浅谈Fe-Cr-Ti-B明弧堆焊合金的显微组织及耐磨性

浅谈Fe-Cr-Ti-B明弧堆焊合金的显微组织及耐磨性

陈万新

湖南有色金属职业技术学院湖南株洲市412000

摘要：以Fe-Cr-Ti-B高铬耐磨堆焊合金为研究对象，通过改变药芯焊丝中硼铁含量（分别为15%、25%、35%），在焊前不预热，焊后自然冷却的条件下采用药芯焊丝自保护明弧堆焊方法制备了Fe-Cr-Ti-B系高硬度耐磨合金，通过焊接工艺评定、硬度测试、光学显微镜以及磨粒磨损等手段，系统研究了硼铁含量对堆焊合金硬度、抗裂性和工艺性的影响，并考察了一种Fe-Cr-Ti-B堆焊合金的耐磨性及显微组织。

关键词：药芯焊丝；耐磨堆焊；明弧；高硬度；显微组织

一、实验材料、设备及成分设计

1.1试验材料

药芯焊丝外皮采用H08A钢带，其化学成分C为0.012%，Mn为0.22%，Si为0.11%，S<0.011%，P<0.008%。

1.2药芯焊丝配方设计

以Fe-Cr-Ti-B高铬合金系为研究对象，通过改变硼的含量，得到一种抗裂性好，耐磨性优良的高铬堆焊合金，对其进行硬度测试、耐磨粒磨损试验及金相试样显微组织和性能分析。最终目标是在焊前不预热，焊后自然冷却的试验条件下堆焊合金表面无裂纹、气孔等缺陷，脱渣性良好。

二、实验方法

2.1药粉称取

取药粉总量为200克，用研钵磨细，拌匀。其中高碳铬铁、钛铁、碳化钨、铝镁粉、石墨含量不变，硼铁分别取15%、25%、35%，余下用铁粉补足。

2.2试板表面堆焊

我们选择Q235钢作为实验用的焊接试板，规格为150mm×80mm×16mm。首先将焊接试板的两表面在砂轮机上打磨平整光亮，除掉表面油污和氧化膜。试板两端用手工点焊规格为50mm×50mm×16mm的引弧板和熄弧板（也需要打磨，抛光），然后进行堆焊。

2.3硬度测试

待焊接试样空冷至室温后，将焊接试板的两表面在砂轮机上打磨平整、光亮，除掉表面油污和氧化膜。在洛氏硬度计HR-150测硬度时，试板必须放平整，操作时试板不能有跳动。一般取焊缝的中间部位打间隔均匀的七点，取其平均值，如果碰到硬度特殊高点或低点都不计。

2.4试样切割、制备及观察

金相试样尺寸为12mm×10mm×25mm，耐磨试样为57mm×25.5mm×6mm。试样切割后进行焊道磨平、抛光、表面腐蚀、观察金相、拍照、耐磨实验等工作。

三、实验结果及分析

3.1药芯焊丝包粉量以及堆焊合金的宏观硬度

堆焊合金的硬度值如表3.1所示，由此可知，在耐磨堆焊合金中加入硼铁，随着其含量的增加.在一定的范围内硬度随之增加[20]。本实验的硬度值都比较高，原因可能是由于本实验的药粉成分中含有大量高碳铬铁和硼铁，硼能显著提高耐磨合金组织中硬质相密度，适量的铬对堆焊层硬度的提高也有利。

表3.1四种药芯焊丝包粉量和堆焊合金的宏观硬度值（HRC）

3.2工艺性能比较

堆焊药芯焊丝配方在明弧自保护焊条件下的工艺性能列于表3.2。由表可见，在第一组实验中，裂纹可能由于应力作用引起，气孔可能为氮气孔。第二组实验成型较好，渣少，美观，但飞溅仍较多。第三组与第四组实验飞溅都很大，其中的气孔可能由于飞溅造成，且第四组实验在焊接初期有断弧现象。综合四次实验，飞溅问题一直很严重，原因可能是药粉研磨不够细，焊接参数选择不当，斑点压力较大，母材清理不彻底，母材上有易挥发的油或受热易汽化的杂物时很容易因气体受热体积猛增而导致金属液局部爆炸，形成飞溅。

表3.2堆焊药芯焊丝配方的工艺性能

3.4堆焊合金的耐磨粒磨损性能

表3.3堆焊合金的耐磨性

金属材料的硬度、强韧性及耐磨性等与其微观组织有密切的关系。就堆焊而言，材料的耐磨性是磨损条件和材料性能的综合反映，其耐磨性主要取决于硬质相的形态、分布、数量、大小、基体的性质、以及基体与硬质相的匹配关系。尽管如此，材料的耐磨性和硬度之间的关系并非一一对应，高硬度的堆焊金属并不一定具有优良的耐磨性。此外，磨料的硬度和性能也决定了硬度和耐磨性的对应关系。该试样的耐磨性很好，硬度高，分析认为是由于试样中的硼化物和碳化物的硬度较高，使得堆焊层耐磨性较高。

四、总结和展望

通过硬度和耐磨性测试以及金相分析，本试验的结论主要有以下几点：

1.明弧堆焊工艺具有操作方便，清渣工作量小，且节省焊接辅助材料等优点。

2.现场观察表明，造成自保护药芯焊丝飞溅的主要因素是气体急剧氧化造成熔滴爆破所致。药芯成分通过影响熔滴的表面张力、焊接区的气体动力等而影响飞溅的大小。

3.Fe-Cr-Ti-B系耐磨堆焊药芯焊丝所形成的堆焊层硬度高达69.8HRC，相对磨损系数是实芯焊丝的H25Cr3MO2MnV的15.38，具有良好的耐磨粒磨损性能。

Fe-Cr-Ti-B系列堆焊材料是一种经常可以采用的堆焊材料。这种堆焊材料的硬度较高，甚至可以达到HRC70，在高温抗氧化的性能得到增强，提高了材料的使用性能，同时由于铬的硼化物形成温度较高，高温稳定性好，还具有很高的硬度。因此，具有较好的使用前景。

在堆焊合金中加入适量的B元素可以得到较高的堆焊层的硬度和耐磨性，甚至远高于钴基和镍基堆焊合金．常温和高温耐磨性也接近于钴基，高于镍基合金，钴是核动力机械的主要放射物对于以后这方面的研究将会越来越多，取代钴基。

参考文献：

[1]张清辉，吴宪平，洪波，焊接材料研制理论及技术[M].北京：冶金工业出版社，2002.

[2]王爱珍，时阳，张友阳，高硬度高韧性的耐磨堆焊焊条的研究[J].热加工工艺，1997

[3]应鹏展，对辊破碎机耐磨堆焊焊条的研究[J].焊接技术，1998