（材料加工工程专业论文）低成本高效化堆焊药芯焊丝的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 低成本高效化堆焊药芯焊丝的研究 摘要 本文研究了一种低成本高效化的大直径堆焊药芯焊丝，药粉以钢铁企业的自 产废钢为主要原料，采用离心雾化技术生产，薄壁钢带采用“咬口连接”和“内 置钢丝技术，解决大直径药芯焊丝的工艺性能无法满足焊接要求的技术难题。 随着钢铁冶金行业装备水平的提高，高洁净钢材的产量逐年提高。在钢板生 产过程中，由于定尺的需要大约产生钢产量4 5 的板头、板边，目前钢铁企业 多作为废钢回炉重新炼钢，使得这些废钢重走炼钢、轧钢工艺流程，浪费能源、 污染环境。这些废钢所具备的洁净特点符合焊接材料用原料标准，并且其中所含 有合金元素也可以为焊接冶金有效利用。本文以钢铁企业的自产废钢为原料，采 用中频感应炉将废钢熔化成钢水，并根据堆焊材料的使用工况添加适量合金面素， 采用离心雾化技术将钢水制成直径0 1 m m 5 m m 的球形或椭球形合金颗粒，该合 金颗粒作为大直径药芯焊丝的药粉。本文设计了f e c r - c 系大直径耐磨药芯焊丝， 通过光学显微镜、t e m 、x 射线衍射等试验手段研究了f e c r - c 系大直径耐磨药 芯焊丝堆焊金属的组织性能。通过磨料磨损试验研究了焊丝堆焊金属的耐磨性能， 分析了焊丝的合金元素含量、硬度与耐磨性的关系。结果表明：大直径埋弧堆焊 药芯焊丝和大直径明弧堆焊药芯焊丝堆焊层金属的基体组织为马氏体加少量残余 奥氏体，大量呈针状和片状的碳化物均匀分布在基体上，焊缝金属的硬度大于 6 0 h r c ，耐磨性良好。 本文研制的低成本高效化大直径堆焊药芯焊丝，适于埋弧堆焊和明弧堆焊， 具有熔敷速度高、堆焊金属硬度高、组织均匀、耐磨性好等优点。 应用本文设计的大直径堆焊药芯焊丝制备耐磨部件，在装载机和钢铁冶金企 业进行了工程应用试验，效果良好，其低成本、高效化、高耐磨的优势使其展现 出广阔的应用前景。 关键词：低成本，高效化，废钢，药芯焊丝，堆焊 v l l 山东大学硕士学位论文 s t u d y o nl o wc o s t sa n d h i g he f f i c i e n c yh a r d f a c i n gf l u x c o r e dw i r e a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , at y p eo ff l u x c o r e dw i r ew i t hl o wc o s t s ，h i g he f f i c i e n c ya n dl a r g e d i a m e t e ri ss t u d i e d t h em e d i c i n a lp o w d e ro ff l u x c o r e dw i r et a k e ss c r a ps t e e la sr a w m a t e r i a l ，t h ea u t h o ra d o p t si n t e r t w i s tc o n n e c t i o na n di n n e rw i r et os o l v et e c h n o l o g i c a l p r o p e r t yo ft h el a r g ed i a m e t e rf l u x c o r e dw i r ec a l ln o tm e e tp r o c e s s i n gp r o p e r t yo ft h e w e l d i n gr e q u i r e m e n t s w i t ht h ei m p r o v i n go fe q u i pl e v e lo ff e r r o u sm e m l l u 唱y , t h ep r o d u c t i o no fh i g h p u r i t ys t e e l si n c r e a s e sr a p i d l y w h i l et h ep r o d u c t i o nh i g hp u r i t ys t e e l s ，t h ea m o u n to f c o a c ha n dp l a t ee d g e st a k eu pt ot h e4 5 o fg r o s ss t e e lp r o d u c t i o nd u et on e e do f l e n g t hf i x ，a n dt h e s es t e e l sa r es e e m e da ss c r a ps t e e lt om e l td o w na ss c r a ps t e e l ，w h i c h w i l le x p e r i e n c et h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fs t e e l m a k i