毕业设计（论文）-截齿的堆焊工艺.doc

河北机电职业技术学院毕业论文摘 要本文针对煤矿采煤机易损件截齿的损坏情况，挑选了D322 、D55、D276、D256、YB3 五种焊条作为截齿耐磨层堆焊材料。对堆焊层空冷后和不同方式热处理后的组织和性能进行了初步研究。我们采用金相显微镜，显微硬度计，洛氏硬度计，以及X射线衍射仪，能谱仪等设备对堆焊层进行组织观察，硬度测试，能谱分析，以及相分析等，为提高截齿的使用寿命选择合适的耐磨堆焊材料提供了技术上的依据。现场试验和其它实验表明，YB3虽然具有高的硬度和大量耐磨的均匀碳化物，但因其脆性过大，韧性不足，而不宜于用作截齿的堆焊材料；D322硬度低于YB3但韧性高于前者，还有有利于提高韧性的残余奥氏体存在，使其能够作为提高截齿磨损寿命的选用材料；对D276的组织分析和硬度测试表明，D276作为提高截齿寿命的耐磨材料，很有值得进一步试验的价值。关键词： 截齿 堆焊 耐磨性 显微组织 热处理 1 前 言截齿是安装在采煤机最前端的割煤工具，是采煤机上的易损件。截齿是煤矿井下采掘机械用来破岩、落煤的刀具。该截齿由合金刀头和割齿体两部分组成。刀头为YG类硬质合金，刀体材料通常为中碳低合金钢，其损坏方式主要为磨损，以及少量脆断，其寿命通常为1020天，为了提高截齿的耐磨性，需要在一定部位进行耐磨层堆焊。1.1截齿的国内外发展现状目前我国年产煤约12亿t，对截齿的需求量很大，由于国产截齿的寿命较低，仅是德国截齿寿命的1/3，因此每年都需要花费大量的外汇购截齿。虽然国内不少学者曾做过研究，但没有从根本上解决此问题。因此，迫切需要制造出高质量的截齿，已满足生产上的需要。截齿是由硬质合金刀头和合金钢刀形齿体经钎焊而成。刀形齿体目前我国和东欧国家大都采用35CrMnSi钢，德国用40CrNiMo钢，截齿刀头常用YG类硬质合金，用钎焊方法把硬质合金固定到钢基体上。基体上多堆焊上一层耐磨的合金，以增加截齿的耐磨性1。1.2 磨损磨损是机械设备中金属工件失效的主要形式之一。金属磨损与金属腐蚀、金属疲劳相比，虽很少导致灾难性危害，但由于金属磨损引起机械设备的工作效率降低，工件更换或维修频繁，能源和金属材料消耗增加等所造成的经济损失相当惊人。此外机械设备的金属工件磨损，还会引起某些工业产品的质量降低，甚至影响工业技术向现代化自动化发展。对被磨损表面采用堆焊修复是对付磨损简单且行之有效的方法。堆焊是用焊接方法在零件表面堆覆一层具有一定性能材料的工艺过程，它不是为了连接零件，其目的是在于增加零件的耐磨、耐热、耐腐蚀等方面的性能。1.2.1金属磨损的概念磨损是由于接触面间的相互摩擦作用，造成表面破坏的现象。如果存在腐蚀等因素，将使磨损加剧。磨损是一个比较复杂的微观破坏过程，它不仅决定于金属本身的性能，而且还受许多外界因素的影响。磨损是金属材料本身与它相互摩擦的材料以及工作环境综合作用的结果，所以磨损实际上反映了一个系统的性能。显然，为提高耐磨性而选择堆焊合金和制定堆焊工艺时，就必须同时考虑各方面的要求才行1。1.2.2磨损的形式：（一）粘着磨损它是金属与金属之间相对移动时，由于两接触面凸凹不平，在磨擦过程中引起表面金属变形、局部高温焊合而撕裂或转移结合到另一表面，从而产生的表面破坏。这种磨损形式多发生于润滑不良或不进行润滑的滑动摩擦零件中。轴、轴承、履带轮、制动轮、阀门密封面、切削刀具、模具等零件工作中，常常有这种磨损形式。它一般要求堆焊材料有较小的磨擦系数，硬度和耐磨性应与相互磨擦的材料接近。另外，由于磨擦件之间常有一些铁屑、砂子等磨料存在，因此许多零件除进行粘着磨损外，还同时承受着磨料磨损。堆焊工作中，把这种综合磨损形式习惯称为“金属与金属间磨损”。（二）磨料磨损当硬质颗粒或表面粗糙物体（称为磨料，如岩石、矿石、砂子、土壤、硬金属屑、砂布、砂轮等），在压力的作用下，对金属表面进行显微切削，即产生了磨料磨损。它是一种堆焊中常见的磨损形式。按应力状态不同，磨料磨损分三种。1、高应力磨料磨损 是在两个零件表面夹有磨料，并在很大的压应力作用下相互摩擦产生的。由于磨料与金属的接触点上有很高的压应力，使得磨料被碾碎，同时引起金属显微划伤或使硬相（如粗大碳化物）剥落。如球磨机的磨球和衬板、挖掘机的链条和链轮等属此类。这种工作条件，对冲击韧性的要求是次要的，而需要高的抗压强度和硬度。因此，常用合金白口铸铁、碳化钨和高碳钢等堆焊材料。2、低应力磨料磨损 它是固态磨料以某种速度，较自由地与所接触的金属表面做相对运动引起的。这类磨损的特点是，作用在磨料上的应力较低，对零件表面的冲击力很小。此外人们把含有磨料的气体或液体流冲击金属表面引起的磨损，称为气相或液相磨料磨损，它们也属于低应力磨料磨损类型。典型例子如推土机铲刃、犁铧、泥浆泵叶轮、粉尘排除设备等。它们对堆焊材料的冲击韧性要求很低，而且有高的耐磨性和硬度。