低碳钢表面超硬耐磨堆焊层硬度及焊接工艺关系

1、 目 录 摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 引言11.2 研究背景2第2章 实验72.1实验设备介绍72.2焊接实验92.2.1 焊接试验方案92.2.2 低碳钢的焊接性92.2.3 手工电弧堆焊102.2.4 实验步骤132.3 热处理实验132.3.1热处理方案132.3.2常规的热处理简介142.3.3试样的制备过程17第3章 实验结果分析193.1第一组实验记录及分析193.2 第二组实验记录及分析203.3 第三组实验记录及分析22结论26参考文献27致谢2829低碳钢表面超硬耐磨堆焊层硬度与焊接工艺关系 摘要：通过在低碳钢表面堆焊超硬耐磨焊条D707，分析焊接工艺参

2、数及焊后热处理工艺对低碳钢表面堆焊层硬度的影响。实验结果表明：经过淬火后堆焊层硬度值无明显变化；而退火后硬度值有所下降，退火后堆焊层组织细小均匀；在焊缝截面上进行显微硬度测试，从母材到堆焊层表面硬度值越来越高，而压痕越来越小。由于硬度是材料耐磨性能衡量指标之一，从而间接说明当在低碳钢表面堆焊超硬耐磨焊层时，可以提高低碳钢表面的硬度，改善低碳钢表面的耐磨性能。关键词：低碳钢；焊接工艺；热处理工艺；组织；硬度Relations of low-carbon steel surface layerhardness of hardfacing and welding technics Abstract:

3、 through super-hard wear-resistant surface electrode surfacing D707 in Low-carbon steel. We have analysis the effect of welding process parameters and post-weld heat treatment process on low carbon steel surface hardness of cladding layer. The experimental results show that: after quenching hardness

4、 value no significant change; But after annealing the hardness value decreased and after annealing the crystal grain of the underlying tissues uniformization become tiny. micro-hardness testing is carried out in the weld cross-section, we have find out that from the base metal to the cladding layer

5、the surface hardness values is getting higher and higher, while the indentation is getting smaller and smaller. Because hardness is a measure of wear resistance materials, thus it can indirectly show that when low-carbon steel surface electrode in the super-hard wear-resistant surfacing welding laye

6、r, it can improve the surface hardness of low carbon steel and improve wear resistance of low carbon steel surface.Key words: low carbon steel; welding technology; heat treatment process; organizations; hardness第1章 绪 论1.1 引言焊接是通过适当的物理化学方法，使两个分离的固体产生原子间的结合力，从而实现连接的一种方法。这种方法可用来连接金属与金属、非金属与非金属以及金属与非金属，

7、但主要用来连接金属与金属。作为一种金属连接工艺，焊接已基本上取代了原来所用的铆接工艺，许多传统的铸件、锻件也已被焊件或铸焊、锻焊制品所代替。在大多数发达国家，利用焊接加工的钢材量已超过钢材产量的一半。焊接已广泛用于锅炉与压力容器制造、船舶制造、起重与运输设备制造、航空与航天工业、能源工业、石油化工工业、建筑工业、电子技术、海洋开发等工业部门中。如果没有焊接，许多工业产品是无法生产的。与其他类似的材料加工工艺，如铸造、锻压、铆接相比，焊接具有如下特点：（1）焊接可以将不同类型、不同形状的金属连接起来。因此，通过焊接可使金属结构中材料的分布更合理。此外，焊接可直接将各个零部件连接起来，无需其他附加

8、件，接头的强度一般也能达到与母材相同，因此，焊接产品的重量轻、成本低。（2）焊接接头是通过原子间结合力实现的连接，整体性好、刚度大，在外力作用下不像机械连接（如铆接、销子连接等）那样产生较大的变形。而且，焊接结构具有良好的气密性、水密性，这是其他连接方法无法比拟的。（3）焊接加工一般不需要大型、贵重设备，因此，是一种投资少、见效快的加工方法。（4）焊接是一种“柔性”加工工艺，既适用于大批量生产，又适用于小批量生产。而产品结构变化时，无需对焊接设备做出重大的调整和变化。（5）利用焊接进行加工时，可将结构复杂的大型构件分解为许多小型零部件分别加工，然后再将这些零部件焊接起来，这样就简化了金属结构的

9、加工工艺、缩短了加工周期。钢材焊接性的发展：传统合金结构钢是靠调整钢中碳及合金元素的含量并配以适当的热处理来实现各种优越使用性能，用于制造不同应用条件下的焊接结构。但总的趋势是随着碳及合金元素的含量增加，强度提高，钢的焊接性变差，不同种所出现的焊接性问题不一。在合金结构钢中，随着碳及合金元素含量增多，势必会引起接头的脆化、软化及裂纹倾向增大。这些焊接性问题的出现，往往会降低焊接结构安全运行的可靠性，造成焊接结构的早期失效破坏。新发展的微合金控轧控冷钢是通过精炼在保持低碳或超低碳、不加或少加合金元素的条件下采用微合金化和TMCP工艺实现细晶化、洁净化、均匀化来提高钢的强度和韧性，并已开始研究下一

10、代超细晶粒钢。新钢种的出现给钢的焊接性带来了重大的变革。值得重视的是新钢种的焊接性得到了明显改善，但也出现了一些新的焊接性问题，推动着焊接工作者在焊接方法、工艺、材料等方面发展新技术，解决新问题，不断推动焊接技术的向前发展。低碳钢属于焊接性最好、最容易焊接的钢种，所有焊接方法都适用于低碳钢的焊接。在实际生产中很希望在低碳钢表面得到超硬耐磨层，我们也知道近十余年来，我国耐磨件的生产和研究十分活跃，取得的进展是有目共睹的。我国每年生产和消耗的耐磨件数基巨大，如果能使这些耐磨件基本上达到物尽其用的话，其效益将是十分显著的。耐磨件的制造不仅可通过铸造工艺来制造，也可通过堆焊工艺来制造，而对磨损过的耐磨