n g ，a n ds t e e l - r o l l i n go n c ea g a i n ， c a u s i n gt h ew a s t eo fe n e r g ys o u r c ea n dt h ep o l l u t i o no fe n v i r o n m e n t h o w e v e rt h e p u r i t yo fs u c hs c r a ps t e e lm e e t st h es t a n d a r do fr a wm a t e r i a lo fw e l d i n gm a t e r i a l ，a n d a l l o ye l e m e n t si ni tc a nb eu s e db yw e l d i n gm e t a l l u r g ye f f i c i e n t l y t h i sp a p e rm a k e s u s e o ft h eh o m e g r o w ns c r a ps t e e lo fs t e e le n t e r p r i s e ，m e l t i n gt h es c r a ps t e e li n t om o l t e n s t e e lw i t hm e d i u mf r e q u e n c yi n d u c t i o nf u r n a c e ，a d d i n gp r o p e ra m o u n to fa l l o y e l e m e n t so nt h eb a s i so fa p p l i c a t i o nc o n d i t i o no fs u r f a c ew e l d i n gm a t e r i a l ，a n d m a n u f a c t u r i n gt h em o l t e ns t e e li n t ow e l da l l o yb e a d sb yc e n t r i f u g a la t o m i z a t i o n a l l o y b e a d sc a nb ed e p o s i t e do nt h es u r f a c eo fs t e e ls u b s t r a t eb ye l e c t r i ca r c ，o b t a i n i n gc l a d p l a t ew i t hh i g hw e a r - r e s i s t a n c ea l l o yl a y e r t h es h a p eo ft h ep a r t i c l ei sg l o b u l a rs h a p e o rs p h e r o i d i c i t y , a n dt h ed r a m a t i co ft h ep a r t i c l ei s0 1m m 5 m m t h i sp a p e rd e s i g n st h e c h r o m i u mr i c hf e - c r - cc a s t - i o nb i gd i a m e t e rf l u x c o r e dw i r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h es t r u c t u r ep r o p e r t yo ff e - c r - ca l l o yp a r t i c l eh i g hc h r o m i n mc a s t - i o nd e p o s i t e dm e t a l o fl a r g ed i a m e t e rf l u x c o r e dw i r ei ss t u d i e du s i n go p t i c a lm i c r o s c o p e ，t e m ，x r a y , a n d s oo n t h r o u g ht h et e s to fg r i n d i n ga b r a s i o n ，t h ew e a r - r e s i s t a n ta b i l i t yo fd e p o s i t e d m e t a li sm e a s u r e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a r b o ne q u i v a l e n t ，h a r d n e s so f d e p o s i t e dm e t a la n dw e a r - r e s i s t a n ta b i l i t ya r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e v i l l 山东大学硕士学位论文 m i c r o s t r u