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太原理工大学硕士研究生学位论文 t i b 2 强化耐磨堆焊药芯焊丝及其堆焊合金的研究 摘要 高硬度耐磨堆焊药芯焊丝在能源、矿山等领域的耐磨件制作和堆焊修 复工作中已经得到了广泛的应用。但是，国产高硬度耐磨堆焊药芯焊丝综 合性能，特别是耐磨损性能和国外知名品牌焊丝尚有差距，对耐磨堆焊合 金的强化和耐磨机理的探究，还有大量工作完成。 影响耐磨堆焊合金性能的主要因素是堆焊合金的成分、堆焊合金的组 织、堆焊工艺参数及焊后热处理等。本文从已有耐磨堆焊药芯焊丝的理论 依据和实际要求出发，提出了在传统金属粉芯药芯焊丝中添加合金元素的 设计方案，通过在f e c r - c 系耐磨堆焊粉芯材料中加入不同含量t i b 2 陶瓷 粉末，制备了一种新型耐磨堆焊用药芯焊丝。采用明弧堆焊工艺方法制取 了t i b 2 强化高铬铸铁耐磨堆焊合金，并借助光学显微镜( 0 m ) 、扫描电子 显微镜( s e m ) 、硬度仪和x 射线衍射仪( x 】如) 等试验仪器，试验研究 了其堆焊合金的工艺性能和显微组织，分析了t i b 2 含量对该堆焊合金性能 ( 硬度和耐磨性) 的影响，并阐述了其影响机理。结果表明： ( 1 ) 设计制作的t i b 2 强化f e c r - c 系高硬度耐磨堆焊药芯焊丝，通过 采用明弧堆焊，其焊接工艺性达到了使用要求，结合试验得出的最佳工艺 规范制作的磨辊已在生产中使用。 ( 2 ) 新研制的t i b 2 强化耐磨堆焊合金组织是由初生碳化物、马氏体和 少量残余奥氏体组成，是一种最优化的典型耐磨堆焊合金系组织类别。同 太原理工大学硕士研究生学位论文 时y i b 2 的加入，在堆焊合金中形成一种新的硬质相化合物颗粒一 t i c t i b 2 ，呈弥散状分布在初生碳化物和基体组织中。 ( 3 ) 当堆焊合金中含有t i b 2 时，其硬度和耐磨性都显著高于其它堆焊 合金，特别是加入1 0w t t i b 2 的堆焊合金其平均硬度值达到6 8 4 h r c ，耐 磨损性是普通f e c r c 系堆焊合金的1 2 倍。经显微硬度测试，t i b 2 强化堆 焊合金的初生碳化物和基体组织硬度最高。 ( 4 ) 加入陶瓷粉末t i b 2 ，增加了堆焊合金的结晶形核质点，提高了初 生碳化物的形核率，打断了堆焊合金中柱状晶的生长，抑制其晶粒长大， 使其尺寸变小，耐磨硬质相数量增多，是导致堆焊合金硬度和耐磨性提高 的原因之一。 关键词：二硼化钛；药芯焊丝；堆焊；耐磨性 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho ff l u x c o r e dw i r ef o r h a r d r c i n gw i t ha b r a s l 0 nr e s i s l ：a n c ea n d h a r d f a c i n g a l l o y sr e i n f o r c e dw i t h t i b 2 a b s t r a c t h i 曲h a r d n e s sw e a r - r e s i s t a n th a r d f a c i n g f l u x - c o r e dw i r e sa r e w i d e l y a d a p t e dt ot h ep r o d u c t i o no fw e a rp a r t sa n dr e p a i rw o r ko fh a r d f a c i n gi ne n e r g y , m i n i n gf i e l d ，e t c h o w e v e r , t h e r ei ss t i l lab i gg a pb e t w e e nd o m e s t i ch i g h h a r d n e s sw e a r - r e s i s t a n th a r d f a c i n gf l u x c o r e dw i r e sa n df o r e i g nf a m o u sb r a n d w i r e sc o n s i d e r i n gt h e i rc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e ，e s p e c i a l l yw e a rr e s i s t a n c e t h e r ea r el o t so f w o r k t oc o m p l e t e o nt h es t u d yo f s t r e n g t h e n i n g a n d w e a r - r e s i s t i n gm e c h a n i s mo ft h ew e a r - r e s i s t a n th a r d f a c i n ga l l o y s t h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c e w e a r - r e s i s t a n t h a r d f a c i n ga l l