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甘蔗 收获 双金属 耐磨 割刀 研制

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第九章 堆 焊 随着科学技术的进步，各种产品、机械装备正向大型化、高效率、高参数的方向发展，对产品的可靠性和使用性能要求越来越高。材料表面堆焊作为焊接技术的一个分支，是提高产品和设备性能、延长使用寿命的有效技术手段。堆焊是用焊接方法在金属材料或零件表面上熔敷一层有特定性能的材料的工艺过程。 第一节 堆焊的特点及应用一、堆焊的特点堆焊的物理本质、热过程、冶金过程以及堆焊金属的凝固结晶与相变过程，与一般的焊接方法相比是没有什么区别的。然而，堆焊主要是以获得特定性能的表层、发挥表面层金属性能为目的，所以堆焊工艺应该注意以下特点：1.根据技术要求合理地选择堆焊合金类型 被堆焊的金属种类繁多，所以，堆焊前首先应分析零件的工作状况，确定零件的材质。根据具体的情况选择堆焊合金系统。这样才能得到符合技术要求的表面堆焊层。2.以降低稀释率为原则，选定堆焊方法 由于零件的基体大多是低碳钢或低合金钢，而表面堆焊层含合金元素较多，因此，为了得到良好的堆焊层，就必须减小母材向焊缝金属的熔入量，也就是稀释率。3.堆焊层与基体金属间应有相近的性能 由于通常堆焊层与基体的化学成分差别很大，为防止堆焊层与基体间在堆焊、焊后热处理及使用过程中产生较大的热应力与组织应力，常要求堆焊层与基体的热膨胀系数和相变温度最好接近，否则容易造成堆焊层开裂及剥离。4.提高生产率 由于堆焊零件的数量繁多、堆焊金属量大，所以应该研发和应用生产率较高的堆焊工艺。总之，只有全面考虑上述特点，才能在工程实践中正确选择堆焊合金系统与堆焊工艺，获得符合技术要求的经济性好的表面堆焊层。二、堆焊的应用堆焊工艺是焊接领域中的一个重要分支，它在矿山、电站、冶金、车辆、农机等工业部门的零件修复和制造中都有广泛的使用。其主要用途有以下两个方面：1.零件修复由于零件常因为磨损而失效，例如石油钻头、挖掘机齿等，可以选择合适的堆焊材料对其进行修复，使其恢复尺寸和进一步提高其性能。而且用堆焊技术进行修复比制造新零件的费用低很多，使用寿命也较长，因此堆焊技术在零件修复中得到广泛。2.零件制造堆焊工艺可以采用不同的基体，在这些基体上使用不同的堆焊材料使表面达到我们所需要的性能，如耐磨性、耐蚀性、耐热性等等。利用这一工艺不仅能保证零件的使用寿命而且还避免了贵金属的消耗，使设备的成本降低。三、堆焊金属的使用性能不同的工作条件要求堆焊金属要有不同的使用性能，其主要的使用性能包括耐磨性、耐蚀性、耐高温性和耐气蚀性等。1.耐磨性磨损是材料在使用过程中表面被液体、气体或固体的机械或化学作用而造成的破坏现象。磨损是一个很复杂的微观破坏过程，它是金属材料本身与它相互作用的材料以及工作环境综合作用的结果。磨损有五个基本类型：粘着磨损、磨料磨损、冲击浸蚀、疲劳磨损和微动磨损。下面我们介绍一下前面两类。（1）粘着磨损 它是由于材料之间相对移动，两接触面之间凹凸不平，个别接触点之间发生焊合、变形而造成撕裂或转移结合到另一表面上，而产生的表面被破坏的现象。这种磨损有三类，当载荷很小时，由于摩擦热产生氧化膜，阻止滑动的焊合现象，为氧化磨损。当载荷很大，滑动面产生的焊合为金属磨损。擦伤（包括撕脱和咬死）是第3类磨损形式。 粘着磨损多发生在滑动摩擦的结构件润滑不良或不进行润滑的时候，比如轴、轴承、高压阀门的阀座、切削刀具等零件的工作中。粘着磨损的堆焊材料一般要求要有小的摩擦系数，要与相互摩擦的材料有相进的硬度和耐磨性。常用的抗粘着磨损的堆焊材料有铜基合金、钴基合金和镍基合金，铁基合金在阀门业中也有广泛的使用。（2）磨料磨损 它是指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现象，磨料磨损是最常见的，同时也是危害最为严重的磨损形式。磨料磨损按照应力状态不同，可以分为三类：低应力磨料磨损 它是固态磨料以某种速度，自由地与接触的金属表面做相对运动。这种磨损作用在磨料上的应力较低，对零件表面的冲击力小。常见的低应力磨料磨损如推土机铲刃、犁铧等，人们也把含有磨料的液体或气体流冲击金属表面引起的磨损归为低应力磨料磨损，如泥浆泵叶轮，粉尘排除设备等。这一类磨损对堆焊材料的冲击韧性要求低，要求堆焊层有高的耐磨性和硬度，高铬合金铸铁和一些硬脆的马氏体合金铸铁材料常被用于这类磨损中。高应力磨料磨损 它的两个零件间有磨料，并且有很大压力作用下产生的磨损。磨料和接触点之间的应力很大，使磨料被碾碎，并引起零件表面被划伤且硬脆相的脱落。如挖掘机的链条、链轮等。这种磨损对冲击韧性要求不是很高，要求堆焊金属有高的抗压强度和硬度。所以碳化钨、高碳钢和合金白口铸铁常用在该类磨损中。凿削磨损 由于大的压力和冲击作用使磨料切入工件表面，在材料表面凿削出大颗粒的金属而形成的金属沟槽的现象，比如挖掘机的斗齿、破碎机的锤头等。要求堆焊层要有好的韧性和加工硬化的性能，高锰钢应用为最广。2.耐蚀性金属与环境介质发生化学或电化学作用引起的破坏和失效现象称为金属的腐蚀。腐蚀按照机理上分有化学腐蚀和电化学腐蚀两种，化学腐蚀是金属直接与介质发生作用而形成的，电化学腐蚀是金属与电解液溶池接触产生原电池作用而形成的。提高金属的耐蚀性是这一类堆焊的主要任务。常用的堆焊材料如铜基、镍基、钴基合金和镍铬奥氏体不锈钢。3.耐高温性金属高温下工作，因氧化而形成破坏；高温长期工作因蠕变而形成破坏，组织因回火或相变而软化，反复加热和冷却引起的疲劳裂纹等很多因高温而引起的材料失效。因此为了提高材料的高温使用性能，应相应提高材料的抗氧化性、蠕变强度、热强度、热硬性、热疲劳等性能。常用的高温堆焊材料如镍基、钴基合金和高铬合金铸铁等。4.耐冲击性 金属表面由于外来物体的连续高速度冲击而引起的磨损称冲击磨损，一般表现为表面变形、开裂和凿削剥离。按金属表面所受应力大小及造成损坏情况，冲击磨损可分为三类：轻度冲击 动能被吸收，金属表面的弱性变形可恢复。中度冲击 金属表面除发生弹性变形外，还发生部分塑性变形。严重冲击 金属破裂或严重变形。堆焊金属的耐冲击性与它的抗压强度、延性和韧性有关，一种材料的耐冲击性和耐磨性有矛盾，两都不可兼得。5.耐气蚀性 气蚀发生在零件与液体接触并有相对运动条件下，在表面上不断发生气穴，在气穴随后的破灭过程中液体对金属表面产生强烈的冲击力，如此反复作用，使金属表面产生疲劳而脱落，形成许多小坑（麻点）。小坑会成为液体介质的腐蚀源，特别是在其表面的保护膜遭到破坏后，情况更为严重，最后使表面成为泡沫海绵状。水轮机转轮叶片、船舶螺旋浆、水泵等都有可能发生气蚀。第二节 堆焊方法一、堆焊方法的选择 熔焊、钎焊、喷涂等方法都可以应用于堆焊中，熔焊方法占的比例最大，选择应用怎样的堆焊方法，应考虑几个问题：（1）堆焊层的性能和质量要求；（2）堆焊件的结构特点；（3）经济性。随着生产的发展，常规的焊接方法往往不能满足堆焊工艺的要求，因此又出现了许多新的堆焊工艺方法。几种堆焊工艺的主要特点如表9-1所示。表9-1 常用堆焊方法特点比较堆焊方法稀释率/%熔敷速度/（kg/h）最小堆焊厚度/mm熔敷效率/%氧-乙炔焰堆焊手工送丝1100.51.80.8100自动送丝1100.56.80.8100手工送丝1100.51.80.28595焊条电弧焊堆焊10200.55.43.265钨极氩弧焊堆焊10200.54.52.498100埋弧堆焊单丝30604.511.33.295多丝152511.327.24.895串联电弧102511.315.94.895单带极102012363.095多带极81522684.095等离子弧堆焊自动送丝5150.56.80.258595手工送丝5150.53.62.498100自动送丝5150.53.62.498100双热丝51513272.498100注:表中稀释率为单层堆焊结果。下面介绍几种常见的堆焊方法及特点。二、氧乙炔焰堆焊氧乙炔焰用途较广，由于它的火焰温度较低（3100左右），而且可以调整火焰的能率，可以得到低的稀释率（1%10%）和薄的堆焊层，一般采用碳化焰焊接，乙炔的用量和堆焊金属有关。该焊接方法有设备简单、操作灵活成本较低等优点，所以得到广泛使用。但也有如劳动强度大、生产率低等缺点。所以该焊接方法主要用于小零件的制造和修复工作，如油井钻头牙轮、蒸汽阀门、内燃机阀门及农机具零件的堆焊。氧乙炔焰除了用于堆焊外，还应用到喷涂、喷熔等工艺中。三、焊条电弧堆焊焊条电弧堆焊有如下特点：1.设备简单，轻便，适合现场焊接。2.焊接时是明弧，便于焊工操作者观察，焊接灵活性大，特别是对一些形状不规则和零件的可达性不好的部位进行堆焊尤为合适。3.焊条电弧焊热量集中，通过选择不同的焊条能够获得几乎所有的堆焊合金成分。4.这种焊接方法的生产率较低，且稀释率高，不容易获得薄且均匀的堆焊层，通常要堆焊23层，但是堆焊层太多会导致开裂。焊条电弧焊堆焊焊条所需电源及其极性取决于焊条涂层的类型。一般使用直流反接，石墨型的药皮适合用直流正接，还可以使用交流。焊接前一般酸性焊条需要150烘培0.51.0h，碱性焊条需在250350烘培12h，焊接材料为了防止焊接裂纹，在焊前可以采用预热处理，预热温度可通过碳当量来计算，见表9-2所示，焊后采用缓冷，焊接时可采用焊条前倾的方法避免焊接缺陷的产生。表9-2堆焊材料碳当量与预热温度关系碳当量/%0.40.50.60.70.8预热温度/100150200250300四、钨极氩弧堆焊这是一种常用的非熔化极堆焊方法，这种方法的生产效率较低，但是能获得质量高的堆焊层金属，稀释率低，变形小，电弧稳定，飞溅小，堆焊层容易控制等优点。适合于质量要求高、形状复杂的小零件上。焊接时可以有丝状、管状、铸棒状和粉末状的焊接材料，通常采用直流正接，可通过摆动焊枪和小电流的方法得到小的稀释率。五、埋弧堆焊埋弧堆焊的实质和一般的埋弧焊没有区别，它有生产效率高，劳动条件好，能获得成分均匀的堆焊层等优点，常用于轧辊、曲轴、化工容器和核反应堆压力容器衬里等大、中型零部件。1.单丝埋弧堆焊普通单丝埋弧焊是常用的堆焊方法，如图9-1（a）所示。常用于堆焊面积小的场合，它的缺点是熔深大、稀释率高。因此，可以采用焊丝摆动法，加宽焊道，减小稀释率，也可通过加入填充焊丝的方法，减小稀释率并提高了熔敷率；除此，为了减少熔深，也采用下坡焊、增大伸出长度、焊丝前倾和减小焊道间距等措施。提高电流可以增加熔敷速度，但也必须导致熔深大大增加，所以不能采用。2.多丝埋弧堆焊双丝、三丝及多丝堆焊，是将几根并列的焊丝接在电源的一个极上，并同时向焊接区送进，如图9-1（b）所示。多丝堆焊，可以容许采用很大的焊接电流，而稀释率却很小。如用六根直径3mm的焊丝，总电流达700750A，最大熔深仅1.7mm，焊道堆高5.1mm，熔宽50mm。双丝埋弧堆焊焊接时，前一条焊丝可以小电流，减小稀释率，后一条可用大电流，堆焊焊接金属，提高生产率。为了使两焊丝熔化均匀，通常采用交流电焊接。3.带极埋弧堆焊带极埋弧堆焊用矩形截面的钢带代替圆形截面的焊丝，可提高填充金属的熔化量，并且有小的熔深，如图9-1（c）所示。常采用宽60mm，厚0.40.8mm的带极堆焊，为提高生产率，可以将宽度提高到180 mm。还可以采用双带极、多带极和加入冷带等方法提高熔敷速度。带极埋弧堆焊常用于设备表面的修复中，也可用于化工和原子能压力容器不锈钢衬里等。此外，还有串联电弧埋弧堆焊，如图9-1（d）所示，粉末填充金属埋弧焊，如图9-1（e）所示，这里不再一一介绍。六、等离子弧堆焊等离子弧的温度很高，所以能堆焊难熔材料，并能提高堆焊速度，稀释率最低可达5%，堆焊层厚度在0.58mm，宽度约340mm，这种方法低稀释率、高熔敷率的堆焊，但设备成本较高，堆焊时有强烈的紫外线辐射及臭氧污染空间，所以要做好防护措施。常用于质量要求高的批量生产上。常用的等离子弧堆焊有如下形式：1.冷丝等离子弧堆焊 能拔丝的堆焊合金，如合金钢、不锈钢、铜合金等，一般采用自动送丝法。对于能够铸造成棒状的合金，如钴基合金等，堆焊时为手工送丝。2.热丝等离子弧堆焊 如图9-2所示，这种工艺是将经过电阻预热的焊丝送入电弧区进行堆焊，可用不锈钢、镍基合金、铜基合金等的堆焊由于焊丝预热，所以熔敷率可以得到提高，稀释率下降，可达到5%，并能减少堆焊层的气孔。它通常用于大面积堆焊上，如压力容器内壁堆焊。3.预制型等离子堆焊 将堆焊合金预制成环形或其他形状放在被焊零件的表面上，再用等离子弧加热使其熔化，并堆焊于零件表面。适用于形状简单的零件。4.粉末等离子弧堆焊 如图9-3所示，这是将合金粉末自动送入等离子弧区的堆焊方法。由于各种成分的堆焊合金粉末制造比较方便，因此在堆焊时合金成分的要求易于满足。堆焊工作便于实现自动化，而且堆焊质量比较好。在阀门及耐磨件堆焊方面得到了广泛的应用。第三节常用金属材料的堆焊一、铁基堆焊金属的堆焊1.珠光体基体的堆焊这类合金属于珠光体钢，含碳量一般小于0.3%，合金元素总量在5%以下，如1Mn2、2Mn3、2Mn4等，我国一般加入Mn、Mo、Cr、Si为主要元素，该类合金的特点是：硬度中等，有一定的耐磨性，冲击韧性好，易于机加工，经济性好。焊接性好，有很好的抗裂能力，焊接前一般不预热，如果堆焊合金碳当量大或刚度大时，可以进行2000C 3000C的预热。焊接后在一般的冷却速度下（如空冷），堆焊层组织为珠光体类为主，硬度为2035HRC。如果合金元素多且冷却速度快时，将会有马氏体出现，使硬度提高。珠光体钢堆焊金属采用的焊接方法有焊条电弧焊、药芯焊丝MAG焊、药芯焊丝自保护焊、药芯焊丝埋弧焊和带极埋弧焊等。其堆焊工艺参数见表9-3所示。表9-3 珠光体堆焊金属堆焊工艺参数（平焊）焊接方法焊丝直径/mm焊接电流/A电弧电压/V送丝速度/（cm/min）保护气焊条电弧焊2.53.24.05.06.0608090130130180180240240300药芯焊丝MAG焊1.21.63.21203002004503005002630CO2气体流量20ml/min药芯焊丝自保护焊3.23005002630药芯焊丝埋弧焊3.23004502834带极埋弧焊500.470090022271822这类合金应用比较广泛，常用于堆焊承受高冲击载荷和金属间摩擦磨损的零件，比如齿轮、轴类等，也常用于零件的修复。2.普通马氏体基体的堆焊这类合金的堆焊层组织主要为马氏体，含碳量在0.1%1.0%，有时高达1.5%，还有一定量的合金元素，一般含量在12%左右。根据含碳量的不同，可以分为低碳、中碳焊和高碳马氏体钢的堆焊金属。 首先介绍低碳马氏体堆焊金属，它的含碳量小于0.3%，其组织为低碳马氏体，硬度在2550HRC，堆焊金属的抗裂性较好，焊接前一般不需要预热，有一定的耐磨性，能承受中度冲击作用。由于其硬度值不高，不是理想的耐磨材料，主要用在零件的修补上，常用于车轮、叶片、农业机械等设备。中碳低合金钢的堆焊金属，该堆焊金属含碳量约为0.3%0.6%，并含有一定量的合金元素，主要有Mo、Cr，也有Mn、Si，如5Cr2Mo2、5Cr5Mo4等，该类合金的特点是耐磨性和抗压强度好。这类堆焊合金的裂纹倾向比珠光体堆焊合金大，所以焊接前一般需要进行2500C3500C的预热。该类堆焊金属的组织主要为马氏体和残余奥氏体，有时有珠光体，硬度一般在3555HRC。高碳低合金钢的堆焊金属含碳量一般在0.6%1.5%之间，合金元素总量约为5%，如6Cr3、8Cr4Si等，这类堆焊金属加入过多的Mn会使材料的脆性增加，所以一般都加入Cr为强化元素。这类合金焊接性较差，容易出现热裂纹和冷裂纹，所以焊前一般要进行3500C 4000C的预热处理，组织也主要是马氏体和残余奥氏体，有时有共晶莱氏体在柱状晶边界析出，堆焊层的硬度约为60 HRC左右，所以有好的耐磨性，但冲击韧性较差。如果焊后要进行机加工，还应该先进行退火处理降低硬度，加工后再采用淬火处理恢复其硬度。马氏体钢堆焊金属采用的焊接方法有焊条电弧焊、药芯焊丝MAG焊、药芯焊丝自保护焊、药芯焊丝埋弧焊和带极埋弧焊等。其堆焊工艺参数见表9-3所示，预热和后热温度见表9-4所示。表9-4 马氏体钢堆焊预热及后热温度焊接方法母 材堆焊材料预热温度/0C后热温度/0C焊条电弧焊低碳钢低碳和中碳马氏体焊条不预热高碳马氏体焊条200300以上低合金钢和中、高碳钢低碳马氏体焊条150高碳马氏体焊条350250300药芯焊丝MAG焊A450200350A600250350药芯焊丝自保护焊GN450、GN700200250药芯焊丝埋弧焊焊丝/焊剂S400/50S450/50S600/80200300以上带极埋弧焊焊剂/带极BH400/SH10BH450/SH10该类合金常用在堆焊层不承受冲击载荷或小冲击载荷的低应力磨料磨损中，比如泥浆泵叶轮，粉尘排除设备、挖掘机斗齿、推土机的铲刃等。