一些硬脆的合金白口铸铁、碳化钨和马氏体钢堆焊材料常被应用。磨损方程.3、凿削式磨料磨损 其特征是磨料以很大的冲击力切入金属表面，并切削下大颗粒金属形成严重的沟槽。典型例子如挖掘机斗齿、破碎机颚板等。这种带有严重冲磨损条件，常采用具有高韧性的耐磨堆焊材料，其中奥氏体高锰钢应用最广。1.2.3 影响磨料磨损的主要因素。1. 影响磨料磨损的内部因素内部因素包括金属材料成分，微观组织特征及性能。三者互有联系，互有影响。（1）材料的成分金属材料的化学成分和热处理状态决定了他们的组织。以铁基材料为例，耐磨性与化学成分，微观组织有关。对一点成分的材料他的耐磨性和硬度在一定范围内呈线性关系。珠光体钢的耐磨性随着碳含量的增加而增加。，形成碳化物的合金元素，一般会使港的耐磨性有所提高。强化铁素体基体的合金元素，一般对磨料磨损影响并不显著。2. 材料的微观组织(1) 基体组织。对钢来说，基体组织对耐磨性的影响顺序大致是：铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体逐次递增2，奥氏体对磨损也有很大影响，特别是残余奥氏体的影响，在金属磨损时表层材料发生剧烈塑性变形，而使残余奥氏体发生形变诱发马氏体转变，一方面消耗了磨损能量，另一方面形成了坚硬的马氏体，提高了耐磨性。 （2）基体中第2相的影响为：金属化合物相 “软”金属化合物质点（共格或很轻微的不共格） 在塑变时易被位错剪断，而“硬”金属化合物质点（非共格）在变形时则位错绕过。与过饱和的固溶体相比较软，软金属的化合物相虽能提高屈服强度，但对耐磨性则无明显影响。不能剪切的质点能使耐磨性有所改善，显微组织中含有细小而分散的均匀分布的半共格的金属化合物相具有较好的耐磨性3。碳化物的硬度对材料的耐磨性也有很重要影响。磨料条件不变时，若碳化物比磨料软，则材料的耐磨性有随着碳化物的提高而提高的的趋向。当磨料较碳化物软时，如长石对高铬合金铸铁磨损时，则耐磨性随碳化物的尺寸增加而增加。碳化物提及分量大和碳化物基体之间界面能低都有利于提高材料的耐磨性。3 材料的力学性能（1）硬度。a) 纯金属及退火钢，其相对耐磨料磨损性与硬度成正比。b) 经淬火及不同温度回火的钢，其耐磨料磨损随硬度的增加而增加，但比退火钢的增加速度减缓。c) 加工硬化能增加钢的硬度，但不能提高耐磨性。d) 不同组织的钢，其硬度和耐磨性的关系为两条不同的直线。相近硬度的水平的马氏体钢笔珠光体钢的耐磨性差4。（2）断裂韧性。对于脆性较大的材料如工具钢，白口铁，金属陶瓷材料应考虑裂纹扩展在犁沟和材料磨损中的作用。（3）弹性模数。随着弹性模量的增加，相对耐磨性增加。（4）真实切断抗力（5）抗拉强度2 影响磨料磨损的外部条件（1）载荷载荷对材料提及磨损的影响，若为脆性材料，因存在有一临界压入深度后，则裂纹容易形成扩展，使磨损量增大，故载荷在某些条件下和磨料磨损量不一定成正比例关系5。（2）滑动距离。若磨粒在活动过程中条件不变，如磨粒不变钝或碎裂等，则磨损量和距离一般成正比例。（3）滑动速度 。滑动速度对磨料磨损的影响比较复杂，在100.s-1 以下随着滑速的增加而磨损率有所下降，速度超过100.s-1以上，滑动速度影响较小，但在较高速范围内，随着活动速度的增加，体积磨损先略有增加，然后到达一定值，而磨粒较大的对磨损影响也较大。磨料磨损是金属表面摩擦热的增量大磨粒比小磨粒要大。在低速时，速度对磨损的影响并不重要，在高速时，特别在连续摩擦时，速度对磨损的影响实际上是温度的影响6。（4）磨料磨料是影响磨料磨损的重要因素，包括磨料的形状、大小、硬度、状态（如固定的或自由的）以及强度等。 a) 磨料的形状。尖锐的磨料容易造成金属表面的微观切削，增加磨损量，而圆钝的磨料大多数产生犁沟和塑性变形，且在自由状态时还容易滚动，产生一次切削的可能性很小。b) 迎角。迎角是指磨料和材料表面接触时和材料表面间的夹角，当用角锥（一般磨料的形状接近于角锥体）的棱面去切削时，能否产生一次切削与迎角有关。不同材料的迎角是不同的，在30-90内变化，一般地说，摩擦系数增大，钢的硬度增大都会使临街迎角下降，既容易发生切削。c) 磨粒大小。 材料的磨损量一般是随着磨粒者竟的增大而增大，直到达到某一临界尺寸后就不再增大。这种影响对非金属材料来说，比金属材料更大些。若载荷增大，粒径超临界尺寸后，磨粒大小对磨损仍有影响，不过影响略小而以。d) 磨粒形状和大小的综合作用。H.B.克尔盖拉斯基提出，半径为R的半球形微凸体，在金属上滑动时，若压入深度为t,对铁合金来说，当： t/R0.01时，仅有弹性变形； 0.01t/R0.1时，塑性变形； t/R 0.1时， 切削。他粗略估计，磨利尺寸在1m 以下，只能使材料表面发生弹性变形。故润滑油中只要将此尺寸以上的磨粒滤去，则发生磨损的可能性就大大降低。e）磨料的其他机械性能。