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4、交 试验，找出了碳化硼和石墨含量对堆焊金属硬度和耐磨性的影响规律，获得硬度高达 6 8 7 1 H R C 的堆焊焊条药皮配方。文献【2 6 1 也表明，在F e C r - C 合金中加入B 4 C 可以显 著细化堆焊合金晶粒，降低固溶体中C r 、V 等元素的固溶量，并使( F e 、C r ) 7 C 3 数量增加 并弥散分布。 1 6 2 高铬合金铸铁堆焊材料的研究现状 在高铬合金铸铁的技术研究上，二十多年来国内外铸造科技人员已进行了大量的研究 工作，取得了令人瞩目的成绩，其研究方向大概可以概括为以下几个方面：一是对铬系耐 磨铸铁化学成分合理性的设计、化学成分对组织和性能的影响规律及作
5、用机理进行了深入 探讨，在保证硬度的前提下，尽可能提高铬系白口铸铁的冲击韧性和耐磨性，以保证耐磨 件在冲击和磨料磨损的工况下稳定使用。二是在化学成分合理性设计的基础上，对铬系耐 磨铸铁的热处理工艺展开研究，以获得和( F c 、C r ) 7 C 3 型碳化物良好匹配的基体组织，充 分发挥高硬度碳化物的耐磨性和基体组织对碳化物的支撑作用，保证在不同使用条件下耐 磨性得到充分发挥。三是对铬系耐磨铸铁生产中孕育处理和变质处理等技术手段进行研 究，以提高形核率、细化铸件晶粒、改变组织形貌、改善铸件微观组织结构，为提高铸件 性能提供有效的辅助工艺措施。四是对传统砂型铸造方法进行改进，将传统材料和现代材
6、 料加工方法相结合，研究了金属型铸造、快速凝固、喷涂成型等新工艺在铬系耐磨铸铁制 备中的应用，为改善组织形态、提高铸件性能提供更广阔的空间2 。 焊接热循环和铸造相比有以下特点：一是最高加热温度高，二是高温停留时间短，三 是焊缝金属在热和应力不平衡的状态下结晶嚣。所以对高铬合金铸铁焊接材料的研究要 借鉴铸造方面的研究成果，并根据根据焊接热循环特点来设计焊材的合理化学成分，并获 得耐磨碳化物和良好基体组织的配合。 1 6 I 绪论 1 7 本课题研究目标与研究内容 1 7 1 研究目标 高铬合金铸铁具有优良的耐磨性能，且价格相对低廉具有耐低应力磨料磨损、高应力 磨料磨损、一定的耐蚀性和一定的耐高
7、温性能等综合性能，因而在冶金、矿山等行业装备 修造中应用广泛。 以药皮过渡实现堆焊层合金化的堆焊焊条以其简单方便、合金成分调整灵活、制造容 易和成本低的优势，在堆焊中得到了广泛的应用。传统的高铬合金铸铁堆焊合金有相应的 五种牌号的堆焊焊条，分别是D 6 4 2 、D 6 4 6 ( C r 3 0 ) 、D 6 6 7 ( C r 2 8 N i 4 S i 4 ) 、 D 6 8 7 ( C r 3 0 M n 3 S i 2 B ) 、D 6 1 8 ( C r l S W l 5 M o ) 和D 6 2 8 ( C r 2 8 M 0 5 ) 1 。可以看出，传统的 高铬合金铸铁堆焊焊
8、条合金种类组成各异，合金含量有高有低，必然导致堆焊层的使用性 能存在较大的差别，也造成在堆焊修复中合金系统组成和堆焊层不同的使用性能要求之间 难以达到比较精确的对应关系。由于近年来N i 、M o 等合金元素价格大幅上涨，选用传统 的高铬合金堆焊焊条在生产中很难获得良好的技术经济性。再者，由于高铬合金铸铁焊条 由于需要过渡的合金量大，采用传统的药皮配方必然导致药皮重量系数过高，药皮过厚又 导致套筒过长、电弧不稳定；或者导致药皮成块脱落，造成合金元素损失等问题；同时还 存在着需要清渣的工序，导致生产效率下降。对于堆焊焊条的这些局限，文献1 2 9 1 【3 1 】 的作者作了有益的探索，获得了工
9、艺性能良好的无渣或微渣型堆焊焊条。又因为高铬合金 铸铁含碳量高，合金元素含量多，在焊接中容易产生裂纹，极易产生白口、淬硬组织，需 要采用合理的焊接和热处理工艺措施m 1 。为此，研究一种抗裂性强、预热温度低或免预 热的微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条，有很大的现实意义。 基于以上研究背景和意义，本课题的研究目标为：以一定含碳量和含铬量的合金系统 为基础，探讨相关合金成分对堆焊层组织和使用性能的影响；同时研制冶金性能和焊接工 艺性能良好、免预热或预热温度低的新型微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条。 1 7 2 研究内容 以上述研究目标为出发点，以药皮实现焊缝金属合金化，在研制微渣型高铬合金铸铁 耐磨堆焊焊条的