o y p e r f o r m a n c ec o n s i s to ft h ea l l o y sc o m p o n e n t ，m i c r o s t r u c t u r a lo ft h eh a r d f a c i n g a l l o y s ，w e l d i n gt e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa n dw e l d i n gh e a tt r e a t m e n t ，e t c t h i s p a p e r , i nl i g h to ft h ec u r r e n tt h e o r e t i c a lb a s i sa n dp r a c t i c a lr e q u i r e m e n to f w e a r 。r e s i s t a n th a r d f a c i n gf l u x c o r e dw i r e ，p u tf o r w a r dt h en e w d e s i g np r o p o s a l o f a d d i n ga l l o ye l e m e n t st ot h et r a d i t i o n a lm e t a lp o w d e rf l u x - c o r e dw i r e i nt h i s p a p e r , t h r o u g ha d d i n g t i b 2c e r a m i cp o w d e rw i t hd i f f e r e n tc o n t e n tt ot h e f e c r - cf l u x c o r e d w i r e ，t w os e l f - s h i e l d e df l u x c o r e dw i r e sf o rh a r d f a c i n g i i i w i t hh i g hh a r d n e s sa n da b r a s i o nr e s i s t a n c er e i n f o r c e dw i t ht i b 2w e r ep r o d u c e d f e c 卜cs u r f a c i n ga l l o y sr e i n f o r c e dw i t ht i b 2w e r ep r o d u c e db y a r cs u r f a c i n g t h e p r o c e s s i n gp r o p e r t y 、m i c r o s t r u c t u r eo f h a r d f a c i n ga l l o y sa n d e f f e c t so ft i b 2 i n f l u x c o r e dw i r e o n p r o p e i r t i e s ( h a r d n e s s a n dw e a rr e s i s t a n c e ) w e r e i n v e s t i g a t e db y m e a n so fao p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o a n a l y s i s ( s e m ) ，x r a yd i f f r a c t o m e t e r ( x r d ) t h ep r o c e s sp e r f o r m a n c ea n d m i c r o s t r u c t u r ew e r es t u d i e db yas e r i e so fe x p e r i m e n t a lt e s t s ，t h ee f f e c t so f t i b 2 c o n t e n to nt h eh a r d f a c i n ga l l o y sp e r f o r m a n c e ( h a r d n e s s a n da b r a s i o n r e s i s t a n c e ) w e r ea n a l y z e d t h e r e s u l t sg oa sf o l l o w i n g ： ( 1 ) f e c “h a r d f a c i n ga l l o y sr e i n f o r c e dw i t ht i b 2w e r ep r o d u c e db ya r c h a r d f a c i n g ，w h o s e w e l d i n g m a n u f a c t u r a b i l i t y m e e t s t h e a p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t s c o m b i n i n gw i t he x p e r i m e n t s ，t h eg r i n d i n gr o l l sp r o d u c e d b yt