磨料的其他性能如韧性，压碎强度也影响着磨损率。磨料再受压缩力后先是边缘尖锐处受力发生少量的苏醒流动，接着就是断裂，读性变形和断裂都是磨料变质。磨料压碎后形成小的切削刃面，能增加磨料磨损性。故磨粒断裂比边缘尖角处塑性变形后剥落对磨料的磨损性影响大。由塑变而遂推变质的细磨料，因表面变，成为弹性接触，不易形成沟槽。因此其表面材料的磨损量增加还是减小，则决定于磨料的性质各磨损条件。f) 磨料磨损性。 磨料磨损性能是和磨料的力学性能，大小，形状，运动条件及结合状态等有关，所以测定磨料磨损性是比较复杂的问题。同一磨料在不同条件下期磨料磨损性也不相同7。 1.3 硬质合金硬质合金是由过渡族金属的难溶碳化物，如碳化钨，碳化钛，碳化钽，碳化铌和碳化钒等以铁族金属钴或镍等作粘结金属所组成，用粉末冶金方法制造的合金材料。硬质合金的特点是：硬度高，耐磨性好，在较高的温度下，仍能保持较高的硬度。具有很高的弹性模量，较小的热膨胀系数，和良好的化学稳定性。现代工业中，硬质合金应用于金属切削加工，矿山采掘，油井钻进，地质勘探，模具，耐磨零件，以及国防等方面，它已成为重要的金属耐磨材料8。1.3.1 硬质合金的分类硬质合金按其成分和性能，主要分为：钨钴（WC-Co）合金，钨钛钴（WC-TiC-Co）合金，钨钛钽（铌）钴WC-TiC(Ta,Nb)C-Co合金，碳化钛基合金，铸造碳化钨合金等。二 我国硬质合金分类的表示方法9 YG6XY 表示硬质合金 Y是硬”的汉语拼音第一个字母G6 表示硬质合金特征或用途分类代号等：G6 钨钴合金及含钴量 T14 钨钛钴合金及钛含量T05 钨钛铌钴合金 M 钨钛钽钴合金N 碳化钛铌钼合金 S 洗削用合金 K矿用合金X 附加字母分别表示X 洗晶粒 C 粗晶粒 N 加铌 A 加钼 1.4截齿的焊接热处理过程截齿的前端的合金头采用钎焊的方法镶嵌在基体上的，钎焊使用中频感应加热，加热960左右后，利用焊接余热进行淬火处理，而后高温回火，为了保证耐磨堆焊层性能性能，堆焊工序安排在钎焊前，还是热处理后，需要 根据堆焊层成 1.5堆焊的意义、用途及特点1.5.1堆焊的意义堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一层具有一定性能材料的工艺过程。它不是为了连接零件，其目的在于增加零件的耐磨、耐热、耐腐蚀等方面的性能。对被磨损表面简单且行之有效的方法是采用堆焊修复。堆焊是焊接领域中一个重要的分支，它在冶金机械，矿山机械、农业机械、石油化工机械、交通运输、原子能工程等制造和修复中，获得广泛应用。特别是对于如轧辊轴类、工模具、农机零件，采掘机等易磨损零件，都大量采用堆焊工艺修复。1.5.2堆焊的用途1、制造新零件 用堆焊工艺可制成双金属零件。这种零件的基体和堆焊表层，可采用不同性能的材料，所以能分别满足两者的不同技术要求。这样，既能使零件获得很好的综合技术性能，也能充分发挥材料的工作潜力。由于堆焊零件具有耐磨、耐热、耐蚀等性能的表面层，所以使用寿命可成倍提高，并能大大减少贵重合金的消耗。2、修复旧零件 如轧辊、轴类、工模具、农机零件、采掘机件等易磨损零件，都大量采用堆焊工艺修复。有的国家统计，用于修复旧件的堆焊金属量占堆焊金属总量的72.2%。修复旧件的费用很低，而使用寿命往往比新零件还高。如堆焊旧轧辊的费用仅是新轧辊的30%左右，而轧制金属量却比新轧辊提高35倍。因此，广泛采用堆焊工艺修复旧件，对节约钢材、节省资金、弥补配件短缺等意义很大。堆焊工艺在我国应用越来越广。堆焊合金达数十种。堆焊焊条已制定了较完整的产品系列。近年来，合金粉末、合金焊丝、新型堆焊焊条等也得到迅速发展；各种电弧焊方法在堆焊工作中广为采用。另外，带极堆焊、管状焊丝堆焊、双热丝等离子弧堆焊、高频堆焊等高效率堆焊方法，近年来也逐渐研究应用。为实现四个现代化的宏伟目标，我们还需进一步发展堆焊技术，研究符合我国情况的堆焊合金系统、新的堆焊材料，研究和掌握新的堆焊方法，以使堆焊零件有更高的使用寿命、更高的生产率和更低的成本。堆焊的物理本质，冶金过程和热过程的基本规律，与一般焊接工艺没有区别。但是，由于堆焊的主要目的在于发挥表面堆焊合金的性能，所以需注意下述特点：1、堆焊层合金成分是决定堆焊效果的主要因素。被堆焊的零件种类繁多、工作环境复杂、基本材料几乎包括了所有类型的金属，因此，必须根据具体情况，合理制定堆焊层的合金系统，这样才能使堆焊零件具有较高的使用寿命。2、尽量降低稀释率是安排堆焊工艺的重要出发点。堆焊层一般含有较多的合金元素，而零件的基体往往采用普通碳钢或低合金钢。因此，为了获得预想的表面堆焊层成分，必须尽量减少母材向焊熔入量，即降低稀释率。稀释率是表示堆焊焊缝中，含有母材金属的百分率，例如稀释率10%，表示堆焊金属中含有母材金属10%，含有堆焊合金90%。3、提高堆焊生产率 堆焊零件往往数量多，堆敷金属量大，所以应选用和研制生产率较高的堆焊工艺。