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高效高硬度低成本耐磨堆焊焊条的研制


第29卷第3期
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V01.29 March

No.3 2 0 0 8

8年3月TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION

高效高硬度低成本耐磨堆焊焊条的研制
张清辉, 肖逸锋, 龚建勋
(湘潭大学机械工程学院,湖南湘潭411105)

摘要:研制了一种新型的高教高硬度低成本耐磨堆焊焊条。焊条中大量加入铁粉和 适量的石墨而不加任何矿石粉,少加或不加价贵组分,系统调整焊条药皮配方以及筛选 合适的合金组元,既提高了焊条的综合性能又降低了成本。结果表明,焊条的工艺性能 良好,焊条的熔化效率达3 kg/h,熔敷效率达226.9%,焊条收得率达80%,堆焊单层熔 敷金属硬度达67 HRC,耐磨性为某高铬铸铁焊条的1.52倍,同时具有较好的抗裂性。 关键词:堆焊焊条;耐磨;高效;高硬度;低成本 中图分类号:TG422.1
文献标识码:A

文章编号:0253—360X(2008)03一0005—04

张清辉

0序



矿石粉,在焊接过程中造渣、造气进行保护,这种保 护就是排开焊接区的空气,防止空气中的氮、氢、氧 进入焊缝。经长期实践摸索,发现耐磨堆焊焊条均 可不加任何矿石粉。因为耐磨堆焊的特点是熔敷金 属中有较多的碳形成碳化物硬质相来提高其耐磨 性。所以焊条药皮中可加入较多的石墨,只要药皮 配方中的银片石墨重量达到4%以上时,用直流电 焊机便可顺利施焊;石墨继续增加,电弧稳定性增 加,当银片石墨重量达8%以上时,用交流电焊机便 可施焊。这是因为石墨的加入在焊条燃烧过程中释 放出大量的热量,有利于热发射使电弧稳定燃烧。 在焊条药皮配方中加入了较多的石墨,在焊条 燃烧过程中,部分碳氧化成c02,如C02气体保护焊 一样起到保护作用。另外耐磨堆焊焊条与普通结构 钢焊条又有所区别。普通结构钢焊接时,气体进入 焊缝会严重影响焊缝的脆性,在耐磨堆焊过程中有 少量气体的进入有利有弊或影响不大。其一,堆焊 时由于合金元素较多熔池存在时间相对较长,有利 于气体逸出;其二,氮气进入焊道有助于形成合金氮 化物硬质相,可提高焊道的硬度与耐磨性,这是求之 不得的;其三,堆焊金属组织奥氏体存在时间较长, 往往到室温还有部分残余奥氏体对氢的扩散和溶解 均有利。 同时,石墨的存在有利于改善焊条的压制性,研 制中采用钠水玻璃,浓度在波梅度47以上可顺利压 制生产焊条。 1.2铁粉的加入 普通结构钢焊条中有一种铁粉焊条,其焊条药 皮中铁粉加入量在20%以上,焊条工艺性能好,熔

随着工业的发展,机械产品不断增加,寿命要求 越来越长,在耐磨堆焊领域中要求耐磨堆焊焊条的 性能进一步提高。现有的耐磨焊条综合性能较差, 例如硬度高、韧性低、抗裂性较差,大多需要预热,焊 接工艺复杂;熔化速度慢、熔敷效率低,使工人在热 状态下工作时间较长。特别是热天预热堆焊时,上 述不足更加凸显。而且,一般堆焊焊条药皮中加有 大量起稳弧、造渣、造气等作用的矿石粉,基本上是 白消耗而不过渡,对于要求一定厚度熔敷金属的堆 焊来说焊条头增多,造成焊条收得率较低,一般在 50%以下[1]。此外,随着市场行情的变化,焊条原材 料不断涨价,有的幅度特别大,如钼铁、钒铁等价格 是原来的3—10倍。如何降低焊条成本,是研究人 员的永恒课题。针对上述不足和新情况研制了一种 高效高硬度低成本的耐磨堆焊焊条。