h e b e s tp r o c e s ss p e c i f i c a t i o n sh a v eb e e nu s e di np r o d u c t i o n ( 2 ) t h en e w l yd e v e l o p e dh a r d f a c i n ga l l o y sm i c r o s t r u c t u r er e i n f o r c e dw i t h t i b 2a r ec o m p o s e do fp r i m a r yc a r b i d e s ，m a r t e n s i t e a n das m a l la m o u n to f r e s i d u a la u s t e n i t e ，w h i c h i sak i n do fo p t i m i z a t i o nt y p i c a l w e a r - r e s i s t a n t h a r d f a c i n ga 1 1 0 y ，so r g a n i z a t i 。n c a t e g o r y m e a n w h i l e ，t i c _ t i b 2c o m p o s i t e c o m p 。u n dp a r t i c l ew a s f o r m e da n dd i s p e r s e di nt h ep r i m a r yc a r b i d e sa n d m a t r i x s t r u c t u r e sb ya d d i n gt i b 2 ( 3 ) t i b 2r e i n f o r c e df e - c r - cs u r f a c i n ga l l o y s h a v eh i g h e rh a r d n e s sa n d b e t t e rw e a rr e s i s t a n c e e s p e c i a l l y , w h e na d d e d 10w t t i b 2 ，t h ea v e r a g e h a r d n e s sv a l u eo ft h eh a r d f a c i n ga l l o ya c h i e v e d6 8 4h r c ，a n d w e a rr e s i s t a n c e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 i s1 2t i m e so ft h a to ft h en o r m a lf e c r - ch a r d f a c i n ga l l o y b ym i c r o h a r d n e s s t e s t i n g ，h a r d n e s so fp r i m a r yc a r b i d e sa n dm a t r i xt e x t u r eo ft i b 2r e i n f o r c e d f e c 卜ch a r d f a c i n ga l l o y sa r et h eh i g h e s t ( 4 ) o n eo ft h er e a s o n sw h i c hl e a d st ot h ei n c r e a s eo fh a r d f a c i n ga l l o y s h a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c ei st h a tt h ea d d i n go ft i b 2c e r a m i cp o w d e r sh a s i n c r e a s e dt h e p a r t i c l e s o fc r y s t a ln u c l e a t i o ni nh a r d f a c i n ga l l o y s ，w h i c h i m p r o v e dt h en u c l e a t i o nr a t eo fp r i m a r yc a r b i d e s ，i n t e r r u p t e dt h eg r o w t ho f c o l u m n a rc r y s t a la n di n h i b i t e di t sg r a i ng r o w t h ，m a k i n gi t ss i z es m a l l e ra n d i n c r e a s i n gt h en u m b e ro f w e a r - r e s i s t a n th a r dp h a s e k e yw o r d s ：t i t a n i u mb o r i d e ；f l u x c o r e dw i r e ；h a r d f a c i n g ；w e a rp r o p e r t i e s v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 据统计，在国民经济发展和国防建设中，约有8 0 左右的机械产品零件由于磨损而 失效或报废，给国民经济造成了不可估量的损失。