4、注意堆焊金属与基体金属的配合 堆焊层与母材成分常常相差悬殊。为防止堆焊时或焊后热处理以及零件使用过程中，堆焊接头产生过大的热应力和组织应力，从而使堆焊层开裂甚至剥离。因此，要求堆焊金属和基体金属最好有相近的膨胀系数和相变温度10。1.5.3堆焊合金的类型和特点对于各种工作条件和磨损类型，只有采用合适的堆焊合金，才能有效地提高零件的寿命。因此，随着焊接技术的发展，出现了许多堆焊合金，达数百种。为了系统地了解各种堆焊合金的性能，以便正确选用和进一步发展它，人们进和进行了分类。分类的方法很多，各国没有统一。有的按用途分、有的按合金元素总量和主要元素种类分、有的按化学成分分、有的按硬度分、有的按金相组织分、也有的以一种为主兼顾其他进行分类。我国在堆焊焊条国家标准GB984-85中，主要按照堆焊金属的化学成分进行划分。下面介绍各类堆焊合金的主要特点。（一）低碳低合金钢堆焊合金这类堆焊合金属于珠光体类钢。它的含碳量一般小于0.3%，合金元素总量在5%以下，堆焊金属组织以珠光体类（索氏体或屈氏体）为主，硬度约HB200350。当合金元素较多或在冷却速度较高时，将出现马氏体使硬度提高。它们的特点是：冲击韧性好，有一定的耐磨性，易于机加工，价格便宜，并有较好的抗裂性能。焊前一般不预热。当堆焊碳当量较高或刚性较大的零件时，可进行250左右预热。这是一类最常用的堆焊合金；消耗量最大。主要用于堆焊承受高冲击载荷和金属间摩擦磨损的零件（如机车轮缘、齿轮、轴类等），并在打底焊层时使用。（二）中碳低合金钢堆焊合金这类合金属于马氏体钢。含碳量约0.30.6%，合金元素总量5%左右。主要用Cr、Mo，也用Mn、Si，并通过加入较多的碳使合金强化。3Cr2Mo、4Cr2Mo、4Mn4Si、5Cr3Mo2等属此类。堆焊金属组织主要是马氏体和残余奥氏体，有时含有一些珠光体。硬度约HB350550。裂纹倾向比低碳低合金钢堆焊合金大，一般应预热250350。它们有良好的抗压强度，适于堆焊受中等冲击的磨损零件，如齿轮、轴类、冷冲模等。（三）高碳低合金钢堆焊合金它属于马氏体钢。含有的高达1.5%。合金总量约5%。由于含锰过多会使低合金钢脆性增加，所以它们主要以铬为强化元素。7Cr3Mn2Si、60Cr3、70Cr3SiMoNi、80Cr4Si等属此种。堆焊金属组织为马氏体和残余奥氏体，有时在柱状晶粒边界析出共晶莱氏体网。硬度高达HRC60左右，而冲击韧性更差。焊接时很容易发生热裂纹或冷裂纹，所以一般应预热350400摄氏度。（四）中碳中合金钢这类合金适于焊不受冲击或受弱冲击的低应力磨料磨损零件，属于中碳中合金钢。5CrMnMo、3Cr2W8、5W9Cr5Mo2V、3Cr4W3V等属于这一类。W、Mo、V在合金中能形成稳定的碳化物，并能降低碳在合金中的扩散速度，使碳化物在高温不易分解和集聚，因此合金在高温时仍能保持较高的硬度和耐磨性。另外，这些元素不能强烈提高堆焊金属的相变温度Ao1，这样在交变热循环下可减少冲击载荷是必要的。因此，它们有很好的红硬性、高温耐磨性和较高的冲击韧性。主要用于堆焊热加工工模具。该合金容易生产堆焊裂纹，所以一般进行400左右预热，焊后缓冷。（五）高铬钢堆焊合金含铬多为13%左右，含碳量给0.12%。1Gr13、2Cr13、3Cr13、Cr12、Cr12V等属此类。它们是半马氏体或马氏体高铬不锈钢。当含碳量较低（C小于0.1%）、含Cr量较高和含Mo、Ti等铁素体形成元素时，高铬钢堆焊金属组织是马氏体和铁素体组织，硬度为HRC4050。780800退火后为HRC25左右，780800淬火后硬度约HRC50；2Cr13、3Cr13堆焊金属主要是马氏体组织，并有碳化物析出，硬度为HRC50左右。这几类合金脆性较大，堆焊时容易产生裂纹，所以一般需预热300400。它们主要用于耐磨和磨蚀零件堆焊，如阀座水轮机叶片耐气蚀层等。含碳量大于1%的高铬钢堆焊金属（如Cr12型）属于莱氏体钢。其组织为莱氏体+残余奥氏体。由于存在含铬的合金莱氏体，因此需耐磨性更高，但脆性更大，容易产生裂纹，一般应预热400550。它们主要用于堆焊。（六）奥氏体高锰钢和奥氏体铬锰钢堆焊合金奥氏体高锰钢堆焊合金，含Mn约13%，含碳约0.72%，属于奥氏体类钢。Mn13、Mn13Mo2、Mn13Ni14、Mn13Cr4Ni3、Mn14Mo等属此类。组织为奥氏体。硬度仅HB200左右。当它经受强烈冲击后，即转变成马氏体而使表面层硬化，硬度提高至HB450500。而硬化层以下则仍为韧性很好的奥氏体组织。因此，它有良好的抗冲击磨损性能，适于堆焊受强列冲击的凿削式磨料磨损零件，如挖掘机斗齿、破碎机颚板、铁路道岔等。但对受冲击作用很小的低应力磨料磨损，由于不能产生冲击加工硬化，所以耐磨性并不好，甚至不如碳素钢耐磨。高锰钢耐蚀、耐热性都不好，不宜用于高温。