多元合金强化型高铬铸铁自保护耐磨堆焊药芯焊丝的研制

摘要：研制了两种多元合金强化型高铬铸铁自保护耐磨堆焊药芯焊丝，其焊接工艺性能优良，堆焊层具有高硬度和高耐磨性，对其自保护机理和耐磨性进行了分析和讨论。

一、概述

中速磨煤机抗磨损件(主要是高铬铸铁磨辊和磨盘)在磨制煤粉过程中不断磨损，其失效形式主要是煤对抗磨损件的摩擦损耗产生的三体磨料磨损，其磨损方式主要是煤中的硬质颗粒对抗磨损件表面造成的显微切削、犁沟塑变以及碳化物的破碎与剥落；磨损机理为微切削磨损、塑性疲劳磨损、脆断和剥落磨损三种机制并存，但以微切削磨损为主。

为保证中速磨煤机的出力，高铬铸铁抗磨损件需定期检查、调整、修复或更换。采用药芯焊丝自动堆焊方式修复废旧高铬铸铁抗磨损件的经济效益和社会效益显著，自保护药芯焊丝自动焊即明弧自动焊因综合性能优异逐步取代埋弧自动焊成为堆焊发展的潮流，但国内配套自保护药芯焊丝的品质和种类明显不能满足目前由于电力建设空前壮大引起的中速磨煤机抗磨损件备件紧张的局面。

本文针对中速磨煤机高铬铸铁抗磨损件的磨损失效机理，研制了两种焊接工艺性能优良，堆焊层具有高硬度和高耐磨性的多元合金强化型自保护药芯焊丝，并对研制焊丝自保护机制的实现和堆焊层高耐磨性的原因进行了探讨。

二、设计原则

研制药芯焊丝(脚号58—O、60—O)外皮采用韩国进口低碳冷轧钢带H08AL，截面为O形，药芯填充系数调整范围45％～55％，先轧后拔工艺生产，成丝直径为3.2mm。

研制药芯焊丝为金属粉型；合金系采用多元合金(Mo、W、V、Nb、Ni、Cu、Zr、Ti、B、Re等)强化的Fe-Cr-C系耐磨合金；主要采用造气-合金元素自保护机制。研制药芯焊丝的成分如表1所示。

三、研制药芯焊丝的性能

1.焊接工艺性能

由于自保护药芯焊丝的工艺参数适应性小，所以试验中对其进行了优化，如表2所示。

药芯焊丝58—O，60—O的焊接工艺性能优良：电弧燃烧稳定，焊道成形好，飞溅少，气孔很少，堆焊层致密无缩松，表面有少量渣点，不予清理不影响连续多层焊接，烟尘不大，噪声低。电弧稳定性和飞溅程度方面同类产品相比有突出表现。表层主要缺陷为横向微裂纹，是应力释放的正常现象，为大多数硬面堆焊所允许。

同一种自保护药芯焊丝在相同的焊接规范下由于采用的焊接设备不同，使得焊接工艺性能差异很大。58—O适合采用ZD7—1000型逆变直流明弧自动焊机焊接；60—O适合采用MZ—1000型埋弧自动焊机不加焊剂焊接，其焊道外观如图1所示。

含有熔敷金属化学成分的CO_{2气体保护焊丝}

2.熔敷金属化学成分

参照GB984制作堆焊试样，经900～1000℃、保温40～60min、炉冷的软化处理后钻取粉末进行化学滴定和红外吸收分析，测得的研制药芯焊丝熔敷金属化学成分见表3。

3.堆焊层金相组织

采用Quanta 200型扫描电子显微镜对研制药芯焊丝堆焊层表面和横截面金相组织进行了分析，照片如图2所示。

58—O、60—O堆焊层的组织相近，均为过共晶组织，在莱氏体基体上均匀分布着形状规则的初生碳化物。碳化物数量多，分布均匀。初生碳化物颗粒较大、呈细杆状、具有明显方向性且生长方向垂直于工作面；共晶碳化物比较细碎，方向性不明显；基体为马氏体和残余奥氏体。与同类产品相比，研制药芯焊丝堆焊层显微组织更优化，对提高堆焊层的耐磨性十分有利。

采用D8 ADVANCE型X-射线衍射仪连续扫描法对58—O、60—O堆焊层进行了物相分析，发现堆焊层中的主要物相有三种：斜方晶系的M7C3；体心立方的Fe-Cr固溶体和Fe。

台式硬度仪

4.堆焊层硬度

分别采用台式硬度仪TH320、便携式硬度仪HLN—11对研制药芯焊丝的堆焊层进行了硬度测试，结果见表4、表5。研制药芯焊丝堆焊层硬度平均值在61～63HRC之间，与同类产品相比，硬度优势较明显。

5.堆焊层耐磨性

为考察研制药芯焊丝堆焊层在不同应力等级下的耐磨粒磨损性能，分别采用MLS—23型湿砂橡胶轮式磨料磨损试验机和SKODA磨损试验机进行了磨损试验。

(1)湿砂橡胶轮式磨料磨损试验  湿砂磨损试样尺寸：57mm×25mm×12mm，湿砂磨损试验技术参数如表6所示。

试验前、后，将试样放入盛有丙酮的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗5～8min，通过用万分之一克光学天平测量耐磨堆焊试样的失重量，以此来衡量堆焊层的耐磨性。取淬火后硬度为52HRc的45钢作为对比试样。