在美国，每年由于磨损和腐蚀造成的 各种损失高达1 0 0 0 亿美元，占整个国民经济总产值的4 。然而在我国，仅在矿山、冶 金、电力、交通和农机部门，直接或间接由于工件磨损消耗而造成的经济损失，每年就 高达4 0 0 亿元人民币【1 5 1 。随着科学技术和现代工业的快速发展，机械工业设备的运转 速度也越来越高，零件被磨损的速度加快，磨损程度也越来越厉害，其使用寿命的长短 成为影响现代设各生产效率和节约工业成本的重要因素，如磨煤机磨辊，其质量的优劣， 特别是硬度和耐磨性能直接影响到制粉系统的工作效率、煤粉质量和磨煤机的检修周 期。因此研究和发展新型耐磨材料，以减少金属零部件磨损，对国民经济的发展有着至 关重要的意义。 磨损产生于材料的表面，而表面属性对其耐磨性有直接影响关系。提高材料耐磨性 的传统方法是通过淬火等热处理方法改变材料表面硬度而不改变化学成分，通常情况 下，材料表面硬度越高，耐磨性越好【6 】。但此种方法对材料硬度的提高幅度非常有限。 正因为如此，人们开发研制出了多种硬面技术来强化承受磨损的机械零件表面【4 , 7 - 9 。所 谓硬面技术，通俗的讲就是金属表面强化技术，包括堆焊、激光表面处理、热喷涂、离 子渗碳渗氮等，其本质就是用自身具有特殊性能的材料或者通过冶金反应等产生具有特 殊性能的材料，来修补、增大或者制造金属机械零件，使其满足某种特殊需要。 在金属材料或零部件表面采用堆焊工艺熔敷耐磨损、耐腐蚀等特殊性能的金属层， 赋予表面以特殊的性能，形成复合材料金属结构，对提高零件的使用寿命，合理使用材 料，提高产品性能，降低材料消耗和成本有具有重要工程意义。目前该技术越来越广的 应用于各个工业部门零件的制造修复中 1 0 - 13 1 ，各发电厂对磨煤机进行检修时，采用将磨 辊表面堆焊高铬铸铁耐磨材料的方法，将被磨损的磨辊修复到设计尺寸，并努力提高堆 焊金属的耐磨性，从而达到循环使用，降低生产成本的目的，成为各发电机构修复磨辊 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 及提高磨辊使用寿命的一个主要发展方向和手段【l4 | 。 目前耐磨堆焊材料多以高铬铸铁为主，通过大量的实践证明【”j8 1 ，高铬铸铁作为耐 磨堆焊粉芯材料具有很强的实用性，比一般堆焊粉芯材料的硬度都高，耐磨性更好，机 械加工性能也有很大改善。高铬铸铁堆焊焊条以及高铬铸铁堆焊药芯焊丝是高铬铸铁堆 焊常采用的两种方式，堆焊药芯焊丝由于可以大幅度的提高堆焊修复或堆焊复合制造的 效率，节省时间，进而创造更多的经济利益 1 9 , 2 0 】，而被众多商家所青睐。虽然已经获得 了很好的应用，但传统的堆焊药芯焊丝硬度低、耐磨性不好、使用寿命短，针对此种情 况以及实际需要，来研究一种具有优良综合性能的耐磨堆焊药芯焊丝。目前，在耐磨堆 焊药芯焊丝中直接加入陶瓷材料t i b 2 的研究所见甚少，因此作者对t i b 2 强化耐磨堆焊 合金进行系统研究，分析t i b 2 强化耐磨堆焊合金的组织及各项性能，希望找到耐磨性 更加良好的t i b 2 强化耐磨堆焊合金成分，从而达到研制耐磨性更好的新型耐磨堆焊自 保护药芯焊丝的目的。 1 2 本课题的研究现状 1 2 1 耐磨堆焊药芯焊丝 目前世界上大多数国家都有适合自己本国国情的品种繁多的耐磨堆焊材料，根据合 金体系的不同，常用的耐磨堆焊材料可分为七大类2 ，如图1 1 所示。 耐 磨 堆 焊 材 料 低合金钢合金元素主要有c r ，m n ，s i ，m o 等 中碳中合金热稳定钢w ，c r ，m ，v 钻基合金以钴为基础加入c r ，w ，v 等 高速钢w18 c r 4 v 和w 9 c r 4 v 2 合金铸铁w ，c r ，m o ，m n 等 高锰钢和高铬锰钢 碳化钨堆焊合金w c 和w 2 c 图i - i 常用的耐磨堆焊材料 f i g i - ic o m m o n l yu s e dw e a r - r e s i s t a n th a r d f a c i n g m a t e r i a l s 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 目前高硬度耐磨堆焊材料的研制主要有三种途径：堆焊药皮焊条、堆焊实芯焊丝和 堆焊药芯焊丝 2 2 1 。1 9 7 0 年以前，全世界在钢结构焊接中以使用药皮焊条为主。随着焊 接生产自动化、机械化的发展，c 0 2 气保焊技术的普及，药皮焊条产量所占比例逐年减 少，而实芯焊丝和药芯焊丝的比例却逐年上升，到1 9 8 0 年美国和西欧等国家和地区药 皮焊条占焊接材料总产量的比例已下降至4 0 。1 9 8 2 年日本焊条占焊材总产量的比例 已小于5 0 ，以后逐年下降，1 9 9 0 年仅为2 4 5 ，到1 9 9 7 年下降至2 0 ，目前这一数 据还在降低。 药芯焊丝也称管状焊丝或粉芯焊丝，由低碳钢带包裹合金、金属或非金属等粉末材 料，经轧制成型，再拉拔减径而成，是本世纪5 0 年代从美国发展起来的高效焊接材料， 分为自保护和气保护两大类，具有比实芯焊丝电弧稳定、成型美观、生产效率高、焊接 质量好、焊接成本低等优点。