但耐低温性能好，冷至-45还不会发生脆化现象。为增加锰钢堆焊合金的耐蚀、耐热性，在合金中加入1215%左右的铬。这种低碳铬锰钢堆焊合金，是奥氏体铁素体双相组织，有良好的抗裂能力如2Mn12Gr13Mo、Cr25Mn13Ni3等合金属此类。它们兼有抗强冲击、抗腐蚀、耐高温的特点，因此可以堆焊气蚀磨损零件（如水轮机叶片）。也可用在铁路道岔、挖掘机斗齿堆焊上。（七）奥氏体铬镍钢堆焊合金这类堆焊合金主要以18-8G型奥氏体铬镍钢的成分为基础，常加入Mo、V、Si、Mn、W等元素提高性能。如3Cr13Ni8Mo3VMn、CR18Ni8Si5Mn、06Cr18Ni8Si7Mn2、Cr18Ni212Si4Mo、4wVNb、02Cr18Ni9、08Cr18Ni9Ti、07Cr18Ni10Nb、06Cr18Ni10Mo3Ti、08Cr20Ni10Mn6、20Cr25Ni16Mn7等属此类。它们的突出特点是耐腐蚀性强、抗氧化和热强性好，而耐磨料磨损能力不高，所以主要用在化工、石油、原子能工业等的耐腐蚀、耐热零件表面堆焊上。为了提高抗晶间腐蚀能力，含碳量都较低（一般小于0.2%），同时保持奥氏体低素体双相组织。18-8型堆焊合金硬度不高，当加入Mn后显著提高了它的冷作硬化效果和机械性能，所以80Cr20Ni10Mn6、20Cr25Ni16Mn7等合金可用在工作时承受冲击而产生冷作效果的表面上，如水轮机叶片抗气蚀层开坯轧辊等；在合金中加入适量的Si、W、Mo、V等可提高它的高温硬度，所以这些堆焊金属在高中压阀门密封面上应用很广。（八）高速钢堆焊合金我国主要采用钨系18-4-1型（W18Cr4V）。高速钢堆焊金是属于莱氏体钢，其组织类似铸造高速钢，由网状莱氏体和奥氏体的转变产物组成。一莱氏体和奥氏体的转变产物组成。一裂纹，所以一般应预热500左右。这类合金有很高的红硬性和耐磨性，主要用于堆焊各种切削刀具、剪刀等。近年来，由于成本较低、可以利用废料重熔的铸造高速钢刀具的发展等原因，用堆焊法制造刀具应用减少。（九）马氏体合金铸铁堆焊合金含碳量大于1.72%的铁基堆焊合金属于铸铁类。含石墨的普通灰口铸铁，由于硬度和强度很低，所以抗磨料磨损的能力很差；而含有大量渗碳体（Fe3C）的普通白口铸铁，硬度达HB450左右，对低应力磨料磨损有一定的抗力，但是硬度和耐磨性是很不够的。在一般白口铸铁的基础上加入合金元素，使碳化物合金化，成为合金渗碳体（Fe、M）3C、复合碳化物（M、Fe）xCy或二元合金碳化物MxCy。同时合金元素不会使合金中的过冷奥氏体稳定性增加，促使合金马氏体等组织产生，从而大大提高堆焊合金的硬度和耐磨性。这类合金铸铁堆焊合金获得了广泛的应用。马氏体合金铸铁堆焊合金，含碳量多为24%，常加入W、Cr、Mo、Mn、Ni等使之合金化，合金元素总是一般在1520%以下。如，Cr50W13、Cr4Mo4、W9B、Cr5V5、Cr5V2B、Cr5Mo4、Mo10等合金属此类。这类堆焊合金是属于亚共晶铸铁类型。主要由马氏体+残余奥氏体的树枝状组织和合金碳化物基体组成，马氏体+残余奥氏体呈块状分布。其中碳化物相硬度约HV12001400，块状马氏体硬度HV400700，平均硬度高达HRC5066。由于含有大量高硬度的合金碳化物和马氏体，所以这类合金有很好的抗高应力和低应力磨料磨损能力，并有良好的抗压强度。另外，合金元素的加入也改善了耐热、耐蚀和抗氧化性能。合金的耐磨性，取决于组织中碳化物的数量、化学成分和硬度。该合金比较脆、抗冲击性较差，堆焊时裂纹倾向较严重，一般应预热300400。它们常用在混凝土搅拌机、高速混砂机、犁铧、螺旋送料机等零件的堆焊。（十）高铬合金铸铁堆焊合金在合金铸铁堆焊合金中，高铬合金铸铁是应用最广、效果最好的一种。合金中一般含C1.54.0% Cr2232%，并适当加入其他元素，如Ni、Si、Mn、Mo、B、Co、等。Cr30Ni4SiMo、Cr30Ni7、Cr30、Cr28Ni4Si4、Cr29Mn6Si、Cr29Ni3SiMn、等合金属于这一类型。高铬合金铸铁堆焊组织中含有大量柱状Cr7C3,常见的基体是残余奥氏体和共晶碳化物（照片图16-4）。Cr7C3硬度高达HV1700左右。由于含有高铬和Cr7C3高硬相，所以合金具有很高的抗低应力磨料磨损和耐热、耐蚀性能。它的耐磨性取决于碳化物的数量和分布。含有大量一次碳化物的过共晶组织耐磨性最好。在合金中加入硼能形成硬度很高的铬硼化物，使耐磨性增加，但韧性下降；加入Ni、Co、Mn和细化晶粒的元素，可增加合金的韧性。高铬合金铸铁堆焊金属的裂纹倾向很大，往往难于避免。在一些实际使用中，堆焊层常允许一些裂纹存在，实践证明这对耐磨性影响不明显。这类合金常用铲斗齿、泵套、高炉料钟、高温工作锅炉等设备密封面的堆焊上。（十一）碳化钨堆焊合金它是由大量碳化钨颗粒分布在金属基体上构成的一种堆焊合金。