3.高速钢堆焊合金我国主要采用钨系18-4-1型高速钢，常为W18Cr4V，高速钢堆焊金属组织是由网状的莱氏体和奥氏体转变产物组成的，合金元素的含量较高，有二次硬化效应，有高的热硬性和红硬性，在6000C的时候硬度仍然能够保持在60HRC以上，且有良好的耐磨性能。但是堆焊金属中碳化物以网状形式存在，堆焊层较脆，焊接时容易产生裂纹，刀具在使用过程中也很容易崩刃，为了避免这一缺陷的产生，必须要采用合理的焊接规范。高速钢堆焊常用的方法是焊条电弧焊，可以使用快的冷速（小的预热温度或间歇施焊），使网状碳化物减少或呈断续状。焊接小零件时焊后采用空冷，焊接大的零件时在焊接过程中要保持焊接温度不低于预热温度，焊后在炉中缓冷。如果需要焊后机加工，先退火使其硬度降低，加工后再进行淬火和回火后使用。焊条电弧堆焊的参数见表9-5所示。这类堆焊合金主要用于制作双金属切韧刀具，比如可以在中碳钢制成的刀具毛坯上堆焊刃口制作大直径锥、绞刀、埋头钻头和车刀等。表9-5 高速钢焊条电弧堆焊电流值（直流反接）焊条牌号常用电流值/A焊条直径/mm3.24.05.0D307100130130160170220GRIDVR36801001101301401604.高锰钢和铬锰奥氏体钢堆焊金属高锰钢的含碳量约为1%1.4%，含Mn为10%14%，如Mn13、1Mn12Cr13等，该类堆焊合金的组织为奥氏体，硬度为200250HBS，此类钢材有冷作硬化效应，在受到强的冲击作用下其硬度值可以高达450550HBS，且硬化层以下仍然是韧性好的奥氏体，因此它具有良好的抗冲击磨损能力，适合强冲击的凿削磨粒磨损，如破碎岩石是锤头。但如果是低应力磨损，由于应力值很低，不能使其产生硬化效果，所以耐磨性不高。该类堆焊金属组织只有是单相奥氏体时才有好的韧性，当冷却速度很慢时容易出现碳化物在奥氏体晶界析出，使韧性下降，焊接时容易产生裂纹，所以在堆焊时要采用小的热输入量。堆焊前一般不预热，采用强迫冷却的、小电流、断续焊的方法使其热输入量减小，为了减小焊接应力，焊接后可以对焊缝进行敲击。这类堆焊合金在2600C 3200C时产生脆化，所以它的工作温度不能高于2000C。铬锰奥氏体钢分低铬和高铬两类，低铬的含Cr量不超过4%，含Mn为12%15%，高铬的含Cr量为12%17%，含Mn量约15%。由于铬的加入，其组织为奥氏体+铁素体，不仅提高了堆焊金属的耐腐蚀能力，而且改善了高锰钢容易出现焊接裂纹的缺陷，焊接性能较好。铬的加入还使这类堆焊合金的耐热性能增加。这类堆焊合金水轮机叶片、道岔、阀门等承受冲击磨损、腐蚀的部件上，由于不会产生脆化，还可用于中温（6000C）的阀门部件。高锰钢和铬锰奥氏体钢堆焊时，采用小线能量和跳焊法，多应用低氢型焊条，直流反接，其堆焊工艺参数见表9-6所示。表9-6 高锰钢和铬锰奥氏体钢焊条电弧堆焊电流值名称牌号常用电流值/A焊条直径/mm2.53.24.05.0高锰钢堆焊焊条D2567090110140150180GRIDVR4290105130140170180铬锰奥氏体钢堆焊焊条D2766080901301301701702205.奥氏体铬镍钢堆焊合金 常用的奥氏体铬镍钢堆焊合金如18-8型和25-20型，它具有良好的耐蚀性和抗高温性能，由于含碳量很低，其组织为奥氏体+铁素体，硬度低、耐磨性很差，当合金中含有Mo、V、W等元素时，堆焊组织中有相当数量的铁素体，且可以通过固溶强化等方式改善它的性能，具有高的韧性、冷作硬化性和耐腐蚀、耐磨性。比如Cr18Ni8Si5Mn、Cr20Ni11Mo4Si4MnWVNb等堆焊合金。常用于耐磨、耐气蚀、耐热的化工容器、核容器中，阀门密封面堆焊最为常见。在奥氏体铬镍钢堆焊合金中，如果Si含量较多（如Cr18Ni8Si7Mn2），能产生固溶强化，可用于5000C 6000C的高温环境中，但是Si加入太多，会使晶界析出脆化物，使堆焊金属的抗裂性能下降，在焊接前需要有3000C 4500C的预热。当Si的含量相对较少时（如Cr18Ni8Si5Mn）堆焊层的抗裂性能较好，脆性不大，焊接前就不需要预热，堆焊层的270320HBS之间，耐磨性较低，也可用于高温阀门的制造中。Cr20Ni11Mo4Si4MnWVNb中Si的含量也不高，在堆焊材料中加入了Mo、V、W等元素，能够形成更多的强化相，且脆性不大。奥氏体铬镍钢常用的堆焊方法有焊条电弧堆焊和带极埋弧自动堆焊，其工艺参数见表9-7、9-8所示。表9-7 奥氏体铬镍钢焊条电弧堆焊电流焊条直径/mm2.02.53.24.05.0堆焊电流/A2550508080110110160!60200表9-8奥氏体铬镍钢带极埋弧自动堆焊工艺参数带极尺寸/mm2600.4600.5600.6600.7电 流/A550600650600650电弧电压/V3227323540堆焊速度/（cm/min）11.51191315干伸长/mm404040406.合金铸铁堆焊金属合金一般含碳量大于2%的铁基堆焊合金就属于铸铁类型，一般的铸铁的强度和硬度都不够，所以在铸铁中通常加入几种合金元素，如W、Mo、B、Ni、Cr等，改善其性能，使它获得耐热、耐磨、耐蚀等不同的特殊性能。合金铸铁堆焊金属合金按照堆焊层的组织和成分的不同可以分为马氏体合金铸铁堆焊金属合金、奥氏体合金铸铁堆焊金属合金、高铬合金铸铁堆焊金属合金三类。（1）马氏体合金铸铁堆焊金属合金 该类合金的含碳量在2%5%之间，常加入W、Mo、B、Ni、Cr等其他合金元素使其合金化，总量不超过25%，如W9B、Cr4Mo4、Cr5W11等。该类合金的主要组织是马氏体+残余奥氏体+莱氏体（含合金碳化物），5065HRC之间，有很好的耐磨性能，也有很好的抗压强度，由于有合金元素的加入改善了堆焊的耐热性、耐蚀性和抗氧化性能。但是由于组织和含碳量的关系，该合金脆性较大，焊接时的裂纹倾向严重，因此焊接时需要预热和后热处理，避免堆焊层开裂。该类合金主要用在轻度冲击磨料磨损条件下工作的零件中，如混凝土搅拌、刮板机、泥浆机中。应用最多马氏体合金铸铁堆焊金属含C量约为2.5%，含Cr约25%，堆焊后的组织中有奥氏体，韧性较好，可经过8000C 8500C的退火加工，再经过9501090的空淬后，基体组织转变为马氏体，硬度提高到60HRC左右，可以用于耐低应力磨料磨损和中等的耐高应力磨料磨损的堆焊合金。（2）奥氏体合金铸铁堆焊金属合金 该类合金的含C量在2.5%4.5%，含CR量在12%28%左右，还有少量的合金元素，该类合金堆焊组织主要是有奥氏体+莱氏体形成，虽然奥氏体相较与马氏体硬度值不高，但该类合金组织中有较多的合金组织Cr7C3，硬度值可以达到1700HV左右，奥氏体合金铸铁堆焊金属组织的平均硬度可以达到4555HRC，该类堆焊合金有较好的耐气蚀性和抗氧化能力，相比较于马氏体合金铸铁堆焊金属而言，其抗冲击性能较好，不容易在焊接时产生开裂，常用在中度冲击载荷的耐磨部件中，如挖掘机齿、螺旋输送器等部件上。（3）高铬合金铸铁堆焊金属合金 该类合金堆焊在铸铁合金堆焊中应用比较广泛，它的含C量在1.5%5.0%，含Cr量在15%35%，而且利用W、Mo、V、B等合金元素作为强化，例如Cr30Ni7、Cr28Mn5等就是属于该类堆焊合金。这类堆焊合金的主要组织是残余奥氏体+共晶碳化物，有大量的Cr7C3在组织中，因此有很好的耐磨性、耐高温性能和抗氧化性能。高铬合金铸铁中含有B，可以提高其耐磨性，但是其抗裂性能和机加工性降低，加入Ni可以降低堆焊层的开裂倾向。这类堆焊合金比较容易开裂，焊接时需要预热和后热处理，减小其开裂倾向，通常只能用轻度冲击的堆焊结构件中，可用于破碎机、泥叶等结构件中。7.碳化钨堆焊合金碳化钨堆焊合金有两类，一类是铸造类的碳化钨，含C3.7%4.0%，含W95%96%，是WCW2C，这类合金硬且脆，在焊接中容易开裂，焊接时可将它碾碎成粒状后装入金属管内制成的药芯焊丝，然后用氧乙炔堆焊。另一类是钴或镍为粘结金属的烧结碳化钨，大都是用Co作为粘结剂，其硬度有所减低，但韧性增加。碳化钨熔点很高，焊接时可能不熔化而镶嵌在基体上，形成硬质合金复合材料堆焊层，硬度很高，有很强的耐磨性。为了充分发挥碳化钨的耐磨性，应尽量使碳化钨不熔化，在焊接中氧乙炔焊接时，热量低，碳化钨一般不会熔化，耐磨性高，而焊条电弧焊碳化钨部分熔化，耐磨性较低。但是氧乙炔焊时生产效率低，不适合焊接大型结构件，因此近年来有钨极氩弧焊、等离子堆焊等方法的应用。碳化钨堆焊合金常用在石油钻井、修井等设备工具中，也用于建筑、煤炭开发部门中，如石油钻井钻头、打桩机钻头、刨煤机刨刀等。二、其他堆焊金属的堆焊1.铜基堆焊合金铜合金有良好的耐大气、耐海水和耐各种酸碱溶液腐蚀，耐气蚀等性能，但抗磨料磨损的性能不好，故不宜用于高应力的磨料磨损中。铜合金堆焊金属有铝青铜、锡青铜、硅青铜等，有时也用黄铜、白铜和紫铜进行堆焊。铝青铜的强度高，耐腐蚀、耐金属间摩擦磨损性能良好，常用于堆焊轴承、齿轮、蜗轮、以及耐海水、弱酸碱腐蚀的零件中，如水泵、阀门等锡青铜有一定的强度，塑性较好，能承受较大的冲击载荷，减摩性能不好，常用于堆焊轴承、蜗轮、船舶螺旋桨等零件上。硅青铜力学性能良好，冲击韧性值较高，耐腐蚀性强，减摩性能不好，不能用于轴承件的焊接，适用于化工容器、管道的内衬。黄铜的抗腐蚀性和冲击韧性较差，但是价格便宜，常用于低压阀门零件。白铜合金有良好的耐腐蚀性能和耐热性能，适合于堆焊冷凝器和热交换器等零件。2.镍基堆焊合金镍基合金可以分为两类，一类是含碳量较低的镍铜、镍铬合金，镍铬合金它具有良好的抗裂性能和耐热性，硬度值低韧性好，能够承受冲击，常用于炉子的元件堆焊上。镍铜合金抗腐蚀性有良好的抗腐蚀性，常用于耐腐蚀零件的堆焊上。另一类是具有良好耐热、耐腐蚀和抗氧化性能的Ni-Cr-B-Si系列、Ni-Cr-Mo-W系列合金。Ni-Cr-B-Si系列合金的含C1%，含Cr8%18%，B、Si 2%5%，其他为镍余量，如Cr10Si4B2、Cr16Si5B4就是属于该类合金，镍基合金的堆焊层组织为奥氏体+硼化物+碳化物，堆焊层的硬度可达62HRC左右，并且有良好的抗氧化性能，在950时的硬度仍能达到48HRC，能够耐金属间的磨料磨损。该类合金的熔点很低，约1000，因此有良好的流动性能，适合于粉末等离子堆焊。Ni-Cr-Mo-W系列合金的含C0.1%，Cr约17%，Mo约17%、W约4.5%，其他为Ni余量，如Cr16Mo17B5、Cr16Mo17W5就是属于此类合金。该合金的堆焊层组织为奥氏体+金属间化合物，韧性好，适合机加工，主要用于抗腐蚀的结构件，而且也有良好的耐高温性能，也能用做高温耐磨结构件的使用。3.钴基堆焊合金常用的钴基堆焊合金是Co-Cr-W堆焊合金，一般的成分是C0.4%3.0%，Co30%70%，Cr25%33%，W3%21%，其中碳的主要作用是与其他合金元素形成高硬度的化合物，提高耐磨性；Co的主要作用是提高抗腐蚀能力；Cr的抓哦作用是提高抗氧化性；W的主要作用的提高蠕变强度。由于Co的价格比较昂贵，所以通常以镍基或铁基堆焊金属代替，但是Co基合金有良好的加工性能，抗金属间磨损的能力好，抗腐蚀能力和耐热性都较好，在一些地方也得到广泛应用。钴基堆焊合金随着含碳和合金的含量不同，其堆焊层的组织也随着发生变化，当含量较低时是由奥氏体+固溶体与碳化物共晶组成，能承受冲击和高温，常用语高压阀们，热锻模等；含碳量增加时，组织中的奥氏体增加，共晶体减小，为亚共晶组织，也有较高的韧性，抗高温性能；当含碳等元素增加时，堆焊组织变为过共晶组织，承受冲击的能力比较小，主要用于耐磨、耐高温、耐腐蚀的结构零件上，如粉碎机刃口、螺旋送料机等。由于价格昂贵，在钴基合金焊接时，尽量采用小稀释率焊接。堆焊合金的选择是一项复杂的工作，正确选择堆焊合金才能使发挥最大的用途，并且还要最大限度的节约金属的消耗，堆焊合金的选择，一般有如下原则：（1）满足使用条件 零件是使用条件相当复杂，如耐磨、腐蚀、冲击等，而且不仅一个因素在影响零件的使用，往往是多个因素共同作用，所以必须先明确被堆焊零件所需要的磨损类型，才能正确的选择堆焊合金。（2）经济性 在满足使用要求的前提条件下，应当尽量的降低成本，选择价格便宜的堆焊合金。应合我国资源状况，尽量选择我国富有的合金资源。（3）焊接性 在满足前面两个条件的前提下，应选择焊接性好的材料进行焊接，避免产生太多焊接缺陷，影响产品质量。思考题1.简述堆焊的目的和特点。2.堆焊金属的使用性能包括哪些内容？3.堆焊有几种磨损形式，分别有何特点？4.如轴、犁铧、水轮机叶片、阀门密封面、轧辊、破碎机颚板应该选择怎样的合金系统，为什么？5.堆焊合金的选择原则是什么？硕士黎仕增甘蔗收获机双金属耐磨割刀的研制2012硕士学位论 文甘蔗收获机双金属耐磨割刀的研制黎仕增二一二年 六月分类号 TH164 密级 内部 UDC 621 硕士学位论文甘蔗收获机双金属耐磨割刀的研制 黎 仕 增 学科专业 机械制造及其自动化 指导教师 麻芳兰 副教授 论文答辩日期 2012年05月19日 学位授予日期 答辩委员会主席 李尚平 教授 论文评阅人 梁式 教授 李作威 高级工程师 广西大学学位论文原创性和使用授权声明本人声明所呈交的论文，是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得广西大学或其它单位的学位而使用过的材料。与我一同工作的同事对本论文的研究工作所做的贡献均已在论文中作了明确说明。本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属广西大学。本人授权广西大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权保存并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本学位论文属于：保密，在 年解密后适用授权。不保密。 (请在以上相应方框内打“”)论文作者签名： 日期：指导教师签名： 日期 作者联系电话： 电子邮箱：甘蔗收获机双金属耐磨割刀的研制摘 要甘蔗是广西最主要的经济作物之一，而每年秋冬季节对甘蔗的收获却耗费蔗农大量劳动力，不仅劳动强度大且生产效率低。针对广西等地丘陵起伏的地貌特点，小型轻便、经济耐用的小型甘蔗收获机将有着巨大的市场潜力，而割刀是收获机收获甘蔗作业的重要部件。本论文结合甘蔗收获机割刀作业时的环境特点，分析割刀磨损的机理，提出双金属耐磨割刀的研制思路和制造工艺。主要研究工作如下：一、对甘蔗收获机割刀的磨损机理进行分析，提出双金属耐磨割刀的研制思路，确定割刀表面耐磨耐蚀金属层的获得方法，即采用堆焊的方式在割刀的工作表面获得具有良好耐磨耐蚀性能的堆焊层；二、通过对甘蔗收获机割刀表面耐磨金属的成分设计，确定堆焊熔渣的渣系类型为盐-氧化物型渣（低氢型渣），同时设计堆焊焊条药皮的成分，制备高铬合金铸铁堆焊焊条，并对焊条的焊接工艺性能进行比较、分析和研究；三、通过各种仪器设备对试板堆焊层的合金过渡系数、物相组成、显微组织、硬度、摩擦系数及磨损率等进行测定、比较、分析和优化，确定高铬合金铸铁堆焊焊条的最终配方；四、对双金属耐磨割刀的20号钢基体材料的焊接性进行分析，制定出割刀的堆焊工艺和最后的加工工艺，完成双金属耐磨割刀的制备。关键词：甘蔗收获机割刀 磨损机理 高铬合金铸铁 堆焊 双金属耐磨割刀 堆焊工艺 加工工艺DEVELOPMENT OF BIMETALLIC WEAR-RESISTANT SICKLES FOR SUGARCANE HARVESTERS ABSTRACTIt is labor-consuming and low-efficient to harvest sugarcane, one of the primary cash crops in Guangxi. Minitype sugarcane harvesters are of great market potentials which are small, lightweight, lowcost, durable and suitable for hilly lands in Guangxi and other regions. Based on the analysis of sugarcane harvesters operating environment and the wear mechanism of their sickles, this paper presents the development of bimetallic wear-resistant sickles. The research is done as follow: 1. Based on the analysis of the wear mechanism of the sickles, the paper puts forward the development of bimetallic wear-resistant sickles on whose working surfaces are the hardfacing layers.2. Through the composition design of the wear resistant metal on the sickles, the surfacing slag system, CaOCaF2SiO2,is decided. And with the composition design of electrode coating, high Cr cast iron surfacing electrodes are manufactured with the comparison of electrodes welding procedure. 