一種微裂紋高耐磨藥芯焊絲的研制

張嘉俊

江蘇維特高科焊業(yè)有限公司 江蘇淮安 223100

1 序言

近年來(lái)，伴隨著國(guó)內(nèi)工程建設(shè)事業(yè)的高速增長(zhǎng)，我國(guó)的采掘、筑路領(lǐng)域已然成為了國(guó)內(nèi)高端裝備制造業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)支持發(fā)展產(chǎn)業(yè)。在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略引導(dǎo)下，工礦機(jī)械易磨損部件修復(fù)再制造領(lǐng)域發(fā)展勢(shì)頭迅猛，易磨損部件的修復(fù)再制造不但可以節(jié)約金屬資源，也為機(jī)械設(shè)備使用方降低成本提供了新途徑。本文研制了一種微裂紋高耐磨藥芯焊絲，可供采掘、筑路設(shè)備等易受土砂及金屬間磨損的部件提供修復(fù)再制造使用。

2 研制

磨損是零部件失效主要原因之一，目前應(yīng)用在抗磨損堆焊再制造領(lǐng)域較廣泛的有高鉻鑄鐵合金等，然而受合金本質(zhì)及工藝方法的限制，當(dāng)修復(fù)厚度超過(guò)一定范圍，則會(huì)出現(xiàn)因焊接應(yīng)力釋放造成的裂紋（見(jiàn)圖1）。尤其是邊角部位、裂紋交錯(cuò)部位，往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的剝落、掉塊，嚴(yán)重影響了其耐磨損的效果。

另一方面，材料的開(kāi)裂與碳當(dāng)量也有直接的關(guān)系，一般認(rèn)為，碳當(dāng)量越高，越容易開(kāi)裂。高鉻鑄鐵堆焊合金的碳當(dāng)量較高，一般在4%~6%之間。因此，對(duì)于微裂紋藥芯焊絲藥芯的設(shè)計(jì)上應(yīng)在保證硬度的前提下，選用低碳當(dāng)量的成分組合。

此外，還需要加入錳、硅、鈦、鋁等元素進(jìn)行脫氧脫氮，以防止在焊接過(guò)程中出現(xiàn)氣孔等相關(guān)缺陷。

圖1 高鉻鑄鐵合金堆焊合金表面裂紋

在焊接保護(hù)氣體的選擇上，優(yōu)先選用組分為80%Ar+20%CO2或85%Ar+15%CO2二元混合氣體保護(hù)，而盡量避免使用100%CO2，減少保護(hù)氣體的氧化性，從而使合金元素的燒損減少。

對(duì)于渣系的設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮去除造渣組分。作為堆焊藥芯焊絲，對(duì)探傷要求不高，沒(méi)有必要采取氣渣聯(lián)合保護(hù)的方式：因此采用金屬粉芯，去除造渣的成分，提高焊絲的熔敷量，省略掉焊接施工人員除渣及清理現(xiàn)場(chǎng)的工作，將有效地提高焊接效率。

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的藥芯焊絲普遍采用軋拔法生產(chǎn)，由兩部分組成，藥芯部分和鋼帶外皮部分。

該藥芯焊絲采用0.9mm厚度的SPCC冷軋低碳鋼帶（化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1），設(shè)計(jì)藥粉添加率為18%~24% （藥芯組成見(jiàn)表2），采用軋拔法生產(chǎn)（軋拔法藥芯焊絲生產(chǎn)線見(jiàn)圖2），由直進(jìn)式拉絲機(jī)拉細(xì)成1.6mm的線徑。

表1 SPCC冷軋低碳鋼帶化學(xué)成分及力學(xué)性能

表2 藥芯組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖2 軋拔法藥芯焊絲生產(chǎn)線

藥芯組成包括鉻鐵、錳鐵、硅鐵、鎢鐵、釩鐵、鉬鐵、石墨以及少量的用于工藝改良的添加劑。其中，硅鐵、錳鐵主要起到脫氧的作用，此外，錳鐵還可以去除堆焊合金中一定量的硫。石墨在堆焊合金中可以改善焊接工藝并為堆焊合金增碳。鉻鐵、鎢鐵、釩鐵可以在堆焊合金中形成各種合金碳化物硬質(zhì)相，對(duì)堆焊合金基體起到硬度和耐磨性的強(qiáng)化。

W含量的增加，堆焊金屬相對(duì)耐磨性隨之增加，這是因?yàn)橐环矫鎃具有固溶強(qiáng)化的作用，另一方面還形成了WC、W2C硬質(zhì)相，從而提高了堆焊金屬的耐磨性。