堆焊金属平均成分是含W45%以上、含C1.52%。碳化钨由WC和W2C组成，一般含碳3.54.0%，含钨9569%，它有很高的硬度和熔点。含碳3.8%的碳化钨硬度达HV2500，熔点接近2600。碳化钨有铸造碳化钨和用碳化钨粉末烧结成的粒碳化钨两种。由于碳化钨的熔点很高，所以它可能基本上不熔化而存在于焊缝中，“镶嵌”在基体上。这与高铬铸铁中Cr7C3从熔池中结晶析出完全不同。为充分发挥碳化钨的耐磨性，应尽量保持碳化钨颗粒的形状，避免熔化。焊接工艺影响很在，高频加热和气焊不易引起碳化钨熔化，因此堆焊层耐磨性较高。在电弧焊时，使原始碳化钨颗粒大部分熔化，而在焊缝中重析出硬度仅HV1200左右的含钨复合碳化物，导致耐磨性下降。碳化钨堆焊合金的基体组织，可采用铸铁、碳钢、低合金钢、镍基合金、钴基合金及青铜等。其中铁基合金为基体最常见，它一般成为含钨马氏体钢或含钨马氏体合金铸铁。由于高硬度碳化钨颗粒存在，并能选择适当的基体配合，所以在所有堆焊合金中它的抗磨料磨损性能最高，而且有一定的耐热性能。因此这种合金最适于在带有轻度或中等冲击的强烈磨料磨损条件下工作，如石油钻井钻头、推土机刀刃、切蔗刀刃口、犁桦等零件上获得广泛应用。需要注意的是，合金脆性较大，容易裂纹，因此对结构复杂零件应进行预热11。1.6堆焊焊条的种类和性能1.6.1堆焊焊条的种类堆焊焊条的药皮类型一般有钛钙型，低氢型和石墨型三种。为了使堆焊金属具有良好的抗裂性及减少焊条中合金元素的烧损，大多数堆焊焊条均采用低氢型药皮。至于合金元素的加入方式，对于合金元素含量低的堆焊焊条，一般从药皮加入；对于合金元素含量高的杜焊焊条，则多采用合金钢焊芯，并辅之以药皮加入。对于碳化钨焊条，有把碳化物细粉加到药皮中的和把精细的碳化钨颗粒装到合金铁皮管中的两种。 根据GB984-85堆焊焊条 的有关规定，对焊焊条分类及用途简要说明如下。 （1）EDPMn26,EDPCrMo,EDPCrMnSi,EDPCrMoV,EDPCrSi型为不同硬度普通低，中合金钢堆焊焊条，一般用于常温及非腐蚀条件（尤其不含铬）。含碳低的硬度较低，韧性较好，适用于在激烈的冲击载荷下工作的堆焊零件，如车轮，车构，轴，齿轮，铁轨等磨损部分的堆焊。含碳高的硬度高，韧性较差，适用于堆焊带有磨粒磨损的冲击载荷条件下工作的零件。如推土机刃板，挖泥斗牙，混凝土搅拌机叶片，水力机械及矿山机械零件等。 （2）EDRCrMnMo,EDRCrW,EDRCrMoWv型为除铬外含有其它合金元素如Mo,W,V,Ni,等低合金钢中或中合金钢堆焊焊条。在高温中保持足够硬度和抗疲劳性能，主要用于煅模，冲模，热剪切机刀刃，轧辊等堆焊。EDRCrMoWCo型适用于工作条件差的热模具堆焊，如镦粗，拉伸，冲孔等，也可用于金属切削道具的堆焊。 （3）EDCr型为马氏体高铬钢堆焊焊条。堆焊层具有空淬特性 ，有较高的中温硬度，耐蚀性较好。常用于金属间磨损及受水蒸气，弱酸，气蚀等作用的部件堆焊，如阀门密封面，轴，搅拌机浆，螺旋输送机叶片等。 （4）EDMn型为奥氏体高锰钢堆焊焊条。加工硬化性特别高，堆焊后硬度不高，但轻加工硬化后可达HB450500。适用于受严重冲击载荷和金属间磨损的工件，如破碎机鄂板，铁轨道岔等堆焊。 （5）EDCrMn型为高铬锰钢堆焊焊条。具有较好的耐磨，耐热，耐蚀，和气蚀性能。EDCrMn-B型用于水轮机受气蚀破坏的零件，如叶片，导水叶等。EDCrMn-A,EDCrMn-C,EDCrMn-D型适用于阀门密封面的堆焊。这类焊条在发展中。 （6）EDCrNi型为高铬镍钢堆焊焊条。具有较好的抗氧化，气蚀，腐蚀性能和热强性能。加入硅或钨能提高耐磨性，可以堆焊600650以下工作的锅炉阀门，热煅模，热轧辊等。 （7）EDD型为高速钢堆焊焊条。适用于温度不高于600的工作条件，熔敷金属具有很高的硬度，耐磨性和韧性。含碳高的适用于切割及机械加工，含碳低的热加工及韧性较好，通常用于刀具，剪刀，绞刀，成型模，剪模，导轨，锭钳，拉刀及其它类似工具的堆焊。 （8）EDZ型为含有少量的CrNiMo或W等合金元素的马氏体合金铸铁堆焊焊条。除提高耐磨性能外，还改善耐热耐蚀及抗氧化性能，韧性也有改善。常用于混凝土搅拌机高速混砂机螺旋送料机等主要受磨粒磨损的堆焊。 （9）EDZCr型为含碳1.505.00%含铬2232%的高铬铸铁堆焊焊条，具有优良的抗氧化和耐气蚀性能，硬度高耐磨粒磨损性能好。常用于工作温度不超过500的高炉料钟矿石破碎机等耐磨耐蚀件堆焊。 （10）EDCoCr型为具有综合耐热性，耐腐蚀性及抗氧化性能的耐磨堆焊焊条。此类焊条的熔敷金属在600以上的高温中能保持高的硬度和具有一定的耐蚀性能。调整碳和钨的含量可改变堆焊金属的硬度和韧性，以适应不同用途。含碳量越低，韧性越好，而且能够承受冷热条件的冲击。适用于高温高压阀门，热煅模，热剪切机刀刃等堆焊。