3.The final formula of high Cr cast iron surfacing electrodes is based on the measurement of transfer efficiency of alloy elements, phase composition, microstructure, hardness, friction coefficient and wear rate of test panels hardfacing layers and the work of comparing and analyzing these data and optimizing the formula. 4. Bimetallic wear-resistant sickles are manufactured with the surfacing technology and the processing technology based on the analysis of the weldability of bimetallic wear-resistant sickles 20# steel as matrix material.KEY WORDS: Sugarcane HarvestersSickles; Wear Mechanism; High Cr Cast Iron; Surfacing; Bimetallic Wear-resistant Sickles; Surfacing Technology;Processing TechnologyIV目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论11.1课题研究的提出11.1.1 课题的来源11.1.2 课题研究的目的和意义11.2 甘蔗收获机及其割刀的发展状况11.3 课题的研究目标和内容31.3.1 研究目标31.3.2 研究内容4第二章 金属的磨损62.1 引言62.2 金属磨损的种类62.3 甘蔗收获机割刀的磨损机理102.3.1 小型甘蔗收获机割刀的工作环境102.3.2 小型甘蔗收获机割刀的磨损机理112.4 甘蔗收获机割刀表面金属的合金种类及获得122.4.1 堆焊合金的种类122.4.2 堆焊层获得的方法172.5 小结19第三章 高铬合金铸铁堆焊材料203.1 概述203.2 甘蔗收获机割刀堆焊层的合金成分与组织分析203.3 甘蔗收获机割刀堆焊层的合金化223.4 堆焊熔渣渣系类型的选择与堆焊焊条药皮成分设计253.4.1 堆焊熔渣的渣系类型253.4.2 堆焊焊条药皮成分及配方设计273.4 高铬合金铸铁堆焊焊条的制备323.5 高铬合金铸铁堆焊焊条的工艺性能研究323.5.1 试验设备及材料333.5.2 试验结果及分析333.6 小结37第四章 双金属耐磨割刀表面堆焊层组织性能394.1 概述394.2 试验394.2.1 试验设备及材料394.2.2 堆焊层的化学成分394.2.3 堆焊层的物相组成394.2.4 堆焊层组织特征及分析414.2.5 堆焊层硬度434.2.6 堆焊层金属摩擦磨损性能试验及分析444.3 小结49第五章 双金属耐磨割刀的制备505.1 双金属耐磨割刀的堆焊工艺505.1.1 双金属耐磨割刀基体材料的焊接性分析505.1.2 双金属耐磨割刀的堆焊工艺515.2 双金属耐磨割刀的加工工艺555.3 割刀的使用性能575.4 小结67第六章 总结与展望68参考文献69致 谢72攻读硕士学位期间发表论文情况73广西大学硕士学位论文 甘蔗收获机双金属耐磨割刀的研制第一章 绪 论1.1 课题研究的提出1.1.1 课题的来源本课题来源于国家科技部科技人员服务企业项目，与钦州力顺机械有限公司合作的“适于丘陵地区的小型甘蔗联合收获机产品研发”（项目编号：2009GJE10008）、广西制造系统与先进制造技术重点实验室科研项目“小型甘蔗联合收获机产品研发”(合同编号： 09-007-05S019)、广西区科学技术厅科技攻关项目“适于丘陵地区的小型甘蔗收获机产品开发及其关键技术研究”（合同编号：桂科攻0992002-18）。项目研究的主要任务是对甘蔗收获机的整机及其零部件进行分析、设计、试验和研发，从而研制出适合中国西南部丘陵地区的小型甘蔗收获机，在降低蔗农劳动强度、提高农业机械化水平、减少收获成本的同时，提高机器及其零部件的使用寿命，免除蔗农的后顾之忧。1.1.2 课题研究的目的和意义自上世纪80年代以来，中国糖业异军突起，跃升为世界第三大产糖国，其中蔗糖年产量超过1100万吨。而我国的甘蔗种植主要分布在桂中南、滇西南和粤西等地区。这些地区的地貌特点是山多、丘陵多，地势起伏不平，蔗地大小不一，大型的甘蔗收获机无法进入，急需大量轻便且经济耐用的小型甘蔗收获机1。而甘蔗收获机在收割甘蔗的过程中，其割刀受到蔗汁的腐蚀以及泥沙石的摩擦，很容易磨损变钝，导致切割质量变差、蔗茬开裂，不利于宿根蔗的生长。如果频繁换刀，一是步骤繁琐，二是成本增加，容易引起蔗农的不满心里，甚至忍痛割爱，舍弃甘蔗收获机而重拾手工收获方式，不仅劳动强度增大、生产率降低，且严重影响着甘蔗收获机的推广。因此，研发一种耐蚀耐磨且锋利的割刀来配套小型的甘蔗收获机，使之得以推广，具有深远意义。1.2 甘蔗收获机及其割刀的发展状况为提高生产率、降低农民的劳动强度，世界各国都根据本国农业生产的资源和规模，大力发展相应的农业机械装备。对于美国、巴西、澳大利亚、中国、古巴等产糖大国而言，蔗糖在糖产量中占有很大的份额，而甘蔗的种植与收获，如果采用手工方式，劳动强度大、生产率低，浪费大量人力、物力，给蔗农造成沉重的负担。因此，自十九世纪80年代，甘蔗收获机械化成了各甘蔗生产国迫切解决的问题，甘蔗收获机的研制也相应提到了研究的日程。在经过初级研制阶段（19世纪80年代20世纪20年代）、割后处理技术的研究（20世纪2040年代）、甘蔗的青秆收获（20世纪5070）以及现代收割技术（20世纪8090年代）等四个阶段的发展，甘蔗收获机技术越来越完善，工作效率越来越高，应用也越来越广泛，例如在古巴，甘蔗的收获中有72%以上实现了机械化；在巴西，甘蔗收获的机械化程度更高，达到80%以上。目前，国外常用的甘蔗收获机的机型主要有：CH3500系列甘蔗联合收获机；GK-75型甘蔗收获机；GK-200型甘蔗收获机Austoft 7000型甘蔗收获机等2 -6。 我国是世界第三大产糖国，甘蔗种植遍布桂中南、滇西南和粤西等丘陵地区，大型的甘蔗收获机不适合这些地区的甘蔗收获，经济小型且耐用的收获机将得到蓬勃发展。目前，我国已研制的甘蔗收获机主要有：广东农机所研制的GZ-35侧挂式整杆收获机；福建农学院研制的4GZ-12小型甘蔗收获机；广西农业机械研究院研制的4GZ-250甘蔗收获机；柳州汉森公司研制的HSM800型轮式甘蔗联合收割机等3 4。这些收获机在收割作业时都存在一定的破头率（比如GZ-35侧挂式甘蔗收获机、4GZ-250甘蔗收获机等，其破头率均在20%左右），宿根质量差，经济损失大。究其原因有二：其一是甘蔗收获机在作业时的前进速度与切割器的转速不匹配；其二是切割器上的割刀刀片在作业时磨损变钝引起。其中收获机前进速度与切割器的转速不匹配问题，可以通过提高切割器的转速（大于500r/min），且当收获机的前进速度提高时，切割器的转速也相应提高的办法来解决5；而如何减少割刀刀片在作业时的磨损变钝将是亟待解决的问题。目前，无论是国外的大型甘蔗收获机，还是国内的小型甘蔗收获机，其切割器均采用回转式直线形双刀片圆盘切割器，割刀通过铆接或螺栓直接联接在圆盘上，具有结构简单、运转平衡等优点。割刀须从刀盘上伸出一定长度，刀架结构如图1-1所示2。图1-1 甘蔗收获机割刀刀架Fig1-1 Cutter saddle of sugarcane Harvester在作业过程中，割刀可在泥土下5厘米到地面上38厘米之间进行调整1 2，这就要求割刀不但要具有足够的强度、硬度，还要有较好的耐蚀性（蔗汁具有一定的腐蚀性）和耐磨性。而今，国内绝大多数的甘蔗收获机的割刀材料常用65Mn钢、高锰钢、Cr12MoV钢或45号钢等经热处理后加工而成。其中，65Mn钢属于弹簧钢，含碳量很高，属于高碳钢的范畴，经热处理后得到马氏体组织，硬度大，韧性较差，受到冲击后容易崩断，且耐蚀性较差；高锰钢属于奥氏体钢，当受到剧烈冲击后，奥氏体组织转变为马氏体组织，硬度提高，高应力耐磨性明显增强，但是甘蔗收获机割刀的工作环境是低应力磨料磨损，在作业过程中不会产生剧烈冲击，因此高锰钢的奥氏体组织很难转变成马氏体组织，其耐磨性得不到提高；Cr12MoV钢是属于磨具钢，其含碳量为1.45%1.70%，含Cr量约12%，具有很高的淬透性和回火稳定性，硬度高、耐磨性好，有一定的耐蚀性，但韧性差，容易受冲击而崩断；而45号钢属于优质碳素结构钢，经热处理后得到马氏体组织，其强度可以满足甘蔗收获作业的需要，但是硬度略显不足，其耐磨性和耐蚀性有一定的局限性。众所周知，甘蔗的蔗汁呈弱酸性，具有一定腐蚀性，长时间的浸湿，会影响割刀的寿命；其次，在甘蔗收获作业中，割刀不可避免地与泥沙石头发生摩擦，产生机械磨损。这样，在蔗汁的腐蚀下，割刀的磨损将不断地增加，而机械磨损又将加速腐蚀的速度，二者相辅相成，最终导致割刀的寿命急剧下降。从以上分析可知，无论是65Mn钢、高锰钢、Cr12MoV钢还是45号钢，都难以胜任甘蔗收获机的割刀材料。因此，研发一种具有一定强度、且耐磨性和耐蚀性倶佳的割刀，成了本课题必要的研究内容。1.3 课题的研究目标和内容1.3.1 研究目标在20号钢割刀的基体上，通过堆焊的方式，将所需要的合金元素经焊接材料过渡到基体表面的堆焊层金属中，从而获得具有特定组织和高耐蚀、耐磨性能的合金层，以满足生产的需要。高铬合金铸铁具有良好的耐蚀性和耐磨性能，且价格低廉，在冶金、矿山等行业装备修造中得到广泛应用。如果在20号钢做成的割刀的基体上，堆焊一层具有高耐蚀性和耐磨性的高铬合金层，形成双金属耐磨割刀，必将大大地提高收割刀的性能和寿命，在小型甘蔗收获机的推广使用上起到积极的作用。在甘蔗收获机割刀的20号钢基体上获得高铬合金铸铁堆焊层，可通过高铬合金铸铁堆焊焊条直接堆焊的方式来实现。高铬等合金元素的过渡有两个途径：一是经焊条的焊芯过渡；二是经焊条药皮过渡。前者将所需的合金元素加入到焊条的焊芯中，通过焊芯过渡合金元素，使合金过渡系数得到提高，减少合金元素的烧损，降低药皮质量系数，提高堆焊焊条的工艺性能，获得组织和性能均优良的堆焊层7。其优点是合金烧损少，焊缝成分均匀稳定；但受到拉拔焊丝合金成分的限制，对于脆性材料如硬质合金、合金铸铁等很难轧制或拉拔成焊丝，生产工艺比较复杂，成本很高。而后者则采用H08A或其他低碳钢作为焊芯，以含有大量合金粉末的合金药皮作为合金过渡的主要手段来实现合金过渡，焊条的制作简单易行，生产成本低，但其合金元素过渡系数相对较低，堆焊过程中亦会导致较多的合金元素烧损等。目前，生产中常用的高铬合金铸铁堆焊焊条主要有D618、D628、D642、D646、D667、D687等8，这些焊条的合金组成各有不同，合金含量互有差异，堆焊层的性能存在较大差别，使堆焊合金系统在组成和使用性能要求之间难以达到理想的对应关系。近年来Ni、Mo等合金价格上涨，传统的高铬合金堆焊焊条难以获得良好的经济性；其次，因需过渡较多的合金元素，传统的药皮配方将导致药皮重量系数过大、药皮过厚、套筒过长、药皮成块脱落及电弧不稳定等现象9 10。为此，研究一种生产工艺简单、成本低廉、性能良好的高铬合金铸铁堆焊焊条，具有现实意义。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；研制出通过药皮过渡合金元素且焊接工艺性能良好的新型高铬合金铸铁堆焊焊条，使之能在20号钢收割刀基体上堆焊出具有高耐蚀性和耐磨性的堆焊层，为双金属耐磨收割刀的研究与应用提供理论与实验依据。1.3.2 研究内容结合目前甘蔗收获机的研究情况以及课题的研究任务，本课题主要的研究内容有以下几点：一、金属的磨损 1. 金属的磨损方式 2. 甘蔗收获机割刀的磨损机理 3. 甘蔗收获机割刀表面金属的合金种类及获得二、高铬合金铸铁堆焊焊条的研制1. 甘蔗收获机割刀表面堆焊层金属的成分设计； 2堆焊熔渣渣系类型的选择与堆焊焊条药皮成分设计；3高铬合金铸铁堆焊焊条堆焊焊条的制备；4高铬合金铸铁堆焊焊条的工艺性能研究；三、双金属耐磨割刀表面堆焊层组织性能分析1用F20型直读光谱仪对分析堆焊层化学成份，计算堆焊层合金过渡系数；2采用X射线衍射（即XRD）对20号钢基体上堆焊层的物相组成进行分析； 3利用GX71型金相显微镜对堆焊层组织进行观察研究；4采用150型洛氏硬度计对堆焊层进行硬度测定；5利用MMW-2型摩擦磨损试验机，对堆焊层金属的摩擦系数和磨损率进行测试分析；6经过综合分析，确定高铬合金铸铁堆焊焊条的配方。四、双金属耐磨割刀的制备1对双金属耐磨割刀的20号钢基体材料的焊接性进行分析；2确定双金属耐磨割刀的表面堆焊工艺；3确定双金属耐磨割刀的加工工艺。第二章 金属的磨损2.1 引言当任何两个相互接触的表面之间发生相对运动时（滑动、滚动、或者滑动和滚动两者皆有）就会产生摩擦而导致磨损，从而降低设备的效率和工具的寿命，也是金属材料和能源损耗的重要原因。据统计，在美国，每年由于金属间的摩擦导致磨粒磨损造成的直接或间接经济损失高达1000亿美元11；我国每年对磨损材料进行修补而消耗的金属耐磨材料约300万吨以上12。因此，研究金属的磨损规律，提高设备机件的耐磨性，对降低材料消耗、延长设备及工具寿命具有重要意义。本章主要分析金属常见的磨损形式，研究甘蔗收获机割刀的磨损机理，进而探讨控制甘蔗收割机割刀磨损的途径。2.2 金属磨损的种类由于金属表面间存在相对摩擦运动，使得相接触的表面上分离出许多细小的金属碎屑，导致金属的表面尺寸和重量发生变化，即磨损。在不同的机械设备上的不同机械部件，在不同的工作条件下，其所表现出来的磨损现象亦有所不同，从磨损形成的过程来看，主要有以下几种磨损类型13 14：1. 粘着磨损粘着磨损又称为咬合磨损，是由于粘着作用而使得金属材料由一表面转移至另一表面或脱落所引起的磨损。显然，摩擦副的表面并不平整，存在局部凹凸，在滑动摩擦条件下，摩擦副之间的实际接触面上的凸起处在应力的作用下发生局部塑性变形，使两个接触面上的原子彼此十分接近，在润滑条件较差的情况下，很大法向载荷使相接触的两金属面所承受的应力超过了实际接触点的屈服强度时，两个相对滑动的表面间分子力的作用或原子间的键合使其产生局部固态连接（冷焊）现象。在随后的滑动过程中，粘着点被剪断、脱落而形成磨屑，亦即粘着磨损。根据磨损程度，粘着磨损可分为涂抹、擦伤、咬合和咬死等几种不同的类型。2、磨料磨损磨料磨损又称为磨粒磨损或研磨磨损，它是指两相互接触的金属表面上存在凸起的硬质点或硬粒子时，在应力的作用下对表面进行切削或刮削而导致的机械磨损5。其硬质粒子可能是自表面上脱落下来的氧化物，也可能是因磨损的产生而落在摩擦副表面间的金属磨屑，或者是其他的沙粒和灰尘等非金属颗粒。磨粒磨损最主要的特征是在相互摩擦的表面上有明显被磨粒犁刮的沟槽。从磨粒所受到的应力大小来分类，磨粒磨损又可以分为低应力擦伤性磨粒磨损、高应力碾碎性磨粒磨损、凿削式磨粒磨损等三种。当相接触的两金属表面上的磨粒上所承受的应力比较低，未达到其破坏强度时，在相接触的金属的表面上会产生擦刮的痕迹，这种磨损称为低应力擦伤性磨粒磨损；当磨粒所承受的应力达到或超过磨粒的破坏强度时，则磨粒不断被碾碎，产生高应力碾碎性磨粒磨损；而当金属材料的表面上被凿削下一些大颗粒的金属，使得其表面有明显的深沟槽，这样的磨损称为凿削式磨粒磨损，例如挖掘机的斗齿、破碎机的腭板等。