目前，药芯焊丝在美国、日本、欧洲、韩国等国家和台湾 地区已得到飞速发展，并逐步显现出成为当今焊接工业，尤其是耐磨堆焊领域主导产品 的趋势【2 3 。2 5 1 ，其中以美国药芯焊丝品种最齐全，主要供货商是林肯公司( t h el i n c o l n e l e c t r i cc o m p a n y ) 和i t w 集团何伯特兄弟公司( 目前包括h o b a r t 、t d - m a r k 、 m c k a y 、c o r e x 四个品牌) ，日本今后五年里，各类药芯焊丝和气体保护实芯焊丝总产 量将占7 0 以上【2 6 - 3 0 1 。近年来国外先进工业国家在药芯焊丝研究方面目标基本相似： ( 1 ) 追求高质量、高生产效率、降低综合生产成本。日本从8 0 年代以来，药芯焊 丝的产量逐年提高，已经大大超过了焊条的产量，并有直逼实芯焊丝产量的趋势，目前 两种焊丝的产量已不相上下。 ( 2 ) 提高药芯焊丝的焊接工艺性以及力学性能。重点从降低飞溅、减小烟尘、提高 电弧稳定性、焊缝成型等方面进行考虑；相对埋弧焊，更容易实现与母材的良好匹配， 附加大幅度的热输入调整范围，尤其在焊接高强钢方面，可以获得很高的强度和良好的 韧性。 ( 3 ) 大力发展适合多材料、大领域、全位置的新型药芯焊丝。目前药芯焊丝广泛应 用于低合金耐热钢、低碳钢、耐候钢、不锈钢、低温钢等材料的焊接，尤其金属粉芯型 药芯焊丝，更是以高熔敷效率、低飞溅、电弧稳定性好等特性，大量用于钢结构焊接、 矿山机械、火力发电等行业，而且随着工业发展，越来越多的耐磨堆焊药芯焊丝受到各 国广泛重视。 ( 4 ) 开发设计新型药芯焊丝生产设备及焊接装置。建立健全相关研究机构，大量培 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 养该项研究的科研技术人员，完善研发、试验、量产、应用一条龙体系，促进本国在该 项领域的专业化、规模化【3 1 1 。 目前国际上药芯焊丝研究开展较早的国家的药芯焊丝产业已经形成比较完善的规 模，并保持了同焊条工艺性能相对应的产业化道路，重点开发研究新型、环保型和高硬 度高耐磨堆焊用药芯焊丝等。 我国在药芯焊丝的应用与研究方面开始得也比较早，几乎和国外同步。1 9 5 8 年， 北京的一次技术革新展览会上，机械工业部隶属的机械研究所就向公众首次展示了由其 研究所研制的管状焊条，几乎就在同时，由天津大学张文钺教授领衔的科研团队借鉴前 苏联的生产工艺开发出类似的适用于硬面堆焊的“管状焊条芯”【3 2 】，开创了我国药芯焊 丝研究和应用的先河。之后相继有1 0 多个单位、科研机构等从事药芯焊丝方面的研究， 但总的来说，由于当时研究水平和焊接自动化水平较低，投入的人力物力也不够，使得 药芯焊丝这种高效化耐磨堆焊材料在国内难以推广【3 3 。8 】，直到1 9 8 7 年北京天一焊业( 原 北京焊条厂) 有限公司在郑州机械研究所的帮助下，引进了当时英国最先进的全套全轧 式药芯焊丝生产线和工艺配方，成为我国首个现代化批量生产药芯焊丝的生产厂家。生 产的酸性和碱性药芯焊丝，成功应用于上海宝钢的前期工程建设中。 2 0 世纪末的最后1 0 年间，我国开始逐步发展适用于全位置的药芯焊丝。其中以钛 型为主，由于钛型药芯焊丝适合粘度熔渣的支持，易于进行立向上焊接，大量用于船舶、 压力容器等大型钢结构的焊接。进入2 1 世纪以来，我国药芯焊丝的发展进入了历史发 展的快车道，许多焊材大型企业开始药芯焊丝的开发与生产，发展极为迅速，截止到 2 0 0 9 年，天津金桥焊材集团有限公司的药芯焊丝产量就已达到3 9 万t ，年生产能力达 到5 万t 以上。现在有超过5 0 家从事生产和销售药芯焊丝的焊材厂，2 0 0 9 年，我国已 超过日本，成为全世界药芯焊丝产量最多的国家。 目前，在我国各类药芯焊丝的消耗使用中，堆焊药芯焊丝仅占6 1 5 左右，且绝大 部分依赖进口，国产耐磨堆焊药芯焊丝的产品品种单一，质量不能保证，是限制我国耐 磨堆焊药芯焊丝发展的瓶颈。据保守估计，我国耐磨堆焊药芯焊丝市场需求量为2 0 0 0 t _ 4 0 0 0t ，但我国耐磨堆焊药芯焊丝实际生产能力仅为1 0 0 0t 左右，远远不能满足日益 增长的国内需求，因此，研制发展国内的药芯焊丝，尤其是耐磨堆焊药芯焊丝势在必行。 尽管我们国家在药芯焊丝生产和使用上已占据全球主要地位，但目前我国药芯焊丝 的发展仍存在诸多问题： 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 焊丝品种结构不合理 药芯焊丝在我国的应用虽在不断扩大，但品种较单一。只有钛型气保护药芯焊丝在 市场中占据主导地位。由于工况环境和使用要求越来越苛刻，使得钛型焊丝在相当多的 焊接现场，受到国外同类优秀产品的较大冲击；碱性药芯焊丝在c 0 2 气体保护条件下 的焊接工艺性欠缺，无法满足广阔市场需求，尚不能为市场广泛接受；耐磨堆焊( 埋弧 堆焊为主) 药芯焊丝虽然有一部分为自主生产，但绝大部分以中低档为主，且质量参差 不齐，根本无法满足国内工业飞速发展的需要，此外，一些关键和高档耐磨堆焊材料仍 主要依靠进口，且价格昂贵【3 9 1 。 ( 2 ) 焊丝工艺质量水平不高，研发能力薄弱 国内生产的耐磨堆焊焊材，除普通碳钢焊条以外，其它的工艺性大都逊于国外同类 产品。