林彰春

(湘潭技師學(xué)院 機械系,湘潭 411100)

高錳鋼堆焊焊條的研制及測試

林彰春

(湘潭技師學(xué)院 機械系,湘潭 411100)

高錳鋼應(yīng)用廣泛,具有明顯的加工硬化效果.針對高錳鋼堆焊及補焊,設(shè)計、試制了高錳鋼耐磨堆焊焊條,并且對焊條的工藝性能和使用性能進行了測試研究.該焊條采用CaO-CaF2-TiO2堿性低氫型渣系,具有引弧好﹑穩(wěn)弧好、吹力大、穩(wěn)定性好、成型好、工藝性能穩(wěn)定等優(yōu)點.測試結(jié)果表明:焊條的工藝性能良好,加工硬化效果明顯.

高錳鋼堆焊焊條;CaO-CaF2-TiO2堿性低氫型渣系;加工硬化

1 高錳鋼的成分、性能及可焊性分析

高錳鋼屬于含碳量高的鋼種,碳含量為0.9%～1.5%.碳含量愈高,碳化物數(shù)量愈多,熱處理后金屬的致密度愈差,韌性愈低.

錳是高錳鋼中的主要合金元素.錳對低溫下的沖擊韌性影響更大些,即低溫時沖擊韌性隨錳含量的增加提高得更快.錳含量提高時,冷彎角度明顯增加.為了得到較好的綜合機械性能,建議當(dāng)碳含量為1.2%時錳應(yīng)保持在11%～14%.磷含量的增加會使強度、延伸率、斷面縮減率降低,而且下降的幅度大體在同一水平.磷在高錳鋼中很容易偏析,會加劇磷的有害作用.

高錳鋼是奧氏體型高合金鋼,碳化物數(shù)量多時會在晶界上以網(wǎng)狀出現(xiàn),具有低的塑性、韌性,使其無法在鑄態(tài)下使用.經(jīng)過水韌處理后的機械性能可以達到很高的數(shù)值.高錳鋼鑄件在受沖擊載荷時,金屬表面發(fā)生塑性變形.盡管經(jīng)水韌處理后單相奧氏體組織的硬度很低,但經(jīng)過變形以后由于變形強化的結(jié)果,金屬的變形層表現(xiàn)出明顯的加工硬化現(xiàn)象[1].表面層的硬度有極大的提高,可以達到500～800HBS,載荷越大,加工硬化程度越高.從表面向內(nèi)金屬的變形程度逐漸減少,硬度也逐漸降低.在硬化層的下面仍是軟韌的奧氏體組織,它與硬化層牢固地結(jié)合在一起.硬化層表面有很高的硬度,又有好的韌性.這可以使它具有抵抗磨料的犁削磨損、形變磨損和較好的抗沖擊疲勞性能.在表面逐漸被磨耗的同時,在外載荷的作用下,硬化層又不斷向內(nèi)發(fā)展,維持一個穩(wěn)定的硬化層.

堆焊和補焊時,在高溫脆性區(qū)高錳鋼奧氏體組織對S、P、Si等有害元素的溶解度較小,晶粒周圍易產(chǎn)生低熔點共晶體,如:Fe+FeS(熔點985℃)、FeS+FeO(熔點940 ℃)及Fe+Fe3P(熔點1050 ℃)等;高錳鋼的線膨脹系數(shù)大(約為低碳鋼的1.3倍),導(dǎo)熱系數(shù)低(約為低碳鋼的1/5)[2],焊接時易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力;而且很容易發(fā)生過熱現(xiàn)象,使焊縫塑性下降,所以施焊熱裂紋的傾向很大[3].高錳鋼結(jié)晶過程中的液相線和固相線范圍較窄(1400～1350℃),因此具有對氣孔的敏感性.同時,對于難以進行水韌處理的工況,堆焊和補焊后焊接接頭的塑性很低.綜上所述,高錳鋼的可焊性差.