c t u r eo ft h ew e l d i n gm e t a lo fb i gd i a m e t e rs u b m e r g e da r cf l u x - c o r e dw i r ea n d b i gd i a m e t e ro p e na r cs u r f a c i n gw e l d i n gf l u x c o r e dw i r ew a sm a r t e n s i t ea n dr e s i d u a l a u s t e n i t e t h ed e p o s i t e dm e t a l sh a v el o t so fn e e d l es h a p eo rs h e e t l i k ec a r b i d e si nm a t r i x ， w h i c ha r em a i n l yc o m p o s e do fr e s i d u a la u s t e n i t ea n dm a r t e n s i t e t h eh a r d n e s so f d e p o s i t e dm e t a li sh i g h e rt h a n6 0h r c ，t h ew e a rr e s i s t a n c ei sg o o d l o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n to fb i gd i a m e t e rf l u x - c o r e dw i r ei ss u i t a b l ef o r s u b m e r g e da r cs u r f a c i n ga n do p e na r cs u r f a c i n gw e l d i n g i th a sa d v a n t a g e so fh i g h d e p o s i t i o ne f f i c i e n c y ，h i g hh a r d n e s s ，h o m o g e n e o u sm i c r o s t r u c t u r ea n dg o o dw e a r r e s i s t a n c ea n ds oo n b a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l t s ，c a r r yo u tt h ep r o j e c tt e s to fa p p l i c a t i o no nw o r k d e v i c eo fm e c h a n i c a ll o a d e ra n di r o na n ds t e e lm e t a l l u r g ye n t e r p r i s e s ，b i gd i a m e t e r f l u x - c o r e dw i r eh a v eg o o de f f e c t t h ea d v a n t a g e so fl o wc o s t ，h ig he f f i c i e n ta n dg o o d w e a rr e s i s t a n c ea r em a d et oh a v eaw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：l o wc o s t ，h i g he f f i c i e n c y ，s c r a ps t e e l ，f l u x - c o r e dw i r e ，s u r f a c i n g w e l d i n g i x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：_ z 陋 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：独师签名：逝日 期： 山东大学硕士学位论文 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 磨损，腐蚀和断裂是零件失效的三种主要形式。磨损不但造成机械设备的破 损，失效，而且降低生产效率，随着科学技术和现代工业的高速发展，机械设备 的运转速度越来越高，受摩擦的零件被磨损的速度也越来越快，其使用寿命越来 越成为影响现代设备生产效率的重要因素。磨损所造成的能源和材料消耗是十分 惊人的。据统计，世界工业化发达国家约3 0 的能源是以不同形式磨损消耗的， 如美国每年由于摩擦磨损和腐蚀造成的损失约1 0 0 0 亿美元，占国民经济总收入 的4 。我国仅在冶金、矿山、电力、煤炭和农机部门，每年由于工件磨损而造 成的经济损失约4 0 0 亿元人民币【1 1 。研究和发展耐磨材料，以减少金属磨损，对 国民经济的发展有着重要的意义。 