尤其针对磨辊、轧辊应用的耐磨堆焊药芯焊丝，目前国内只有少数厂家( 天津三 英焊材公司、北京安泰科技焊材厂、武汉铁锚、昆山天泰以及上海焊材厂) 正在进行研 制，成熟产品甚少，突出问题主要集中在焊接时的烟雾大、飞溅高、效率低等方面。焊 丝质量稳定性不高是阻碍我国药芯焊丝发展和应用的关键，造成了徒有产量没有质量的 不良现象【4 0 1 。 ( 3 ) 研发能力薄弱 科研人员水平参差不齐，研发投入相对较少，也制约了我国药芯焊丝发展，引进先 进设备未能及时消化吸收，导致焊丝生产质量无法保证，设备运行成本过高，生产线生 产不能盈利，故而后期研发能力偏弱，不能正常维持设备的运行成本，形成恶性循环， 阻碍我国各类药芯焊丝整体的发展。 因此，为了我国药芯焊丝( 主要是耐磨堆焊药芯焊丝) 的发展，各科研机构和焊材 单位应从上面的几点薄弱环节入手，形成产、学、研相结合的良好模式，加大研发经费 和生产线消化吸收的力度，从根本上解决药芯焊丝生产质量不高，品种单一，工艺性不 良等问题，逐渐缩小与外资企业的差距。 i0 2 2 耐磨堆焊合金 目前常用的耐磨堆焊合金主要有铁基、镍基、钴基、铜基等。为了获得高硬度高耐 磨及综合性能良好的堆焊合金，往往在这些合金中加入较多的贵重金属，如钨、镍、铌、 钴、钼等，但合金元素的加入量与材料的性价比并不成正比。堆焊用合金粉末及其适用 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 范围【4 1 1 如表1 1 。 表1 1 堆焊用合金粉末及其适用范围 t a b l e1 - 1h a r d f a c i n ga l l o yp o w d e ra n d s c o p eo fa p p l i c a t i o n 。- _ _ - - - - _ _ _ _ l 一一= = 堆焊合金粉末 熔点堆焊层 粉末类型 牌号 硬度h r c 适用范围 ( 1 ) 铁基合金 目前，在众多的耐磨堆焊合金中，铁基耐磨堆焊合金由于硬度高、综合性能好、价 格低廉而备受关注。不仅是因为其价格低廉、经济性好，更是因为经过调整组织和成分， 铁基合金可以在很大范围上改变堆焊层的强度、硬度、耐磨性和抗冲击性能。由于合金 含量和冷却速度的不同，铁基堆焊合金的组织可为马氏体、珠光体、奥氏体和莱氏体 4 2 1 。 1 ) 马氏体合金 马氏体钢的堆焊层在正常焊接条件下的焊态组织为马氏体。其含碳量在0 1 1 o 之间，马氏体钢堆焊层按其含碳量分为低碳、中碳和高碳马氏体三种堆焊层。分别是 0 3 的低碳马氏体，o 3 0 6 的中碳马氏体，0 6 1 o 的高碳马氏体。硬度变化范 围在2 5 6 0 h r c 之间。 马氏体钢堆焊层主要应用在抗金属间磨损的场合，如各种齿轮、轴承类零件的堆焊。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 在犁铧、挖泥铲等适用于低应力磨料磨损场合的零件中也能获得较满意的效果，手工电 弧焊和熔化极活性气体保护焊是马氏体钢的主要堆焊工艺，但要注意的是，施焊前必须 对焊条进行烘干处理。 2 ) 珠光体合金 珠光体合金含碳量一般小于0 2 5 ，总的合金元素含量不大于5 。这种堆焊合金 的金相组织以珠光体为主( 含索氏体和屈氏体) ，虽然其焊接性好、抗冲击能力较强， 机加工- l i 工f l - - 台月匕e , 好，但硬度较低( 2 0 3 8 h r c ) ，耐磨性较差，均低于马氏体合金，主要用于 轴类及车轮磨损面的表面修复。对耐磨性要求不高的零件修复，可以直接采用珠光体堆 焊合金，可获得良好的焊接性，才用的工艺方法也是手工电弧焊和熔化极气保焊。 3 ) 耐磨奥氏体合金 耐磨奥氏体合金主要分为高锰钢和铬锰钢两大类。低铬梦奥氏体钢含铬量不超过 4 ，含锰量介于1 2 1 5 之间，并含有少量n i 和m o ；高铬锰奥氏体锰钢堆焊层含铬 为1 2 0 o - 1 7 ，含锰量约为1 5 。 两种奥氏体钢在堆焊后，其合金组织为奥氏体组织【4 3 】。焊态的硬度也相似，均在 2 0 0 2 5 0 h b 之间。加工硬化性能非常好，在受到较大冲击载荷时，表面硬度可提升到 4 5 0 5 5 0 h b ，因此耐磨奥氏体堆焊层可广泛适用于有冲击的高应力磨料磨损的场合。比 如破碎机的颚板、挖掘机的斗齿及铁路辙叉等零部件。常用的高锰钢堆焊焊条有d 2 5 6 和d 2 6 6 ；高铬锰钢焊条有d 2 7 6 、d 5 6 7 和d 5 7 7 等。 4 ) 耐磨双相中锰合金， 耐磨双相中锰钢含0 。6 1 0 的碳、6 0 一1 0 0 的猛及适量的镍、铬和钼。由于 碳锰含量低，其焊态组织不再是稳定的奥氏体，而是由介稳奥氏体和1 0 以下的马氏体 组成的双相组织。虽然此类堆焊合金焊后硬度不是很高，约为2 5 0 3 0 0 h b ，但介稳奥 氏体在工况应力和冲击力作用下发生马氏体相变，使表面硬度达到5 5 0 7 0 0 h b 。即使 表层堆焊金属被磨损掉，新露出来的表面也同样会发生二次硬化，使耐磨性获得再生。 因此，此类堆焊合金极易适用中高应力磨料磨损或者解除疲劳的工况。对破碎机颚板、 挖掘机斗齿及铁路辙叉等工件的堆焊可采用这种堆焊合金，能显著提高材料耐磨性。 5 ) 耐腐蚀合金 耐腐蚀合金主要分为铬镍奥氏体不锈钢和高铬马氏体不锈钢两类。由于其具有优良 的耐蚀性和抗氧化性能，而被广泛使用。