1焊条的设计
1.1焊条药皮组成 在焊条药皮中不加任何矿石粉,全由铁粉、石 墨、合金组元组成。这样焊道上基本无渣,可连续进 行多道多层堆焊,节省矿石粉的消耗,可大大提高焊 条的熔化效率、熔敷效率和焊条收得率。 传统的焊接保护,是在焊条药皮中加入大量的
收稿日期:2007—1l—03 基金项目:湖南省科技厅资助项目(2006GK3087);湖南省教育厅资 助项目(050)85.06C838)

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敷系数高,而在耐磨堆焊焊条中尚未见所谓的铁粉 型耐磨堆焊焊条报道。药皮中大量铁粉的加入,有 利于焊条的熔化,同时加大药皮外径,这是提高焊条 熔化效率、熔敷效率和收得率的关键。基于此研制 一种新型的铁粉耐磨堆焊焊条,其药皮中的铁粉含 量高达72%。 1.3合金系统的选择 堆焊金属想要硬度高耐磨性好,需要加入较多 的强碳化物形成元素幢“J。合金元素可以是“少元 多量”或“多元少量”的形式加入。“多元少量”是当 前堆焊材料研制的趋势,多元合金化有利于晶粒细 化,防止堆焊和后热处理过程中晶粒长大。硬质相 也以多种为好,既要有碳化物也要有硼化物、氮化物 和金属问化合物等,而且尽量以化合物形式加入为 宜。例如碳化硼,可以是直接加入这种物质,也可以 加入碳和硼铁,让它在堆焊时结合成碳化硼怛J。但 是,由于焊接冶金过程的特殊性,熔池存在时间较 短,冶金反应不完全,不一定结合成碳化硼。 此外,不同化合物的硬度与韧性是不同的,例如 碳化钒的韧性比碳化钨等许多碳化物韧性要好。为 了把堆焊金属的硬度与韧性都提上去,化合物的种 类和量要作统一的考虑,提高焊条的综合性能。 1.4焊条成本 最近一段时间以来,焊条原材料几乎普遍涨价, 特别是铁合金涨价幅度大,而耐磨堆焊焊条中必须 加入较多的合金元素才能获得需要的性能。湘潭大 学1986年开始直至今天仍在生产的耐磨2号焊条, 堆焊金属硬度为63 HRC,焊条以钼、钒作为主加元 素,焊条的原材料成本由20元/kg左右增加到60元 /kg以上,显然用户难以接受。该焊条研制的一个出 发点就是要降低成本,研制中反复调整合金系统以 及合金元素的量,价贵的如钨、钼、钒、镍等少加或不 加,其它如碳化硼、碳化硅、碳化钛等可以大幅度提 高焊条硬度,而价格相对较低或很低的碳化物是优 先考虑的添加物,当然要充分考虑它们使焊条脆性 急增。 所研制的焊条是在大量试验的基础上定型的, 堆焊金属硬度为67 HRC,和耐磨2号焊条相比,硬 度由63 HRC提高到67 HRC,堆焊金属韧性相当,而 焊条原材料成本由现行的60元/kg左右又下降到 20元/kg左右。

钒铁、碳化钨、高碳铬铁、铌铁、镍粉、金属铬、中碳锰 铁、金属锰、硅铁、碳化铌、120 低碳钢试板等。 2.2焊条制备 焊条的焊芯为H08A,直径为'5

mln


60 mln



20 real

l/lnl,焊条的药

皮外径为声9 toni,药皮重量系数在60%以上,可大 大提高焊条的熔敷效率。按设计的配方称粉后,进 行干粉搅拌和湿粉搅拌,再用25T油压机压制焊条, 焊条经凉干,低温烘干和350 oC保温2 h高温烘干 后可对焊条进行各种性能试验。 2.3试验方法 2.3.1焊条熔化效率的测定 焊条熔化效率是测试单位时间内所烧焊条重 量,一般折算成每小时烧多少公斤焊条。 2.3.2焊条熔敷效率的测定 焊条的熔敷效率是指熔敷金属重量或有效焊缝 金属重量占所烧焊条焊芯重量的百分数,试验时在 试板上连续堆焊完3 kg焊条,清理后测得试板重量 的增加即为3奴焊条熔敷金属重量,堆焊前需计数