在金属材料或零件表面采用堆焊工艺熔敷耐磨、耐蚀等特殊性能的金属层， 赋予表面以特殊的性能，对于延长零件寿命，降低材料消耗具有重要工程意义， 该技术已广泛应用于国民经济的各部门。堆焊所用的焊接材料有药皮焊条、实芯 焊丝和药芯焊丝，其中药皮焊条电弧堆焊具有操作简单、灵活方便等优点，缺点 是效率低：实芯焊丝刚度大、易送丝、工艺性能好，但过渡的合金元素量有限； 药芯焊丝成分调节极为方便，根据需要可获得不同成分的堆焊合金，药芯焊丝可 以采用埋弧、明弧、气体保护电弧等堆焊工艺，具有熔敷效率高，适于自动堆焊， 便于工业化生产等优点。因此，堆焊药芯焊丝代表了堆焊材料的发展方向。 药芯焊丝由薄钢带卷成圆形钢管，同时在其中填满一定成分的药粉，经拉制 而成。堆焊药芯焊丝的直径一般不大于4 n u t l 【2 】【3 】，国家专利公开的有关堆焊药芯 焊丝的直径也不超过4 m m 【4 】【卯，药粉为价格昂贵的金属、合金粉末等粉体材料的 机械混合物【6 】，合金粉末的比重不同，机械混粉工艺难以保证混合粉末成分的均 匀性，药芯焊丝质量的稳定性差。 目前市场上的堆焊药芯焊丝，其横截面为“o 形，接口为搭接或者对接， 属于有缝药芯焊丝，使用过程中药粉易吸潮，影响焊接工艺性能和焊缝的内在质 量，甚至在焊缝内部产生气孔等焊接缺陷。无缝药芯焊丝虽然具有不吸潮，焊接 l 【i 东大学硕士学位论文 质量好等优点，但制造工艺复杂，市场上比较少见。 药芯焊丝的直径超过4 m m ，容易加剧焊接电流在焊丝端面分布的不均匀性， 电弧稳定性差，工艺性能恶化，无法f 常焊接。因此，堆焊药芯焊丝在技术上难 以突破4 m m 直径，为了提高堆焊效率，人们开发了双丝、多丝埋弧焊1 7 j ，通过 复杂的焊接设备达到了提高焊接效率的目的。目前用户使用的埋弧焊机在设计 时，可以采用最大直径为6 m m 的焊丝，由于没有该类焊丝产品，其使用大直径 药芯焊丝的功能也没有被开发利用。 钢铁企业在生产板材过程中，由于定尺的需要大约产生钢产量5 左右的板 头和板边，这些板头和板边称为自产废钢。这些自产废钢目前多作为废钢回炉炼 钢，回炉造成合金元素( 如m n 、s i 等) 的大量烧损。高附加值开发利用数量庞 大的这些自产废钢，无疑会起到节能降耗、减少资源浪费的目的，符合发展循环 经济的国家总体战略。 随着钢铁冶金企业冶炼技术和装备水平的提高，高洁净、高强度、高韧性板 材的产量日益增加，生产过程中产生的自产废钢杂质( s 、p 、n 、o 等) 含量较 低，有益的合金元素含量较多且稳定，符合焊接材料用钢的要求。如d b 5 9 0 钢 的p 、s 、c 分别为0 0 1 9 、0 0 0 8 和o 0 6 7 ，含有1 4 3 9 m n 、0 0 4 1 n b 、 0 0 2 1 t i 、0 0 0 1 0 b 等有益合金元素；x 7 0 钢的p 、s 、c 分别为o 0 1 2 、0 0 0 3 和0 0 6 ，含有0 2 5 s i 、1 4 6 m n 、0 2 2 m o 、0 2 0 n i 等有益合金元素1 8 】。 针对上述堆焊药芯焊丝直径不能超过4 m m ，药粉由金属、合金粉末等机械 混合，易造成成分不均匀等问题，以及钢铁企业优质自产废钢( 杂质含量少、有 益合金元素含量多) 急待开发利用的问题，本文提出了利用自产废钢生产直径 6 m m 的央芯或不夹芯药芯焊丝的技术构思。 本文研究的利用钢铁企业的自产废钢生产新型药芯焊丝的技术，使占钢产量 5 左右的自产废钢资源得到了高附加值的开发利用，达到了节能减排、发展循 环经济的目的。同时，也为焊接材料的生产提供了全新的原材料，大幅度降低了 焊接材料的生产成本。所研究的新型堆焊药芯焊丝通过结构创新，使其直径达到 了6 m m ，具有高熔敷率、低稀释率、适于自动堆焊等优点，在冶金、水泥、矿 山等领域具有广阔的应用前景。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 材料磨损的分类 磨损是摩擦的接触面由于发生相对运动，在接触应力下，表面发生损伤以及 失效的过程。由于影响磨损的因素比较复杂，因而磨损的分类也比较混乱。按零 件表面破坏机理特征，磨损可以分为以下几种类型9 j ： ( 1 ) 磨粒磨损又称磨料磨损，是最常见的一种磨损形式。它是一种由于物 体表面与硬质颗粒或硬质凸出物( 包括硬金属) 相互摩擦引起表面材料损失的一 种磨损方式。其又可分为低应力磨粒磨损、高应力磨粒磨损、凿削式磨粒磨损三 种类型，这类磨损最为常见，据统计数量占5 0 。 ( 2 ) 粘着磨损又称咬合磨损、摩擦磨损或金属一金属间磨损。它是在摩擦 件相对运动时，由于固相焊合作用的结果，造成接触面金属的损耗。粘着磨损与 接触应力、运动速度、温度、润滑情况有关，若两种材料硬度相差很大，接触时 就不易产生粘着，磨损就小。据统计粘着磨损占1 5 。 ( 3 ) 表面疲劳磨损两接触表面在交变接触压应力的作用下，材料表面因疲 劳而产生物质损失的过程，叫做疲劳磨损。根据应力不同，疲劳磨损又包括热疲 劳磨损和表面疲劳磨损两种形式。 ( 4 ) 腐蚀磨损零件表面在摩擦的过程中，表面金属与周围介质发生化学或 电化学反应，因而出现的物质损失。 ( 5 ) 微动磨损两接触表面间没有宏观相对运动，但在外界变动负荷影响下， 有小振幅的相对振动( 小于1 0 0 9 m ) ，此时接触表面间产生大量的微小氧化物磨 损颗粒，因此造成的磨损称为微动磨损。 上述5 种磨损中，前三种是磨损的基本类型，后两种只在某些特定条件下才 会发生。磨料磨损和粘着磨损比例最大，比较常见。 1 3 磨料磨损的影响因素 磨料磨损的影响参数主要包括四部分：材料性能、工况条件、设计性能和磨 料特性，各主要参数的影响因素如图1 1 所示。材料性能是影响磨损的决定性因 素，包括材料的成分、显微组织、表面硬化等。 山东大学硕士学位论文 设计性能 载荷传送运动形式 零件形状润滑程度 环境和温度 彦科特性 硬度尖锐座尺寸 形状塑性耐蘑性 磨料麝缦 工况条件 按齄面积接触程废 表丽条件澜谢程度 环境和温度 丰彳科性能 台金成分篮微缀织 表面硬化 馀层 图1 1 磨料磨损的影响参数1 9 j 材料的耐磨性具有系统特征，不仅与材料特性有关，也因磨损条件的改变而 变化。对于某种特定的工况条件，往往有几种磨损形式共同起作用，因而材料的 耐磨性要用系统分析的方法研究，没有万能的耐磨材料，只有在一定工况下适用 的耐磨材料。 影响材料耐磨性的因素大体上可以分为两类，一类是外部因素，一类是材料 本身的因素。抗磨材料工作时的工况条件，诸如磨料作用于工件的方式，外力的 大小和性质等等，都属于外部因素。试验表明，随接触角增大，磨损量变大，接 触角增大到一定值时，磨损量减小【9 】。 组织因素对给定条件下材料的磨损特性有重要影响。对于金属材料而言，组 织因素包括夹杂物，第二相，晶粒间界，基体组织及内部缺口等。第二相主要指 沉淀相，弥散硬化合金中的弥散质点及硬基体中的少量软组织组成物( 如残余奥 氏体) 等。最重要的第二相质点是钢中的碳化物，它是提高钢的耐磨性的主要组 织成分。第二相对材料耐磨性的影响，本质上是由其对磨损裂纹形核及扩展的影 响决定的。第二相的大小和形状将影响磨损裂纹的形成。一般球形的细小硬质点 不利于裂纹的形成，可以提高材料的耐磨性。 耐磨钢或铸铁中的碳化物是主要的第二相，其数量( 体积分数) ，性质，结 构及分布形态，以及碳化物对基体，碳化物对磨粒的相对硬度，是影响材料耐磨 性的主要因素。此外，基体组织，晶界状态都对耐磨性有重要影响。一般说来， 韧性基体组织的耐磨性较好。而晶界状态对材料韧性的影响比较明显，从而影响 到材料的耐磨性。 4 山东大学硕士学位论文 磨损不仅浪费材料，而且降低生产效率，从而造成巨大的经济损失，因此必 须设法减少磨损，研究减少磨损的对策。为减少磨损，主要有以下几种措施【l o 】： 铸造工作者从研究整体铸造的耐磨铸铁或铸钢入手；热处理工作者从研究各科t 表 面热处理及化学热处理方法入手；焊接工作者主要从热喷涂和耐磨堆焊方面进行 研究。由于零件磨损是局部的，整个耐磨铸件报废很可惜；用热处理的方法，则 表面强化，硬化的深度较薄，且投资大，工艺复杂；热喷涂则适用于面积大，涂 层薄的情况；而堆焊方法可以获得较厚的各种性能的堆焊层，投资少，堆焊工艺 也简掣引。因此，耐磨堆焊近年来日益显示出其重要性和生命力。其主要优点是： ( 1 ) 因为只需做成表面薄膜而不是整体材料，可以用较昂贵的材料和技术，总 的经济效益是合算的；( 2 ) 可以使表面层与基体材料具有不同的特性，承担不同 的载荷要求；( 3 ) 可以采用修复手段，重复使用零件，进一步延长零件的寿命。 1 4 耐磨堆焊材料的研究现状 辱 世界各国都有适合自己国情的种类繁多的耐磨堆焊材料。一般根据合金系统 的不同，常用的耐磨堆焊材料可以分为图1 - 2 所示的七大类【lo j ： 耐 磨 堆 焊 材 料 低合金钢一合金元素主要有c r ，m n ，s i ，m o 等 中碳中合金热稳定钢一w ，c r ，m o ，v 高速钢- - w l s c r 4 v 和w 9 c r 4 v 2 高锰钢及高铬锰钢 合金铸铁一w ，c r ，m o ，m n 等 钴基合金一以钴为基础加入c r ，w ，v 等 碳化钨堆焊合金一w c 和w 2 c 图1 2 按合金系统不同对耐磨堆焊材料的分类及其主要合金元素 在耐磨材料中，白口铸铁占有重要地位。我国早在战国时期就已经使用耐磨 的白口铸铁来制造耕地用的犁铧，只是因为韧性较差，而没有得到广泛应用。近 几十年来，由于研究工作的进展，白口铸铁的韧性不断得到提高，目前已发展成 5 山东大学硕士学位论文 为一种重要的耐磨材料，受到国内外的重视l l 。而高铬铸铁是继白口铸铁和镍硬 铸铁之后的第三代白口铸铁。早在1 9 1 7 年就出现了高铬铸铁的专利，其成分是 含铬2 7 ，含碳2 7 5 。据称其组织是索氏体基体上分布着m 7 c 8 型共晶碳化物。 由于铬与碳有很强的亲和力，在冲天炉中极易吸收碳分，所以直到第二次世界大 战结束前后，电炉已经普及，高铬铸铁才得到广泛应用【l 引。 高铬白口铸铁的耐磨性取决于碳和合金元素的含量、基体组织及碳化物的种 类以及形态分布等。通常认为在具有一定韧性的较硬基体上，均匀分布有孤立的 硬块状一次碳化物和一定量的弥散分布的二次碳化物的组织，具有较强的抗磨料 磨损性能。因此，合金元素的加入及相应的铸造和热处理工艺都是为了得到这种 形态分布的合金碳化物及马氏体以及一定量的残余奥氏体。