11、件采用堆焊工艺来再制造，可获得比原铸件更耐磨的性能，同时通过废旧利用，可实现循环经济，堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，越来越广泛地应用于各个工业部门零件的制造修复中。为了最有效地发挥堆焊层的作用，希望采用的堆焊方法有较小的母材稀释、较高的熔敷速度和优良的堆焊层性能，即优质、高效、低稀释率的堆焊技术。本文就耐磨件堆焊制造及再制造中的几个问题进行探讨。1.2 研究背景（1）堆焊和铸造一样都是耐磨件的制造方法堆焊是微观化的铸造:耐磨件的制造是以铸造为主(从吨位来说)，堆焊件占的比重比较小。铸造比堆焊发展得早，所以从堆焊诞生开始，就有了铸造和焊接(堆焊)谁代替谁的问题。其实从原理上讲，

12、是不能相互替代的。我们认为，堆焊过程实际就是一个微观的铸造过程，如果铸造可以看作是焊件尺寸以米为单位的大尺寸熔池，那么堆焊就是以毫米为单位的很小的熔池。为什么在工件制造过程中会有微观铸造的概念呢?这是因为对于铸造而言，随着铸件尺寸的不断增大，其制造难度和热处理难度也越来越高，若再要求耐磨件能够由里到外具有均匀的耐磨性能，实现起来则非常困难。但堆焊过程可以解决这一难题，它将铸造过程微观化、微细化，把一个大的铸造分解成无数小的铸造，这样，每个微观熔池都可以很容易达到最终工件要求的强度、硬度、韧性等微观指标。所以，在耐磨件的堆焊过程中，铸造和堆焊是相辅相成的，就比如铸造是皮，耐磨层堆焊是毛，对耐磨件

13、的质量而言，二者是“皮之不存，毛将焉附”的关系。如果要求一个工件整体具有很好的质量，就要求其铸造和堆焊的质量都很高。耐磨件制造过程中铸造和堆焊的选择：对于一个耐磨件，如果其铸件从成本、性能等方面能够完全满足使用要求，人们就不必考虑堆焊了。但目前，仅靠铸造，耐磨件的寿命、质量上无法达到所要求的指标，这时就引进了微观铸造，也就是用堆焊的方式来加强所要求部位的耐磨质量或其他方面的质量。（2）耐磨堆焊再制造方法的选择堆焊方法有很多，如气焊、手工电弧焊、气体保护焊、埋弧焊、明弧焊等。耐磨堆焊再制造就是用堆焊工艺将品质合适的耐磨材料堆焊到基体表面，堆焊后细化的复合碳化物均匀分布在强化的基体内，形成奥氏体基

14、体具有较好的抗拉强度，焊材与基材熔合性好，具有高应力的磨耗性，外观焊缝成型美观，具备较好的抗冲击性能，从而提升了耐磨件的使用寿命(比新品可提高15倍以上)。近年来采用的堆焊再制造方法主要有两种，一是使用直径为3.2mm5mm的药芯焊丝在焊剂层下进行自动埋弧堆焊，另一种是使用直径为1.2mm3.2mm自保护药芯焊丝进行明弧堆焊。埋弧焊是传统的高效率的堆焊方式，现在很多地方还在沿用，而自保护明弧焊近两年已经发展起来了，实际上这两种焊接方法各有利弊。在早期的磨辊、磨盘等大物件的堆焊过程中，曾经采用埋弧焊。为何后来采用明弧自保护焊呢?这是因为与埋弧堆焊比较，明弧自保护焊有以下优势：从成本上说，埋弧焊比

15、较费工、费时，一般要34人，进行添加焊剂、除焊剂、焊接操作等，并且焊前要对焊剂进行烘干，焊接过程中要不断添加焊剂，并需专人去除焊渣，因而堆焊过程人力、物力投入很大，且环境恶劣。相反，明弧自保护焊只要一个人就够了，不仅实现了生产的自动化，减小了焊工手工操作时因长期焊接引起的疲劳及堆焊质量下降，且有人工操作不可及的高效率，因此能够适应高质量、高效率的堆焊再制造要求。从耐磨性能上说，埋弧焊因为有焊剂、焊渣的影响，一些强迫冷却措施、温控措施都很难加上去，因此无法对工件进行强迫冷却以保持正常焊层间温度，致使工件可焊性受到限制。而明弧自保护焊就比较容易实现温控，从而使工件能获得更好的耐磨性能。从整体对部件

16、的影响来说，埋弧焊因温控受限，铸件的尺寸变形较大，而明弧自保护焊可以将变形控制到很小范围内，因此不易引起母材的变形开裂。原来有一个概念，一个铸件或辊体的堆焊最多不超过三次，这是建立在埋弧堆焊的基础上的，作为明弧自保护焊来说，应该说远远不止三次。那么这些方法该怎么选择呢?我们认为，应从工件的最终性能要求来考虑，例如，煤磨、立磨的磨辊、磨盘这类工件，它们要求高耐磨、低抗冲击性，工艺选择要从碳化物的数量和形态上来考虑；而辊压机挤压辊这类产品则要求高抗冲击、中低耐磨，工艺选择要考虑碳当量的概念，碳当量决定耐磨件本身的强度、韧性和抗冲击性。简单地说，辊压机挤压辊的堆焊要考虑预热和保温，要围绕碳当量做工艺