高碳的硬度高，耐磨性能硬度好，但抗冲击能力弱，且不易加工。常用于牙轮钻头轴承锅炉旋转叶轮粉碎机刀口，螺旋送料机等部件的堆焊。 （11）EDW型弥散的分布着碳化钨颗粒的马氏体刚或马氏体合金铸铁堆焊焊条。具有很高的硬度，抗高应力磨粒磨损的能力很强，耐低应力磨粒磨损能力也较好，可在高温650以下工作。但耐冲击力低，裂纹倾向大。适用于乃岩石强烈磨损难得机械零件，如混凝土搅拌机叶片告诉混砂箱等表面堆焊。 （12）EDTV行为铸铁模具堆焊焊条。适用铸铁压延模成型模以及其它铸铁模具的堆焊。 根据焊接材料产品样本的编制分类，堆焊焊条按其主要用途可分为：（1） D00XD09X特殊型铸铁模具堆焊焊条；（2） D10XD24X不同硬度常温堆焊焊条；（3） D25XD29X常温高锰钢堆焊焊条；（4） D30XD49X刀具、工具堆焊焊条；（5） D50XD59X阀门堆焊焊条；（6） D60XD69X合金铸铁堆焊焊条；（7） D70XD79X碳化钨堆焊焊条；（8） D80XD89X钴基合金堆焊焊条；（9） D90XD99X其它堆焊焊条； 1.6.2堆焊焊条的简明特性表1-1焊条牌号国 标药 皮 类 型主 要 用 途D102EDPMn2-30钛 钙 型常温低硬度堆焊，修复低，中碳及低合金耐磨件，如车轴，齿轮等D106EDPMn2-16低氢钾型D107EDPMn2-15低氢钠型D112EDPCrMo-Al-03钛 钙 型D126EDpMn3-16低氢钾型常温中硬度堆焊，修复低，中塔及低合金钢磨损件，如车轴，行走主动轮等D127EDPMn3-15低氢钠型D132EDPCrMo-A2-03钛 钙 型常温中硬度堆焊,特别适用于矿山机械磨损件D146EDPMn4-16低氢钾型D156-常温中硬度堆焊，轧钢机零件堆焊D167EDPMn6-15低氢钠型常温高硬度堆焊D172EDPCrMo-A3-03钛 钙 型D207EDPCrMnSi-15低氢钠型常温高硬度堆焊，推土机刀片D212EDPCrMnsi-15低氢钠型常温高硬度堆焊，矿山机械D217EDPCrMo-A4-15低氢钠型堆焊高硬度耐磨零件，如轧辊堆焊D227EDPCrMoV-A2-15用于承受一定冲击载荷的耐磨件堆焊D237EDPCrMoV-A3-15堆焊受泥砂磨损和气蚀破坏的水力机械D256EDPMn-A-16低氢钾型堆焊各种破碎机，高锰钢轨等受冲击而易磨损的零件D266EDPMn-B-16D276EDPCrMo-Al-03低氢钾型堆焊水轮机受气蚀的破坏的部件，也可用于要求耐磨及韧性高的高锰钢制件D277EDpMn3-16低氢钠型D307EDPMn3-15低氢钠型高速钢刀具堆焊D317EDPCrMoWV-A3-15低氢钠型冷冲模及一般刀具堆焊D322EDPCrMoWV-A1-03钛 钙 型低氢钾型D327EDPCrMoWV-A1-15冷冲模及一般刀具堆焊D327AEDPCrMoWV-A2-15低氢钠型堆焊各种冲模和切削刃具D337EDRCrW-15热煅模堆焊D397EDRCrMnMo-15D502EDPCr-A1-03钛 钙 型堆焊450以下工作的中高温阀门D507EDPCr-AL-15低氢钠型D507MoEDCr-A2-15低氢钠型堆焊510以下工作的中高温阀门D512EDCr-B-03钛 钙 型堆焊450以下过热蒸汽阀件，搅拌机浆等D517EDCR-B-15低氢钠型D516MD516MAEDCrMn-A-16低氢钾型堆焊450以下高中压阀门D547EDCrNi-A-15堆焊570以下高中压阀门D547MoEDCrNi-B-15低氢钠型堆焊600以下高中压阀门D557EDCrNi-C-15D567EDCrMn-D-15堆焊350以下中温中压球墨铸铁阀门D577EDCrMn-C-15堆焊510以下中温高压阀门D608EDZ-AL-88石墨型堆焊承受砂粒磨损及轻微冲击的零件D618-堆焊承受轻微冲击磨损，但要求良好的抗磨粒磨损性能的零件，如锤头机式磨煤机锤头D628EDCr-B-03D642EDCR-B-15低氢钠型堆焊常温和高温耐磨耐气蚀零件，如水轮机叶片，高炉料钟等D646EDCrMn-A-16低氢钾型D667EDZCr-C-15低氢钠型堆焊耐强烈磨损，耐气蚀零件D678AEDZ-B1-08石墨型堆焊受磨粒磨损的矿山机械零件D687EDZ-D-15低氢钠型堆焊耐强烈磨损零件D698EDZ-B2-08石墨型堆焊矿山机械和泥浆泵零件D707EDW-A-15低氢钠型堆焊耐岩石强烈磨损零件D717EDW-B-15D802EDCoCr-A-03钛 钙 型堆焊650以下工作的高温高压阀门及热剪切机刀刃D812EDCoCr-B-03D822EDCoCr-C-03堆焊牙轮砖头轴承，粉碎机刃口等磨损件1.7堆焊焊条的选用选用堆焊焊条时不仅应考虑堆焊件的工作条件，如磨损类型（磨粒磨损，冲击磨损或金属间磨损），工作温度及介质，而却要考虑焊接性，堆焊层的可加工性及经济性。 