸的确定 药皮厚度大小决定了焊条横截面上焊芯和药皮所占面积之比，亦即药皮组成物在焊接 过程中参加反应的数量。由于药皮的密度取决于药皮组成物及其含量，通过药皮重量系数 缸可以表示不同类型药皮在焊条中所占重量的比例： 缸：生l o o ( 2 1 ) ，玎l + 肌 式中一一焊条药皮重量系数( ) ： 小l 一一焊条药皮质量： m 一一有药皮部分的焊芯质量。 2 4 2 微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条研制 一般，焊条药皮取缸= o 3 0 o 4 0 较适宜，靠药皮过渡合金元素的堆焊焊条缸常取 0 4 6 0 。而焊条药皮的外径尺寸主要靠压制模( 定径模) 的内径尺寸控制。本次研究 在保证药皮中有足量造渣剂、造气剂和脱氧剂的前提下，结合传统焊条生产经验，经过计 算及预实验确定值，取值瓜= o 5 5 。 c 药皮中合金元素加入量的计算 焊条药皮中某元素合金剂或铁合金配比量脓按下式子计算： 施= 高， ( 2 2 ) 舭，7 。 式中缸一一焊缝中合金元素的重量百分含量： ，7 一一合金元素的过渡系数； 缸一一药皮重量系数； 忍一一合金元素在合金剂或铁合金中的百分含量。 2 3 6 焊条药皮配方的优化 理论上讲，焊条药皮配方设计方法有单、双因素优选法、正交设计法及计算机辅助设 计的最优化技术法。由于焊接过程是一个非常复杂的物理化学过程，焊接区内各种物质之 间相互作用的影响因素很多，目前所建立的一些数学模型在焊接材料的设计中使用范围存 在较大的局限性，所以药皮配方设计当前在我国基本还处于经验状态，设计时一般是以设 计者的经验为主，计算为辅。虽然合金计算结果与实际需要加入的合金含量有较大出入， 但其计算结果还是可以反映出一定的规律性。本文采用“调试为主、计算为辅 的原则， 通过计算确定合金的原始加入量，再经过实践调整，获得预定的高铬铸铁合金成分，最终 确定焊条药皮配方。这样可以极大的减少试验次数，试验效率大大提高。 表2 4 是根据微渣型堆焊焊条工艺性能要求对药皮配方进行优化的综合调试记录。 表2 - 4 微渣型堆焊焊条药皮配方综合调试记录 t a b 2 - 4d e b u g g i n gr e c o r do f e l e c 仃o d ec o v e r i n gf o r n l i n gal i t t l es l a g 试验表明，单纯用大理石作造渣剂，焊接过程飞溅较大，焊缝成形不良。加入萤石后 西安理工大学硕士学位论文 焊缝成形得到改善。但如果两者配比不当，莹石加入对改善焊缝成形性效果欠佳。确定大 理石和萤石比例后，加入少量有机物木粉以促进药皮均匀熔化，提高电弧稳定性，也有利 于改善焊缝成形。 2 4 焊条制备 2 4 1 实验用原材料 焊条药皮配方中所用金属粉末及铁合金成分如表2 5 所示1 ： 表2 - 5 电焊条制造用金属粉末及铁合金成分( 州) 瓣1 1 a b 2 5t h em e t a i i i cp o w d e r 鲫da i l o yc o m p o s i t i o no fe l e c t r o d e ( 叭) 踟 药皮中所用矿物质和化工原材料成分如表2 6 所示： 表2 - 6 电焊条制造用矿物和化工原材料成分( 、v t ) 亿i b2 6t h em i n e m l sa n dc h e m i c a lm wm a t e r i a l sc o m p o s i t i o no fe l e t r o d e ( w t ) 经过药皮配方调试试验和熔敷金属化学成分测定试验，最终确定微渣型高铬合金铸铁 药皮配方组成如表2 7 ： 2 微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条研制 表2 7 堆焊焊条药皮组分配比 t 出2 - 7m i x t u r eo fh a r d f 砬i n ge i e c t r o d ec o a t i n g 备注：生产规格为3 2 m m 焊芯6 4 m m 定径模 2 4 2 药皮压涂及烘干 a 药皮压涂 本试验由于采用微渣药皮配方，药皮中合金粉末的比例极大，要获得良好的焊条压涂 质量，粘接剂的选用非常重要。通常选用钠水玻璃作为粘接剂，其参数选择主要有模数m 和波美度晚。不同类型药皮涂料和不同的压涂工艺对水玻璃有不同的要求。