如果硬质磨粒是固定在相摩擦的金属表面上的，这种类型的磨粒磨损又称为两体磨损；如果硬质磨粒是在应力的作用下松散地在两个接触面之间滑行，则这类磨损又称为三体磨损13。在磨粒磨损时，对于韧性金属材料，当磨粒具有尖锐角时，在应力的作用下，磨粒将从金属的表面上切下一个个连续的金属屑，形成很明显的沟槽；如果磨粒无尖锐角刃时，在应力的作用下，磨粒会将韧性金属的表面犁皱，沿着磨粒的运动方向形成沟槽。对脆性金属材料而言，由于其塑性和韧性很差，很难产生塑性变形，所以当其表面上的硬质磨粒在应力的作用下，将在其表面上切下许多不连续的金属断屑。因此，磨粒磨损的过程是磨粒对金属表面的切削作用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂的结果，也可能是它们综合作用的反应13 14。以两体磨料磨损为例，其简化模型如图2-1所示。 图2-1 磨料磨损的简化模型Fig 2-1 Simplified model of grinding abrasionL2rp在以上的简化模型中，硬质磨粒或金属材料的凸出部分在法向载荷p的作用下压入比较软的材料中，直到所受应力等于该软材料的压缩屈服强度时，磨粒的压入运动才会停止下来13，即： （2-1） 式中为材料的单向压缩屈服强度。设为磨粒与软材料平面的夹角，则当金属间相对滑动的距离为L时，硬质磨粒所切削下来的软材料体积，称为磨损量，即： （2-2）将式（2-1）代入式（2-2），得 （2-3）由于金属材料的屈服强度与硬度成正比，故得： （2-4）式中 P施加的载荷；H材料硬度；K磨损系数。由以上的分析可知：金属摩擦副之间的磨粒磨损量与摩擦距离及法向载荷成正比，与金属材料的硬度成反比，且与磨粒或硬质凸出部分的形状有关15。实际上，由于磨粒的棱面相对摩擦表面的取向不相同，只有一部分磨粒才能切削表面产生磨屑，而大部分的磨粒则嵌入到较软的材料之中，并使之产生塑性变形，即便是脆性材料也会产生一定量的塑性变形，造成擦伤或形成沟槽；堆积在沟槽两侧的材料，在摩擦副随后的相对运动中，有部分将形成磨屑；另外，实际的磨粒，其形状不一定是圆锥形的；在磨损过程中，环境温度、湿度、腐蚀介质以及冲击作用亦对磨损有影响等。因此在讨论磨粒磨损的机理时，这些因素均应考虑。3. 腐蚀磨损在腐蚀条件下，金属表面将会与腐蚀介质发生化学或电化学反应而形成一层腐蚀物，在金属间没有相对运动的情况下，这层腐蚀物将会延缓甚至阻止腐蚀作用的继续进行；但是，如果在两个表面之间存在相对运动，则在相对摩擦运动过程中，摩擦副之间的腐蚀产物将会被磨损掉，而外露的金属又将继续受腐蚀和磨损，导致磨损的加剧。腐蚀磨损常与摩擦面之间的机械磨损（即粘着磨损和磨粒磨损）共存，故又称为腐蚀机械磨损。腐蚀磨损包括各类机械中普遍存在的氧化磨损、在机械零件嵌合部位出现的微动磨损、在水利机械中出现的浸蚀磨损（又称气蚀）和在特殊腐蚀气氛中产生的特殊介质腐蚀磨损等。其中，氧化磨损和微动磨损在一般机械设备中最为常见。（一）氧化磨损机械设备的金属表面在大气中都会有一层氧的吸附层，金属表面间的相对运动产生的塑性变形会加速氧向金属内部扩散，从而形成氧化膜。在相对运动过程中，强度比较低、脆性比较大的氧化膜被某一凸起的表面所剥落、磨掉，从而露出新的表面，新露出的表面又被氧化形成氧化膜，之后氧化膜又会被磨掉。如此循环不断，导致金属磨损，这就是氧化磨损过程。其特征是：在金属摩擦表面，沿着运动的方向呈匀细磨痕，其磨损产物为红褐色的Fe2O3或灰黑色的Fe3O4 。显然，在氧化磨损过程中，相对运动的金属表面间同时存在塑性变形和氧的扩散运动，因此，其磨损的速率和磨损量与金属摩擦表面对塑性变形的抗力、氧在金属中的扩散速率、氧化膜的性质和厚度、以及氧化膜与金属机体之间结合的牢固程度有关，接触压力、运动速度和距离、温度等也会影响氧化磨损的磨损量。（二）微动磨损在机械的嵌合部位和紧配合处，金属的接触表面之间在外部应力的作用下产生微小的滑动，这种微小的切向振动，振幅极小，约为。相互接触的两金属表面之间因存在小振幅的相对震动或往返运动而导致的金属磨损，称为微动磨损，也称微动腐蚀，其特征是在金属紧密接触的嵌合区、配合处有大量红色的Fe2O3磨损粉末，如果是铝件，则是黑色的磨损产物，在摩擦面上常常伴有因接触疲劳破坏而导致的蚀坑和麻点等16 。微动磨损是一种兼有粘着磨损、氧化磨损和磨粒磨损作用的复合性磨损，其形成过程可分为三个阶段：即在第一阶段先出手凸起塑性变形，由此形成表面裂纹并扩展，或去除表面污物形成粘着和粘着点断裂；第二阶段是通过疲劳破坏或粘着点断裂形成磨屑，随后磨屑被氧化；第三阶段是出现磨粒磨损17。之后，磨粒磨损又加速第一阶段的产生，如此循环往复，导致微动磨损。由于微动磨损产生于嵌合部、紧密配合处，两接触面之间不相脱离，故而其磨损产物很难清除。在连续的振动作用下，磨屑对于摩擦副表面产生交变压应力，导致表面疲劳破坏而形成麻点或蚀坑，这些麻点和蚀坑将作为应力集中源，促使疲劳裂纹扩展，引起机件的完全破坏。4. 疲劳磨损金属机件的两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触应力的长期作用下，接触区的循环应力超过材料的疲劳强度时，在表层或亚表层引发裂纹并逐步扩展，最后导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而引起的磨损，称为表面疲劳磨损。疲劳磨损与材料的疲劳破坏机理不同，疲劳磨损的裂纹是从亚表层内开始且裂纹扩展方向平行于表面，没有明显的疲劳极限。疲劳磨损除了循环应力的作用外还与一系列的摩擦条件、表层特性及环境条件有关。2.3 甘蔗收获机割刀的磨损机理2.3.1 小型甘蔗收获机割刀的工作环境我国的桂中南、滇西南和粤西等甘蔗主要种植地区的地貌特点是山多、丘陵多，地势起伏不平，而甘蔗大多种植于坡地上，有些坡地的坡度甚至达到左右，且蔗地大小不一2。因此要求甘蔗收获机应该具有以下几个特点：1. 操作稳定性强，行驶平顺性好；2. 具有良好的通过性；3. 具有较强的爬坡能力，能爬上的坡地；4. 结构简单紧凑、重量轻、操作灵活；5. 零部件经久耐用；6. 价格低廉。经对广西地区部分农场和个体甘蔗种植专业户的蔗地进行田间调查，得出这些地区的甘蔗种植地的参数（机械种植）：垄宽约为100120cm，左右沟深约20cm，沟宽约3040cm，蔗簇间距约20cm。由这些参数可以看出，甘蔗收获机在收获过程中，由于地势的起伏不定，收获机的割刀会不断地跟泥土接触摩擦，甚至要求在作业过程中，割刀可在泥土下5厘米到地面上38厘米之间进行调整1 2。2.3.2 小型甘蔗收获机割刀的磨损机理 甘蔗收获机的割刀在收获过程中，不断地与泥土相接触，与泥土中夹杂着的石英砂、石头硬块等相互摩擦产生磨损；其次，在收获过程中，割刀不停地切割蔗杆，使其刀面一直与蔗汁相接触，在摩擦应力及蔗汁的腐蚀作用下，导致割刀的磨损。因此，甘蔗收获机的割刀在作业时，同时存在凿削式磨料磨损和腐蚀磨损。（1） 甘蔗收割刀的凿削式磨料磨损机理在较大的冲击力的作用下，泥土中的砂石切入割刀的金属表面，从其表面凿削下金属颗粒，在被磨损的割刀表面上产生较深的沟槽和压痕。即砂石在法向力的作用下压入金属表面，形成压痕；在切向力的作用下向前推进，使割刀的金属表面产生微切削而磨损。当砂石磨粒的运动方向和棱角有利于切削时，将对金属产生明显的切削作用，如图2-2所示；而当砂石磨粒的棱角不是很尖锐，或者其压入金属表面的角度不利于切削时，则砂石磨粒在法向力和切向力的作用下将导致金属表面产生犁沟变形，即磨粒的前角为负值，无法切削金属，只能犁沟材料或挤推材料而产生变形，如图2-3所示13。图2-2 显微切削模型Fig 2-2 Model of micro-cutting图2-3 磨粒犁沟金属材料模型Fig 2-3 Model of ploughing and abrasive wear of metal material （2）甘蔗收割刀的腐蚀磨损的机理甘蔗收获机的割刀在作业过程中不断地与蔗汁接触，而甘蔗汁呈弱酸性，具有一定的腐蚀性。割刀表面金属跟蔗汁的不断接触和摩擦，发生化学反应及电化学反应，形成较易被磨损或剥离的腐蚀产物并不断地被剥离，导致割刀表面金属的磨损。而磨损后暴露出的新的金属面又进入新的化学反应和摩擦，如此交替，使割刀表面金属产生明显磨损，乃至失效。2.4 甘蔗收获机割刀表面金属的合金种类及获得根据以上的分析可知：甘蔗收获机的割刀在作业过程中，同时存在着凿削式磨料磨损和腐蚀磨损，大大降低了割刀的使用寿命，也给蔗农的甘蔗收割作业及蔗茬质量造成很大影响18。因此，如何提高割刀的耐磨性和耐蚀性，成了亟待解决的课题。近年来，材料表面工程得到了迅猛的发展。而作为表面工程重要技术之一的堆焊技术亦有了长足进步：它主要是利用焊接的方法使零件或工程构件的表面获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特定性能的熔敷金属层或者是为了增加或恢复零件、工程构件尺寸而进行的焊接过程。堆焊技术在我国起源于20世纪50年代末，初期主要用于形状尺寸修复和表面改性等；近期，堆焊技术在修复制造新部件中得到了广泛的应用，成为先进再制造技术的发展基础。其所用设备简单、易行、所用技术也较为成熟。目前，在我国工业领域得到了广泛应用。利用堆焊技术，在20号钢的基体上堆焊一层耐磨、耐蚀合金层，然后再进行加工，得到具有足够强度、既耐磨又耐蚀的甘蔗收获机割刀，将是本文研究的主要内容。2.4.1 堆焊合金的种类随着现代工业技术的发展，各种新型材料不断涌现，也出现了很多具有各种特殊性能的堆焊合金材料。而对于在不同工作条件下工作的设备或部件，只有采用合适成分和组织的堆焊合金才能有效地提高零件和工程构件的使用寿命。按照化学成分的不同，堆焊合金可分为铁基、镍基、钴基、铜基堆焊合金和碳化钨堆焊合金等五大类。1钴基堆焊合金钴基堆焊合金的主要成分为0.7%3.0%C，3%25%W，25%33%Cr，其余为Co。Co的主要作用是使合金获得韧性良好的基体组织，并具有很高的耐蚀性。其堆焊覆层金属的基体组织是奥氏体+共晶组织。含碳量比较低时，堆焊覆层则由呈树枝晶的Co-Cr-W固溶体（奥氏体）初晶和固溶体与Cr-W复合碳化物的共晶体组成19。钴基堆焊合金具有良好综合性能：很高的红硬性，良好的抗热疲劳性、抗氧化性、抗冲击性、抗磨损性和耐蚀性。其缺点是容易形成冷裂纹或结晶裂纹，因此在堆焊时必须制定相应的焊接工艺。2铜基堆焊合金铜基堆焊合金具有较低的摩擦系数和良好的耐腐蚀性，适用于金属金属间摩擦磨损零件和耐腐蚀零件的堆焊，比如轴承等；亦可在铸铁或钢的上面进行包覆层堆焊来修复旧件或制成双金属零件。主要包括纯铜、黄铜、青铜和白铜等四种类型。其中黄铜和青铜在金属金属间摩擦的工作环境下，表现出良好的耐磨性，广泛用于轴承表面的修复；另外，铝青铜和硅青铜还具有很强的耐海水腐蚀能力和抗气蚀的能力。其缺点是易受到硫化物和氨盐的腐蚀，耐磨粒磨损和耐高温蠕变能力较差，故而不宜在高温环境（工作温度超过200的环境）和具有磨料磨损的工况下工作。3碳化钨堆焊合金碳化钨堆焊合金主要由基体材料和镶嵌于基体中的碳化钨颗粒组成的。其堆焊覆层金属的平均成分为：含W量45，含C量约为1.5%2.0。按基体材料可分为铁基、铜基、钴基和镍基合金等。碳化物主要由WC和W2C组成（含C 量=3.5%4.0，含W量= 95%96%时），具有很高的熔点、硬度、耐热性和抗磨料磨损性能，以及显著的抗中度冲击性和耐腐蚀性。4. 镍基堆焊合金镍基堆焊合金具有很高的耐热性、抗氧化性、耐蚀性以及抗金属金属间摩擦磨损性能，易于熔化，有较好的工艺性能。但是价格较贵，使用成本高。按强化相的不同，镍基堆焊合金可分为Ni-Cr-B-Si系、Ni-Cr-Mo-W系、Ni-Cu系、Ni-Cr-Mo-C、Ni-Cr-W-Si和Ni-Mo-Fe系等。 1） Ni-Cr合金，其化学成分为：Cr约占20%左右， 其余为Ni。堆焊层金属组织为奥氏体，具有硬度低、韧性好、能承受冲击载荷以及优良的高温抗氧化性能等特点。2） Ni-Cu合金，其化学成分为：Cu约占 30左右，其余为Ni。其堆焊层金属硬度较低，耐腐蚀性能良好，广泛用于腐蚀工况下零件的堆焊。3） Ni-Cr-Mo-W系合金，其化学成分为：含Cr 量为17，含Mo 量为17，含W量 4.5，含C量约0.1左右，含Fe量5，其余为Ni。堆焊层金属组织主要是奥氏体+金属间化合物。由于多种合金元素的加入，使得堆焊层合金的热强性和耐腐蚀性明显提高，裂纹倾向小，但硬度偏低，耐磨性不是很好，主要用于高温及腐蚀工况下零件的堆焊。4）Ni-Cr-B-Si系合金，其化学成分为：含Cr量 8%18%，含B量 2%5%，含Si量 2%5%，含C量约 1.0%，其余为Ni。堆焊层金属具有良好的红硬性、抗氧化性、耐腐蚀性和耐磨性。5.铁基堆焊合金铁基堆焊合金可分为合金钢类堆焊合金和合金铸铁类堆焊合金两大类。其堆焊覆层金属组织随合金元素含量及堆焊工艺的不同，可能是珠光体、马氏体、奥氏体或莱氏体。其种类繁多、价格低廉、可行性好，因此在现实生产中得到广泛应用。1）低碳低合金钢堆焊合金这类堆焊合金，其含碳量约0.3%以下，合金元素总量小于5%。合金元素主要有Mn、Cr、Mo、Si等，在一般的堆焊条件下，其组织以珠光体组织为主，属于珠光体钢，硬度较低。但当合金元素含量较多或冷速较高时，其堆焊层将产生部分马氏体，使硬度有明显提高。其冲击韧性和抗裂性好，并有一定的耐磨性，常用于零件尺寸的恢复或承受高冲击载荷零件的堆焊、过渡层和打底层施焊等。2）中碳低合金钢堆焊合金这类堆焊合金，其含碳量约为0.3%0.6%，并适当加入Cr、Mo、Mn、Si等合金元素。堆焊层金属组织为马氏体+残余奥氏体，并含有少量珠光体，硬度为50HRC左右，有一定的耐磨性和抗压强度。3）高碳低合金钢堆焊合金这类堆焊合金，其含碳量为0.6%1.0%，合金元素总量约5%左右，加入较多的Mn和Cr等强化元素。堆焊层组织为高碳马氏体和残余奥氏体，硬度约60HRC。其特点是韧性低、硬度高，具有良好的抗磨料磨损能力。常用于受冲击较小的低应力磨料磨损零件的堆焊，如搅拌机、推土机铲刃等的堆焊。4）奥氏体铬镍钢堆焊合金这类堆焊合金，含碳量很低，Cr和Ni的含量较高，并加入Mo、V、Si、Mn、W、B等多种合金元素。其堆焊层组织为奥氏体，具有很强的耐蚀性、热强性和抗高温氧化性能。典型的有18-8型和25-20型奥氏体不锈钢堆焊合金，广泛应用于石油、化工、核能等部门的耐蚀、耐热设备的堆焊中。5）奥氏体高锰钢堆焊合金这类堆焊合金，其含碳约为0.7%1.2%，含Mn约为13%，堆焊层组织为不稳定的奥氏体，硬度约为200HBS。这种不稳定的奥氏体组织在受到强烈冲击后，即转变成马氏体组织，形成硬化层，从而使得堆焊合金的表面层硬度提高到450500HBS，而硬化层以下仍然是韧性很好的奥氏体组织。表现出良好的抗冲击磨损性能。如果在合金中加入1215%左右的铬，形成奥氏体铬锰钢合金，其组织为奥氏体铁素体双相组织，细化奥氏体晶粒，将使得合金的抗裂性、耐蚀性和耐热性显著提升。广泛应用于堆焊凿削式磨料磨损零件，如破碎机颚板等。Mn13、Mn13Mo2、Mn13Ni4等属此类合金。 6）高速钢堆焊合金这类堆焊合金的淬火组织为马氏体加碳化物，属于马氏体钢类型。其中碳化物以(Fe.W)6C型为主，具有硬度高，耐磨性大及很好的红硬性等特点。常用于切削刀具的堆焊。7）高铬钢堆焊合金这类堆焊合金的化学成分为：含Cr约为13%，含碳量约为0.1%2%。含碳量较低（约0.1%）时，属于半马氏体不锈钢，硬度约为4050HRC左右；含碳量稍高（约0.2%0.3%）时，属于马氏体不锈钢，堆焊层组织为马氏体+碳化物，硬度较高，约为50HRC；含碳量大于1%时，属于莱氏体钢，由于含碳量高，存在含铬的合金碳化物，因此耐磨性更高。常见的有1Cr13、2Cr13、3Cr13、Cr12等。广泛应用于有耐磨、耐蚀和耐气蚀等工况下零件的堆焊。8）铬钨、铬钼热工具钢堆焊合金这类堆焊合金，属于中碳中合金钢。加入的合金元素主要有Cr、W、Mo、V等，其中，Cr元素能提高堆焊层金属的淬透性，并形成致密氧化膜，提高合金的抗氧化性。W、Mo、V在合金中能形成稳定的碳化物，从而提高合金在高温时的强度、硬度、冲击韧性、耐磨性和抗热疲劳性；广泛应用于热加工工模具的堆焊。9）合金铸铁堆焊合金合金铸铁堆焊金属又可分为奥氏体合金铸铁、马氏体合金铸铁和高铬合金铸铁等三大类20。 奥氏体合金铸铁堆焊合金 这类堆焊合金的化学成分为：含C量约2%4% ，含Cr量为12%28% ，并且加入适当Mn、Ni、Mo、Si等合金元素，其组织为奥氏体+网状莱氏体。堆焊层金属硬度达到55HRC，具有良好的耐蚀性、抗氧化性和耐低应力磨料磨损性能，能承受中等冲击。