17、，原则上要采用热焊，需要在一定的条件下进行焊接，焊接、保温温度都比较高。而立磨、煤磨的磨辊、磨盘要求有足够的耐磨性能，要考虑碳化物的形态，只考虑控制小的变形和快的冷却速度，采用冷焊就可以了。因此埋弧焊更适合辊压机的堆焊，明弧自保护焊更适合立磨、煤磨的磨辊、磨盘的堆焊。所以只有针对不同的工件和场合综合考虑堆焊方式，才能兼顾不同的堆焊方法，得到所需要的性能。由于低碳钢是所有钢材中焊接性最好的，故几乎可采用所有的焊接方法来进行焊接，并都能保证焊接接头的质量良好。用得最多的焊接方法是手工电弧堆焊、埋伏自动堆焊和二氧化碳气体保护堆焊等。其中二氧化碳气体保护堆焊综合成本最低，埋伏堆焊最高，手工电弧堆焊次之

18、。（3）影响堆焊层硬度的因素碳含量的影响：堆焊层焊态硬度随碳含量增加的变化趋势为：碳含量从0.5增加到1.0时，硬度上升；从1.0增加到2.0时，硬度下降。当含碳量较低时，由于碳化物析出量很少、堆焊层硬度主要取决于马氏体基体的硬度，而马氏体的硬度主要取决于含碳量、马氏体的硬度随着含碳量的增加而增加，当含碳量小于0.5时，马氏体硬度随含碳量的增高而急剧增高；当含碳量增至0.7左右时，虽然马氏体硬度有所增高，但是由于残余奥氏体量增加，反而使钢的硬度下降。当碳含量从0.5增加到1.0时，碳化物的析出量逐渐增多，碳化物沿晶界由断续网状分布变为连续网状分布，晶内也存在大量弥散的碳化物，同时针状马氏体量增

19、多，马氏体中碳浓度也在增大，故堆焊层硬度呈上升趋势实际上还出现了少量的残余奥氏体，但对硬度影响不大。随着碳含量继续增加，残余奥氏体量逐渐增多，马氏体量减少，从而使堆焊层硬度下降。时效温度对堆焊层硬度的影响：碳含量分别为0.5 、0.7和1.0时 ，时效温度对堆焊层硬度的影响为，时效温度小于或等于600时，硬度值基本不变，这是由于时效温度较低时，碳原子迁移速度较幔，Cr、Mo、W、V等合金元素原子尚不能进行扩散，同时，Cr、Mo、W、V又都是碳化物形成元素，与碳的亲和力强，使碳的扩散速度更加减慢从而延缓了碳化物的析出和长大，使马氏体回火分解温度提高，即马氏体分解温度向高温推移，故硬度基本不变。当

20、时效温度大于600时，马氏体转变为回火屈氏体或回火索氏体等珠光体类型的组织，硬度明显下降；碳含量为1.4时，时效温度对堆焊层硬度的影响为，在600以下时效时，硬度逐渐提高，由于当碳含量为1.4时焊态组织已存在一定量的残余奥氏体，当它在600以下时效时，残余奥氏体中析出碳化物，使残余奥氏体中碳和合金元素含量下降，致使Ms点上升，从而使残余奥氏体在冷却过程中转变为回火马氏体，即发生了“二次硬化”现象，当时效温度大于600时，马氏体转变为回火屈氏体或回火索氏体等珠光体类型的组织，硬度明显下降；从以上分析可知，碳含量不同时，时效温度小于或等于600 ，CCrMoWV合金系堆焊层的硬度，要么保持不变，要

21、么升高，时效温度大干600时，硬度均下降。药皮成分对堆焊层硬度的影响：堆焊金属耐磨性和硬度均随E/B增大而显著增大,是由于随着E/B值增大,向堆焊金属过渡的钒量增加，在加入药皮的石墨百分含量足够大情况下，钒量的增加，堆焊金属中形成的坚硬耐磨的钒的碳化物也随之增加，从而使堆焊金属硬度和耐磨性增大；DB (钨粉量石墨量)值增大，堆焊层硬度增高(显著性水平为005)，而耐磨性先随之增高，达极大值后，又随之下降，但这种变化幅度不大(显著性水平为026)；HB (碳化钛量石墨量)值增高，耐磨性亦随之增高(显著性水平为025)；AB(铬粉量石墨量)值增大，堆焊金属硬度随之上升，达极大值后，又随之下降，而耐

22、磨性略有下降趋势，但影响不显著(显著性水平025)；CB (钼铁量石墨量)值增大，堆焊金属硬度先随之提高，达极大值后，又随之下降,耐磨性也随之下降，达极小值后,又随之增大,但这种变化趋势较平缓，不太显著(显著性水平均为025)； FB (中碳锰铁石墨)值增大，堆焊金属硬度显著下降，耐磨性也随之下降(显著性水平为025)，这显然由于锰是强奥氏体化元素，FB值增大，堆焊金属中锰含量增多，使基本金属中残余奥氏体增多，马氏体减少，从而导致硬度和耐磨性下降；G/B(大理石量石墨量)值增大，耐磨性随之下降但不太显著(显著性水平为025)这可能是由于GB值增大，则大理石含量增加，必导致其他合金成分总量减少，