不锈钢表面能生成一种稳定而致密的氧化铬膜， 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 这种膜阻止表面发生进一步的氧化和腐蚀介质的入侵。由于工作条件及不锈钢所处的环 境不同，氧化膜不稳定，使得不锈钢也会产生晶间腐蚀或总体腐蚀。为了使堆焊合金层 具有良好的耐蚀性，其焊后显微组织最好为单相奥氏体或马氏体 4 4 j 。 6 ) 高合金铸铁 高合金铸铁堆焊层含碳量为1 5 6 0 ，并含有大量的铬( 3 3 5 ) 以及适量的 w 、n i 、m o 、v 、t i 、b 等元素。按相结构，可分为马氏体合金铸铁、奥氏体合金铸铁 和高铬合金铸铁三大类。c r 、m o 、w 、v 、t i 等和c 均可形成大量碳化物，当含b 时， 还可生成一定量的硼化物，因此使得堆焊层的抗高应力磨料磨损能力有很大的提高 4 5 , 4 6 ，但耐冲击性能和韧性相对较低。碳含量严重影响堆焊合金的组织和性能。碳含量 较低时，碳化物数量不足，堆焊层硬度低；碳含量增加时，硬度增加，耐磨性相对增加， 但碳含量大于某一特定范围时，耐磨性反而下降，韧性降低。因此想要获得较高的硬度 和耐磨性，不能单纯提高碳含量，必须添加w 、n i 、m o 、v 、t i 、b 等合金元素，实际 生产操作中，要根据具体的磨损条件，选择合适的耐磨合金体系，表1 2 为主要的耐磨 堆焊合金对比状况【4 7 】，从中可以看出，要得到高硬度高耐磨堆焊合金体系，应从碳化钨 合金和高铬铸铁合金两种堆焊合金入手。 表1 - 2 堆焊用合金粉末及其适用范围 t a b l e1 - 2h a r d f a c i n ga l l o yp o w d e ra n ds c o p eo fa p p l i c a t i o n l t u n gc a r b i d ec o m p o s i t e s 很好的耐磨性，由于韧性不足，易剥落 好的耐磨性，高碳化合物适应 h i g h - c h r o m i u mi r o n s 于低应力，具有好的抵抗氧化性 耐 磨 樱 对低应力和高应力有 m a r t e n s i t i ci r o n s 性 相 碧 好的耐磨性，有高压应力 对 憎 增 荔 对低应力有好的耐磨性，对高热应力及 c o b a i tb a s ea l l o y s 加 高温氧化性、腐蚀性有很好的抵抗作用 m a r t e n s i t i cs t e e l s 有好的耐磨损性能和碰撞抵抗力 a u s t e n i t i cs t e e l s 中等的耐磨性，好的抗冲击及有高韧性 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 堆焊合金磨料磨损机理 1 3 1 材料磨损的分类 磨损是摩擦的接触面由于发生相对运动，在接触应力下，表面发生损伤以及 失效的过程。由于影响磨损的因素比较复杂，因而磨损的分类也比较混乱。按零 件表面破坏机理特征，磨损可以分为以下几种类型 4 8 1 ，如表1 3 所示： 表1 - 3 磨损类型 t a b l e1 - 3w e a rt y p e 磨损 类型 定义 磨粒 磨损 粘着 磨损 又称磨料磨损，是最常见的一种磨损形式。它是一种由于物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物 ( 包括硬金属) 相互摩擦引起表面材料损失的一种磨损方式。其又可分为低应力磨粒磨损、高 应力磨粒磨损、凿削式磨粒磨损三种类型，这类磨损最为常见，据统计数量占5 0 。 又称咬合磨损、摩擦磨损或金属一金属问磨损。它是在摩擦件相对运动时，由于固相焊合作 用的结果，造成接触面金属的损耗。粘着磨损与接触应力、运动速度、温度、润滑情况有关， 若两种材料硬度相差很大，接触时就不易产生粘着，磨损就小。据统计粘着磨损占1 5 。 表面 两接触表面在交变接触压应力的作用下，材料表面因疲劳而产生物质损失的过程，叫做疲劳 疲劳 磨损。根据应力不同，疲劳磨损又包括热疲劳磨损和表面疲劳磨损两种形式。 磨损 腐蚀 零件表面在摩擦的过程中，表面金属与周围介质发生化学或电化学反应，因而出现的物质损 磨损失。 微动 两接触表面间没有宏观相对运动，但在外界变动负荷影响下，有小振幅的相对振动( 小于 磨损 1 0 0 p m ) ，此时接触表面间产生大量的微小氧化物磨损颗粒，因此造成的磨损称为微动磨损。 1 3 2 磨料磨损的简单模型 在许多摩擦磨损著作中都应用e r o b i n o w i c z 在1 9 6 6 年提出的磨料磨损简化模型 ( 图1 2 ) 和数学表达式1 1 1 4 。这种简单模型的基本假设是【4 9 】： ( 1 ) 将进行磨损的材料简化成一种不产生任何塑性变形的绝对刚体： ( 2 ) 将硬质磨料颗粒简化成一个圆锥体； 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 将磨损过程视为简单的滑动过程。 图1 - 2 磨料磨损的简单模型 f i g 1 - 2t h es i m p l em o d e lo fa b r a s i v ew e a r 利用这个简单模型可以很容易计算出在一个圆锥体的磨料颗粒作用下，滑动一定距 离所磨损掉的材料体积( 图1 2 阴影部分) 。