常用于挖掘机斗齿等零件的堆焊。表2-1 奥氏体合金铸铁堆焊材料的硬度和用途 Tab 2-1 Stiffness and usage of austenitic alloy cast iron名 称牌 号堆焊金属化学成分（质量分数%）堆焊金属硬度HRC用 途CCrSiMnNiMoV奥氏体合金铸铁堆焊药芯焊丝GRIDURF-433.016-1.50.34555挖掘机斗齿、粉碎机辊等的堆焊奥氏体合金铸铁堆焊焊条或药芯焊丝-3.0121.52.5-1.5-3.216-6.08.0-4.016-2.08.0-注：堆焊合金化学成分余量为Fe 。 马氏体合金铸铁堆焊合金 这类堆焊合金，含C量约2%5% ，并适当加入Cr、W、Ni、B等合金元素，但合金元素总的质量分数不超过20% ，其组织为马氏体+残余奥氏体+莱氏体合金碳化物，属于亚共晶合金铸铁。堆焊层金属的硬度达5566HRC，具有很高的抗磨料磨损能力和较好的耐蚀性、耐热性及抗氧化性。广泛应用于农机、矿山设备等零件的堆焊。 高铬合金铸铁堆焊合金 这类堆焊合金的化学成分为：含C量约1.5%6% ，含Cr量约15%35% ，并适当加入W、Mo、Ni、B、Si等合金元素。其堆焊层金属组织可分为奥氏体型、马氏体型（可热处理硬化型）和多元合金型等三种，这三种堆焊金属都含有大量的针状Cr7C3 ，针状Cr7C3分布在金属基体中，使堆焊层金属具有很高的耐磨性，并具有良好的耐热性、耐蚀性和抗氧化性。另外，堆焊层金属的耐磨性，还跟基体对Cr7C3的支撑作用，其中奥氏体型的较差，多元合金型的最好21。马氏体型高铬合金铸铁又称为可热处理硬化型高铬合金铸铁，其含C量约2.5% ，含Cr量约为25% ，堆焊层的基体组织为奥氏体，硬度约50HRC。经过800850的退火处理后，便可进行机加工，然后再经过9501090的淬火后（加热保温适当时间后，在空气中冷却即可达到淬火效果），其基体组织即转变为马氏体，硬度达到60HRC，大大提高堆焊层金属的耐磨性，并具有良好的耐蚀、耐热、抗氧化性。通过以上对各种堆焊合金的种类、成分和性能进行分析可知：高铬合金铸铁堆焊合金中加入了大量Cr元素（含C量约15%35%），使得基体的电极电位大大提高，耐蚀性明显增强；另外，在合金的基体中分布着大量的针状Cr7C3 ，使堆焊层金属具有很高的耐磨性、耐蚀性和抗氧化性，其综合性能优良22 23。因此，综合考虑甘蔗收获机割刀的使用性能要求，决定甘蔗收获机割刀刀片表面堆焊层采用高铬合金铸铁堆焊合金。2.4.2 堆焊层获得的方法堆焊是表面工程中一个主要技术手段，也是焊接的一个重要分支。但它跟一般的焊接又有不同，不是为了连接零件，而是采用焊接的方法在零件的表面堆焊一层或多层具有一定特殊性能的金属材料的过程。其主要目的在于修复零件的尺寸或提高零件表面的性能。在现实生产中，堆焊的方法有很多，目前常用的堆焊方法主要有如下几种：1焊条手工电弧堆焊焊条手工电弧堆焊具有如下特点：设备简单、轻便、成本低；操作灵活方便，适合于不同形状零件的堆焊；电弧温度高、能量集中，生产效率高；采用直流反接进行堆焊，熔敷效率高；适合于单件或小批量零件的生产和修复；几乎能适应所有合金成分的堆焊24。因此，在堆焊技术领域得到广泛的应用。其缺点是稀释率高，不易获得薄而均匀的堆焊层，生产率低，生产条件差。因此，在进行堆焊作业时，应尽量保持电弧的稳定性，降低稀释率，确保堆焊层化学成分的均匀性。具体做法：采用合适的焊接工艺参数、合理安排堆焊顺序、选择适当运条方式和运调角度、如果堆焊面是倾斜表面时采用下坡焊等工艺措施。2氧乙炔火焰堆焊氧乙炔火焰堆焊法是利用氧乙炔火焰的能量，将待堆焊金属表面及堆焊材料（包括合金焊丝或合金粉末）加热熔化，并冷却结晶，从而获得具有一定特殊性能的堆焊层金属的过程。除此之外，氧乙炔火焰还可以用来实现金属工件的表面喷涂和喷熔。其所需设备非常简单，操作方便灵活，火焰温度较低、功率可调，可以获得很低的稀释率，因此常用于修整量或堆焊量较小的平滑表面的堆焊。其缺点是生产率低，劳动条件差。3. 气体保护电弧堆焊气体保护电弧堆焊与气体保护电弧焊一样，可分为钨极气体保护电弧堆焊和熔化极气体保护电弧堆焊两大类。1）钨极气体保护电弧堆焊与氧乙炔火焰堆焊相似，钨极气体保护堆焊也是利用电弧的能量，将待堆焊金属表面及堆焊材料（包括合金焊丝或合金粉末）加热熔化，并冷却结晶，从而获得具有一定特殊性能的堆焊层金属的过程。堆焊时，其堆焊填充材料的送进和电弧是分别调节，利于堆焊层的尺寸和形状的控制23。另外，采用惰性气体保护，保护效果好，合金元素烧损少，可用于有色金属、不锈钢及某些特殊材料的堆焊。一般情况下，主要用于堆焊尺寸较小、形状复杂且质量要求高的构件上的堆焊。2）熔化极气体保护电弧堆焊熔化极气体保护堆焊是采用CO2、Ar或CO2Ar混合气体作为保护气的一种电弧熔化焊法，所用堆焊焊材有实心堆焊焊丝、药芯焊丝或合金粉末。其优点是熔敷效率高，应用范围广，适用于形状不规则、堆焊区域小的构件。但设备比较昂贵、携带性较差是其主要缺点。常用于有色金属及不锈钢等构件的堆焊。4埋弧堆焊埋弧自动堆焊由于电弧完全被焊剂所覆盖，没有飞溅，没有电弧辐射，减少了工人的劳动强度。电弧和熔池在焊剂下形成，加上熔渣的保护，空气中N2、H2、O2等对熔池的入侵明显减少，堆焊层化学成分均匀、成形美观。堆焊过程自动化，且电流较大，熔敷速度快，生产率高、堆焊层质量高。主要用于大面积耐蚀层、耐磨合金层的堆焊。5电渣堆焊电渣堆焊时，其电极可以用丝极或板极。如果是板极，宽度可达30mm，堆焊层宽度很大，熔敷效率高，板极电渣堆焊的熔敷效率可达150kg/h，稀释率低，熔深均匀。但是因为电渣堆焊层严重过热，堆焊后需要进行正火或退火处理。主要用于需要堆焊较厚的金属覆层以及堆焊表面形状比较简单的大中型工件，尤其是不锈钢的堆焊和镍铝合金的堆焊。 6. 等离子弧堆焊等离子弧堆焊是用等离子弧作为热源，将堆焊金属表面和堆焊材料熔化、冷却结晶以获得堆焊层金属的过程。其电弧温度高、能量集中、熔敷速度高、稀释率低。且其电弧参数和填充材料的送给是分别控制的，故堆焊熔池形状和稀释率易于控制。但是，由于堆焊时温度梯度过大，因此在堆焊时必须要采用预热等工艺措施以防止开裂的产生。等离子弧堆焊有冷丝堆焊和热丝堆焊两种方式。常用于镍基合金、铜基合金和不锈钢等材料的堆焊。由以上分析可知：手工电弧堆焊设备简单、操作灵活方便、成本低廉，位置适合性强等优点，能适应所有合金成分的堆焊26。因此，对甘蔗收获机割刀刀片表面的堆焊方式选择手工电弧堆焊法。2.5 小结（1）本章对甘蔗收获机割刀的磨损机理进行了分析和总结：甘蔗收获机割刀在作业时同时存在磨粒磨损和腐蚀磨损两种磨损形式；（2）解决甘蔗收获机割刀磨损变钝的办法是：在割刀刀片的表面上堆焊一层具有良好耐磨性和耐蚀性的堆焊合金；（3）甘蔗收获机割刀刀片堆焊层采用高铬合金铸铁堆焊合金层；（4）甘蔗收获机割刀刀片堆焊层通过手工电弧堆焊获得。第三章 高铬合金铸铁堆焊材料3.1 概述焊条手工电弧堆焊具有设备简单、操作方便灵活、适应性强且成本低廉等优点，因此广泛应用于矿山机械、交通运输、金属构件等零部件的制造和维修。根据前面的分析，采用手工电弧堆焊的方式，在甘蔗收获机的割刀上堆焊出具有良好耐磨性和耐蚀性的堆焊合金层，以满足割刀的使用性能要求。本章将根据甘蔗收获机割刀的使用性能要求，对割刀堆焊层金属成分及合金过渡方式进行分析和确定；并对高铬合金铸铁堆焊焊条进行理论分析，设计出高铬合金铸铁堆焊焊条的药皮配方，最后制定高铬合金铸铁堆焊焊条的制造工艺。3.2 甘蔗收获机割刀堆焊层的合金成分与组织分析甘蔗收获机的割刀在作业过程中，不断地与呈弱酸性的蔗汁接触，在摩擦应力及蔗汁的腐蚀作用下，导致割刀的腐蚀磨损；同时，割刀还跟泥土中夹杂着的石英砂、石头硬块等相互摩擦产生磨料磨损。也就是说，甘蔗收获机的割刀在作业过程中同时存在着凿削式磨料磨损和腐蚀磨损，大大降低了割刀的使用寿命，并影响到宿根蔗茬的质量。因此，解决问题的最好办法就是在割刀的表面堆焊一层具有良好耐磨耐蚀性的合金层。一直以来，甘蔗收获机的割刀均采用65Mn钢、高锰钢、Cr12MoV钢或45号钢经热处理和加工制成，其强度和硬度完全可以满足甘蔗收获作业的要求，但其耐磨性和耐蚀性等性能却难以满足甘蔗收获作业的要求。如果在8mm板厚的20号钢的基体上堆焊一层耐磨耐蚀合金堆焊层，不仅割刀的强度可以得到保证、割刀的基体材料（即20号钢）货源充足、价格低廉，并且还可以明显提高割刀的性能，延长割刀的使用寿命。目前国内外广泛使用的高铬合金铸铁，是一种含铬量超过12%，并含有适量钼的白口铸铁，其组织中有三种类型碳化物 (Fe、Cr)23C6、(Fe、Cr)7C3、(Fe、Cr)3C等，通常简写为M23C6、M7C3和M3C，三种碳化物的部分特性见表3127。当含碳量高而含铬量低时，容易得到M3C型碳化物；当含碳量低而含铬量高时，容易得到M23C6型碳化物；当含碳量和含铬量按适当比例搭配时，将得到M7C3型碳化物。在上述的三种碳化物中，M7C3型碳化物的硬度最高，且呈孤立的六角形杆状或片状分布在基体中，连续程度小，大大降低了对基体的破坏作用。若把基体退火成珠光体后，还可以进行机械加工。可以看出，由于Cr元素（含C量约15%35%）的加入，大大提高了基体的电极电位，从而使材料的耐蚀性明显提高；其次，其合金组织中含有大量针状Cr7C3硬化相，使得合金具有很高的耐磨性。因此，高铬白口铸铁不但具有良好的耐蚀性能，还具有较好的韧性和耐低应力磨料磨损、高应力磨料磨损等综合性能，且价格低廉，在冶金、矿山等行业中得到广泛应用。常用的高铬合金铸铁的成分见表3-228。表3-1 Fe-Cr-C 合金系中的碳化物Tab3-1 Carbides in Fe-Cr-C alloy system碳化物类型密度(g/cm3)硬度(HV)铬元素质量分数()(Fe、Cr)3C7.671000125018(Fe、Cr)7C36.921300185050(Fe、Cr)23C66.97115035由表3-2中可以看出，在常用的高铬合金铸铁中，含C量为2.0%3.2% ，而Cr的含量达到22.0%32% ；另外，还加入了较多的Mo、Ni、Cu等元素。因此，合金的淬透性很高，在空冷的条件下，即可达到淬火效果，合金的基体组织为马氏体+M7C3+残余奥氏体+二次碳化物。由于大量碳化物等硬化相的存在，使得合金的耐磨性很高，但是裂纹倾向很大。为此，表3-2 常用的高铬合金铸铁成分(%)Tab 3-2 Chemical composition of hight Cr cast iron (wt%)CCrSiMnPSMoNiCu2.03.222.032.01.22.00.100.063.02.52.0应根据焊接热循环的特点，合理设计堆焊材料的化学成分，使得耐磨碳化物和基体组织有良好的配合；并在合理设计化学成分的基础上，对铬系耐磨铸铁的热处理工艺展开研究，以获得和(Fe、Cr)7C3型碳化物良好匹配的基体组织29，保证其对碳化物的支撑作用，使高硬度碳化物的耐磨性在不同使用条件下得到充分发挥。为了减小堆焊层金属的裂纹倾向，需要适当降低堆焊层金属的含碳量，这将导致堆焊层金属硬度和耐磨性的下降。因此，在对堆焊层金属的成分设计时，适当降低含碳量，同时加入适量的硼铁，这样不仅可以降低堆焊层金属的裂纹倾向，还由于在合金中形成铬的硼化物（CrB或Cr2B），从而使堆焊层金属的硬度和耐磨性能得以保证30。根据上述分析，可以确定甘蔗收获机割刀刀片的堆焊层合金采用C-Cr-B-W-V合金系。即在以上表3-2所示常用的高铬合金铸铁的成分的基础上，适当降低含碳量，使其含量维持在2.3%左右；同时加入适量的硼铁，使含B量约0.8%，含Cr量保持在25%，含W量为0.6%左右。除此之外，以Mo、Ni元素作为调整的合金元素，其他合金元素基本不变，设计出三种堆焊层合金的化学成分，如表3-3所示。表3-3 堆焊层合金化学成分(%) Tab 3-3 Nominal composition of hardfacing layers (wt%)堆焊层合金成分CCrSiMnMoBWVNiSP成分2.3251.21.0-0.80.61.0-0.060.10成分2.3251.21.02.00.80.61.0-0.060.10成分2.3251.21.0-0.80.61.02.00.060.103.3 甘蔗收获机割刀堆焊层的合金化 1. 合金过渡的目的及方式堆焊层合金过渡是指把堆焊层中所需合金元素通过焊接材料过渡到堆焊层金属中的过程。1）合金过渡的目的堆焊层合金过渡的目的有三个方面：一是补偿堆焊过程中合金元素的损失；二是消除焊接缺陷、改善堆焊层的组织和性能；三是为了获得具有特殊性能的堆焊金属层13。 2）合金过渡的方式 常用的合金过渡方式有： 通过焊条药皮或焊剂过渡 这种方式是将堆焊时所需要的合金元素加入到焊条的药皮或焊剂中。其优点是制造容易、简单方便、成本低廉。但在堆焊时，合金元素的氧化烧损较大，过渡率偏低。 通过药芯焊丝过渡 这种过渡方式是将所需的合金粉末及药皮成分混合均匀后填满焊丝的空腔中。其优点是药芯中合金的成分配比可以随意调整，合金元素的过渡系数大、损失少，使用方便。但是焊丝的制造工艺复杂、轧制拉拔困难，设备复杂昂贵，制造成本高31。通过焊丝（芯）过渡这种过渡方式是将所需要的合金元素加入到焊丝（芯）中，再配合相应焊剂或制成相应的焊条进行堆焊。其优点是堆焊层金属成分均匀、合金损失少、稳定可靠。但是焊丝（芯）的制造工艺复杂、成本高，尤其是对铸铁等脆性材料，很难轧制拔丝。 通过合金粉末过渡 这种过渡方式是将所需要的合金按一定的粒度大小加工，并按一定的比例配制和均匀搅拌，直接加入到堆焊区或涂敷在堆焊表面，在热源的作用下，跟堆焊表面金属一起熔合、冷却结晶以获得所需的堆焊合金。其优点是不需轧制和拔丝等工序，合金的成分配比方便简洁32。但是堆焊合金层的成分的均匀性很差。 2. 合金元素的过渡系数及其影响因素 1）合金元素的过渡系数堆焊合金的过渡系数是说明在堆焊过程中合金元素利用率高低的重要参数33。其大小等于合金元素在堆焊层金属中的实际含量与原堆焊材料（包括母材和其他焊材）中合金元素的含量的比值： （3-1）式中：合金过渡系数；Cd某元素在堆焊层中的含量；Ce某元素的原始含量；Cco某元素在药皮中的含量；Cc某元素在焊芯中的含量；Kb 焊条药皮重量系数（参看3.4.2）。由上式可以看出，合金元素的过渡与合金元素在药皮中的原始含量、在焊芯中的原始含量以及药皮的重量系数等有关。可以根据堆焊层金属成分的要求，算出焊条药皮中应具有的合金含量，再经过修正，即可调整焊条药皮的配方。 2）合金过渡系数的影响因素为提高堆焊时合金元素的过渡系数，提高合金元素的利用率，必须先了解影响合金元素过渡系数的主要因素： 堆焊区域周围的氧含量在堆焊时，希望过渡到堆焊层中的合金元素大部分跟氧都有较强的亲和力，在高温下极易氧化而损失。因此为了向堆焊层金属中过渡合金元素，应尽量采用采用惰性气体的气体保护焊，以创造低氧或无氧的焊接条件。 焊条药皮或焊剂焊条的药皮或焊剂的成分决定了堆焊区气相和熔渣的氧化性、碱度和粘度，对合金元素的过渡系数有很大影响。显然，焊条药皮或焊剂熔化后所形成的熔渣的氧化性越强，则合金元素就越容易被氧化，而导致合金的过渡系数越小。根据质量作用定律：当合金元素及其氧化物在焊接熔渣中共存时，合金被氧化的程度明显降低，因此可以提高该元素的过渡系数。在其他条件相同的情况下，如果合金元素的氧化物与焊接熔渣的酸碱度性质相同时，将有利于合金元素的过渡，其过渡系数得到提高；反之则降低。比如Mn元素的氧化物MnO呈碱性，当焊接熔渣的碱度增加时，则Mn元素的过渡系数将得到提高；反之就会降低34。 药皮重量系数药皮重量系数Kb表示焊条药皮在焊条中所占的质量比例。其值等于药皮质量与焊条的总质量的比值。在药皮中合金剂含量相同的情况下，药皮质量系数Kb越大，则焊条药皮中的合金元素进入到熔池中的平均路程就越长，合金元素被氧化烧损的时间就越久，且残留在熔渣中合金元素也会增多，导致合金过渡系数变小。合金元素的物化性质在堆焊过程中，在焊接热源的作用下，合金会被熔化和氧化，当合金元素的熔点和沸点越低，就越容易蒸发而导致损失；其次，合金元素跟氧的亲和力越大，其氧化程度就越严重，会导致过渡系数的降低。在温度为1700左右时，各种合金元素跟氧的亲和力大小顺序依次为：Al、Zr、Ti、Si、V、Mn、Cr、Mo、W、Fe、Co、Ni、Cu。可以看出，当一次堆焊过程中，如果同时有几个合金元素过渡时，其中对氧亲和力大的元素将会首先被氧化，导致其他的合金元素受氧化烧损的程度减小，从而间接地提高了对氧亲和力略低的合金元素的过渡系数。比如，为了向堆焊层金属中过渡Mn元素，可以在堆焊焊条的药皮中加入适量的Ti元素或Al元素，这样，在堆焊时Ti或Al将首先被氧化烧损，从而使得Mn的氧化程度减小，过渡系数得到提高。 