23、且电强气氛的氧化性亦随大理石增加而增强，使各种合金元素氧化损失增多，使合金总量更进一步减少，从而使堆焊层耐磨性减小。堆焊方法对硬度的影响：在同一条件下，相同的厚度上，采用不同的堆焊方法获得的硬度不一定相同；研究已经得出用常用的工艺方法看，硬度(HRC）的一般顺序为氧乙炔气焊（OAW）手工钨极氩弧焊（GTAW）药皮焊条手工焊(SMAW) 等离子粉末堆焊(PTA) 等离子弧送丝堆焊(FAW)。因为氧乙炔气焊用3 ：1的碳化焰堆焊，使堆焊金属的含碳量有所增加，而且母材的稀释率也比较小。所以，堆焊层的硬度较高。然而，电弧焊在高温下有烧损碳的现象，故有降碳的倾向。同时，焊接电弧对熔池的搅拌作用，加强了母

24、材对堆焊层的稀释。所以，电弧焊堆焊层的硬度较低。故在生产条件允许的条件下，根据产品材质、形状和大小，尽可能地选用机械化程度比较高的PTA工艺。因为PTA工艺的稀释率较低、功效高、性能稳定。稀释率对硬度的影响：焊接接头与堆焊层之间的最大不同点为稀释率。它常常关系到堆焊层的性能。稀释率（以百分比计）等于熔化的母材量（A）除以添加的堆焊金属量和熔化的母材金属之和（A+B）再乘以100%。由于大多数的堆焊采用的是电弧焊的方法进行，所以，必须重视电弧焊的每个工艺参数对稀释率的影响。影响堆焊稀释率的工艺参数有：焊接电流、极性、焊丝（焊条）尺寸、焊丝的伸出长度、堆焊焊道的节距、电极摆动、焊接速度、堆焊位置和

25、工件的倾斜度、附加填充金属。堆焊层厚度对硬度的影响：随堆焊层厚度的增加，堆焊层的稀释率相对降低。所以，堆焊层的厚度与硬度有着密切的关系。已有实验证明：堆焊层越厚，堆焊层合金越纯，硬度层合金趋向符合标准值。所以，药皮焊条手工电弧焊堆焊的厚度大于钨极手工氩弧焊、粉末等离子氧乙炔堆焊的厚度。母材材质对硬度的影响：母材中的C、Cr、Mo、Si和Mn等元素含量都会影响堆焊层的硬度。因为这些元素在堆焊过程中都会或多或少地稀释到堆焊层中。例如Mo和Cr都有二次硬化作用。Mo还有热硬性，Si和Mn均有硬化作用，可提高硬度。所以，母材的成分也是一个很大的因素。熔敷金属中Ti、C、V元素含量对堆焊层硬度的影响：堆

26、焊层硬度随着熔敷金属中Ti、C、V元素含量的提高而增加。第2章 实 验实验主要分为两部分：第一部分，选择适当的焊接工艺从而实现低碳钢表面超硬耐磨层；第二部分，在第一部分实验的基础上，对焊接后的试样分组进行热处理再测试硬度。2.1 实验设备根据课题的需要，结合具体实际，综合考虑实验室的实验条件及设备，实验所涉及和采用的仪器或设备如下：（1）交流弧焊机：交流弧焊机实际上是一种具有一定特性的降压变压器。它把网路电压(220v或380v)的交流电变成适合于电弧焊的低压交流电。其结构简单、价格便宜、使用方便、维修容易、空载损耗小，但电弧稳定性较差。图2.l所示是一种目前较常用的交流弧焊机的外形，其型号为

27、BXl400。型号中“B”表示弧焊变压器，“X”表示下降外特性(电源输出端电压与输出电流的关系称为电源的外特性)，“400”表示弧焊机的额定焊接电流为400A；图2.1 交流弧焊机（2）砂轮打磨机（型号:3SL-250）：修整原始金属试样；（3）金相试样预磨机（型号：M-2）：主要用于对试样的原始试样进预磨，以便快速制备金相试样，从而观察其显微组织；（4）金相试样抛光机（型号：P-2）：用做制备金相试样的最后一道工序，以便制出少划痕、干净的金相试样；（5）数显洛氏硬度计（型号：HRS-150）：用于测量原始试样及热处理后的硬度值；（6）4X型金相显微镜的外形结构图2.2 金相显微镜（7）HXD

28、1000TMB视屏显示自动转塔显微硬度计：HXD1000TMB视屏显示自动转塔显微硬度计(以下简称显微硬度计)是一种由精密机械、光学系统和专用微处理机-HMIS型多功能数据处理机(简称数据处理机)与CCD、监视器组合而成的测定仪器。用途主要有二种：一种是单独测定硬度，即用于测定比较光洁表面的细小或片状的零件和试样的硬度，测定电镀层，氮化层，渗碳层和氰化层等零件的表层的硬度以及测定玻璃，玛瑙等脆性材料和其他非金属的硬度；二是作金相显微镜用，即用以观察和拍摄材料的显微组织，并测定其相组织的显微硬度，供研究用。图2.3 HXD1000TMB视屏显示自动转塔显微硬度计外形（8）箱形电阻炉（型号：SRJ

29、X-3-9）：箱式电阻炉又称马弗炉，它是一种周期作业式加热炉，可供实验室淬火、回火、正火、退火等热处理加热用。箱式电阻炉的构造示意图如图所示。1加热室；2电热丝孔；3测温孔；4接线盒5试样；6控制开关；7挡铁；8炉门；9隔热层；10炉底板 图2.4箱式电阻炉结构示意图（9）金相显微镜（×500）+扫描装置：观察金相显微组织，拍照保存特征相图；2.2 焊接实验2.2.1焊接实验方案低碳钢试样准备焊前准备设置焊接工艺参数焊条的选择堆焊过程分析讨论焊接过程中遇到的问题并得出结论 图2.5 第一部分焊接实验流程图这部分实验主要控制好两个环节：一是根据低碳钢的焊接性选择适当的焊接工艺参数；二是