即： v - - ! 2 ，x 7 _ r x ， 2 式中：卜磨损掉的体积； r 磨粒颗粒圆锥体半径； 广磨料压入材料内的深度；1 卜滑动距离。 磨料压入材料内深度决定于压力的大小和材料硬度的比值，所以， x = r t 9 0 ，p 万，= 一 h 等= 上7 h t g 臼， v 式中：卜磨粒圆锥体夹角； p 一施加载荷； h 一材料硬度。 1 0 ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 上述表达式说明，在一定的磨料磨损条件下，单位滑动距离内磨损的体积与施加的 载荷成正比，与材料的硬度成反比。 通常在实际磨料磨损过程中，磨损机理往往要比这种简单模型复杂得多。因为此时 参与磨损的磨料不是单个的，而是有成千上万的磨料在起作用；此外，被磨损材料在磨 损过程中或多或少的发生塑性变形；加之磨损过程中经常伴有冲击载荷，环境温度、适 度及腐蚀介质的影响。因而这种简单模型只是一种理想化的磨料磨损类型，但对磨料磨 损的耐磨机理分析仍具有一定的指导意义。 1 3 3 磨料磨损的影响因素 1 ) 碳元素对磨料磨损的影响 在磨料磨损过程中，碳含量及内部显微组织对材料耐磨性有着直接的影响关系，特 别是低应力磨料磨损过程中，碳含量起最重要的决定作用。碳不仅能深入基体形成固溶 体，导致基体的硬度和耐磨性提高；还能与多种元素形成高硬度的碳化物硬质相 5 0 l ，是 提高堆焊合金耐磨性的关键；同时碳元素还能和大多数的过渡合金元素形成间隙相或间 隙化合物，间接增加堆焊合金中碳化物含量。由于碳原子半径小，通常融入基体的间隙 中造成晶格畸变而提高堆焊合金的强度和硬度。 堆焊层的硬度和耐磨性随f o ( c ) 的增加而增加，并且具有一定的加工硬化效果。堆 焊层组织随( c ) 的增加，晶界覆盖面积增加，而晶粒却变细小。含碳量为2 7 ，含 铬量为1 1 3 5 的堆焊合金称为高碳高铬耐磨合金，焊后组织中的相主要有m 2 3 c 6 、 m 7 c 3 和m 3 c 。这些碳化物都是硬质相，对堆焊合金的耐磨料磨损性能起主要作用。 初生碳化物是指过共晶组织平衡凝固时，最早形成的初生相。碳含量及铬碳比不同 都直接影响初生碳化物的数量、性质、尺寸、分布状态以及基体组织性能。随着碳含量 的增加或铬碳比的降低，初生碳化物越来越多，而且颗粒越来越大，碳化物的生长方向 趋于一致，越来越明显垂直于母材。这是使碳化物定向生长的一个重要方法。在许多情 况下，这些碳化物主要以m 7 c 3 的形式存在于堆焊合金组织中，大大提高堆焊合金的耐 磨性。在多合金化条件下，除了析出单一的碳化物或硼化物之外，还会形成各类复合化 合物，致使堆焊合金组织中的硬质相的形态和力学性质发生改变，进而影响堆焊合金的 耐磨料磨损性能。 堆焊层中碳元素的含量不能过高，碳元素过高时，碳化物相数量过多且其形态为网 太原理工大学硕士研究生学位论文 状、树枝状，降低了堆焊层的韧性，造成焊接裂纹，焊接工艺性变差，直接导致堆焊合 金磨料磨损性能下降。表1 4 列出了碳含量的增加对堆焊合金工艺性能的影响。 表1 4 碳元素含量对堆焊合金工艺性能的影响 t a b l e1 4e f f e c to f h a r d f a c i n ga l l o y sp e r f o r m a n c eo nc a r b o nc o n t e n t 焊接工艺性 堆焊合金中碳元素含量增加 飞溅性 熔渣流动性 渣的覆盖性 渣壳内松孔 脱渣性 变大 不易流动 渣全覆盖一中间少量裸露一中间多量裸露一 仅两边有渣一熔渣随机成团不能保护焊道 增多 逐渐困难，最后经常出现夹渣现象 横向裂纹增多一横向裂纹很多且有很小的纵向裂纹一 裂纹状况 横向裂纹很多且纵向裂纹变多一裂纹成块状孤立分布 2 ) 堆焊层硬度对磨料磨损的影响 材料的耐磨性是磨损条件和材料性能的一种综合反映。迄今为止，许多研究资料都 表明，堆焊合金的硬度与耐磨性之间并不存在单纯的简单线性关系，硬度高并不代表耐 磨性就一定好，相反有些硬度低的材料，耐磨性反而要好。仅以硬度衡量堆焊金属的耐 磨性往往不够全面 5 1 1 。堆焊合金的耐磨性主要取决于合金组织中硬质相的数量、硬质相 的分布、形态、性能，基体的硬度以及硬质相与基体的匹配程度等。 但是，不可否认的是，在一般的磨料磨损工况条件下，堆焊合金硬度越高，其磨料 磨损性能相应的会越好。因此，从某种意义上可以说，在恶劣工况条件下高硬度对堆焊 合金磨损性能的提高是有帮助的。通过试验研究，直接提高堆焊合金的硬度，理论上可 间接提高该堆焊合金的耐磨料磨损性。 3 1 微观组织对磨料磨损的影响 组织决定性能，堆焊合金的微观组织对其机械性能有着密切关系，因此它对合金的 耐磨性产生重要影响。磨损过程是个非常复杂的动态过程，k o t e c k id j 和o g b o m j s 通过研究 5 2 1 认为：微观组织是铁基耐磨堆焊合金抗低应力磨料磨损的关键因素。图1 - 3 标出了几种最常见的与耐磨性有关的堆焊合金微观组织的影响因素，主要有基体、弥散 相、夹杂物和内部缺陷等。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 3 与合金微观组织有关的基本因素 f i g 1 - 3t h eb a s i cf a c t o r sr