高铬白口铸铁的抗磨 性在同类耐磨材料中居于领先地位，然而脆性也较大，因此应用受到很大限制。 高铬白口铸铁的铸态组织中碳化物呈网状分布，包围金属基体，裂纹极易沿脆性 相扩展，是白口铸铁韧性低的根本原因，而且也严重影响了材料的抗磨性。由于 白口铸铁的抗磨性与其断裂韧性成正比，所以改变碳化物的分布和形貌已成为当 前白口铸铁研究的焦点。高铬铸铁作为耐磨料磨损最好的一种铸铁，应用范围比 较广泛，主要用于土木建设机械中的磨损件，破碎机的部件及矿用耐磨件等，在 冶金，矿山，建材，电力等行业都获得了广泛的应用和良好的经济效益【1 3 1 1 4 1 。 随着工件使用工况、所受载荷的复杂化，工件的磨损加剧，迫切需要开发新 型的耐磨堆焊材料，多元复合强化硬质耐磨堆焊合金就是其中之一1 1 5 ，常用的 有以下几种类型。 ( 1 ) c r c 系复合硬质耐磨堆焊合金 铬碳化合物( c r 2 3 c 6 、c r 7 c 3 ) 等的硬度( h v 1 8 0 0 ) 高于石英砂磨粒的硬度 ( h v 1 3 0 0 ) ，性能优于普通渗碳体，是高铬合金铸铁系、c o c r - w 系、n i c r - b s i 系和高碳高铬工具钢系等耐磨多元复合强化硬质耐磨堆焊合金的主要硬质相。 ( 2 ) w c 系复合硬质耐磨堆焊合金 w c 系复合硬质耐磨堆焊合金硬度( h v 2 4 0 0 ) 高于c r 7 c 3 和刚玉磨粒的w c 硬质相堆焊合金硬度。这类堆焊材料的种类、成分、堆焊工艺见表1 1 。 碳化钨堆焊材料多用于承受冲击载荷的严重磨损的工况。堆焊w c 系合金 时，最突出的工艺问题是硬质相颗粒相的“沉底”，可通过合理控制颗粒加入时 6 山东大学硕士学位论文 间和位置以及调节堆焊层基体液相比重来抑制这种现象的发生。堆焊w c 系合 金时，可配用多种基体合金。 表1 1w c 系堆焊材料种类、成分及堆焊 碳化物类别烧结w c + c o 、铸造w 2 c + w c 加入量2 5 8 0 或更高 基体相( 粘结相)铁基合金、钢基合会、镍基合会钻基合会、铜基合金 材料种类堆焊粉末、药芯焊丝、管状焊条、烧结棒 气焊、等离子弧焊、氩弧焊、手弧焊、火焰堆焊、电 工艺方法 渣堆焊 采用包复碳化物粉末 克服气孔、裂纹、烧 采用热输入量低、凝固快 的工艺方法 损和扩散固溶问题 采用热输入量低、凝固快 的工艺方法 工艺措施 以碳化钒代替碳化钨 采用钢基烧结焊条 克服碳化钨沉底 控制好粉末加入时间和 位置 采用包复粉末 改善塑韧性 用铜基合金做基体相毒 ( 3 ) n b c ，v c 系复合硬质耐磨堆焊合金 v c ( h v 2 52 m 3 0c 2 8 高碳低硼 32 5i 5 1 8 4 31 9i 1 ( c r , f e m c b ) ) ( 高铬铸铁型)o ；嘲c b k 1 0 ) 2 5 2 0 3 ( c r f e ) ，( a 现 m k l 代b ) a f d y f t i 5 i o 2 02 5( f e , c r 姆共晶 仃e c r ) b 麸晶 ( 软质相：a f e ，y f e 1 5i 嘲 2 5 a - f c , y - f o* ( f e c r ) b l 亚共晶共晶 低碳高硼 ( f e c 相 o - f y - f e ( 高铬型) l jl 蚴 z 5 堆e c r ) b l 过共晶 共晶 ( c r , f c ) b a f e ，y - f c l ji 蚴 3 j( f t c r ) 8 * o = c - c o b9 s 9 过共晶 共晶 ( c r , f e ) aa f c ，y - f e l 。5- 0 - 2 05 3 6 0 = 鼻c r ) a - f f e c r ) b 2 5 过共晶 共晶 山东大学硕士学位论文 1 5 药芯焊丝发展概况【| 6 】 药芯焊丝1 9 5 4 年起源于美国，是从2 0 年代管状焊条的基础上发展起来的。 由于药芯焊丝具有电弧稳定、飞溅小、成形美观、药芯配方调整容易，可以大批 量制造和实际焊接中连续使用的优越性。与实芯焊丝、手工焊条相比，生产效率 高，焊工的操作环境得到改善，药芯焊丝的综合优势深受人们的欢迎。药芯焊丝 在国外得到迅速发展和广泛应用于各种金属结构。药芯焊丝的制造技术难度大， 国内相关技术和水平落后，经过近几年的发展，国内药芯焊丝产业取得长足的进 步，普通药芯焊丝完全可以满足国内需求，出口量也比较大，但一些特种、高性 能的药芯焊丝，如耐磨、自保护焊接、气电立焊等药芯焊丝还需要进口。 堆焊药芯焊丝主要以粗直径为主( 3 2 m m ，2 4 m m ) ，使用交流电源，气体保 护药芯焊丝用于钢管的焊接，自保护药芯焊丝用于建筑结构。8 0 年代发展了细 直径药芯焊丝( 1 2 1 6 m m ) 使用直流电源，其中直径为1 2 1 6 m m 的全位置药 芯焊丝大量用于船舶制造，并得到飞速发展，大大提高了造船焊接的半自动化程 度。在这期间开发了不锈钢、低温钢、5 9 0 n m m 2 强度级别钢种使用的多种药芯 焊丝，1 2 1 6 m m 的细直径自保护药芯焊丝可以用于钢管桩的焊接。