30、为了达到实验的最终目的，在选择堆焊焊条时要考虑各方面因素的影响。2.2.2低碳钢的焊接性因低碳钢含碳量低，锰、硅含量少，所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般不需要预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良。 但在少数情况下，焊接时也会出现困难：（1）采用旧冶炼方法生产的转炉钢含氮量高，杂质含量多，从而冷脆性大，时效敏感性增加，焊接接头质量降低，焊接性变差。（2）沸腾钢脱氧不完全，含氧量较高，P等杂质分布不均匀，局部地区含量会超标，时效敏感性及冷脆性敏感性大，热裂纹倾向

31、也增大。（3）采用质量不符合要求的焊条，使焊缝金属中的碳、硫含量过高，会导致产生裂纹。如某厂采用酸性焊条焊接Q235A钢时，因焊条药皮中锰铁的含碳量过高，会引起焊缝产生热裂纹。（4）某些焊接方法会降低低碳钢焊接接头的质量。如：电渣焊，由于线能量大，会使焊接热影响区的粗晶粒区晶粒长得十分粗大，引起冲击韧度的严重下降，焊后必须进行细化晶粒的正火处理，以提高冲击韧度。总之低碳钢是属于焊接性最好、最容易焊接的钢种，所有焊接方法都适用于低碳钢的焊接。综合考虑各方面因素的影响，低碳钢的焊接工艺可选择：手工电弧焊，埋弧焊，气体保护焊等方法。而本课题主要是针对在日常生产中常会用到的一些机械零部件，对它们的要求

32、是具有强烈耐岩石磨损的性能，如混泥土搅拌机叶片、推土机、挖泥机叶片、高速混砂箱等。这些零部件就需要芯部有很好的柔韧性而表面需要很强的耐磨损能力。研究发现对这些耐磨件的制造不仅可通过铸造工艺来制造，也可通过堆焊工艺来制造，而对磨损过的耐磨件采用堆焊工艺来再制造，可获得比原铸件更耐磨的性能，同时通过废旧利用，可实现循环经济。堆焊方法有很多，如气焊、手工电弧焊、气体保护焊、埋弧焊、明弧焊等。耐磨堆焊再制造就是用堆焊工艺将品质合适的耐磨材料堆焊到基体表面，堆焊后细化的复合碳化物均匀分布在强化的基体内，形成的奥氏体基体具有较好的抗拉强度，焊材与基材熔合性好，具有高应力的磨耗性，外观焊缝成型美观，具备较好

33、的抗冲击 能，从而提升了耐磨件的使用寿命(比新品可提高15倍以上)。由于实验室条件的限制，只能选择手工电弧堆焊工艺。2.2.3手工电弧堆焊手工电弧堆焊是目前应用广泛的堆焊方法。它使用的设备简单，成本低，对形状不规则的工件表面及狭窄部位进行堆焊的适应性好，方便灵活。手工电弧堆焊技术在我国的应用有一定的基础，我国生产的堆焊焊条有较完整的产品系列，仅标准定型产品就有近百个品种，还有很多专用及非标准的堆焊焊条产品。手工电弧堆焊在冶金机械、矿山机械、石油化工、交通运输、模具及金属构件的制造和维修中得到了广泛的应用。（1）手工电弧堆焊的特点手工电弧堆焊与一般手工电弧焊的特点基本相同，设备简单、使用可靠、操

34、作方便灵活、成本低、适宜于现场堆焊，可以在任何位置焊接，特别是能通过堆焊焊条获得满意的堆焊合金。因此，手工电弧堆焊是目前主要的堆焊方法之一。手工电弧堆焊的缺点是生产效率低、劳动条件差、稀释率高。当工艺参数不稳定时，易造成堆焊层合金的化学成分和性能发生波动，同时不易获得薄而均匀的堆焊层。手工电弧堆焊主要用于堆焊形状不规则或机械化堆焊可达性差的工件。手工电弧堆焊焊条的药皮主要有钛钙型、低氢型和石墨型三种。焊芯多以冷拔焊丝为主，也可用铸芯或管芯。为了减少合金元素的烧损和提高堆焊合金的抗裂性能，一般多采用低氢型药皮的堆焊焊条。手工电弧堆焊时，一般通过调节焊接电流、焊接电压、焊接速度、运条方式以及弧长等

35、工艺参数控制熔深以达到降低稀释率、保持电弧稳定、使堆焊层质量均匀的目的。低氢型药皮焊条堆焊时推荐采用直流反接。因合金元素易烧损，弧长不能太大。大面积堆焊时，应注意调整堆焊顺序，以控制焊接变形。由于手工电弧堆焊熔深较大，稀释率较高，堆焊层硬度与耐磨性下降，所以一般需堆焊23层。但堆焊层数较多时，易导致开裂和剥离，为此常对工件采取预热和缓冷措施，预热温度由堆焊部位的刚性等因素确定。（2）手工电弧堆焊设备及工艺电弧堆焊设备的组成及技术参数：手工电弧堆焊设备是由焊接电源装置和焊钳组成的电焊机，此外还包括一些不同形状工件堆焊时需要的辅助设备：弧焊电源、焊接电流、焊钳、接地夹钳、焊接电缆、面罩、防护服。手