本焊條的主要技術(shù)特點.本焊條熔敷金屬具有比較明顯的加工硬化性能.這是由于熔敷金屬中含C和Mn量較高,而C和Mn都是擴大奧氏體區(qū)的元素,因此,熔敷金屬的組織基體上均是奧氏體組織;從而加工硬化現(xiàn)象明顯.本焊條的工藝性能良好,引弧性好,電弧穩(wěn)定性極好,電弧吹力較大,飛濺一般,溶化系數(shù)大,載流能力大,脫渣性好,焊縫成形極好,表面光潔,焊縫表面無氣孔﹑夾渣﹑裂紋﹑咬邊等缺陷.

2 試驗方法

2.1 試驗材料及設(shè)備

試驗涂藥電焊條的焊芯均為H08A、Φ 4mm.藥皮由石墨、鉬鐵(100%過 40目,過 160目＜50%)、大理石(100%過 60目,過 100目 ＜30%)、(釩鐵100%、過40目,過160目＜50%)、金屬鉻(100%過40目,過200目＜10%)、電解金屬錳(100%過40目)、長石(100%過 60目)、硅鐵(100%過 40目,過160目＜30%)、鈦白粉、螢石(100%60目)等組成,焊條3為堿性藥皮,采用直流正接進行堆焊試驗.

手工制造焊條亦可用油壓機生產(chǎn),采用的設(shè)備有ZX6-315型焊機、HR-150型洛氏硬度計、MLS-23型濕砂橡膠輪式磨損試驗機、各種光學(xué)顯微鏡.

2.2 試驗方法

2.2.1 焊條藥皮成分及合金系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)修復(fù)件的工作特點及堆焊金屬性能等要求,選擇了低氫型焊條藥皮.為保證焊條的工藝性能及合金元素過渡等要求,對藥皮組成的種類及其數(shù)量不斷進行調(diào)整,確定焊條藥皮渣系.選定藥皮類型、渣系以及藥皮配方.初步擬定焊縫金屬的合金系統(tǒng).母材中含C為 0.9%～1.3% 、Mn為 11%～14%,根據(jù)母材成分和性能要求初步擬定焊縫金屬的合金系統(tǒng)為Mo-Si-Cr系.因為Cr能夠大大提高淬透性,改善耐磨性和提高硬度,提高堆焊層中鐵素體的含量及強度,改善焊層的韌性;稀土硅鐵能夠細化堆焊層組織,凈化晶界,提高硬度;Mo提高焊縫的強度,細化晶粒,提高高溫強度及持久強度.

參考各種硬化表面堆焊合金的典型成分,考查各種元素同時存在和變化對合金硬度、耐磨性能的影響,進行正交設(shè)計試驗后,確定合金系統(tǒng).通過多次試驗后確定焊條藥皮主要組成方案.堿性渣系的合金過渡系數(shù)高,焊縫中雜質(zhì)少,抗裂性能好,故選用堿性渣系,利用CaO-CaF2造渣造氣.

2.2.2 硬度試驗

在80mm×50mm×14mm的Q235鋼試件上,沿長度中點寬度方向堆焊兩層,層間溫度在50℃以下,堆焊電流為 150～160 A,冷至室溫后磨平,在HR-150洛氏硬度計上測定洛氏硬度.一般測5點取平均值,若遇到硬度特殊低點和高點則不計.

2.2.3 磨粒磨損試驗

在5mm厚度小塊Q235鋼板上堆焊兩層,連續(xù)堆焊,電流為140～150 A,冷卻至室溫后切取和磨平,成品的試樣尺寸為57mm×25.5mm×6mm.注意盡量加工掉堆焊件背面A3鋼基體材料,以保證堆焊層厚度,并注意進行堆焊的一面作為試驗面.

