新型明弧硬面药芯焊丝研制

摘要: 研制出了新型明弧硬面药芯焊丝,堆焊层的显微组织为马氏体加少量残余奥氏体,在马氏体上弥散分布着细小的碳化物、氮化物和碳氮化物质点. 试验结果表明:新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层的结合强度高,有良好的耐磨性能、抗疲劳裂纹和剥落性能. 堆焊层的硬度为51～53HRC ,堆焊层硬度不均匀性为±1.5HRC.
关　键　词: 明弧焊; 硬面药芯焊丝; 马氏体不锈钢

New type of hardfacing flux cored Wire for open arc welding
Abstract : A new type of hardfacing flux cored wire for open arc welding has been developed. The mi2 crost ructures of hardfacing metal consisted of martensite and a little residual austenite , and a great of fine carbide phases , nit ride phases and carbonit ride phases spread out in martensite. The measured result s showed that this new type had high value of joint st rength , and hardfacing metal of this type had excellent properties of wear resistance , resistance fatigue crack and resistance peel. The hardness values of hardfacing metal are 51～53 HRC , and the deviation in hardness of hardfacing metal was about ±1. 5 HRC.
Key words : open arc welding ; hardfacing flux2cored wire ; martensite stainless steel

1 　硬面合金系和显微组织的确定
    1 700 轧机轧制线的上下夹送辊和助卷辊,传统上用Cr2Mo2W2V 合金系焊丝匹配107 焊剂用埋弧焊进行堆焊修复,堆焊硬面层中的碳含量达0. 32 % ,常出现较粗大的碳化物,大大降低了堆焊硬面层的韧性,从而造成辊面出现疲劳裂纹,脱落和剥皮现象. 低碳马氏体不锈钢具有良好的塑性,抗疲劳裂纹和抗脱落、剥皮性能,据此选用低碳马氏体不锈钢合金系. 为了进一步降低马氏硬面合金中的碳含量,提高塑性,用一部分氮代替碳,使低碳马氏体基体中有弥散的碳化物、氮化物
和碳氮化物沉淀析出. 因此,设计新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层的主要化学成分为(质量分数) :含Cr 量为11. 0 %～14. 5 %;含N 小于0. 15 %. 显微组织为低碳马氏体加少量残余奥氏体,并在低碳马氏体基体上弥散分布着碳化物、氮化物和碳氮化物. 表1 为新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层的设计与实际测量化学成分.

表1 　新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层的化学成分(质量分数, %)
C     Si     Mn     S     P     Cr     N     其他
设计成分0. 15～0. 25 0. 30～0. 50 1. 10～1. 50 ≤0. 010 ≤0. 015 11. 0～14. 5 ≤0. 15 ≤5. 0
堆焊层0. 18   0. 41   1. 33   0. 008   0. 011   12. 96   0. 095   3. 85

2 　试验材料与方法
    用研制的新型明弧硬面药芯焊丝, 在30CrMnMoA 钢上进行堆焊. 焊机为MZQ21000B直流焊机. 焊接工艺参数为:焊接电流I = 340～380 A、焊接电压V = 32～36 V、焊接速度V =450 mm/ min ,堆焊六层,在堆焊层上取磨损试样、硬度测量试样. 用MLS223 型湿砂磨料磨损试验机进行磨损试验,用HR2150AL 洛氏硬度计测量堆焊层硬度. 堆焊层结合强度的测量方法为:用250 mm ×250 mm ×20 mm 的30CrMnMoA 的钢板作为试板,在试板表面上堆焊面积为200 mm ×30 mm ×15 mm 的长方块. 将堆焊层加工成Φ22mm ×8 mm 的圆柱,再在未堆焊层试板侧钻Φ15mm ×22 mm 的孔,用Φ14. 5 mm ×28 mm 的圆棒施压,使堆焊层与基体剥离,以确定堆焊层与基体的结合强度.

3 　试验结果与讨论
3. 1 　堆焊层耐磨性能
    在堆焊层中取6 个25 mm ×25 mm ×15 mm磨损试样. 磨损试验时,磨轮的转速n = 245 r/min ,载荷为69 N ,磨损时间为1 h. 磨粒是直径为230～400μm 的石英砂,硬度为900～1 000 Hv.堆焊层的耐磨损性能用试样的失重表示,即:
磨损失重W = 试样原始质量W1 - 实测磨损后试样的质量W2 .新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层经1 h 磨损后, 平均失重为0. 176 5 g. 相同条件下,H25Cr3Mo2VA 硬面焊丝堆焊层的平均失重为0. 258 7 g. 由此可见,新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层的失重仅为H25Cr3Mo2VA 硬面焊丝堆焊层的一半.用扫描电镜对硬面堆焊层磨粒磨损后的试样观察发现,新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层的磨痕很浅,沟槽比较细,表明磨粒压入堆焊层表面的深度浅. 在磨粒作用下塑性变形小,有较高的塑性储备, 表现出良好的抵抗磨粒磨损性能[1 ] . 而H25Cr3Mo2VA 硬面焊丝堆焊层的磨痕比较宽,说明磨粒压入堆焊层表面的深度深,堆焊层抵抗磨粒变形的抗力较弱.堆焊层的耐磨损性能主要取决于显微组织.堆焊层的显微组织为马氏体加少量残余奥氏体,在马氏体基体上分布着许多细小的碳化物、氮化物和氮碳化物. 弥散分布的M23C6 ,M7C3 碳化物,VN , TiN 氮化物和V (C ,N) , Ti (C ,N) 碳氮化物,能显著提高硬面堆焊层的耐磨粒磨损性能[2 ] . 因此,新型明弧硬面药芯
焊丝堆焊层的耐磨粒磨损性能良好.