kg焊条有多少根,每根焊芯有多重,计算出焊芯总

重量,减去烧完后所剩焊条头的总重量(焊条头上的 药皮需去除)即为焊条焊芯重量。两者相比得出焊 条的熔敷效率。 2.3.3焊条收得率的测定 焊条收得率为熔敷金属重量与所烧焊条重量之 比。测试时只需计数所烧焊条重量和试板重量的增 加就可求出。此数据不仅可为用户特定条件下提供 购买焊条的数量,更重要的是说明购买某种焊条的 实惠性。 2.3.4抗裂性定性测试 耐磨焊条的抗裂性目前尚无有关标准和较统一 的测试方法,研制组经过长期以来摸索,使用下列方 法来定性地判断焊条的抗裂性,只要试板和工艺条 件不变,该方法的试验结果有较好的重复性。 试板为120
mm


60 mm×20

nllTl的普通低碳

钢,在试板长度方向中央堆焊长度为80 Innl的单道 焊道。试板冷却至室温后,用同一根焊条在焊道中 央点焊10~15 mill的焊点,在冷却过程中(通常在
10

s以内),出现三种情况:(1)冷却过程中连续发

出两次响声,即在焊点两端热影响区(试验焊道上) 均产生裂纹;(2)冷却过程中只发生一次响声,即在 焊点两端热影响区一处产生裂纹;(3)冷却过程中 直至室温均未听到响声,即焊点两端均未发生裂纹, 显然这种情况下焊条抗裂性最好。这样堆焊焊条的 抗裂性大致分成三等,以确定焊条在什么工艺条件 下堆焊、什么工况下使用为合适。此方法被称为焊

2试验材料与方法
2.1试验材料 碳化硼、硼铁、碳化钛、碳化硅、银片石墨、钼铁、

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张清辉,等:高效高硬度低成本耐磨堆焊焊条的研制
表2堆焊金属的硬度
Table 2 Hardness of deposited metals



道点焊抗裂性试验,它是基于点焊金属冷却收缩对 试验焊道产生拉应力来考察焊条熔敷金属承受应力 程度,而反映出它的抗裂性能。 其它试验按通常方法和处理方式进行。

3结果与分析
3.1

焊条熔化效率和熔敷效率及收得率 以某厂生产的高锰钢堆焊焊条作为对比焊条,

在400

ITIl71×300

m×30

r/Lrn的普通低碳钢板上,不

此焊条熔敷金属中含锰量达16%,也就是说焊条药 皮中除矿石粉以外加有较多的合金元素,它的熔化 效率、熔敷效率和收得率是较高的。 试验在同等条件下进行,包括同一台焊机、同一 工艺参数、同材料同尺寸试板、同一焊工、各烧3 焊条,整理得出的结果如表i所示。
表1焊条的熔敷性能
Table 1 Deposition

预热单道单层堆焊一根焊条,焊道不产生裂纹。在 焊道点焊抗裂性试验中,研制的焊条属于第二种情 况,即点焊焊道一头热影响区焊道上产生裂纹,如 图1所示。

kg

properties of the electrode 图1

焊道点焊抗裂性试验示意图
Schematic of spot welding crack test

F.叼.1

对于这种情况,在实际生产中进行了相应的预 热,缓冷措施,许多工件堆焊基本不产生裂纹。第一 由表1可知,所研制的焊条的熔化效率、熔敷效 率和收得率均比对比焊条的高。该焊条药皮中有较 多的碳和72%的铁粉,焊条燃烧过程中产生大量热 加速焊条熔化,提高了熔化效率。焊条药皮组分不 含矿石粉,药皮均可熔入熔敷金属之中,同时焊条芯 为声4 IlrUTl,而焊条外径则较特殊,加粗到声9 mill,焊 条的药皮重量远超过焊条的焊芯重量,大大提高了 其熔敷效率。由于焊条外径大,单根焊条重量大,单 位重量焊条根数少,烧焊时丢掉的焊条头少,由表1 中数据可看出购买1 l【g该焊条相当于购买一般堆 焊焊条1.5 l(g左右,如果价格和性能相当的话,给 用户带来很大实惠。 3.2堆焊金属的硬度 硬度试验试板尺寸为120/I'IITI