合金元素的含量。试验表明：随着焊条药皮或焊剂中合金元素含量的增加，其过渡系数也会增大，当合金的过渡和氧化烧损达到平衡时过渡系数趋于一个定值。 合金剂的颗粒度焊条药皮或焊剂中合金剂的颗粒度越大，其比表面积也大，则合金元素被氧化烧损的程度减小，但如果合金剂的颗粒度太大，合金剂不易被熔化，其过度系数反而会降低。由以上分析可知，将堆焊时所需要的合金元素加入到焊条药皮中的合金过渡方式，简单方便、成本低廉，且焊条制备容易。因此，确定对甘蔗收获机割刀堆焊层的合金过渡方式采用药皮过渡方式。3.4 堆焊熔渣渣系类型的选择与堆焊焊条药皮成分设计3.4.1 堆焊熔渣的渣系类型1. 堆焊熔渣在焊接过程中的作用在堆焊过程中，堆焊焊条的药皮或焊剂在焊接热源的作用下熔化形成熔渣，这些由金属氧化物、非金属氧化物及其复合物组成的物质，覆盖在熔滴金属和熔池金属上，与液态金属之间发生一系列的物理化学反应，起到了以下的作用34：1）机械保护作用堆焊熔渣在焊接过程中，覆盖在熔滴金属与熔池的金属上，使液态金属难以与空气中的氮、氧发生直接接触，从而减少堆焊金属的氮化和氧化，起到机械保护堆焊金属的作用。2）改善堆焊工艺性能堆焊熔渣中所加入一些元素或物质，在堆焊过程中可以明显改善电弧的引弧性能、电弧的稳定性、减少飞溅、减少烟尘污染等，使焊条的操作性得到改善、焊缝成形良好。3）冶金处理作用在堆焊过程中，液态熔渣中的元素或物质与液态金属之间发生以下一系列的物理化学反应：包括脱氧反应、脱硫反应、脱磷反应、除氢和合金化作用等。这些反应对堆焊层金属的化学成分和性能有直接影响，即堆焊熔渣中的成分、性质等会影响到堆焊层金属的成分，进而影响到堆焊层金属的使用性能。2. 堆焊熔渣的成分和分类由以上的分析可知，在堆焊过程中，焊条的药皮或焊剂因受热而分解熔化形成气体和熔渣，不仅对液态金属起到机械保护作用，而且还起到改善焊接工艺性和冶金处理的作用。而熔渣的成分对这些作用有很大的影响，按成分的不同，可将堆焊熔渣分为以下三大类：1）氧化物型熔渣这种类型的熔渣是由各种金属的氧化物组成，具有较强的氧化性。比如FeO-MnO-SiO2渣系、MnO-SiO2渣系等。主要用于低碳钢和低合金钢的堆焊。2）盐-氧化物型熔渣这种类型的熔渣是由一些氟化物和强金属氧化物组成，熔渣的氧化性比较弱。比如CaF2-CaO-SiO2渣系、CaF2-CaO-Al2O3渣系等。主要用于一些合金钢的堆焊。3）盐型熔渣 这种类型的熔渣是由一些金属的氯酸盐、氟酸盐以及一些不含氧的化合物组成，其氧化性很小。比如CaF2-BaCl2-NaF渣系、KCl-NaCl-Na3AlF6渣系等。主要用于一些活泼金属（Al、Ti、Mg等）或者一些含有活泼金属元素的合金钢的焊接。 其实，在堆焊过程中，实际的堆焊熔渣是一种非常复杂的体系，它由很多种化合物组成，每种化合物所起作用的大小和程度也不甚相同。为便于讨论，常将渣系中含量比较多，且所起的作用相对较大的那些成分作为主要成分来建立渣系。常见的焊接熔渣的化学成分见表3-435。 表3-4 常见焊接熔渣的化学成分 Tab 3-4 The composition of electrode焊条类型 熔 渣 化 学 成 分（%） 熔 渣 碱 度 熔渣类型SiO2TiO2Al2O3FeOMnOCaOMgONa2OK2OCaF2B1B2钛铁矿型钛型钛钙型纤维素型氧化铁型低氢型29.223.425.134.740.418.214.037.730.217.51.37.01.110.03.55.54.51.515.66.99.511.922.74.026.511.713.714.419.33.58.73.78.82.11.335.81.30.55.25.84.6 1.42.21.73.81.80.81.12.92.34.31.50.8 20.30.880.430.760.600.601.86-0.1-2.0-0.9-1.3-0.7+0.9 氧化物型 氧化物型 氧化物型 氧化物型 氧化物型 盐-氧化物型3. 堆焊渣系类型的确定由于甘蔗收获机的割刀堆焊层需要加入较多的合金元素，因此所设计的高铬合金铸铁堆焊焊条，其药皮渣系的氧化性应该相对弱些，否则将会导致合金元素的过度烧损，影响合金元素的过渡及堆焊层的性能。常用于堆焊焊条的药皮渣系有CaO-CaF2-SiO2、CaO-CaF2-TiO2、CaO-CaF2-TiO2-ZrO2、CaCO3-CaF2-石墨、CaCO3-CaF2-SiO2-稀土氧化物等。试验证明，低氢型焊条药皮所形成的熔渣为盐-氧化物型熔渣类型，其氧化性较小，所得焊缝金属中的H、O、N、S、P等杂质含量低，焊接接头性能良好，适合于合金钢的焊接和堆焊36。再结合表3-3所示，确定低氢型碱性渣系即（CaO-CaF2-SiO2-石墨渣系）作为高铬合金铸铁堆焊焊条的渣系。3.4.2 堆焊焊条药皮成分及配方设计1. 药皮原材料的作用焊条药皮都是将多种原材料经均匀搅拌，并加入适量粘结剂混合后，压涂在焊芯上。而构成焊条药皮的原材料所起的作用互不相同，大致可归纳为如下几点： 1）造渣加入到焊条药皮中的部分原材料，在焊接热循环的作用下熔化形成熔渣，覆盖着在熔化金属上，对熔池起到保护作用，并与熔池金属发生冶金处理作用。2）造气加入到焊条药皮中的有机物和碳酸盐等部分原材料，在焊接热循环的作用下，分解或反应产生气体，将焊接区和空气隔绝，从而对焊接区起到气体保护作用。3）粘结通常用水玻璃（碱性焊条常用钠水玻璃；酸性焊条常用钾钠水玻璃）作为粘结剂，将焊条药皮的原材料均匀地搅拌混合后，牢固地粘结在焊芯上，并具有一定的强度。4）成形加入到焊条药皮中的部分原材料，能增加焊条药皮的塑性、弹性和流动性，不仅可以改善焊条的压涂性能，还能使得焊条药皮滑而不裂。5）稳弧加入到焊条药皮中的部分原材料，比如钾水玻璃、大理石、碳酸钾等，含有低电离电位的元素，在焊接热循环的作用下，极易电离，使焊接电弧的稳定性得到提高。6）脱氧加入到焊条药皮中的部分原材料，比如钛铁、锰铁、硅铁、铝粉等，含有对氧亲和力比铁大的合金元素，在焊接热循环的作用下，这些对氧亲和力比铁大的合金元素率先氧化形成熔渣，从而使焊缝金属中的含氧量降低，这种原材料称为脱氧剂。7）合金化加入到焊条药皮中的部分原材料，如钼铁、硅铁和锰铁等，在焊接时对焊缝具有渗合金作用，则称为合金剂。其作用：一是补偿焊缝金属所需的合金成分；二是使焊缝获得具有特殊性能的金属；其三是消除焊接缺陷。其实，在焊条药皮的诸多原材料中，很多原材料所起的作用并不是唯一的，而是兼起多重作用。常用的焊条药皮原材料及作用如表3-5所示36。 表3-5 焊条药皮原材料及作用 Tab 3-5 Coating materials of electrode and their usages原材料 主 要 成 分 能造渣造气粘结成形稳弧脱氧合金化金红石TiO2AB钛白粉TiO2AAB钛铁矿TiO2 、FeOAB赤铁矿Fe2O3AB锰矿MnOA大理石CaCO3AAB菱苦土MgCO3AAB白云石CaCO3+ MgCO3AAB石英砂SiO2A长石SiO2, Al2O3, K2O+Na2OAB白泥SiO2 Al2O3 H2OAA云母SiO2 Al2O3 H2O , K2OAAB滑石SiO2 Al2O3 MgOAB萤石CaF2A碳酸钠Na2CO3BAB碳酸钾K2CO3BA锰铁Mn FeBAA硅铁Si FeBAA钛铁Ti FeBAB铝粉AlBA钼粉Mo FeBBA木粉ABBB水玻璃BAA2. 药皮的成分设计在设计高铬合金铸铁堆焊焊条的药皮配方时，应注意以下几点：药皮中的合金剂量较大，为保证合金元素的有效过渡，需在药皮中加入适量的石墨和脱氧剂。 为提高堆焊层金属的抗裂纹和抗气孔能力，应在药皮中加入适量的氟化物和碳酸盐等，以起到脱硫、磷和除氢的作用。 确保焊条具有良好的工艺性能。 确保药皮具有良好的压涂质量。根据所选用的低氢型碱性渣系（即CaO-CaF2-SiO2-石墨），确定焊条药皮配方主要由金属碳酸盐、硅酸盐、氟化物以及一些铁合金等物质组成，并添加适量石墨。这些组成物的作用分别为： 金属碳酸盐金属碳酸盐的主要作用是在焊接热循环的作用下，发生分解，产生CO2气体，保护熔池、隔离空气，稳定电弧，减少飞溅、减少熔敷金属中的S、P含量。常用的金属碳酸盐有碳酸钡、菱苦土、大理石等。 金属硅酸盐金属硅酸盐的主要作用是调整熔滴的粘度、改善熔滴的过渡形态、减少飞溅、改善工艺性能，并使焊条药皮在压涂时具有良好的塑性和弹性。常用的金属硅酸盐有石英砂、长石、云母、滑石等。 氟化物氟化物多用于以碳酸盐为主的碱性焊条中，其主要作用是除氢、造渣和降低熔点、稀释熔渣、提高熔渣流动性。但随着氟含量的提高，电弧的稳定性将会受到影响15。因此，在含氟化物的焊条焊接时，常采用直流电源才能保证期电弧的稳定燃烧。常用的氟化物有萤石等。 铁合金常用的铁合金有锰铁、硅铁和钛铁等。这些铁合金中含有对氧亲和力比铁大的合金元素Mn、Si、Ti等，它们都是活泼金属，可作为脱氧剂，降低焊接金属中的含氧量，改善焊接金属的机械性能。 石墨石墨的主要作用较多，可归纳为几点：一是作为润滑剂，改善药皮的压涂性能；一是在焊接热循环的作用下氧化生成CO2气体，起到气体保护作用；三是石墨在高温作用下先期脱氧，防止合金元素烧损等。根据以上分析，综合考虑各种原材料的经济性和使用效果，确定高铬合金铸铁堆焊焊条药皮的主要原材料组成：金属碳酸盐的原材料选择大理石；金属硅酸盐的原材料选择石英砂；氟化物的原材料选择萤石；铁合金的原材料选择钛铁；除此之外，还应加入适量的石墨。 3. 堆焊焊条药皮配方设计 1）高铬合金铸铁堆焊焊条药皮重量系数的确定焊条药皮重量系数是指药皮在焊条中所占重量的比例： （3-2）式中焊条药皮重量系数（）；药皮质量；焊芯质量（有药皮包裹的部分）。通常情况下，一般结构钢焊条的药皮重量系数0.300.40，堆焊焊条的药皮重量系数 Kb=0.400.609。考虑到本课题所研究的堆焊焊条需要通过药皮过渡较多的合金元素，因此确定高铬合金铸铁堆焊焊条药皮重量系数取0.5。2）各种合金元素的过渡系数在手工电弧堆焊条件下，低氢型药皮中合金元素的过渡系数如表36所示36：表3-6 合金元素的过渡系数Tab 3-6 The transition coefficient of alloying elementsCCrMnWVMoNiB0.320.650.860.900.400.500.840.910.780.880.830.940.900.150.45 3）药皮配方设计与优化目前，对焊条药皮配方的设计方法很多，常用的有单因素优选法、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等。而实际的焊接生产过程很复杂，影响因素很多，采用一般的数学模型进行焊条药皮配比的设计不是很合理。因此，目前国内对焊条药皮配方的设计主要以设计者的经验为主，计算为辅。表3-7 焊条药皮原材料的成分（wt%）Tab.3-7 The metallic composition of electrode(wt%)名称牌号主要化学成分（）高碳铬铁Cr4Cr75,C4.15.0,Si2.5,S0.04,P80,C0.10,S0.05,P0.03,Mn0.25,Cu0.10,Si40,C0.75,Si2.0,P0.10,S0.06,Al78,C1.0,Si1.5,S0.03,P97电解镍粉FND3Ni+Co99.5,C0.05,Co0.1钼粉FMo1P0.001,Si0.003,Fe95,S0.03,P96,SiO23,S0.02,P97,Fe2O30.5, S0.04,P98,NaCl1.2本课题通过对前辈们经验的借鉴，参照并对应于堆焊层金属的设计成分（表3-3）、焊接熔渣的化学成分（表3-4）以及焊条药皮原材料的作用（表3-5）和成分（如表3-7所示6），利用焊条药皮重量系数、合金元素的过渡系数等进行计算，设计出三种焊条药皮的初级配方，如表3-8所示。表3-8 高铬合金铸铁堆焊焊条药皮配方设计 Tab 3-8 Mixture of hardfacing electrode coating配 方名 称高铬钨铁中锰钒铁碳化硼鳞状石墨大理石萤石木粉纯碱钼铁镍粉 配方805463131001000 配方85447314941170 配方833483158311063.4 高铬合金铸铁堆焊焊条的制备 1.焊芯的准备 本试验采用的焊芯材料为H08A，经过拉拔、切断、清理和校直检验等工序后，制备出2.5的焊条焊芯。2.药皮原材料的制粉 按照焊条制造的要求，将原材料经过洗选、烘干、破碎、球磨、筛分等工序后，制成符合涂抹要求的原材料粉末。 3.铁合金的钝化 采用焙烧的方式，将铬铁、钨铁、锰铁、钒铁等合金颗粒进行表面钝化，以防这些合金元素在搅拌混合过程中跟水玻璃中的碱溶液反应，导致药皮在涂敷后表面起泡，影响焊条质量。 4.涂料的制备 将各种制备好的原材料粉末，按照所设计的三种不同的配方分别混合，经搅拌机搅拌均匀，再加入相对密度为1.381.58、模数为3.0、波美度约为46度的钠水玻璃进行湿搅拌至均匀，并制成粉团备用10。5.药皮压涂本试验采用的药皮压涂设备为TL25型油压式焊条药皮压涂机，压涂压力选择4.5MPa。将以上已经制备好的药皮原料粉团加入焊条压涂机内，完成压涂作业。6.药皮烘干刚压制出来的焊条，其药皮中水分较多，使得药皮的强度低、易粘连和变形等。因此应及时对焊条进行烘干（注意不同配方的堆焊焊条应分开烘干或做好标识）。本试验采用ZYH-60型自动控温焊条专用电阻热辐射烘干箱对堆焊焊条进行分阶段烘干：第一阶段的烘干温度设为100，保温1小时；第二阶段的烘干温度250，保温2小时。烘干后，将三种不同配方的堆焊焊条分别放入焊条筒中存放，以备调试试验时使用。3.5 高铬合金铸铁堆焊焊条的工艺性能研究焊条的工艺性能是指焊条操作时的性能，它包括焊接电弧的引弧性能、稳定性、脱渣性、飞溅、焊缝成形、各种位置焊接的适应性、焊条药皮发红程度及焊条的发尘量等16 17。本试验参照电焊条焊接工艺性能评定方法(JB/T8426-96)，通过试验对高铬合金铸铁堆焊焊条的工艺性能进行测定、分析和调配，最后优化出最佳焊条药皮配方。3.5.1 试验设备及材料ZX7-400型直流弧焊机及其附件；300mm100mm6mm堆焊试板（20号钢）若干；2.5mm300mm高铬合金铸铁堆焊焊条若干（三种不同配方的堆焊焊条各若干）。3.5.2 试验结果及分析采用三种不同的工艺参数，对与甘蔗收获机的割刀材料及厚度相同的试板进行堆焊试验。试验的工艺参数如表3-9所示。表3-9 堆焊试验的工艺参数Tab 3-9 Welding process parameters试验序号焊接电流（A）电弧电压（V）17020290213120221. 焊条的再引弧性按照设定的试验工艺参数进行堆焊试焊，期间不断完成断弧及再引弧过程，且每次的断弧时间依次递增，观察其再引弧情况如表3-10所示。表3-10 焊条再引弧性能测试情况表 Tab 3-10 Testing results of arc reignite interval of electrodes药皮配方焊接电流（A）再引弧间隔时间（s）12357911最大配方7059071207配方7059071209配方7059051207备注：表中代表可再引弧，代表不可再引弧。由表中可知，三种药皮配方的焊条中，药皮配方的堆焊焊条的再引弧性能最好，且焊接电流对再引弧性能也有影响，即焊接电流越大，则再引弧可间隔的时间就越长。 2. 焊接电弧的稳定性焊接电弧稳定性的好坏由焊条焊接时其断弧长度的大小来描述。按照设定的试验工艺参数进行堆焊试焊，在试焊过程中，保持焊钳的位置不变，让焊条一直熔化，直到弧长过长电弧熄灭为止，此时从焊芯端头至焊缝的距离，即为断弧长度31。测量结果如表3-11所示。 表3-11 焊条电弧稳定性测试情况表 Tab 3-11 Testing results of arc stability of electrodes药皮配方焊接电流（A）断弧长度（mm）平均断弧长度（mm）配方7012.5 13 12.1 12.5390 13 14 13 13.33120 14 14 15 14.33配方7013.5 13 12 12.8 90 14 15 13 14 120 15 14 16 15配方7012 11.8 12.2 12 90 13 13.6 13.2 13.27 120 13.8 14 14.2 14由表中可知：三种药皮配方的高铬合金铸铁堆焊焊条的断弧长度的平均值都比较大，说明焊条的稳定性还不错，且随着电流的加大，其稳定性也增加。其中，药皮配方的堆焊焊条的电弧稳定性相对更好一些。 3. 脱渣性 经过试验发现：三种不同药皮配方的高铬合金铸铁堆焊焊条产生的熔渣都较少，且脱渣性均良好。4. 