磨損試驗的條件:橡膠輪直徑為178mm,硬度為60(邵氏硬度),所加砝碼重量為2.5 kg,橡膠輪轉(zhuǎn)速為240 r/min,砂漿比例為1500 g廣東新會石英砂配1000 g自來水.先將試樣預(yù)磨1000轉(zhuǎn)后,在精度為萬分之一的天平上稱重,然后正式試驗?zāi)?000轉(zhuǎn)稱重,兩次重量差為磨損試驗失重量,一種焊條做三個試驗,以平均失重量進行比較,失重量小者,耐磨性較好.

2.2.4 金相測試

在適當(dāng)大小和厚度的Q235鋼試板上堆焊兩層,堆焊電流為150～160 A,層間溫度在50℃以下,冷卻后按不同要求切取試樣,進行磨、拋光、腐蝕,然后分別進行光學(xué)顯微分析.

3 焊條配方的設(shè)計、調(diào)整及施焊工藝研究

3.1 配方的設(shè)計和調(diào)整

根據(jù)高錳鋼的成分和性能特點,盡量與母材化學(xué)成分接近,同時使控制焊縫中碳的量在0.9%～1.3%,錳的含量在 11%～14%.選擇CaO-CaF2-TiO2渣系,合金過渡系數(shù)高,焊縫中雜質(zhì)少,抗裂性能好,氣體含量小.合金系統(tǒng)的選擇:參照已有的高錳鋼堆焊焊條的配方,確定控制焊縫中的碳含量在1%左右,錳含量在14%左右,硅的含量在1%左右.

加入稀土硅鐵能夠細化堆焊層組織,凈化晶界,提高硬度,同時,調(diào)節(jié)溶渣的粘度,使溶渣均勻的覆蓋在焊逢上.加入鉬鐵,提高焊縫的強度,細化晶粒,提高高溫強度及持久強度.(根據(jù)實驗調(diào)整)

根據(jù)渣系性質(zhì),估算合金損失,確定藥皮中應(yīng)加的合金劑及數(shù)量,根據(jù)資料顯示,在手工電弧堆焊焊條的合金過渡系數(shù)中,碳的合金過渡系數(shù)在0.32～0.65之間,錳的合金過渡系數(shù)在 0.40～0.50之間.[4]

焊芯的化學(xué)成分如表1所示:

表1 焊芯的化學(xué)成分

在藥皮中應(yīng)加入的數(shù)量按下式計算:

[Me]w——要求焊縫中的合金濃度(%)

[Me]c——應(yīng)加鐵合金數(shù)量(g)

[Me]f——焊絲中合金成分含量(%)

η絲——焊絲中過渡系數(shù)

η皮——藥皮中過渡系數(shù)

Kb——藥皮重量系數(shù)

Kc——合金在該鐵合金中的含量(%)

藥皮重量系數(shù)Kb由試驗估測為0.5.

根據(jù)上式:參照現(xiàn)有低氫型藥皮配方,確定第一次試驗用藥皮配方如下表2所示.

表2 第一次測試用重量配方

試驗發(fā)現(xiàn)有較多缺陷經(jīng)多次調(diào)整試驗,得到焊接性比較好的配方,如表3所示.

表3 調(diào)整后優(yōu)化藥皮配方

按這個配方成分做出來的焊條其優(yōu)點在于:引弧﹑穩(wěn)弧好,吹力大,穩(wěn)定性好,成型好,工藝性能穩(wěn)定.存在的兩個主要問題:

①焊縫渣的粘度不夠,覆蓋性差.

②焊縫加工硬化后的硬度達不到要求.

對于第一個存在的問題,解決辦法是調(diào)低硅鐵的含量,同時加入長石,提高渣的粘度,另外調(diào)整螢石與碳酸鈣的比例,但試驗結(jié)果不盡理想,渣的覆蓋性差的問題沒有得到解決.

對于第二個存在的問題,解決辦法是試驗在碳、錳、硅鐵、鉬鐵不同含量對焊縫加工硬化后硬度的影響,通過調(diào)整,焊縫的加工硬化后硬度由原來的45H RC增到了50HRC.