8 0 年代后 期以来，1 2 1 6 m m 气保护药芯焊丝多品种的制造与使用范围得到迅速推广， 在非造船行业使用和扩大。随后发展了金属粉芯药芯焊丝和无缝药芯焊丝。目前 药芯焊丝已广泛用于建筑、桥梁、化工、冶金、电力等制造与修复行业。 从药芯焊丝的总产量与占焊接材料总产量比例来看，1 9 8 3 年美国药芯焊丝 的产量占焊接材料总产量的1 5 ，药芯焊丝的总产量为4 2 万吨左右，到1 9 7 9 年药芯焊丝的年产量达到7 6 万吨。现在美国药芯焊丝占焊接材料总产量的比例 为4 0 左右。美国生产粗直径药芯焊丝( 2 0 m m 以上) 比例较大，主要用于平焊和 平角焊，用来焊接建筑机械、重型机械、钢架、桥梁等。1 9 9 5 年英国药芯焊丝 年产量首次超过电焊条。日本主要生产细直径药芯焊丝，1 9 8 3 年药芯焊丝占焊 接材料总产量的3 8 ，1 9 8 8 年为焊接材料总产量的1 3 ，1 9 9 2 年为焊接材料 总产量的2 0 ，1 9 9 4 年为焊接材料总产量的2 3 。在日本药芯焊丝的生产比例 逐年提高，而实芯焊丝在1 9 8 4 年生产量占焊接材料总生产量的3 2 ，逐步提高 到1 9 9 1 年的5 0 。从1 9 9 2 年起实芯焊丝逐年下降，到1 9 9 4 年实芯焊丝的比例 为4 2 。 9 山东大学硕士学位论文 目前药芯焊丝生产线生产的常见药芯焊丝直径有1 2 m m 、1 4 m m 、1 6 m m 、 2 0 m m 、2 4 m m 、2 8 m m 、3 2 m m 、4 o m m 等8 种，广泛应用于c 0 2 气体保护焊、 埋弧焊和明弧焊。堆焊药芯焊丝的直径一般不超过4 o m m ，直径4 0 m m 以上的 药芯焊丝还没有文献报道。 1 6 本文的研究内容 本文以钢铁企业的自产废钢为原料，根据堆焊金属的成分设计，添加适量合 金元素，采用离心雾化技术制备合金颗粒，并以合金颗粒为药粉研制直径6 m m 的堆焊药芯焊丝，采用钢带的“咬口连接”和“内置钢丝”技术，解决大直径药芯焊 丝的工艺性能无法满足焊接要求的技术难题。本文通过药芯焊丝药粉所用原料的 创新，降低药芯焊丝成本。通过药芯焊丝结构设计的改进，增大药芯焊丝直径， 提高熔敷效率，研制低成本、高效化的堆焊药芯焊丝。本文以抗磨料磨损的 f e c r - c 高铬铸铁合金系药芯焊丝为研究对象，研究内容如下： ( 1 ) 6 大直径药芯焊丝制备 合金颗粒制备是山东大学的专利技术，本文以利用该技术制备的f e c r - c 高 铬铸铁合金颗粒为药粉主要原料，研究6 大直径药芯焊丝的制备工艺，改造升 级已有设备，实现大直径药芯焊丝的钢带“咬口连接”和“内置钢丝”目标。 ( 2 ) 0 6 埋弧堆焊药芯焊丝设计及其堆焊金属组织性能的研究 设计系列f e c r - c 高铬铸铁合金系6 埋弧堆焊药芯焊丝，研究药芯焊丝c 、 c r 、v 、b 、w 等合金元素含量对堆焊金属组织、硬度、耐磨性的影响规律，获 得大直径药芯焊丝设计的基础数据。 ( 3 ) 6 明弧堆焊药芯焊丝设计及其堆焊金属组织性能的研究 设计f e c r - c 高铬铸铁合金系明弧堆焊药芯焊丝，研究合金成分对堆焊金属 组织性能的影响规律，为大直径明弧堆焊药芯焊丝设计提供技术数据。 ( 4 ) 工程应用试验 以本文研制的大直径药芯焊丝为基础，结合钢铁冶金、工程机械的磨损工况， 优化药芯焊丝合金成分，堆焊耐磨部件，进行大直径堆焊药芯焊丝的工程应用试 验。 l o 山东大学硕士学位论文 第二章大直径药芯焊丝制备及试验方法 药芯焊丝的直径超过4 m m ，容易加剧焊接电流在焊丝端面分布的不均匀性， 电弧稳定性差，工艺性能恶化，无法j 下常焊接。因此，堆焊药芯焊丝在技术上难 以突破4 m m 直径，目前用户使用的埋弧焊机在设计时，可以采用最大直径为6 m m 的焊丝，由于没有该类焊丝产品，其使用大直径药芯焊丝的功能也没有被开发利 用。目前市场上堆焊药芯焊丝的横截面为“o ”形，接口为搭接或者对接，属于 有缝药芯焊丝，使用过程中药粉易吸潮，影响焊接工艺性能和焊缝的内在质量。 用户迫切需要开发高效化、低成本、抗潮性良好的药芯焊丝。 2 1 大直径药芯焊丝设计 图2 1 为本文拟研制的大直径药芯焊丝的横截面，直径为6 ，图2 1 中l 为 药粉( 合金颗粒) 、2 为呈“o 形的钢管，3 为钢丝。根据药芯焊丝的堆焊工艺 性能，在药芯焊丝的心部可以添加或者不添加钢丝3 ，产品缠绕成盘，可连续自 动堆焊。现有的药芯焊丝内部没有钢丝3 ，其直径最大仅为4 m m ，钢带的接口为 搭接或对接。本文设计的药芯焊丝钢带采用咬口连接，咬口宽度为o 5 5 o m m ， 咬口连接增加了密封性，抗潮性能提高，焊丝表皮不容易破裂。焊接时焊接电流 主要通过药芯焊丝的表皮，由于直径大，会因电流分布不均匀，影响电弧热分布 的均匀性，从而造成焊丝端面熔化快慢的差异，最终影响电弧的稳定性和焊接工 艺性能，甚至造成部分药粉不参与冶金反应，直接落入熔池，影响焊接质量，这 也是目前市场上缺少大直径药芯焊丝的主要原因。