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药芯焊丝合金成分的确定高铬铸铁堆焊层的合金系为Fe2Cr2C，它的强化相主要是碳化物，其耐磨性的好坏是由碳化物的种类、数量、尺寸、形态和分布决定的，另外基体组织对耐磨性也有一定的影响。由Fe2Cr2C三元相图可知，高铬铸铁中的碳化物有三种形式，它们分别是（Cr、Fe）3C，（Cr、Fe）7C3和（Cr、Fe）23C6.这三种碳化物具有不同的晶体结构和硬度，（Cr、Fe）3C为渗碳体型碳化物，具有斜方晶体结构，显微硬度为840～1100HV，硬度随碳化物中铬含量的增加而稍有增加。（Cr、Fe）7C3是铬原子置换不稳定化合物Fe7C3后形成的很稳定的碳化物，它有两种晶体形态，共晶（Cr、Fe）7C3为板条状，常以集束状态存在，初生（Cr、Fe）7C3具有六方棱柱结构，其不同晶面的硬度差别较大，棱柱侧面的显微硬度在1400HV左右，棱柱横截面的显微硬度高达1700～1900HV<1>.Cr23C6为面心立方结构，其显微硬度约为1000～1100HV.可见在这三种碳化物中，初生（Cr、Fe）7C3硬度最高。因此为提高耐磨性，堆焊层中应含有大量的初生（Cr、Fe）7C3，并使其棱柱横截面承受磨损。Fe2Cr2C三元合金的液相面投影图如所示，碳含量大约在315%时，开始出现初生（Cr、Fe）7C3，并且随着碳含量和铬含量的增加，初生（Cr、Fe）7C3的开始生成温度提高，同时初生（Cr、Fe）7C3的数量也随之增加。 Fe2Cr2C三元合金的液相面投影图<2>锰是扩大奥氏体相区的元素，它能强烈降低马氏体的转变点，稳定奥氏体相，因此随着锰含量的增加，堆焊层的奥氏体量增多。同时锰具有细化共晶组织的作用。硅是非碳化物形成元素，主要溶解于基体中，起到固溶强化作用，基体强度随着硅含量的提高而上升。
根据以上分析，并结合以往的经验和药芯焊丝的生产设备条件，确定本试验堆焊层的化学成分范围。
为了降低原材料成本、提高成材率和生产效率，本试验采用低碳钢带包裹各种金属粉末的方法来达到堆焊层所要求的化学成分。这种方法需要在药粉配方中加入大量金属粉末，含铬的金属粉末有金属铬粉、碳化铬粉、低（中、高）碳铬铁粉等，这些原材料中铬铁粉价格最低，同时由于堆焊层的碳含量很高，因此堆焊层的铬主要靠高碳铬铁粉加入，这样也使堆焊层中含有一定的碳，不足的碳可以靠加入石墨粉来补充，使堆焊层的碳含量最终达到设计要求。堆焊层中的锰和硅主要靠锰铁粉、硅铁粉、硅锰合金粉这三种铁合金粉来保证。另外，为使堆焊金属化学成分达到要求而在配方中加入的碳、锰、硅同时都具有脱氧剂作用，如果此时脱氧仍然不足，可在配方中加入钛铁粉、镁粉、铝粉、铝镁合金粉等其他脱氧剂。
焊接时对焊缝金属的保护方式有气保护、渣保护和气、渣联合保护。由于自保护焊时焊接区的氧化性较强，采用渣保护容易造成脱渣困难，同时焊缝表面熔渣的存在，不利于自动化连续生产。因此本试验的自保护药芯焊丝采用气保护方式，通过在药粉中加入造气剂来防止空气中的氮和氧侵入焊缝金属。
试样制备及试验方法自保护药芯焊丝的制造方法为：首先根据焊缝化学成分要求，按上述配方设计原则确定药芯中需加入金属粉和造气剂（粉末状）的种类和数量；为保证粉末的流动性和均匀性，应先将它们过60目筛，然后进行称重，再经过120℃×3h烘干，最后放入混料机搅拌30min；使用药芯焊丝成型机将钢带轧制成U型，同时将混合好的各种金属和造气剂粉末按一定比例均匀地加入U型钢带内，然后将钢带从U型轧制成O型搭接形式，这样钢带就把药粉严密地包裹在其中，再用减径轧辊将其轧细，使药粉均匀密实地分布在O型钢带内，制成药芯焊丝；最后使用药芯焊丝拔丝机将焊丝拉拔到要求的直径。O型搭接药芯焊丝的断面结构示于。
药芯焊丝的断面结构图A-外层钢带；B-药芯粉末本试验采用3种不同焊缝成分的药芯焊丝，焊丝直径312mm.使用林肯IDEALARCDC-1000型焊机焊接，焊接时不使用焊剂和保护气体，焊接电流为420A，电弧电压为32V，焊接速度为6mm/s，焊丝伸出长度为28mm，在试板上堆焊4层。焊接时观察焊接工艺情况，焊后将试样加工平整，观察堆焊层表面的裂纹情况。按GB254-1989标准，用HD1-18715型洛氏硬度计测试堆焊层的常温硬度。选择洛氏硬度满足要求的试样制成金相试样，用NEOPHOT21型光学显微镜观察堆焊层的微观组织。用HXS-1000Ak型显微硬度计测定不同组织的显微硬度，显微硬度试验的载荷为0198N，加载时间为10s.最后将研制的焊丝进行现场试用。
试验结果及分析试验用药芯焊丝1号～3号在焊接时，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型好、焊缝表面几乎无渣，与其他同类自保护药芯焊丝相比较烟尘较少，这些焊丝焊接工艺性能均能满足使用要求。
试验焊丝堆焊层的常温洛氏硬度和表面裂纹情况见。
由可以看出，随着堆焊金属中碳含量和铬含量的提高，横向裂纹宽度减小、数量增多，纵向裂纹增多，3号试样横向裂纹和纵向裂纹已呈网状分布，且裂纹细密，因此堆焊金属不易大面积脱落，3号试样的表面裂纹分布。同时，随着碳含量和铬含量的提高，堆焊层硬度明显提高，3号试样C为512%、Cr为25%，其堆焊层硬度高达6412HRC，能够满足使用要求，因此对3号试样进行深入研究。
结论（1）所研制的高铬铸铁型自保护药芯焊丝电弧稳定、飞溅小、焊缝成型、焊缝表面几乎无渣，与其他同类自保护药芯焊丝相比烟尘较少，工艺性能完全能够满足使用要求。（2）药芯焊丝堆焊层表面裂纹细密，呈网状分布，因而堆焊金属不易大面积脱落。 |
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发表于 2017-3-4 03:29:40