飞溅在焊接电流分别为70A、90A和120A条件下，用直径为=2.5mm的三种不同药皮配方的堆焊焊条在20号钢上进行施焊，观察其焊接飞溅情况，如表3-12所示。 表3-12 焊条飞溅情况表Tab 3-12 Marking standars of splashing药皮配方焊接电流（A）不飞溅较少飞溅较多飞溅大量飞溅剧烈飞溅配方70 90 120 配方70 90 120 配方70 90 120 备注：表中表示出现，表示没有出现。由表中可知：三种不同药皮配方的高铬合金铸铁堆焊焊条堆焊时，相对于普通焊条，高铬合金铸铁堆焊焊条堆焊时所产生的飞溅略大些。其中，药皮配方和药皮配方所制备的焊条，其焊接飞溅相对大些，且随着焊接电流的增加，其飞溅程度也会相应增大。究其原因：一是焊条药皮中的石墨被氧化产生较多的CO和CO2气体，从而导致其飞溅程度增大；其次是药皮中萤石、大理石等原材料的匹配不当引起。5. 焊缝成形 图3-1 配方焊条堆焊焊缝成形图Fig 3-1 Microstructure of Formulahardfacing layer 图3-2 配方堆焊焊条堆焊焊缝成形图Fig 3-2 Microstructure of Formulahardfacing layer 图3-3 配方堆焊焊条堆焊焊缝成形图Fig 3-3 Microstructure of Formula hardfacing layer三种不同药皮配方的高铬合金铸铁堆焊焊条的堆焊焊缝成形情况分别如图3-1、图3-2和图3-3所示，由图中可以看出：如果不考虑焊接操作技术方面的因素，三种焊条堆焊焊缝成形较好。6. 药皮发红程度表3-13 焊条药皮发红情况表Tab 3-13 Rubefaction of electrode coating药皮配方焊接电流（A）不红稍红很红配方7090120配方7090120配方7090120在采用高铬合金铸铁堆焊焊条进行连续堆焊试验时，其焊条药皮发红情况如表3-13所示。备注：表中表示出现，表示没有出现。由表中可知：三种不同药皮配方的高铬合金铸铁堆焊焊条均采用H08A焊芯，其焊芯电阻较小，且药皮中加入了较多的铁合金和石墨，导电性较好，因此焊接电流较小时（即7090A左右），三种焊条的药皮都没有出现发红现象；在焊接电流较大时，焊条药皮有点发红现象，但并不明显。综上所述，从焊条的再引弧性能、电弧稳定性、脱渣性以及焊缝成形等工艺性能方面来看，所制备的三种不同药皮配方的高铬合金铸铁堆焊焊条在试验时，除了焊条飞溅方面比普通焊条略差些外，其余的焊接工艺性能良好，尤其是配方所制备的焊条，表现出比较好的焊接工艺性能。3.6 小结本章针对甘蔗收获机的割刀的作业环境及性能要求，研究在割刀的表面堆焊一层耐磨耐蚀金属的可行性，确定了割刀的表面堆焊层金属为高铬合金铸铁堆焊层，并完成了以下研究工作：（1）对高铬合金铸铁堆焊焊条的可行性进行了探讨。（2）确定C-Cr-B-W-V合金系统为甘蔗收获机割刀表面堆焊层金属的成分系列。（3）确定低氢型碱性渣系（CaO-CaF2-SiO2-石墨）为高铬合金铸铁堆焊焊条药皮渣系。（4）根据堆焊层金属的成分系列，确定了高铬合金铸铁堆焊焊条的三种药皮配方。（5）按照焊条生产的常规工艺，完成高铬合金铸铁堆焊焊条的制备。（6）对三种不同药皮配方所制备的高铬合金铸铁堆焊焊条的焊接工艺性能进行了分析，结果发现：除了焊接飞溅比普通焊条略大些外，其他的焊接工艺性能良好。第四章 双金属耐磨割刀表面堆焊层组织性能4.1 概述根据前面的配方设计，制备出三种不同药皮配方的高铬合金铸铁堆焊焊条，并分别在厚度均为8mm的20号钢板上进行堆焊，得到三种不同的堆焊层金属。利用直读光谱仪、X射线衍射仪、金相显微镜及摩擦磨损试验等方法，分析堆焊层金属的化学成分、和组织性能，优化最佳配方，探讨堆焊层金属组织性能的影响因素。4.2 试验4.2.1 试验设备及材料ZX7-400型直流弧焊机一台；F20型直读光谱仪一台；D/MAX-1200型X射线衍射仪（XRD）一台；电火花线切割设备一台；GX71型金相显微镜一台；150型洛氏硬度计一个；MMW-2型摩擦磨损试验机一台；远红外干燥设备一架；堆焊试板（试板尺寸300mm100mm8mm，材质为20号钢）若干。4.2.2 堆焊层的化学成分用三种药皮配方所制备的堆焊焊条分别在20号钢的试板上进行堆焊，堆焊电流为90A，堆焊电压为21V，得到三块堆焊试板。然后用F20型直读光谱仪对每块试板进行分析，其结果如表4-1所示。表4-1 堆焊层化学成分（wt%）Tab. 4-1 Chemical composition of hardfacing layers （wt%）堆焊层CCrSiMnMoBWVNiSP堆焊层2.3522.410.470.620.160.741.420.870.010.030.05堆焊层2.3024.250.560.611.320.751.551.050.020.020.03堆焊层2.4324.720.440.650.370.721.340.891.920.030.034.2.3 堆焊层的物相组成采用D/MAX-1200型X射线衍射仪（XRD）对三种药皮配方的高铬合金铸铁堆焊焊条的堆焊层进行分析，扫描范围2585，步长0.02，得出XRD分析图谱如图4-1、图4-2、图4-3所示。图4-1配方堆焊层XRD分析图谱 Fig4-1 XRD patterns of formuladifferent harfacing layers图4-2配方堆焊层XRD分析图谱 Fig4-2 XRD patterns of formuladifferent harfacing layers图4-1配方堆焊层XRD分析图谱 Fig4-1 XRD patterns of formuladifferent harfacing layers图4-2配方堆焊层XRD分析图谱 Fig4-2 XRD patterns of formuladifferent harfacing layers图4-3配方堆焊层XRD分析图谱 Fig4-3 XRD patterns of formuladifferent harfacing layers通过Jade5.0软件将各配方堆焊层的XRD图谱进行分析处理和对照，可以得出：配方和配方堆焊层基体物相为具有体心立方结构的C0.13Fe1.87相；配方堆焊层基体物相为具有体心立方结构的C0.08Fe1.92相，三种配方的高铬合金铸铁堆焊焊条的堆焊层都获得了很多具有六方结构的碳化物Cr7C3。4.2.4 堆焊层组织特征及分析1.堆焊层组织特征(b)-FeCr7C310m50m(a)(a) 堆焊层组织形貌； (b) 局部放大图图4-4 配方堆焊层组织Fig 4-4 Microstructure of Formulahardfacing layer采用电火花线切割设备对高铬合金铸铁堆焊焊条的堆焊层切取试样，经水砂纸粗磨后，再以金刚石研磨膏抛光，用4%硝酸酒精浸蚀19。然后利用OLYMPUS公司生产的GX71型金相显微镜对堆焊层组织进行观察，得出各种配方的高铬合金铸铁堆焊层组织形态如图4-4、图4-5、图4-6所示。(a)50m10m(b)Cr7C3-Fe(a) 堆焊层组织形貌； (b) 局部放大图图4-5 配方堆焊层组织Fig 4-5 Microstructure of Formulahardfacing layer(a)50m10m-FeCr7C3(b)(a)堆焊层合金组织形貌； (b) 局部放大图图4-6 配方堆焊层组织 Fig 4-6 Microstructure of Formulahardfacing layer从图中可以看出：配方堆焊层组织是由-Fe枝晶和枝晶间共晶组织组成；而配方堆焊层合金中-Fe枝晶比配方堆焊层组织中的-Fe枝晶细小，且针状Cr7C3的尺寸变小，分布较为弥散，共晶碳化物数量变得更多；在配方堆焊层合金中-Fe枝晶数量明显减少，共晶碳化物数量明显增多。 2.堆焊层组织分析由以上的堆焊层组织图中可知：三种配方的高铬合金铸铁焊条在堆焊工艺相同的条件下，对20号钢试板进行表面堆焊，其堆焊合金层的组织中都得到不同程度和大小的共晶碳化物（Cr7C3相）及-Fe枝晶。配方堆焊层合金是由-Fe枝晶和枝晶间共晶组织组成，由于Mo元素含量较低，仅为0.16%，所以共晶碳化物Cr7C3相比较粗大，分布具有一定的连续性；配方堆焊层合金中Mo元素的含量达到1.32，而Mo是典型的碳化物形成元素，其中有大部分的Mo元素会跟C反应形成Mo2C，从而合金中的C减少，导致针状Cr7C3的尺寸减小，分布不连续性；配方堆焊层合金中的含碳量达到2.43%，含Cr量24.72%，含Mo量仅为0.37%，相对于前面的两种配方的堆焊层合金（即配方和配方的堆焊层合金）而言：其含碳量和含Cr量都较高，使得-Fe枝晶数量明显减少，共晶碳化物的数量明显增多。另外，对三种配方的堆焊层合金而言，其堆焊合金的含碳量都不高（均小于2.5%）,所以得到的共晶碳化物Cr7C3都比较细小；同时，这三种配方的堆焊层合金中都含有强碳化物形成元素（如W的含量为1.40%左右， V的含量约为0.90%，B的含量0.73%左右等），降低了-Fe的稳定性，三种堆焊合金都没有出现马氏体转变，形成以-Fe为主相的凝固组织。4.2.5 堆焊层硬度采用150型洛氏硬度计对三种配方的高铬合金铸铁堆焊焊条的堆焊层进行硬度测定，测试结果列入表4-2所示。表4-2 堆焊层洛氏硬度Tab 4-2 HRC hardness of hardfacing layers试验序号配方堆焊层配方堆焊层配方堆焊层硬度（HRC）硬度（HRC）硬度（HRC）154585725256593565759452556155554566535958平均硬度（HRC）53.756.558.3从测定结果可以看出：配方堆焊层合金的平均硬度为53.7HRC；配方堆焊层合金硬度达到了56.5HRC；配方堆焊层合金硬度则为58.3HRC。究其原因：配方堆焊层合金的Mo含量较低，为0.16，使得基体的固溶强化程度较低，所以硬度不是很高；配方堆焊层合金则含有比较多的Mo元素，含量为1.32，Mo元素是碳化物形成元素，很容易形成Mo2C，同时还具有固溶强化作用，因此，相对于配方堆焊层合金，其硬度有一定提高；配方堆焊层合金中含有较多的C和Cr，含碳量达到2.42%，含Cr量24.72%，并加入了比较多的镍（含Ni量达1.92），而Ni属于非碳化物形成元素，它固溶于-Fe中。因此，在共晶反应时将得到更多的共晶碳化物硬化相。所以，在所讨论的三种高铬合金铸铁堆焊焊条堆焊层中，配方堆焊层合金的共晶碳化物的量最多，其硬度也是最高；其次是配方堆焊层合金，配方堆焊层合金的硬度最低。4.2.6 堆焊层金属摩擦磨损性能试验及分析1.堆焊层金属摩擦磨损性能测试试样及参数将三种配方的高铬合金铸铁堆焊焊条所获得的堆焊层金属试板以及同尺寸的45号钢分别通过电火花线切割设备加工成环盘式摩擦磨损试样，其中，45号钢试样（需经淬火使硬度达到4550HRC）是三种配方的高铬合金铸铁堆焊焊条所获得的堆焊层金属试样的对磨试样，如图4-5所示19 37。图4-7 摩擦磨损性能测试试样Fig 4-7 Property testing sample of frictional wear 利用MMW-2型摩擦磨损试验机，将堆焊层金属摩擦磨损试样按要求固定在试验机上，随后加载并旋转试样对磨，摩擦磨损的试验参数如表4-3所示。表4-3 摩擦磨损实验参数表Tab 4-3 Testing parameters of frictional wear实 验序 号实验参数载 荷（P / N）滑动速度（v / r/min）磨损时间（t / min）1251502025015020310015020450500205100500206200500202. 堆焊层合金的摩擦系数在堆焊层金属摩擦磨损性能测试试验中，摩擦副之间的摩擦系数由试验机自动输出，不同的滑动速度和载荷条件下的摩擦系数如图4-8、图4-9所示。图4-8 堆焊层摩擦系数与载荷的关系（滑动速度150r/min） Fig 4-8 Effects of the load on friction coefficient of hardfacing layer图4-9 堆焊层摩擦系数与载荷的关系（滑动速度500r/min） Fig 4-9 Effects of the load on friction coefficient of hardfacing layer从图中可知，三种配方的高铬合金铸铁堆焊焊条的堆焊层合金的摩擦系数随着载荷的增大而减小，呈现非线性的反比关系。3堆焊层合金的磨损率图4-10堆焊层磨损率随载荷的变化（滑动速度150r/min） Fig 4-10 Effects of the load with high velocity on wear rate of hardfacing layer在摩擦磨损的对磨试验中，每次对磨前和对磨后，均将试样用酒精仔细清洗，经远红外干燥设备进行干燥之后再用电子天枰称量试样的质量（要求精度为10-4g），通过称量每次摩擦磨损实验前后试样质量变化以获得堆焊层的磨损率38。不同的滑动速度下堆焊层合金磨损率随载荷变化如图4-10、图4-11所示。图4-11堆焊层磨损率随载荷的变化（滑动速度500r/min） Fig 4-11 Effects of the load with high velocity on wear rate of hardfacing layer从图中可知，堆焊层合金的磨损率随加载载荷增大而增大，且三种配方的高铬合金铸铁堆焊焊条的堆焊层磨损的变化率差别不是很大。 4.堆焊层金属摩擦磨损性能测试分析从试验结果中可知：当试验加载的载荷较小时（小于50N），堆焊层金属的摩擦系数随着载荷的增加而明显减小；当载荷较大时（大于50N），随着载荷的增加，堆焊层金属的摩擦系数下降幅度明显减小，曲线变得平缓；堆焊层合金的磨损率是随加载载荷的增加而增加，且摩擦滑动速度越大，其磨损率就越大。究其原因：是高铬合金铸铁堆焊层经摩擦之后，由于摩擦起热、温度升高、硬度有所下降，堆焊层中较软的-Fe基体出现磨损和变形，其接触面积迅速增加，导致摩擦力下降明显。但是随着载荷的继续加大，由于堆焊层金属中大量碳化物的缘故，使塑性变形越来越困难，接触面积增加的幅度也越来越小，摩擦系数减小率变缓。在堆焊层金属摩擦磨损过程中，由于堆焊层合金中比较软的-Fe基体发生塑性变形和磨损，从而使得硬度很大的碳化物外露甚至脱落而在摩擦副之间形成磨粒，引起磨粒磨损。随着加载载荷的增加，这种现象就越明显，即堆焊层金属的磨损率随载荷的增加而增加，且摩擦滑动速度越大，其磨损率就越大。在测试的三种配方高铬合金铸铁堆焊焊条的堆焊层合金中，配方和配方堆焊层合金的硬度相对于配方堆焊层合金的硬度要略低，但是其磨损率相对较小些，而配方堆焊层合金的硬度最高、但磨损率却最大，耐摩擦磨损性能最差。这是因为配方堆焊层合金的一次Cr7C3较多且较粗，分布相对较为连续，配方堆焊合金中含有较多碳化物形成元素Mo元素，产生Mo2C而减少了Cr7C3的形成，导致Cr7C3尺寸的减小和分布连续性的降低，但合金碳化物的总体数量有了增加，且部分Mo元素溶入基体形成固溶强化，使基体强度得到提高。两者的碳化物形态和分布虽有不同，基体强度却相近，故堆焊层合金的磨损率接近。而配比的堆焊合金含有非碳化物形成元素Ni，Ni元素降低了Cr在固溶体中的溶解度，使得Cr全部以Cr7C3形式析出，降低了基体中含碳量，使得基体的强度下降，在摩擦磨损过程中，较软的基体更易于变形和磨损，使碳化物被外露、挤压和脱落，形成磨粒磨损，导致耐摩擦磨损性能降低。通过以上的分析可知：配方堆焊层合金的硬度最低、磨损率较小；配方堆焊层合金的硬度最高、但磨损率却最大；配方堆焊层合金的硬度不错，介于以上两者之间，而磨损率与配方堆焊层合金接近，都比配方堆焊层合金的磨损率小。综合考虑到堆焊层金属性能的特殊要求，确定由药皮配方制备的高铬合金铸铁堆焊焊条作为甘蔗收获机割刀的堆焊焊条。其药皮配比和堆焊层成分分别如表4-4、表4-5所示。