V是強(qiáng)碳化物形成元素，形成VC是堆焊層中理想的硬質(zhì)相，硬度高達(dá)2000HV以上。且VC的高溫性能穩(wěn)定，在磨損情況下不易變形和破裂，高溫下還具有抑制長(zhǎng)晶性能。所以隨 V 的含量增加，堆焊金屬的耐磨性增加[1]。

堆焊金屬的耐磨性取決于其中硬質(zhì)化合物的總量、各硬質(zhì)化合物的性能和它們的形態(tài)與分布、基體的硬度等[2]。

綜上所述，降低碳當(dāng)量、增加Cr、W、V等多元硬質(zhì)合金含量并使其產(chǎn)生的碳化物硬質(zhì)相細(xì)小且彌散分布于堆焊合金中，可以獲得微裂紋高耐磨的堆焊合金。

3 試驗(yàn)

對(duì)于堆焊藥芯焊絲，焊接工藝性是評(píng)價(jià)焊絲質(zhì)量的重要因素。較穩(wěn)定的電弧，較少的飛濺物不僅能保證焊道表面成形美觀，更能節(jié)約焊材、減少清理工作，提供優(yōu)良的施工友好性。

選擇Q235B材質(zhì)板材，長(zhǎng)度約300mm，寬度約50mm，厚度約20mm，使用松下YD-500FR氣體保護(hù)焊機(jī)以及80%Ar+20%CO2混合氣體保護(hù)，焊接電流260~280A，電弧電壓32V，沿長(zhǎng)度方向平焊一道，觀察焊縫成形及飛濺物情況。

采用納克Labspark750B直讀光譜儀以及HW2000B型高頻紅外碳硫儀對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)定（見(jiàn)圖3）。

圖3 納克Labspark750B直讀光譜儀

采用華銀HR-150A型洛式硬度計(jì)對(duì)其表面進(jìn)行硬度測(cè)定。采用MLS-225型橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定其耐磨性，并與Mn13鑄件進(jìn)行相同試驗(yàn)條件下的結(jié)果比較。采用肉眼或10倍放大鏡觀察堆焊合金經(jīng)平面磨床磨削加工的焊道表面。

4 試驗(yàn)結(jié)果

（1）焊縫表面成形及飛濺物 焊接結(jié)果如圖4、圖5所示。觀察未經(jīng)處理的焊道表面，可以看出焊道表面幾乎無(wú)渣，而且無(wú)表面氣孔等缺陷，焊道兩側(cè)飛濺物較少。

（2）堆焊合金熔敷金屬化學(xué)成分 堆焊熔敷金屬化學(xué)成分見(jiàn)表3，硬度見(jiàn)表4，磨粒磨損試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

圖4 焊接工藝測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖5 未經(jīng)處理的焊道表面

表3 堆焊熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表4 堆焊合金熔敷金屬硬度 （HRC）

表5 磨粒磨損試驗(yàn)

（3）堆焊合金表面宏觀形貌 經(jīng)10倍放大鏡觀察堆焊合金表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的宏觀裂紋（見(jiàn)圖6）。但由于堆焊合金中分布細(xì)小的碳化物硬質(zhì)相，這些硬質(zhì)相雖然尺寸細(xì)小但是一定程度上會(huì)對(duì)堆焊合金的基體組織產(chǎn)生割裂。

圖6 堆焊合金表面宏觀形貌

5 應(yīng)用

目前，此產(chǎn)品正在市場(chǎng)化推廣中。應(yīng)用于刮板機(jī)中部槽修復(fù)（見(jiàn)圖7）以及掘進(jìn)機(jī)頭部截齒座耐磨強(qiáng)化（見(jiàn)圖8），均取得了良好的使用效果。

圖7 刮板機(jī)中部槽修復(fù)

圖8 掘進(jìn)機(jī)截齒座耐磨強(qiáng)化

6 結(jié)束語(yǔ)

研制了一種微裂紋高耐磨藥芯焊絲，采用80%Ar+20%CO2或85%Ar+15%CO2二元混合氣體保護(hù)焊接，合金設(shè)計(jì)上采用多元合金碳化物彌散強(qiáng)化，堆焊合金表面硬度達(dá)57~60HRC。經(jīng)肉眼及10倍放大鏡下觀察，未發(fā)現(xiàn)堆焊合金表面有明顯宏觀裂紋，與高鉻鑄鐵堆焊合金相比，其受磨粒磨損而導(dǎo)致剝落的可能性大為降低。

通過(guò)磨損試驗(yàn)得出，其耐磨粒磨損性能是同條件下Mn13鑄件的4.5倍。目前，應(yīng)用于刮板機(jī)中部槽修復(fù)和掘進(jìn)機(jī)頭部截齒座耐磨強(qiáng)化均取得了良好的使用效果。