3. 2 　堆焊层硬度测量
    表2 为新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层, 经600 ℃,2 h 等温热处理后,洛氏硬度的数值.
表2 　新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层的硬度值(HRC)
                       试样编号
                        测量点
        1 2 3 4 5 6
        1 52. 0 51. 5 51. 5 52. 5 52. 5 52. 5
        2 52. 5 52. 0 52. 5 51. 0 52. 5 53. 0
        3 51. 5 52. 5 53. 0 52. 5 52. 0 52. 5
　　由表中数据可见,新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层硬度均匀,硬度数值在51. 0～53. 0HRC 之间. 这是因为在新型明弧硬面药芯焊丝中,用部分氮代替了碳,而氮原子占据着八面体间隙位置,易在固溶体中均匀分布,使得析出的氮化物质点细
小、弥散分布,也使碳化物成为细小、弥散分布的碳氮化物,从而使得堆焊层硬度均匀[3 ] .
3. 3 　堆焊层结合强度测量
    表3 为新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层结合强度数值. 由表中数据可见,堆焊层与基材有很高的结合强度,实测断裂强度≥770 MPa.

表3 　新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层结合强度
编号1 2 3 4
断裂位置  母材  母材  母材  热影响区
断裂强度/ MPa 770. 8 790. 5 810. 7 897. 5
    破坏形态从母材剪切下从母材剪切下从母材剪切下堆焊层脱落新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层结合强度高是显微组织晶粒细小,RE 净化晶界的结果. 在新型明弧硬面药芯焊丝金属粉中加入少量CrN ,V , Ti和RE. V ,Ti 能在液态熔池中形成TiN ,VN 作为非自发形核的质点,并在奥氏体中沉淀析出TiN ,VN ,Ti (C ,N) 和V(C ,N) ,阻止晶粒长大,使硬面堆焊层显微组织明显细化.药芯焊丝金属粉中加入少量的RE 能与S ,P反应,形成大直径复合夹杂物,浮到熔渣中,使堆焊层金属得到净化. 此外,RE 元素在低碳马氏体不锈钢中的溶解度比较小,易偏聚于晶界处,可降低晶界能垒,使新相沿晶界析出困难,避免晶界出现粗大组织,从而保证硬面堆焊层有较高的塑性[4 ] . 故新型硬面堆焊药芯焊丝堆焊层与基体的结合强度高达770 MPa 以上.
3. 4 　堆焊层的耐腐蚀、抗疲劳和剥落性能
    将新型明弧硬面药芯焊丝用于1 700 热轧机助卷辊的修复,上机考察堆焊层的耐腐蚀、抗疲劳裂纹和剥落性能,测量结果如表4. 由表中数据可见,新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层的耐腐蚀、抗疲劳裂纹、脱落和剥皮性能良好.

表4 　堆焊层的耐腐蚀、抗疲劳裂纹、脱落和剥皮性能
新型明弧硬面药芯焊丝H25Cr3Mo2VA 硬面焊丝
6 个月9 个月12 个月15 个月6 个月7 个月8 个月9 个月
腐蚀坑无无无无无麻点腐蚀坑腐蚀坑
疲劳裂纹无无无无无无微裂纹裂纹
脱落无无无无无无有有
剥皮无无无无无有有有

    新型明弧硬面药芯焊丝用于助卷辊的修复,实际生产应用表明修复的助卷辊使用15 个月后无任何异常现象. 而H25Cr3Mo2VA 硬面焊丝修复的助卷辊使用7 个月后就会出现麻点、脱落和剥皮现象. 这表明新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层
比H25Cr3Mo2VA 硬面焊丝堆焊层的耐蚀性能、抗疲劳裂纹、脱落和剥皮性能好.
新型明弧硬面药芯焊丝含有约13 %的金属Cr ,并采用了N 合金化,N 可显著提高硬面合金的耐点蚀性能[5 ] . 另外,新型明弧硬面药芯焊丝含有少量的稀土,大大降低了堆焊层中夹杂物的含量. 硬面层中沉定析出的碳化物、氮化物和碳氮
化物使显微组织细小,提高了堆焊层的韧性. 这些均使新型明弧硬面药芯焊丝堆焊层有良好的抗疲劳裂纹、脱落和剥皮性能.
4 　修复应用实例
    将新型明弧硬面药芯焊丝用于上下夹送辊的修复,其制造工艺如下.上下夹送辊为Φ350 mm ×1 700 mm ,先进行辊面荒车至Φ334 mm 并局部车削缺陷,直至无肉眼可见裂纹. 再用超声波检查辊身,若有裂纹则进行局部车削去除. 用MZQ21000B 直流焊机焊接,焊接电流340～380 A、电压32～36 V、焊接速度450 mm/ min ,伸出长度L = 35 mm. 上下夹送辊的基材为45 号钢,有一定的冷裂纹倾向,因此预热温度为180～200 ℃,层间温度也保持为180～200 ℃. 焊后进行整体回火热处理,再进行机加工. 测定回火后堆焊层的平均硬度为52. 5HRC ,单层堆焊层硬度的不均匀性为±1. 5HRC.用研制明弧硬面药芯焊丝修复的上下夹送辊,已使用有15 个多月,磨损量很小,无疲劳裂纹、脱落、剥皮现象出现,耐冲蚀情况良好,还在继续使用之中. 表明所研制的新型硬面药芯焊丝具有良好的耐磨损性能、耐冲蚀性能和抗疲劳裂纹、局部脱落和剥皮性能.此外,研制的新型硬面堆焊药芯焊丝还用于除磷辊、连铸辊的修复,也取得良好的应用效果.