对于微渣 堆焊焊条而言，采用模数为3 0 、波美度为4 7 4 8 度的钠水玻璃作为粘接剂，可获得粘接 牢靠、电弧稳定及不“发泡 的优良焊条压涂质量柏1 。药皮压涂设备为t l 2 5 型油压式焊 条药皮压涂机。该压涂机具有工作压力高，送丝阻力小，涂料不易发热硬化，涂料适应性 强、直线传送、压涂质量稳定等特点，适合小批量焊条药皮压涂。油压式药皮压涂机最大 压涂力可达2 l m p a 。将各种粉状的药皮原料按照配方比例要求拌合均匀，并经过加入预 先配制好相关参数的水玻璃粘结剂制成粉团加入焊条压涂机内完成压涂准备工作。普通碱 性焊条压涂压力为2 3 m p 钆微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条药皮中由于合金含量高，药皮压 涂性能相对较低，需要更大的压涂压力，经过试验确定压涂压力为4 5 m p a 较为适宜。选 用模数为3 o 、波美度为4 7 4 8 度的钠水玻璃作为粘接剂，优化的堆焊焊条药皮压涂压力 为4 5 m p a 。 b 药皮烘干 刚压出的焊条药皮中含有较多水分，此时的焊条不但药皮强度低、易损伤、粘连、变 形以及产生发泡现象，从而导致焊条工艺性能大大下降，也不能保证焊缝金属的抗气孔性 能。所以为排除焊条药皮中所含的水分应当进行焊条烘干。焊条烘干可采用电阻热或红外 热，其烘干温度取决于焊条类型。焊条药皮中含有较多有机物质时，其烘干温度不宜过高， 否则容易造成有机物分解失效。一般而言，高纤维素型焊条 1 2 0 ，有机物含量 8 的焊 条烘干温度为2 0 0 2 5 0 ，酸性焊条为2 2 0 3 0 0 ，碱性焊条为3 5 0 4 0 0 “。由于本堆 焊焊条为了改善焊条的工艺性能加入了少量( 8 ) 的木粉，所以焊条的烘干温度定为 2 5 0 。 本文采用的是z y h 6 0 型自动控温焊条专用烘箱。焊条烘干工艺规程如图2 1 所示。 该烘箱采用电阻热辐射烘干，其炉内温度均匀，烘干温度范围大( 室温5 0 0 ) ，且炉内 2 7 西安理工大学硕士学位论文 有排湿装置，并且能够自动定时控温，使用比较方便。 p k 赵 赠 h - 蓑 烘干时i 日】( 加) 图2 1 焊条烘干工艺 f i g 2 ld 呵i n gc m r o fw e l d i n ge l 仃0 d e 2 5 本章小结 ( 1 ) 探讨了微渣型高铬铸铁焊条研制的可行性，并确定了焊条研制试验思路和方案。 ( 2 ) 确定了以c c r b w 二v 合金系统为基础的系列堆焊熔敷金属目标成分。 ( 3 ) 选用典型碱性低氢c a o c a f 2 s i 0 2 g ( 石墨) 的药皮渣系，进行微渣堆焊焊条药皮 配方调试，确定了最终的药皮配方。 ( 4 ) 制定了药皮压涂与烘干工艺，完成了微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条的制备。 3 微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条的工艺性能及堆焊工艺 3 微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条的工艺性能及堆焊工艺 3 1 引言 焊条的工艺性能主要指焊条的电弧稳定性、再引弧性能、焊缝成形、脱渣性、飞 溅、熔化效率、析出有害气体渣型成分及数量、各种位置焊接的适应性、焊条药皮发 红、焊接烟尘等。焊条工艺性能的好坏直接影响该焊条的使用效果，也关系到焊条设 计的成败。同时为了更好的合理应用本焊条，需要对其堆焊工艺进行初步研究，以确 定堆焊工艺和堆焊层抗裂性、堆焊层硬度之间的关系。 本章针对所研制的高铬合金铸铁堆焊焊条，分别进行了电弧稳定性、再引弧性和 其他相关工艺性能测试，并分别对相应工艺性能的影响因素进行了探讨，为微渣型高 铬合金铸铁堆焊焊条工艺性能的改进方向提供了相关依据。同时对堆焊工艺进行研究， 确定预热温度、焊接电流和堆焊层间温度与堆焊层抗裂性及硬度之间的关系。 3 2 研究方法 通过实验对高铬合金铸铁焊堆焊焊条几种具有代表性的工艺性能进行了测定与分 析，测试方法参照机械行业标准电焊条焊接工艺性能评定方法( j b t 8 4 2 6 9 6 ) 。同 时应用本堆焊焊条在q 2 3 5 试板上堆焊三层堆焊层，研究堆焊工艺和堆焊层抗裂性及堆 焊层硬度之间的关系。 