10、基础上、深入探索焊条焊接工艺性能、堆焊层组织和性能。 具体研究内容由四部分组成： - 高铬合金铸铁耐磨堆焊焊条的研制 ( 1 ) 确定堆焊合金目标成分： ( 2 ) 确定高铬铸铁堆焊合金药皮渣系、药皮成分及微渣型药皮配方； ( 3 ) 制定高铬合金铸铁堆焊焊条药皮压涂与烘干工艺； ( 4 ) 制备高铬合金铸铁耐磨堆焊焊条。 b 高铬合金铸铁堆焊焊条工艺性能和堆焊工艺研究 1 7 西安理工大学硕士学位论文 1 8 ( 1 ) 实验测定高铬合金铸铁堆焊焊条的电弧稳定性和再引弧性，探讨药皮渣系及药 皮配方对焊条电弧性能的影响。 ( 2 ) 对高铬合金铸铁堆焊焊条的其他工艺性能进行综合评定，探索相关工
11、艺性能的 影响因素。 ( 3 ) 探索合理的堆焊工艺，揭示堆焊工艺对堆焊层抗裂性和硬度的影响规律。 C 堆焊层组织分析 ( 1 ) 采用直读光谱仪分析堆焊层化学成份，计算堆焊层合金过渡系数； ( 2 ) 采用X R D 分析堆焊层物相组成； ( 3 ) 采用O M 技术分析堆焊层微观组织； ( 4 ) 测试堆焊层洛氏硬度； ( 5 ) 研究堆焊层组织形成规律。 d 堆焊层摩擦磨损性能 ( 1 ) 进行堆焊层摩擦磨损实验，研究不同滑动速度条件下加载载荷对堆焊层摩擦磨 损性能的影响； ( 2 ) 研究高铬合金铸铁堆焊层摩擦磨损机制： ( 3 ) 研究堆焊层微观组织与摩擦磨损性能的相关性。 总体研究
12、路线如图1 2 所示。 图l - 2 高铬合金铸铁耐磨堆焊焊条总体研究方案 F i g I - 2R e s e a r c hp r o g r a mo f h i g hc h r o m i u ma l l o yc a s t i r o nh a r d f a c i n ge l e c t r o d e 2 微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条研制 2 微渣型高铬合金铸铁堆焊焊条研制 2 1 引言 本章首先对研制微渣型高铬合金铸铁焊条的意义和可行性进行了理论预测，进而制定 了微渣型高铬合金铸铁焊条药皮配方方案，随之按照了本研究中所用熔敷金属的成分确定 药皮渣系及药皮组分配方，最后阐
13、述了高铬合金铸铁焊条药皮压涂及烘干工艺。 对于手工电弧焊来说，使焊缝金属合金化的方式有两种，一种是通过焊芯过渡，另一 种是通过药皮即将合金成分加在药皮中，通过焊接冶金过程使焊缝金属合金化。对于高铬 铸铁合金因为不能轧制及拉拔制成焊芯，只能采用药皮过渡合金元素来实现焊缝合金化。 通过药皮进行合金化，当药皮熔化时，药皮中的合金剂在很多情况下来不及完全 熔化，原因是药皮中的其他组分比合金剂能在更低的温度下熔化。这时，合金剂的颗 粒悬浮于液态熔渣中，其中一部分由熔渣的对流运动带到熔渣与金属液面交界处被液 态金属表面层所溶解，进而扩散或对流到金属内部，并逐步使成分均匀化，而最终实 现焊缝金属的合金化。通
14、过对熔滴金属和焊缝金属的化学成分分析表明，在正常的药 皮厚度下，熔滴金属和焊缝金属的化学成分基本相同，这表明此情况下合金化主要是 在熔滴冶金反应区内完成。而当药皮厚度( 或重量系数) 提高到某一值以后，熔滴成 分基本不变，而焊缝金属的合金成分高于熔滴，这是由于一部分熔渣直接进入熔池， 在这种情况下，熔滴反应区和熔池反应区共同完成焊缝金属的合金化阳。 综上所述，如果能研制一种微渣型的高铬合金堆焊焊条，通过减少药皮重量系数 可以减少渣内合金剂进入熔滴和熔池的路径长度，既可以减少贵重合金剂的在渣中的 残留损失，提高合金剂的过渡系数，同时又提高了堆焊焊条的技术经济性；并且也可 以大大减少清渣的工作量，
15、提高了堆焊的生产效率。 可行性分析：微渣型堆焊焊条研制的关键问题是如何在减少熔渣用量的情况下对 熔滴和熔池金属进行保护，防止贵重合金剂的氧化烧损，所以确定适当保护方式是研 制此类焊条最重要的前提。 熔渣的保护作用分为渣保护、气保护和气渣联合保护三种。为了减少熔渣数量达 到微渣的目的，很显然，只有采用气保护的方式。在药皮原材料中，有造气作用的原 料有大理石、菱苦土、石墨以及木粉和淀粉等。而石墨在电弧空间能形成还原性气氛， 可以保护熔化金属和减少合金元素的烧损，并可以在焊缝中形成游离碳，有利于合金 碳化物的形成。所以，对于研制微渣型高铬合金铸铁电弧焊条而言，石墨是一种非常 理想的气保护原材料。在确
16、定以石墨为主要气保护原材料以后，再根据提高合金过渡 系数及保证焊条冶金性能的要求，选用氧化性较低的碱性渣系，通过药皮配方的调整， 研制一种合金过渡系数高、微渣并且焊接冶金性能和工艺性能良好的堆焊焊条是完全 可能的。 1 9 西安理工大学硕士学位论文 2 2 熔敷金属成分设计 含有大量铬合金元素的C r 2 6 高铬铸铁，因为C r 可以提高金属的抗氧化性，还可以提 高基体的电极电位使母材的耐蚀性增加，同时由于其具有大量高硬度的碳化物而具有优异 的耐磨性能，因而在高铬合金铸铁中C r 2 6 的综合性能良好，既可用于磨料磨损，也可用 于高温磨损及湿态腐蚀磨损工况阳1 。C r 2 6 铸铁成分见