虽然堆焊焊条的使用性能指标通常只以堆焊层的硬度来表示，但由于堆焊金属类型很多，堆焊金属化学成分不同，反映出显微组织及性能的很大差异，这也决定了堆焊层在不同工作条件下表现出不同的耐磨性。即使具有相同硬度的不同成分的堆焊层，有的在高温时很耐磨，有的只在常温下耐磨；有的堆焊层在金属间磨损中既有良好的耐磨性，有的在磨粒磨损工作条件下却很快被磨损，有的堆焊层可以在腐蚀介质中长期工作，可有的却经不起腐蚀介质的侵蚀。例如，堆焊层硬度为HRC50的常温堆焊焊条D207,加入代替D397焊条（HRC40）去堆焊热煅模，则堆焊层在热态工作很快会被磨损。而若用D207焊条代替D256高锰钢堆焊焊条（HB170）去堆焊铁道道岔，虽堆焊层金属硬度很高，但因耐冲击性差，同样不能满足使用要求。因此必须堆焊件的工作条件，对堆焊层表面的加工要求及经济性等，结合堆焊焊条说明书介绍的性能特点及应用范围去综合考虑，选用适合的堆焊焊条，而不能简单根据堆焊金属的的硬度来选择堆焊焊条12。割齿寿命与堆焊层耐磨性的关系密切相关，因此如何选用合适的堆焊焊条对提高割齿的寿命很重要，本文对于已采用的和未采用的焊条的堆焊层组织性能进行研究，挑选了D322,D55,YB3,D256,D276五种焊条， 选用这五种焊条的原因是根据这几种焊条的不同特性，YB3焊条属于高碳高合金钢，含碳量很高，具有很高的硬度，耐磨性好。 D322,D55 两种焊条属于中碳高合金钢，合金元素含量较高，基体组织为马氏体，具有较高的硬度，D322含W较多，D55含Cr较多，二者分别适用于冷冲模及一般刀具堆焊和阀门堆焊。D256属于奥氏体型，含Mn量较多，硬度较低但冲击时奥氏体会发生应变诱发马氏体转变，硬度上升，D276含Mn较多，含铬量也很多，组织为马氏体和残余奥氏体，有较高硬度和韧性。2 试验材料、方法与设备2.1 试验材料焊条牌号 主 要 化 学 成 分 %硬度 CMnCrMo其他HRC,(HB)D3220.55.02.5W 7.010.0 V1.055D550.30.82.59.010.0Si 1.03.05560D2561.111.016.0 5.0（170）D2761.111.018.013.017.05.01.0（200）YB32.04.0Ni10,Mo5,Nb1060 表2-1 5种焊条堆焊层成分及硬度表2.2 堆焊焊接方法分别采用手工电弧焊、氩弧焊，分别堆焊45层，堆焊在42CrMo基体上。具体实验内容如下：氩弧焊：采用YB3药芯焊丝 3 电流120A，氩弧焊机直流档，电弧电压20V，设备型号WSM-315。手工电弧焊：D322焊条 3.2mm，电流120A，直流电焊机，电弧电压70V。D55 焊条 3.2mm ，电流120A 交流电焊机，电弧电压70V。 D276焊条 3.2mm，电流130A 交流电弧焊机 电弧电压80V。 D256焊条 3.2mm ，电流90A，交流电弧焊机 电弧电压80V。 每种焊条堆焊45层，堆焊2个试样，共10个试样。2.3 热处理 考虑到钎焊对可能造成的堆焊层组织和性能的影响，所以我们对堆焊层进行相应的热处理，对其组织性能进行研究。 对上述5种焊条分别加热到900、930、960保温10分钟后油冷，而后每种试样在150后低温回火保温1小时，空冷后观察组织，测定硬度，而后进行350 中温回火保温1小时，空冷后观察组织，测定硬度之后，在进行500高温回火1小时，然后进行组织观察，测定硬度。实验设备: KSJ 系列温度控制器 箱式电阻炉 型号 SX 2-4-10 2.4 金相组织分析2.4.1.金相试样的制备 本实验包括取样、磨样、抛光、腐蚀。考虑到钎焊对可能造成的堆焊层组织和性能的影响，所以我们对堆焊层进行相应的热处理，对其组织性能进行研究。 对上述5种焊条分别加热到900、930、960保温10分钟后油冷，而后每种试样在150后低温回火保温1小时，空冷后观察组织，测定硬度，而后进行350 中温回火保温1小时，空冷后观察组织，测定硬度之后，在进行500高温回火1小时，然后进行组织观察，测定硬度。实验设备: KSJ 系列温度控制器 箱式电阻炉 型号 SX 2-4-10 1）试样见图2.1用线切割将确定好的试件割开，得到焊缝的横截面。然后用砂轮将边缘多余的去掉，得到适当大小的试样。2）磨样.现将试样焊缝横截面在砂轮上打磨平，然后分别用320、400、600砂纸磨试样。 图2.1堆焊试样3) 抛光 .用2.5m金钢石抛光剂在抛光机上抛光。4）腐蚀.采用4%硝酸酒精溶液腐蚀，腐蚀好后用清水冲洗，然后用酒精冲洗再吹干，即可进行组织观察。抛光机 PG-2C型 抛光盘直径220 抛光机转速 900/分。砂轮 ，砂纸，抛光剂，4%硝酸酒精溶液，酒精。2.4.2 堆焊层金相组织观察：在金相显微镜下，分别放大