试验表明，在较低应力状态下，研制药芯焊丝堆焊层具有相当强的耐磨粒磨性能，高达45淬火钢的8～10倍，试验结果如表7所示。

(2)SKODA磨损试验  SKODA磨损试验技术参数：试验载荷15kg；转速600r/min；转数3000。研制药芯焊丝堆焊层的耐磨性是通过将在显微镜下测得标准硬质合金轮在试样表面进行定点滚动摩擦产生的磨痕宽度换算成磨损体积来衡量的。

试验表明，在较高应力状态下，研制药芯焊丝堆焊层同样表现出良好的耐磨粒磨损性能，试验结果见表8。

四、分析与讨论

1.自保护的实现

通过在药芯中组合加入微晶石墨、高碳合金、铝镁合金、硅铁、锰铁、钛铁、硼铁及稀土等物质，通过直接消耗氧气、氮气和降低周围环境的氧、氮分压两种途径，使周围气相的氧化性减弱成功地实现了药芯焊丝的造气-合金元素自保护。

碳在高温下有很强的氧化性，氧化后生成还原性的CO，能降低气相中N_{2、O2的分压，可以作为电弧下熔池的保护气体；碳氧化引起的熔池沸腾也有利于N2的逸出.}

铝在高温下具有很高的活度，有非常强的脱氧、脱氮作用，能有效地减小焊缝气孔的敏感性，往往能起到脱氧与固氮的双重作用。镁的沸点为1100℃，在住电弧中可形成蒸汽，并与N、O结合，可到保护熔滴的作用。

硅、锰联合脱氧是焊接冶金中最常用的脱氧于段，可得到较好的脱氧效果。

硼与钛在高温下与氧的亲合力很强，还能与氮反应生成高熔点的BN、TiN，从而既降低氮的有害作用，又可作为熔池金属凝固时的结晶核心起到细化晶粒的作用。

稀土是4f系14个元素的总称，性质非常活泼，在180～200℃就能在空气中被氧化成Re_{2O3，在750℃能与氮反应生成稀土氮化物ReN，能起到脱氧脱氮的作用。稀土能有效降低焊缝气孔的敏感性，使熔敷金属中含氧量下降，总含氮量控制在一定的范围内，降低氮的有害作用。适量的稀土元素还可改善焊缝金属组织的形态、细化晶粒。}

2.高耐磨性分析

为进一步分析研制药芯焊丝堆焊层的磨损和抗磨机理，还对湿砂试样的磨痕进行了扫描电镜分析，见图3。

堆焊层的磨损表面既有划痕、犁沟，又有碳化物脆裂，与实际工况产生的磨损机制相同。

堆焊层经磨损后，未出现碳化物明显突出基体的现象，说明碳化物与基体有良好的强韧性匹配，相互支撑与保护有效地阻碍了磨粒的切削，实现了良好的双向保护，充分发挥了碳化物的抗磨作用，提高了堆焊层的整体抗磨能力。

堆焊层中碳化物的尺寸、分布和形态对微裂纹的产生和扩展起重要作用。

58—O、60—O堆焊层的良好耐磨粒磨损性能正是得益于其优化的显微组织：碳化物数量多、分布均匀，与马氏体+少量残余奥氏体的基体具有良好的强韧性匹配。初生碳化物呈垂直于磨损面的细杆状，共晶碳化物呈颗粒状。

当然，多元合金强化型高铬铸铁合金体系、药芯焊丝与焊接设备及工艺参数的良好匹配、良好的焊接工艺性能也是实现药芯焊丝堆焊层高耐磨性的关键要素。

五、其他

(1)国内目前没有此类药芯焊丝的相关标准，查阅有关资料发现，可将其归到DIN 8555 MF—10—GF—6X—G(57～62HRC时，X=0；62～67HRC时，X=5)或JIS Z3326  YFCrA—S类别中。

(2)多元合金强化型高铬铸铁自保护耐磨堆焊药芯焊丝，既可应用于电力、钢铁、矿山、建材行业的磨煤机旧磨辊、磨盘的修复，也可用于新件的预保护，有十分广阔的应用前景。

(3)研制药芯焊丝与同类产品相比较而言，焊接工艺性能好，尤其是电弧稳定、飞溅少；堆焊层硬度高，显微组织优化，耐磨性强；在价格方面(直接生产成本2～3万元/t)也颇具优势，有较好的发展空间。中试产品在某电厂的工业性试验中耐磨时间超过8000h，改进型产品正在大力推广应用中。

六、结语

(1)研制药芯焊丝采用金属粉芯、多元合金强化型高铬铸铁合金系、造气-合金元素自保护机制。

(2)研制药芯焊丝焊接工艺性能优良，堆焊层宏观硬度61～63HRC，在不同应力等级下均有良好的耐磨粒磨损性能。

(3)优化的显微组织(M_{7C3型碳化物数量多、分布均匀，与马氏体+少量残余奥氏体的基体有良好的强韧性匹配，初生碳化物呈垂直于磨损面的细杆状，共晶碳化物呈细碎的颗粒状)是研制药芯焊丝堆焊层具有良好耐磨粒磨损性能的根本原因。}