36、工电弧堆焊工艺：手工电弧堆焊工艺主要包括焊前焊件表面是否需要进行清理及清理程度；焊条在堆焊前的烘干及清理要求；堆焊工艺参数的选择及必要的预热、保温和层间温度的控制等。l 焊前准备堆焊前工件表面进行粗车加工，并根据图纸要求预留加工余量，以保证堆焊层加工后有3mm以上的高度。严格清除表面的铁锈、油污等，堆焊工件表面不得有气孔、夹渣、包砂、裂纹等缺陷，如有上述缺陷须经焊补清除、再粗车后方可堆焊。焊条使用前必须烘干，加热温度350400，保温2h.l 焊条的选用根据对构件的技术要求，如工作温度、压力等级、工作介质以及对堆焊层的使用要求，选择合适的堆焊焊条。手工堆焊焊条可按照焊条手册进行选择。按堆焊焊条

37、分类用于某一产品零件的焊条，有时也可用于其他产品零件。例如D507为马氏体高铬钢堆焊焊条，又称阀门密封面焊条，除了用于中温高压阀门密封面的堆焊外，还可用于堆焊工作温度在450以下的碳钢或合金钢轴类零件。有些焊条虽不属于堆焊焊条，但有时也可用于堆焊，如碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条和铜合金焊条等。l 电源种类和极性目前，手工电弧堆焊所使用的电源与手弧焊电源相同。在焊条牌号确定之后，根据焊条药皮的类型选择电源种类与极性。如果堆焊一般结构钢工件，对堆焊层性能要求不高，并采用酸性堆焊焊条（D502、D512）时，应选用弧焊变压器；当堆焊零件要求比较高，又要求采用碱性低氢型堆焊焊条（D517、D54

38、7）时，必须选用弧焊整流器或直流弧焊发电机（如ZXG1-300、ZXG7-320、AX1-500等），且采用反极性接法，即焊条接正极、工件接负极。在条件允许的情况下，应尽量选用直流电源。因为直流电源的电弧稳定，且反极性接法熔深浅。l 焊条直径及焊接电流为提高劳动生产率，希望采用较大直径的焊条和较大的焊接电流。但是由于堆焊面的宽度及堆焊质量的限制，必须把焊条直径和焊接电流控制在一定范围内。焊条直径的选择主要取决于构件的尺寸和堆焊面的宽度。增大焊接电流能提高生产率。但电流过大，稀释率增大，易造成堆焊合金成分偏析和堆焊过程中液态金属流失等焊接缺陷。而电流过小，易造成夹渣、未焊透等缺陷，且降低生产率。

39、所以应适当选择焊接电流。一般来说，在保证堆焊合金成分合格的条件下，尽量选择大电流；但不应在焊接过程中由于电流过大而使焊条发红、药皮开裂、脱落。l 堆焊层数堆焊层数是以保证堆焊层高度满足设计要求为前提。对于较大构件时需要堆焊多层。堆焊第一层时，为减少基体熔深，一般采用小电流；或者堆焊电流不变，提高堆焊速度，同样可以达到减小熔深的目的。堆焊最后一层时，要注意焊道的成形和平整度，以满足堆焊后机械加工的尺寸要求。（3）手工电弧堆焊的操作引弧：将焊条与工件短路然后向上拉起焊条以引燃电弧称为点拉式引弧。将焊条端部在金属表面轻轻划擦后提起焊条以引燃电弧叫擦引弧。焊接过程：电弧引燃后，一方面要仔细观察熔池状态

40、，始终保持熔池大小不变，不断调整焊条角度控制弧长保持熔池金属不致外溢，另一方面要保持电弧沿焊接方向作匀速直线移动只有保持熔池大小和焊接电弧移动速度始终不变，才能获得均匀一致的焊缝。收弧：焊接结束时如果直接拉断电弧则会形成弧坑，弧坑会产生气孔裂缝降低焊接接头的强度。2.2.4实验步骤（1）根据实验的要求，准备低碳钢试板，用砂轮除去损坏的磨损层及油污和铁锈等，使表面露出金属光泽。（2）根据低碳钢试板的形状尺寸确定电焊机的各工艺参数。（3）焊条的选择。汽蚀或磨损深处打底焊可选用J426、J427、J507、J506焊条；耐汽蚀表层堆焊可选用D276、D277、D237、D642、A102、A132焊

41、条；耐泥沙磨损表层堆焊可选用D642、D237焊条；耐蚀同时要求耐磨的表层堆焊选用D237、D642焊条。J427、J507、D277、D237焊条焊前应在300400烘干2h。D642、A102、A132焊条焊前应在100150烘干12h。（4）堆焊过程。汽蚀和磨损区深度在15mm以内者，应先打底焊，深度在4mm以内者可直接进行表面堆焊。为保证堆焊层的性能，耐汽蚀或耐磨的堆焊层最好焊23层以上。堆焊过程中应特别注意防止变形。多层堆焊时相邻堆焊层的焊道方向最好交错成一定角度。外表层的焊道方向应尽量为顺水流方向。操作中注意应用直线运条，尽量采用小电流、短弧堆焊。焊道应重叠1/21/3宽度。为获得

42、平整的堆焊表面，堆焊完一层后可进行清渣，为便于操作，最好将工件放在立焊或爬坡的位置。平焊位置进行堆焊时也可以不清渣，但电流要大些，而且操作难度较大。堆焊层应留12mm高度余量，最后磨光。(5)堆焊后立即进行热处理，热处理后得到的试样为下一步实验作试样准备。2.3 热处理实验2.3.1热处理实验方案选定两块原始试样（一块单层堆焊、一块多层堆焊）制备金相试样，观察并拍照制备金相试样，观察并拍照制备金相试样，观察并拍照分别测试硬度测试硬度测试硬度并拍照综合热处理后各试样的硬度及金相组织，分析影响表面超硬耐磨堆焊层硬度的因素第一组第二组第三组试 样 准 备取出两块试样进行高温淬火，保温20分钟后，分别