种情况,即点焊道两头热影响区焊道上均产生裂纹, 则焊条的抗裂性较差,例如高铬铸铁焊条,实际生产 中即使进行焊前预热有时也难免不产生裂纹。第三 种情况即点焊道两端热影响区焊道上均不产生裂 纹,则焊条的抗裂性很好,在实际生产中,工件不进 行焊前预热也可能不产生裂纹。 研制的焊条具有一定的抗裂性,主要是多种元 素合金化,得到较细晶粒,也考虑了不同化合物的脆 性不同来决定所加量的多少。 3.4堆焊金属的耐磨性 高铬铸铁焊条是耐磨粒磨损较好的焊条,以此 作为对比焊条,试验数据如表3所示。
表3堆焊金属的耐磨性

60 nml



20

rIⅡ11.

Table 3

Wear

resistance of deposited metals

在长度方向中央堆焊单道焊道冷却到室温后磨平测 硬度,在距焊道两端点10 rrdTi以内测5点有效硬度, 取平均值。表2所示为研制的焊条堆焊金属的硬度。 研制的焊条的硬度在耐磨堆焊焊条中已是很高 的了,这是熔敷金属中存在多种碳化物、硼化物等的 结果,同时多种合金元素熔入基体,产生固溶强化使 基体硬度提高所致。 3.3堆焊金属的抗裂性 研制的焊条硬度虽高,但还有一定的抗裂性。 从表3中的试验数据可知,研制的焊条的耐磨

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性为某高铬铸铁焊条耐磨性的1.52倍,具有较好的 耐磨性。 图2所示为焊缝堆焊金属的显微组织,结合 XRD物相分析结果可知,堆焊层组织比较均匀,主 要由低碳马氏体基体、呈白色网状分布于其中的块 状共晶碳化物相(Cr,Fe),G,以及分布于其内的硼 化物和碳化物颗粒组成。由于焊条外径较为粗大, 焊后冷却速度相对较慢,数量较多的一次共晶碳化 物连结成网,网状分布的共晶碳化物切断了基体的 连续性,不利于其韧性;不过由于焊条药皮中加入碳 化硼、碳化钛、碳化硅等多种耐磨硬质相,较多弥散 分布的硼化物和碳化物颗粒又切断了共晶碳化物的 连续性,有利于提高其抗裂性。试验表明,适当预热 就可避免裂纹出现。此外,具有较好塑韧性的低碳 马氏体基体对其中的碳化物有效地支撑和镶嵌,阻

碍碳化物滑移,延阻碳化物剥离,硼化物和碳化物等 硬质相和粗大的共晶碳化物保证了其良好的耐磨 性。多次试验表明,碳化硼的存在大大增加了焊条 的耐磨性。需要说明,熔敷金属中硼化物的获得,可 以向焊条药皮中加入硼粉、碳化硼或硼铁等,但对耐 磨性的增加差别很大。 4





(1)焊条药皮中不加矿石粉而加入了较多石 墨,同时加入了高达72%的铁粉,且乒4 mnl焊芯药 皮外径达,5


mm,大大提高了焊条的熔化效率、熔

敷效率和焊条收得率。 (2)通过少加或不加价贵组分,以相对低价组 分替代,系统调整焊条药皮配方即提高了焊条的性 能又降低了焊条成本。 (3)焊条加入少量多元合金组成物,同时考虑 各种组成物对硬度和韧性的影响,通过优选定型,焊 条硬度达67 HRC,同时具有较好韧性和耐磨性。 (4)试验采用的焊道点焊抗裂性试验可以方 便、准确地定性分析堆焊金属的抗裂性。

参考文献:
∽光学金相组织

[1]张清辉,吴宪平,洪波.焊接材料研制理论与技术[M].北 京:冶金工业出版社,2002. [2]刘政军,张桂清,尹奕君,等.合金元素对铁基耐磨堆焊合金 性能的影响[J].焊接学报,2007,28(3):69—72. [3]钟玉,屈金山,陈文静,等.焊条电弧焊堆焊金属组织及其 性能分析[J】.焊接技术.2007,36(3):10—12. [4] 王宝森,李午申,冯灵芝.超高硬度堆焊材料的硬度及耐磨性 [J].焊接学报,2003.24(1):1—4.