本文根据需要在药芯焊丝的芯 部增加一条直径o 8 1 2 m m 的钢丝，通过钢丝的电流合理分布电弧热，使焊丝端 面均匀熔化，改善焊接工艺性能。本文研制的堆焊药芯焊丝主要用于埋弧焊和明 弧焊，因为药粉1 主要是以废钢为原料生产的合金颗粒，没有造渣成分，药粉的 导电性能良好。 山东大学硕士学位论文 图2 1大直径药芯焊丝的横截面 1 药粉，2 呈“o ”形的钢管，3 钢丝 2 2 大直径药芯焊丝用合金颗粒的制备 粒。 合金颗粒及其制备技术是山东大学的发明专利，本文采用该技术制备合金颗 2 2 1 合金颗粒的制备原理 离心雾化是金属颗粒雾化方法的一种，图2 2 为液体金属离心雾化原理图， 其中l 为坩埚，2 为熔炼的钢水，3 为漏嘴，4 为垂直导流管，5 为径向导流管， 6 为离心转盘。将中频电炉熔炼好的钢水倒入保温坩埚内，同时启动离心转盘， 坩埚内的钢水通过其下部的漏嘴和导流管，流入离心转盘，通过离心转盘的垂直 导流管到达径向管道，并被高速甩出变为小钢滴，小钢滴快速落入冷却水中，凝 固后制得合金颗粒。这种方法可以制取铁基合金颗粒。离心雾化法造粒具有效率 高、容易获得直径细小、球形的合金颗粒。 1 2 山东大学硕士学位论文 2 2 2 合金颗粒制备过程 图2 2 液体金属离心雾化原理图 合金颗粒的制备过程如下： ( 1 ) 废钢的选择：选择杂质( s 、p 、n 、o 等) 含量较低的废钢，其杂质含量 达到以下要求( 以质量百分比计) ：s 小于0 0 5 、p 小于0 0 5 、氧不超过6 0 p p m 、 氮不超过6 0 p p m ； ( 2 ) 根据欲制堆焊用合金颗粒的化学成分指标，依据步骤( 1 ) 所选废钢的化学 成分确定是否需要添加合金剂，以及添加合金剂的种类及数量； ( 3 ) 将步骤( 1 ) 选定的废钢分为a 、b 两份，将a 份先放入感应熔炼炉用最短 的时间将其熔化，a 份的数量根据炉膛的尺寸确定，以熔化后钢水能够有 1 0 m m 一2 0 m m 深为原则；然后加入造渣剂，并将其熔化，建立起液态熔渣保护层， 隔绝空气与钢水的接触，造渣剂的加入量以在钢水表面形成3 m m - - 4 m m 厚的液 态熔渣为原则：待液态熔渣形成后，将b 份废钢加入感应熔炼炉中，加入时不 能破坏对钢水起保护作用的液态熔渣层，待b 份废钢熔化后继续熔炼1 0 1 5 分 钟： ( 4 ) 根据步骤( 2 ) 确定的所添加合金剂的种类及数量依次加入合金剂，待其完 山东大学硕士学位论文 全熔化后再精炼5 1 2 分钟； ( 5 ) 将熔炼好的钢水( 过热1 5 0 2 0 0 ) 和其表面的熔渣倒入下部设有导流管 的保温坩埚中，保温坩埚的导流管与漏嘴相连，漏嘴直径依据欲制备的合金颗粒 粒径在6 - 2 0 m m 内更换选择。漏嘴流出的钢水落入其正下方高速旋转的离心转 盘中，钢水从离心转盘的垂直导流管流到径向分布的径向管道，并在离心力的作 用下被高速甩出，变为液态的小钢滴，小钢滴落入其下方的水池，被快速冷却， 制成合金颗粒。离心转盘的垂直导流管正对着保温坩埚的导流管，径向管道水平 均匀布置，可以设置3 个或4 个。离心转盘的下方设置有底部成斜坡状的收集池， 斜坡与水平面的央角为3 0 - 6 0 0 ，斜坡能使凝固中的小钢滴沿斜坡运动，防止其 过快沉积而相互焊结，池中装有1 5 2 m 深的液体冷却介质水，水面到离心转盘 底面的距离为2 0 0 5 0 0 m m ，离心转盘与收集池水面的距离尽可能小，使钢水粒 化成小钢滴后能够快速入水，减少空气对其的氧化； ( 6 ) 更换上选定直径的漏嘴，以1 0 5 0 k g m i n 的流量使坩埚中沉于下部的钢 水由漏嘴流出，同时启动离心转盘使其旋转，转速影响合金颗粒的大小。待钢水 全部流出后，液态熔渣弃掉； ( 7 ) 取出收集池水中的合金颗粒，用烘箱烘干，烘干温度为1 2 0 1 8 0 c ，保 温时间为2 0 - - - 4 0 分钟； ( 8 ) 采用常规的振动筛分设备筛分烘干后的合金颗粒，根据药芯焊丝药粉的 要求按比例选用不同粒径的合金颗粒混合使用；或者将烘干后的合金颗粒混匀 后，直接使用。 图2 3 为合金颗粒的制备工艺流程，图2 - 4 为合金颗粒的制备现场，图2 5 为制备出的合金颗粒。 1 4 山东大学硕士学位论文 h 废铜+ 铁台金，中额电炉熔炼，离心雾化造粒，干燥 台金颗粒成品+ 一筛分 图2 - 3 台金颗粒的制备工艺流程 图2 4 合金颗粒制备现场图2 药芯焊丝药粉用台金颗粒 2 3 大直径药芯焊丝的制鲁 2 3 1 屎材料 大直径药芯焊丝制各的原材料包括合金颗粒和钢带。本文选用h 0 8 a 低碳钢 带，带宽为3 5 r m 。厚度为0 4 r m ，化学成分见表2 1 。低碳钢钢带有良好的韧性， 满足制造工艺的要求；低碳和低杂质元素含量的钢带对减少飞溅量是有益的，可 以改善焊接工艺性能，同时还便于调整堆焊金属的化学成分。 i j 东大学硕士学位论文 表2 ih 0 8 a 钢带的化学成分( w m ) cm ns i o rn ic u 8 不女于9 翊1 003 5 o6 0兰00 3三02 0三03 0郢2 0 0 0 3 0 i o 0 3 0 2 3 2 大直径药芯焊丝制备工艺过程 大直径药芯焊丝的制各过程