再次調(diào)整后的焊條配方如表4所示.

表4 再次優(yōu)化的藥皮配方

加工硬化后硬度如表5所示.

表5 加工硬化后硬度表

能進一步錘擊,焊縫加工硬化后的硬度達到了52HRC以上.如果再調(diào)整一下錳碳比和加入稀土元素,堆焊層的硬度是可以達到設(shè)定的目標(55HRC).

3.2 焊條的施焊工藝研究及測試結(jié)果

焊接時采用電流(120～160 A)弱規(guī)范來減小熔合比和熱影響區(qū)的寬度,從而保證堆焊層的化學(xué)成分,減小熱裂紋傾向;并且盡量采用短道焊﹑斷續(xù)焊﹑窄道焊﹑直線(不擺動)運條﹑焊后迅速潑水并錘擊焊道;多層焊時,還應(yīng)控制層間溫度,冷卻到室溫再施焊,以便使熔敷金屬具有和母材相同的性能.

測試結(jié)果表明:本焊條的工藝性能良好,引弧性好,電弧穩(wěn)定性極好,電弧吹力較大,飛濺一般,溶化系數(shù)大,載流能力大,脫渣性好,焊縫成形極好,表面光潔,焊縫表面無氣孔﹑夾渣﹑裂紋﹑咬邊等缺陷.

4 結(jié) 論

(1)本焊條采用CaO-CaF2-TiO2渣系,合金過渡系數(shù)高,焊縫中雜質(zhì)少,抗裂性能好,氣體含量小.脫渣性好,焊縫成形極好,表面光潔,焊縫表面無氣孔﹑夾渣﹑裂紋﹑咬邊等缺陷.

(2)焊接時采用電流(120～160 A)弱規(guī)范來減小熔合比和熱影響區(qū)的寬度,從而保證堆焊層的化學(xué)成分,減小熱裂紋傾向.

(3)焊條熔敷金屬的抗熱裂性好,耐磨性能良好、焊后經(jīng)水韌處理后加工硬化效果顯著.

(4)本焊條焊芯采用常用的低碳鋼芯H08A熔敷金屬,所需的合金元素靠藥皮過渡,所以,焊條制造成本低,采用本焊條對高錳鋼產(chǎn)品景象補焊,或在普通碳素體鋼或合金鋼上堆焊制造雙金屬結(jié)構(gòu),經(jīng)濟效益及效果都十分顯著.

[1]崔 昆.鋼鐵材料及有色金屬材料[M].北京:機械工業(yè)出版社,1981:119-121.

[2]崔 昆.鋼鐵材料及有色金屬材料[M].北京:機械工業(yè)出版社,1981.

[3]周振豐,張文鉞.焊接冶金及金屬焊接性[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994:457-458.

[4]刁淑生,徐 婷,楊 克,儲少軍.手工電弧堆焊焊條某些合金元素的過渡系數(shù)[J].焊接學(xué)報,1995,16(4):214-221.

Development and Test of High Manganese Steel Surfacing Electrode

LIN Zhang-chun
(Technician College of Xiangtan,Xiangtan 411100,China)

High manganese steel has been applied widely and its work hardening effect is obvious.High manganese steel surfacing electrode is designed and trial-produced according to the high manganese steel surfacing weld and repair weld.The technological property and applying property of the electrode are tested and researched.Using CaO-CaF2-TiO2alkali low hydrogen slag system shows many advantages such as easy cause arc,good ability of steady arc and mould and boast muscularity,And the technological property and applicability are good.The result shows that the technological property of the electrode and its work hardening effect are good.

high manganese steel surfacing electrode;CaO-CaF2-TiO2alkali low hydrogen slag system;work hardening

TG702

A

1671-119X(2011)01-0038-03

2010-10-24

林彰春(1962-),男,講師,研究方向:模具設(shè)計.