∞扫描电镜背散射电子像 图2堆焊金属的显微组织
Fig.2
Microstructure of deposited metals

作者简介:张清辉,男,1945年出生,教授、国务院特贴专家。主
要从事特种耐磨材料的研究工作。先后承担湖南省科技厅重点项目 等6项,获得发明专利8项,出版专著1部,发表论文50余篇。

Email:xiaoyifem912345@163.Ⅻ

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高效高硬度低成本耐磨堆焊焊条的研制
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 张清辉, 肖逸锋, 龚建勋, ZHANG Qinghui, XIAO Yifeng, GONG Jianxun 湘潭大学,机械工程学院,湖南,湘潭,411105 焊接学报 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION 2008,29(3) 4次

参考文献(4条) 1.张清辉;吴宪平;洪波 焊接材料研制理论与技术 2002 2.王宝森;李午申;冯灵芝 超高硬度堆焊材料的硬度及耐磨性[期刊论文]-焊接学报 2003(01) 3.钟玉;屈金山;陈文静 焊条电弧焊堆焊金属组织及其性能分析[期刊论文]-焊接技术 2007(03) 4.刘政军;张桂清;尹奕君 合金元素对铁基耐磨堆焊合金性能的影响[期刊论文]-焊接学报 2007(03)

本文读者也读过(10条) 1. 张清辉.肖逸锋.龚建勋 高效高硬度低成本耐磨堆焊焊条的研制[会议论文]-2007 2. 肖逸锋.汪中玮.张清辉.贺跃辉.XIAO Yi-feng.WANG Zhong-wei.ZHANG Qing-hui.HE Yue-hui 高温无渣耐磨堆 焊焊条的焊接工艺[期刊论文]-粉末冶金材料科学与工程2006,11(1) 3. 倪雪辉.张清辉.任立臣.龚建勋.NI Xuehui.ZHANG Qinghui.REN Lichen.GONG Jianxun 埋弧堆焊药芯焊丝的研 制[期刊论文]-热加工工艺2008,37(23) 4. 刘政军.李永奎.陈宏.刘臣.王春志 铁基高温耐磨堆焊焊条的设计[期刊论文]-沈阳工业大学学报2004,26(4) 5. 任立臣.张清辉.倪雪辉.龚建勋.REN Lichen.ZHANG Qinghui.NI Xuehui.GONG Jianxun 高效耐磨铁粉堆焊焊条 的研制[期刊论文]-新技术新工艺2009(1) 6. 汪中玮.张清辉.肖逸锋.WANG Zhong-wei.ZHANG Qing-hui.XIAO Yi-feng 镍基高温耐磨无渣堆焊焊条及其热处 理工艺[期刊论文]-焊接学报2006,27(1) 7. 龚建勋.肖逸锋.张清辉.马蓦 Fe-Cr-V耐磨堆焊合金[期刊论文]-焊接学报2008,29(7) 8. 王新洪.邹增大.宋思利.曲仕尧 TiC-VC免预热耐磨堆焊焊条[期刊论文]-焊接学报2002,23(4) 9. 刘翠荣.赵志英 耐磨耐热堆焊焊条的研制[期刊论文]-焊接技术2002,31(1) 10. 肖逸锋.陈愚.龚建勋.张清辉.XIXO Yifeng.CHEN Yu.GONG Jianxun.ZHANG Qinghui Fe-Cr-C系药芯焊丝耐磨堆 焊层的组织和性能[期刊论文]-热加工工艺2008,37(11)

引证文献(4条) 1.杨绍斌.董伟.徐晓辰.李婷 Fe-Cr-C系堆焊耐磨材料的研究现状与展望[期刊论文]-材料导报 2012(3) 2.杨绍斌.董伟.吴晓光.孙帅 一种高耐磨铁基堆焊合金的优化设计[期刊论文]-热加工工艺 2012(1) 3.杨可.余圣甫.杨华 氮合金化堆焊硬面合金组织与耐高温磨损性能[期刊论文]-焊接学报 2011(1) 4.杨根喜.石端虎.印有胜.黄传辉 电站阀门密封面高温耐磨堆焊焊条的研制[期刊论文]-合肥工业大学学报(自然科 学版) 2010(2)

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