表4-4 高铬合金铸铁堆焊焊条的确定药皮配方Fig 4-4 Mixture of hardfacing electrode coating配 方名 称高铬钨铁中锰钒铁碳化硼鳞状石墨大理石萤石木粉纯碱钼铁镍粉配方85447314941170 表4-5 高铬合金铸铁堆焊焊条的确定堆焊层化学成分（wt%）Tab 4-5 Chemical composition of hardfacing layers （wt%）堆焊层CCrSiMnMoBWVNiSP堆焊层2.3024.250.560.611.320.751.551.050.020.020.034.3 小结本章主要对高铬合金铸铁堆焊焊条堆焊层金属的成分、组织及性能进行了测试和分析： （1）用F20型直读光谱仪对三种配方的高铬合金铸铁堆焊焊条堆焊层金属的成分进行了分析；（2）采用D/MAX-1200型X射线衍射仪（XRD）对三种配方的高铬合金铸铁堆焊焊条的堆焊层进行分析，并用GX71型金相显微镜对堆焊层组织进行观察，得出各种配方的高铬合金铸铁堆焊层组织形态：三种配方的高铬铸铁堆焊层都具有典型的亚共晶高铬合金铸铁组织特征；（3）采用150型洛氏硬度计对三种配方的高铬合金铸铁堆焊焊条的堆焊层进行硬度测定：三种配方的高铬铸铁堆焊层的硬度都比较高，达到5358HRC，其中配方的堆焊层合金硬度较低，而配方的堆焊层合金的硬度最高；（4）对三种配方的高铬合金铸铁堆焊焊条的堆焊层的摩擦系数及磨损率进行了测定和分析：当试验加载的载荷较小时（小于50N），堆焊层金属的摩擦系数随着载荷的增加而明显减小；当载荷较大时（大于50N），随着载荷的增加，堆焊层金属的摩擦系数下降幅度明显减小，曲线变得平缓；堆焊层合金的磨损率是随加载载荷的增加而增加，且摩擦滑动速度越大，其磨损率就越大；（5）确定配方的高铬合金铸铁堆焊焊条作为甘蔗收获机割刀的堆焊焊条。第五章 双金属耐磨割刀的制备5.1 双金属耐磨割刀的堆焊工艺5.1.1 双金属耐磨割刀基体材料的焊接性分析甘蔗收获机割刀的基体材料为20号钢，属于低碳钢。含碳量为0.170.23%， Si含量为0.170.37% ， Mn含量为0.350.65% ， Cr含量0.25% ，Ni含量0.30% ， Cu含量0.25% ，抗拉强度b410MPa。 1.冷裂纹倾向冷裂纹形成的三要素：淬硬组织、氢和拘束度。 淬硬组织碳钢的淬硬倾向可以用材料的碳当量CE来衡量6，如式5-1所示： （5-1）对焊接材料而言，当材料的碳当量CE0.4%时，说明该材料的焊接性很好；当0.4%CE0.6%时，说明材料的焊接性开始变差；当CE0.6%时，则说明材料的焊接性较差，冷裂纹倾向较大。对20号钢而言，其含碳量为0.170.23%，Mn元素和Si元素的含量都比较低，所以经过折算后所得到的碳当量CE0.4%，其淬硬倾向小，焊接性良好。 氢 焊接时，氢的主要来源是焊接材料及焊接区的水分。因此选用一些低氢焊接材料并焊前烘干、清理焊接区的铁锈、氧化膜、对焊接区保护等措施，可以降低焊缝这的含氢量，减少冷裂纹倾向。本文所选择的高铬合金铸铁堆焊焊条属于低氢型药皮，只要焊前选择合理的烘干温度和烘干时间，焊接时对焊接区作好保护，就可以最大限度地降低堆焊层的含氢量。 拘束度 焊接拘束度主要跟所焊材料的结构、厚度等有关，焊接结构形状越复杂、厚度越厚，则焊接拘束度越大。甘蔗收获机割刀的基体材料厚度为8mm，形状简单，拘束度很小。 综上所述，甘蔗收获机割刀的基体材料在堆焊时，焊接性良好，冷裂纹倾向很小。 2.热裂纹倾向 对金属材料的焊接热裂纹，主要与材料中的成分，尤其是S和P等杂质有关。目前广泛应用的20号钢是一种优质钢，钢中的含碳量低，塑性和韧性好，且其含S量和含P量都是严格控制的31，因此，20号钢的焊接热裂纹倾向很小，具有较高的抗热裂纹能力。 总之，对于20号钢，其含碳量低、合金元素含量也低，具有良好的塑性、韧性和焊接性，裂纹倾向很小，可以获得理想的焊接接头。5.1.2 双金属耐磨割刀的堆焊工艺1. 双金属耐磨割刀堆焊层与母材的熔合将高铬合金铸铁堆焊焊条在20号钢的表面上进行堆焊（设堆焊电流为90A），得到其堆焊层熔敷金属与20号钢母材熔合界面图，如图5-1所示。100m图5-1 堆焊层熔敷金属与母材熔合界面图Fig 5-1 Fusion interface of deposited metal and base metal in hardfacing layers从图中可以看出：堆焊层熔敷金属和20号钢母材之间的熔合性良好。2.双金属耐磨割刀堆焊层的裂纹敏感性与堆焊工艺参数的关系 用含碳量很高的高铬合金铸铁堆焊焊条在含碳量很低的20号钢上进行堆焊，所得到的堆焊层金属的含碳量也会比较高，而且合金元素的含量及种类都比较多，堆焊层金属的裂纹敏感性增大。为了降低堆焊层金属的裂纹敏感性，需要制定合适的堆焊工艺。表5-1 堆焊层金属裂纹敏感性测试Tab 5-1 The sensitivity of crack of hardfacing layers堆焊电流（A）预热温度（）层间温度（）裂纹情况7000有700100有 700200无表5-2 堆焊层金属裂纹敏感性测试Tab 5-2 The sensitivity of crack of hardfacing layers堆焊电流（A）预热温度（）层间温度（）裂纹情况9000有900100有 900200无在没有预热的条件下，采用不同的层间温度及不同的堆焊电流（分别为70A、90A、120A）对20号钢试板进行堆焊，待试板完全冷却后，观察堆焊层金属是否有裂纹。结果如表5-1、表5-2、表5-3所示。表5-3 堆焊层金属裂纹敏感性测试Tab 5 -3 The sensitivity of crack of hardfacing layers堆焊电流（A）预热温度（）层间温度（）裂纹情况12000有1200100有 1200200无由表中可以看出：配方的高铬合金铸铁堆焊焊条采用不同的电流在20号钢上进行堆焊，在无预热且层间温度为0或100时，待冷却后均出现不同程度的裂纹；而当层间温度达到200以上时，焊完冷却后，堆焊层并不出现裂纹。3. 双金属耐磨割刀堆焊层金属的硬度与焊接电流的关系以配方的高铬合金铸铁堆焊焊条在无预热且堆焊层层间温度为200的条件下采用不同的焊接电流对20号钢试板进行堆焊，冷却后，用150型洛氏硬度计对堆焊层硬度进行测量，结果如表5-4所示。表5-4 焊接电流对硬度的影响（焊接速度：100mm/min）Tab 5-4 Determination of welding current（welding speed: 100mm/min）焊接电流（A）7090120堆焊层硬度（HRC）48653.551.4由表中可以看出：堆焊电流分别为70A和120A时，所得的堆焊层金属的硬度都比较低；在堆焊电流为90A时，堆焊层金属的硬度最高。分析其原因：当焊接电流比较小时（比如电流为70A时），由于电弧能力不足，焊条药皮的熔化不够充分，有部分合金元素没能很好熔化，无法熔入到熔池中，导致过渡系数降低34；而当焊接电流偏大时（比如电流为120A时），电弧能率过高，部分合金元素被氧化烧损，亦会影响合金元素的过渡系数，导致堆焊层金属硬度的降低。 4.确定双金属耐磨割刀的堆焊工艺 （1）焊前准备 根据设计图纸的要求通过刨削加工出甘蔗收获机割刀刀片坯料。考虑到要预留加工余量，所以在下料时将毛坯长度设为182mm，宽度设为72mm；需要堆焊的刃口部分以板厚的中心面为分界面，在板厚的中间预留1mm的钝边，之后在板的正反两面分别按1:10的比例加工出刃口堆焊斜度，为接下来的堆焊作准备。割刀的具体尺寸如图5-2所示，图5-3为甘蔗收获机割刀堆焊后的坯料。 堆焊前，严格清除堆焊表面氧化膜、油污、铁锈等，确保其表面没有裂纹、夹渣、气孔等缺陷，保证工件表面的干燥39 40，对高铬合金铸铁堆焊焊条进行300350的加热并保温2h；焊接区不得有风、水分等影响堆焊层质量的因素存在。 （2）焊接电源及极性 选用ZX7-400型直流弧焊设备，直流反接。 （3）确定堆焊工艺参数 选用2.5mm的高铬合金铸铁堆焊焊条（配方），焊前经过300350的加热并保温2h，随用随取；采用短弧多层焊，层间温度200左右41，第一层的堆焊电流为70A，第二层的堆焊电流为90A；焊完第一层后，须仔细清渣再堆焊第二层；堆焊层高度应保证有23mm，以利于后面的加工。 图5-2 甘蔗收获机割刀刀片结构Fig 5-2 Blade structure of sugarcane Harvesters sickle图5-3 堆焊后的甘蔗收获机割刀外形Fig 5-3 Shape of after surfacing sugarcane Harvesters sickle5.2 双金属耐磨割刀的加工工艺 按照以上的堆焊工艺将割刀的毛坯堆焊好后，接下来就是通过各种加工以完成割刀的制备。考虑到割刀堆焊层的硬度较大（达到56HRC），尺寸精度要求不是很高，铣削和刨削等机加工方式难以胜任；而现代的磨削加工技术发展较快，加工精度及加工表面粗糙度控制越来越好，完全可以胜任较硬表面的加工42 43。经过综合考虑，最后确定割刀刀刃的加工采用磨削加工。割刀的具体加工工序如下：1. 将堆焊好的割刀刀片坯料的三个直角边加工平整 在堆焊过程中，尤其是在板的边缘进行堆焊时，由于金属的不均衡加热和熔化会导致构件的尺寸发生一些变化（一般是有堆焊层的地方尺寸会有所缩小），故在堆焊前的割刀刀片坯料下料时都预留有加工余量（长度余量为2mm，宽度余量为2mm）。堆焊结束后，应在保证刀片尺寸的情况下，采用刨削的方式对其余量进行削除（主要是对三个直角边进行平整刨削）。2. 将割刀的正反两面进行平整 在堆焊前，将割刀刀片的坯料以板厚的中心面为分界面，在板厚的中间预留1mm的钝边，之后在板的正反两面按1:10的比例加工出刃口堆焊斜度。按照所制定的堆焊工艺进行堆焊后，割刀刀刃后方的堆焊层会有部分超过刀面而凸出。在进行刀刃磨削之前，应对刀面凸出部分进行平整。3. 对割刀的刀刃部分进行加工 1）在割刀宽度的中间位置，按照图5-2的尺寸要求，在钻床上加工出三个螺栓连接孔。 2）制作割刀磨削加工的定位垫块为保证割刀刀刃上有一层具有一定厚度和强度的堆焊层合金，刀刃的加工斜度不再是1:10的比例，而是按照1:5的比例来加工割刀的刀刃面。由于割刀的刀刃部分不是一个直斜面，而是由三个斜面组成，因此必须先制作一块磨削及定位垫块。定位垫为钢板（即铁磁材料），当磨床的电磁工作台通电磁化后，包括置于其上表面上的割刀将被牢牢地吸在电磁工作台上，保持位置不改变。在垫块上有左右各四个定位孔，右边的四个定位孔在加工割刀正面时使用，则左边的四个定位孔在加工反面时使用。左右各四个定位孔中，中间的定位孔为三个位置共用，而下方的三个定位孔则分别对应割刀刀刃上三个刃面的磨削加工，具体如图5-4所示。 （b）定位垫块的侧面图 （a）定位垫块的正面图 图5-4定位垫块图 Fig 5-4 Positioning block diagram 3）割刀刀刃的磨削加工将割刀上的毛刺等清理干净，选择M7263平面磨床，电磁工作台，绿色碳化硅砂轮，砂轮转速540r/min，轴向进给量0.6B（B是砂轮的宽度），径向进给量0.03mm，Ra=0.16m【42】。按照常规的磨削工艺对割刀进行磨削加工。4. 加工好的割刀产品经检验合格后，包装入库，完成双金属耐磨割刀的制备。成品割刀刀片如图5-5所示。图5-5 加工后的甘蔗收获机割刀刀片成品外形Fig 5-5 Shape of after processing sugarcane Harvesters sickle5.3 割刀的使用性能1. 将加工好的双金属耐磨割刀安装在甘蔗收获机上，到甘蔗地中进行收割试验。（1）不入土切割甘蔗收获机的切割器不入土切割，刀片对甘蔗的切割点距离地面约30mm，前进速度为0.4m/s，刀盘转速为810r/min。试验数据如表5-5所示：表5-5 甘蔗收割试验数据统计表Tab 5-5 Sugarcane harvesting test statistics序号割面的裂纹数最大裂纹长度（mm）最大裂纹厚度（mm）砍切台阶数蔗径d（mm）破头数1000030020000250346250291404240280542050310600002407000029080000320923540280100000240110000260123360.50280132421031014000034015220312701600002401756630281180000260194300.50320200000260210000240220000280232120.50280242371026025230121350260280.502402734010270280000300294320.50360300000280本次试验所收割的甘蔗总根数为93根，每簇3-5根，破头9根，破头率9.68%，蔗茬割口比较平整，有一定裂纹，但不是很多，如图5-6所示。图5-6 甘蔗收割后蔗茬割口形状（不入土切割）Fig 5-6 Sugarcane harvesting of sugarcane stubble after cutting shape （2）入土切割甘蔗收获机的切割器入土切割，刀片入土约510mm，前进速度为0.4m/s，刀盘转速为810r/min。试验数据如表5-6所示：表5-6 甘蔗收割试验数据统计表Tab 5-6 Sugarcane harvesting test statistics序号割面裂纹数最大裂纹长度（mm）最大裂纹厚度（mm）砍切台阶数蔗径d（mm）破头数1000033022151028030000240400013505000029062351.502907000034083301232090000240100000300113250.5026012000028013231213101400002501542311240160000240172300.52270180000260190001300200000240212431022022000136023335012502422200240250000230264420.5031127000028028327102802922010240300000290本次试验所收割的甘蔗总根数为52根，每簇3-5根，破头1根，破头率1.92%，蔗茬割口比较平整，裂纹较少，如图5-7所示。同时，割刀没有明显磨损，如图5-8所示。 图5-7 甘蔗收割后蔗茬割口形状（入土切割）Fig 5-7 Sugarcane harvesting of sugarcane stubble after cutting shape 图5-8 入土切割后割刀的外部形状Fig 5-8 Buried after cutting cutter external shape2. 将材质为65Mn钢的割刀安装在甘蔗收获机上，进行同样的甘蔗收割试验。（1）不入土切割甘蔗收获机的切割器没有入土切割，切割点离地20mm左右，前进速度约为0.4m/s，刀盘转速为800r/min。试验数据如表5-7所示：表5-7 甘蔗收割试验数据统计表Tab 5-7 Sugarcane harvesting test statistics序号割面裂纹数最大裂纹长度（mm）最大裂纹厚度（mm）砍切台阶数蔗径d（mm）破头数14488128020000260326950281447212231053451612706000025073280.1026080000250945051260103340.21280110000240122660.11250130000240143370.20250152520.10260160000290174600.30290182600.20320193480.503802000002802100002902200002202344250261242370.1037025237121280263220.20260270000240282520.11230290000300302260.10240本次试验所收割的甘蔗为每簇4-5根，总根数50，破头6个，破头率12%，甘蔗蔗茬有一定的裂纹，切割质量不是很好，如图5-9所示。图5-9 甘蔗收割后蔗茬割口形状（不入土切割）Fig 5-9 Sugarcane harvesting of sugarcane stubble after cutting shape （2）入土切割 甘蔗收获机的切割器入土切割，刀片入土约510mm，前进速度为0.4m/s，刀盘转速为800r/min。试验数据如表5-8所示：表5-8 甘蔗收割试验数据统计表Tab 5-8 Sugarcane harvesting test statistics序号割面裂纹数最大裂纹长度（mm）最大裂纹厚度（mm）砍切台阶数蔗径d（mm）破头数13500.312902310016026030000270400002905000026062380.20290700002808000223090000260100001270113250.31270120002290132310.11240140000220152230.11310162290.12270174300.422801800002901900012802054991290212430.10290220000250235410024024342002902524000280263970.2127127000129028327100330293690.20290300000290本次试验所收