43、油淬和水淬最后一块试样高温退火并保温半小时后，随炉冷却图2.6 第二部分热处理实验流程图实验流程如图2.7所示，实验大致可分为三组：直接从试样中选出两块试样（一块为单层堆焊、一块为多层堆焊）；选出两块进行常规热处理（淬火温度选择950，保温时间为20min，淬火介质分别为水和油）；对剩下的一块试样进行退火处理，其退火加热温度为950，保温半小时后随炉冷却。需要说明的是，此部分实验是对第一部分实验的继续，即对低碳钢表面堆焊层硬度的测试以及对整个试样进行不同热处理后的组织分析，从而了解影响低碳钢表面超硬耐磨堆焊层硬度的因素。2.3.2常规热处理简介钢的淬火： 钢的淬火是热处理工艺中最重要的、也是用

44、途最广泛的工序；将钢加热至临界点Ac3或Ac1以上一定温度，保温一定时间，然后以适当的方式冷却获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火是使奥氏体化后的钢件获得尽量多的马氏体并配以不同温度回火获得各种需要的性能。淬火的目的主要是：提高钢的强韧性；提高钢的硬度、耐磨性；提高弹性。因此淬火在热处理工艺中扮演着重要的角色。（1）淬火中淬火加热温度的选择淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组织。淬火温度主要根据钢的临界点确定，亚共析钢通常加热至Ac3以上3050，共析钢、过共析钢加热至Ac1以上3050。淬火加热温度不能过低也不能过高，过低不能完全奥

45、氏体化，过高容易导致奥氏体晶粒粗大，淬火后获得粗大的马氏体。对于合金钢，考虑到合金元素的作用，为了加速奥氏体化，淬火温度可偏高些，一般为Ac1或Ac3以上50100，至于高合金钢，奥氏体晶粒粗化温度高，那么可采取更高的淬火温度。由于低碳钢表面堆焊一层超硬耐磨材料，故淬火加热温度选择在900以上比较合适。（2）淬火保温时间t的确定至于淬火保温时间t，按经验公式：t=K·a·D (min) 式中 t加热时间（min）； K加热时的修正系数(通常取11.5)； a加热系数（min/mm）； D工件的有效厚度（mm）。工件厚度为16mm，根据相关资料的取值规定，取K=1.3，a=1

46、.4,经过计算t30min，再结合本次实验的具体实际情况和相关热处理手册中一些长期以来积累的经验保温数据，本人最终选择保温时间20分钟，即t=20min。（3）淬火中淬火冷却介质的选择选择合适的淬火冷却介质对淬火工艺来说也是很重要的。为了实现过冷奥氏体在连续冷却的过程中不分解而全部冷至Ms温度以下完全转变为马氏体组织，将钢加热到临界点（Ac3或Ac1）上获得奥氏体组织，其后的冷却速度必须大于临界淬火速度，即：V冷Vk(Vk为临界冷却速度，钢在淬火时为抑制非马氏体转变所需的最小冷却速度)，所以，选取淬火冷却介质必须高度注意这一点。但是，在整个淬火过程中，冷却速度并非越大越好；一方面，因为钢在淬火

47、冷却过程中冷却过快，由于内外温度产生胀缩不一致以及相变不同时会产生淬火应力（热应力和组织应力的总和），导致淬火工件变形或开裂；另一方面，过冷奥氏体在C曲线的鼻尖处是需要V冷Vk，而在650以上或者400以下（特别是在Ms点附近发生马氏体转变时）并不需要快冷；理想的冷却介质应该使钢：650以上缓慢冷却，以尽量降低淬火热应力；650400之间应当快冷以通过过冷奥氏体最不稳定的区域即鼻尖处，避免发生珠光体或者上贝氏体转变；400以下Ms点附近的温度区域，缓慢冷却以尽量减少马氏体转变时产生的组织应力。常用的淬火冷却介质有水、各种矿物油及各种乳化液。其中，各淬火冷却介质的特性是：水 水的冷却特性很不理想

48、，水在650400范围内冷却速度较大，但这对过冷奥氏体稳定性较小的碳钢来说极为有利，故本课题研究的低碳钢耐磨试样可选择水为冷却介质；各种矿物油 油是一种常用的淬火介质，目前主要采用矿物油，如机油、柴油等；油的主要优点是低温区的冷却速度比水小得多，从而可大大降低淬火工件的组织应力，减少工件变形开裂；但油在高温区间冷却能力低是其主要缺点，但对于过冷奥氏体比较稳定的合金钢来说，油是合适的淬火介质；乳化液 对于前面两种淬火冷却介质，水的冷却能力很大，但冷却特性不好；油的冷却特性较好，但其冷却能力又低；因此，寻找冷却能力介于油水之间，冷却特性近于理想淬火介质的新型淬火介质是现代淬火热处理工艺中努力的目标

49、；由于水是价廉、容易获得、性能稳定的淬火介质，因此，本课题的试样采用的冷却介质为水，同时也选择冷却介质油作对比实验。钢的退火：退火是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却的一种金属热处理工艺。退火的一个最主要工艺参数是最高加热温度（退火温度），大多数合金的退火加热温度的选择是以该合金系的相图为基础的,如碳素钢以铁碳平衡图为基础（图2.8）。各种钢(包括碳素钢及合金钢)的退火温度，视具体退火目的的不同而在各该钢种的Ac3以上、Ac1以上或以下的某一温度。各种非铁合金的退火温度则在各该合金的固相线温度以下、固溶度线温度以上或以下的某一温度。 （1）退火的目的：改善或消除钢铁在铸