3 2 1 堆焊材料与设备 采用3 2 i 姗3 5 0 n m 堆焊焊条，堆焊试板采用q 2 3 5 a ，按国家标准堆焊四层，焊 接电源采用b x l 3 5 0 型动铁心式交流弧焊机，采用线切割方法获取堆焊层金相试样。 3 2 2 堆焊焊缝外观 堆焊焊条堆焊形成的焊缝外观如图3 1 所示。焊缝成形较好。由于采用了微渣型药 皮，焊缝表面没有足够的熔渣覆盖，所以没有形成表面鱼鳞纹。图中焊缝上的四个圆孔为 图3 1 微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条焊缝外观图 f i g 3 1 却p e 跏c eo fw e l d b y h i g hc h r o m i u ma l i o yc a s t - i r o nh a r d 眈i n ge i e c t r o d e 金相试样取样位雹。 西安理工大学硕士学位论文 3 2 3 电弧稳定性 采用微渣型高铬合金铸堆焊焊条进行施焊，焊条与钢板分别接通焊接电源两极。随着 焊条的熔化，电弧长度逐渐增加，当达到一定长度时，电弧自行熄灭，断电测量从焊缝顶 端至焊芯端头的距离，此距离则为断弧长度。以3 次断弧长度算术平均值为该焊条断弧长 度，断弧长度值越大表明电弧稳定性越优。 本文对所研制的三种高铬合金铸铁堆焊焊条在不同焊接电流下进行电弧稳定性测试， 由于三种焊条配方基本相同，经过试验发现在相同电流下断弧长度基本一致，所以试验以 焊条d h c r - i 为测试对象，焊接电流分别选取卢9 0 a 、1 2 0 a 和1 5 0 a ，结果列入表3 1 。 表3 1 焊条电弧稳定性测试结果 t a b 3 11 e s t i n gr e s u l t so f a r cs t a b i l i t yo f e l e c t r o d e s 从表中可以看出，使用交流弧焊电源，微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条的断弧长度随着 电流的加大而增加。 电弧稳定性的影响因素主要有两个：一是焊条药皮组成，电弧的本质是气体导电现象， 在药皮中的加入低电离电位的物质可以降低电子发射的难度，增加自由电子的数量，保证 了电弧连续燃烧能力；药皮中有导电能力的组分如石墨和铁合金类提高了药皮的导电能 力，同样也提高了电弧的稳定性。本焊条里由于加入了少量的稳弧剂碳酸钠，加上药皮中 有大量的高碳铬铁等铁合金及导电性良好的石墨，所以电弧稳定性优良。二是焊接电流， 本堆焊焊条断弧长度随着焊接电流的提高而增加。电流密度的大小和焊条套筒的长短是影 响断弧长度的两个因素。随着电流密度的增大，电弧温度升高，电极热电子发射能力增加， 电弧稳定性也得以提高。而本焊条药皮熔点较低，即使药皮厚度较大也没有形成明显套筒， 没有出现因为套筒过长而导致断弧的现象。 3 2 4 再引弧性能 将堆焊焊条在试板上施焊，当焊条熔化剩余2 3 长度时，立即断弧，待停弧l + ，( 冈， l ，2 ，3 ，3 0 ) 秒后，再将焊条接触钢板引弧，直至不能再引燃电弧。若断弧时间 问隔越长而能引燃电弧者，则表明其再引弧性良好。试验以焊条d h c r - i 为测试对象， 焊接电流分别选取仁9 0 a 、1 2 0 a 和1 5 0 a ，测试结果列入表3 2 。从表中可以看出，使用 交流焊接电源，微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条在电流较小( 9 0 1 2 0 a ) 的条件下再引弧时 3 微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条的工艺性能及堆焊工艺 表3 2 焊条再引弧性能测试结果 t a i b 3 2t e s t i n g 他s u l t so fa r cr e i g n i t ei n t e r v a lo fe l e c t r o d e s 表中。代表可再引弧，代表不可再引弧。 间间隔较短，为4 5 s ，而在电流较大( 1 5 0 a ) 的条件下再引弧时间间隔较长，为8 s 。再 引弧性能的影响因素主要是焊接电流，一般认为，焊接电流越大再引弧间隔时间越长沁1 。 3 2 5 药皮发红性 焊条施焊时，焊芯端部的电弧热和尾部的电阻热会使使药皮温度升高。在焊接后期阶 段，由于焊芯作为电极通过很大的焊接电流，焊芯产生的电阻热会使焊条后半段药皮发红 变热，从而失去药皮