50、造、轧制和焊接过程中所造成的各种组织缺陷以及残余应力，防止工件变形、开裂；软化工件以便进行切削加工；细化晶粒，改善组织以提高工件的机械性能；为最终热处理（淬火、回火）作好组织准备。图2.7 铁碳平衡图2.3.3 试样的制备过程（1）根据实验的具体要求，把第一部分实验所得的样板锯成五块试样，五块试样的大小大致相同，这是为了三组试样制备后的硬度比较更简明、精确，而后用砂轮打磨机对原始试样进行去毛刺修整；将已经加工好的原始试样按组标号，试样分为三组，其中，第一组：没经过任何热处理加工的试样，试样两个（一块堆焊层厚的与一块堆焊层薄的）；第二组：经过高温淬火后保温20min，然后水冷与油冷，试样两个；第

51、三组：经过高温退火后保温半个小时，再随炉冷却的试样，试样一个。（2）按实验方案中组别先后顺序进行分组加工： 第一组：手工粗磨。首先将试样的表面在耐水砂纸上磨平，使被观察表面平整光亮，无明显磨痕无凹坑。手工细磨。将试样用清水冲洗并擦干后进行手工细磨操作，即依次在由粗到细的各型号金相砂纸上依次进行细磨，常用的金相砂纸号数有01、02、03、04、05五种，号数越大，磨粒越细、砂纸颜色相对也较浅。细磨时为了保证观察面的平整，需在金相砂纸下放一块厚玻璃板，在细磨时用力力求均匀、平稳，防止磨痕过深和造成金相磨面的变形；试样退回时要抬起，不能与金相砂纸相接触，进行“单程、单向”的磨制方法，直到磨掉试样磨面

52、上的旧磨痕，形成的一层新的、均匀一致磨痕为止。在调换下一号砂纸时，应将试样上的磨屑和砂粒清理干净，并转动90°，即与上一号砂纸磨擦的磨痕垂直，直到将上一号砂纸留下来的磨痕全部消除为止。使用各种型号的金相砂纸的细磨时间也是依据不同的试样而定，一般说来硬度大一些的细磨时间要稍长些。经细磨后的试样观察面平整光滑，就像一个镜面，在同一个面上进行反光。抛光。金相试样经磨制后，磨面上仍然存在着细微的磨痕及金属扰乱层，影响正常的组织分析，因而必须进行抛光处理，以得到平整、光亮、无痕的金相磨面。常用的抛光方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光等，我们所采用的是最常用的机械抛光。机械抛光靠抛光磨料对金相磨

53、面的磨削和滚压作用使其成为光滑的镜面。抛光时应在抛光盘上铺以细帆布、平绒、丝绸等抛光织物，并不断滴注抛光液。抛光液一般是氧化铝、氧化铬、氧化镁等细粉末状磨料在水中形成的悬浮液，在本次实验中我们用的是氧化铬磨料。操作时将试样磨面均匀地压在旋转的抛光盘上，并且沿着抛光盘的边缘到中心不断地作径向往复运动，同时使试样本身略加转动，使磨面各部分抛光程度一致，并且可以避免出现“曳尾”现象，抛光液的滴入量以试样离开抛光盘后，其表面的水膜在数秒钟内可自行挥发为宜，一般抛光时间为35 min。抛光后的试样磨面应光亮无痕，石墨或夹杂物应予以保留，且不能有“曳尾”现象。由于抛光液具有腐蚀性,操作时最好戴橡皮手套。在

54、抛光后，在进行观察前需要完成的任务有：清水冲洗-酒精擦拭-吹干-侵蚀-清水冲洗-酒精擦拭-吹干。其具体步骤是：将抛光过的试样表面先用清水冲洗后用无水乙醇擦洗，用吹风机吹干，再浸入4的硝酸溶液中，时间不要太长，一般数秒即可（具体应按式样和立侵蚀液来确定），然后用清水冲洗干净，再用无水乙醇将其表面擦干净，用吹风机吹干即可放在显微镜下观察基体组织。进行硬度测试。第二组：在箱形电阻炉（型号：SRJX-3-9）中950加热淬火保温20min，分别水淬、油淬；淬火后，擦拭干净试样，在砂布上磨平并磨出金属光泽（为了去掉表面的氧化皮，能得到更准确的实验数据），再磨制金相试样（具体操作过程同第一组的过程完全一样

55、），观察显微组织。进行硬度测试；第三组： 在箱形电阻炉（型号：SRJX-3-9）中加热到950退火并保温30min，然后随炉冷却；完全冷却后，磨制金相试样并进行组织观察。用HXD1000TMB视屏显示自动转塔显微硬度计进行硬度测试，（操作步骤：根据已经制备好的金相试样，进行金相显微组织的观察与分析；认真观察和分析金相显微组织的形态和基本组成，在试样金相显微清晰的部位中进行显微硬度测定，并根据金相分析的结果来判断该组织的种类和性质，并记录相应的显微硬度值；第3章 实验结果及其分析3.1 第一组实验记录及分析（1）金相组织(c)(b)(a)热处理前金相组织 图3.1（a）母材组织（125×） （b）过渡区组织（125×） （c)堆焊层组织（500×）图3.1（a）为焊后未经热处理母材的金相组织。其组成主要为铁素体（白色），还有少量的珠光体（黑色）。由于所选用的母材是低碳钢，其含碳量很低，组织是由大部分铁素体和少部分珠光体组成。随着向堆焊层靠近，由于焊条药皮过渡，堆焊层碳含量逐渐增多，则珠光体的含量越来越多，而铁素体的含量不断减少。如图3.1（b）所示，图中的颜色变化可以证明这一点。图3.1（c）所示由于堆焊层碳含量很高，观察到的