稀土低合金耐磨鋼堆焊焊條排版投稿

1、稀土低合金耐磨鋼堆焊焊條熔敷層斷口形貌和性能研究匡建新1 汪新衡1 李天生1 李興志【2】（1. 湖南工學(xué)院機(jī)械工程系 湖南 衡陽 421008； 2. 勝利石油管理局總機(jī)械廠  山東 東營(yíng) 257067）摘要：通過掃描電鏡、能譜分析、磨損試驗(yàn)系統(tǒng)地研究了稀土低合金耐磨鋼堆焊焊條熔敷層金屬化學(xué)成分、沖擊斷口形貌和耐磨性。試驗(yàn)結(jié)果表明,同等條件下，焊條藥皮中添加稀土氧化物可以提高熔敷層耐磨性能；藥皮配方中添加1.5%稀土氧化鈰的焊條的熔敷層耐磨性強(qiáng)于添加1.5%稀土氧化釔。關(guān)鍵詞:稀土低合金耐磨鋼焊條；氧化鈰；氧化釔；堆焊熔敷層； 耐磨性中圖分類號(hào):422.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Study o

2、f Low Alloy and Wear Resistance Steel Hard Facing Electrode containing REKUANG Jian-xin1 WANG Xin-heng1 Li Tian-sheng1 LI Xing-zhi2 (1. Dept. of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Technology, Hengyang 421008；2. general machinery plant of shengli petroleum administration, Dongying 257067，Chin

3、a)Abstract：Chemical composition, wear resistance and fracture morphology of electrode deposition metal were analyzed by scanned electron microscope (SEM), energy depressives spectrometry, and wearing test. The result s show that under the same conditions, the wear resistance of metal of electrode ad

4、ded with 1.5% cerium is better than that added with 1.5% yttrium.Key words：low-alloy wear resistance steel with RE; cerium ; yttrium ;hardfacing cladding layer；Wear resistance0引言機(jī)械零件經(jīng)常處于復(fù)雜和苛刻的工作條件下，大量機(jī)械設(shè)備因磨損而失效。這不僅造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至釀成安全事故。所以對(duì)磨損與耐磨材料的研究已經(jīng)引起人們?cè)絹碓綇V泛的重視。目前礦山機(jī)械中廣泛使用的耐磨材料主要是高錳鋼，它在使用中經(jīng)受高沖擊應(yīng)力條件下進(jìn)

5、行摩擦而產(chǎn)生強(qiáng)化（加工硬化）獲得很高的耐磨性 。但在高應(yīng)力條件下工作的耐磨件不足10%，大部分耐磨件在中、低應(yīng)力狀態(tài)下服役。當(dāng)沖擊較小時(shí)（如磨料為煤炭等材料），高錳鋼因不能強(qiáng)烈加工硬化，其耐磨性較低。并且高錳鋼的生產(chǎn)工藝要求嚴(yán)格，焊接性也較差1。而低合金耐磨鋼通過熔煉時(shí)加入Cr、Mo、Ni、Ti、RE等合金元素，結(jié)合熱處理工藝獲得馬氏體和貝氏體的復(fù)合組織，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，尤其是它的高硬度、高韌性、耐磨性好以及在使用中不斷裂，不變形等優(yōu)點(diǎn)，使得該種材料替代以往高錳鋼系列材料成為可能?，F(xiàn)今國內(nèi)對(duì)于低合金耐磨鋼材料的研究多是從材料的化學(xué)成分及對(duì)材料進(jìn)行熱處理所得的組織作為研究的重點(diǎn)，而對(duì)低合

6、金耐磨鋼的焊接性研究非常少2-4。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)鑄鋼件在使用過程中出現(xiàn)裂紋、磨損國良等缺陷而失效時(shí)，若能及時(shí)用焊接方法修復(fù)，可節(jié)約大量資金，顯著提高生產(chǎn)效率。因此，研究開發(fā)一種焊接性能和力學(xué)性能優(yōu)良的稀土低合金耐磨鑄鋼堆焊焊條非常必要。本文對(duì)該類焊條熔敷層化學(xué)成分、組織、沖擊斷口形貌和耐磨性能等方面進(jìn)行了較深入地研究，為這一新型焊條更廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)提供參考。1 試驗(yàn)材料和方法焊條藥皮配方見表1。加入的稀土添加劑分別為氧化釔和氧化鈰，焊芯為H08A。母材為低碳低合金耐磨鑄鋼，其化學(xué)成分見表2 。母材試板選用10 kg 高頻電爐熔煉, 采用沖入法加入稀土, 用水玻璃型砂澆注。采用SX-10-

7、13 高溫箱式電阻爐進(jìn)行焊后熱處理。用Neophot-I 型臥式顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。用HR-150A 型洛氏硬度計(jì)測(cè)試硬度。用JB-30A 型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn), 其斷口分析采用Quanta400 型掃描電鏡, 能譜分析采用INCA 能譜分析儀。能譜分析采用INCA能譜分析儀。耐磨性試驗(yàn)在自行研制的磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行, 加載1 kN, 試樣尺寸為：25 mm×20 mm。表1 焊條藥皮實(shí)驗(yàn)配方(w%)組分大理石螢石鐵粉石英鈦鐵金紅石鈦白粉云母白土子純堿碳酸鉀氧化鋯硅鐵錳鐵鉻鐵鎳粉鉬鐵稀土含量452585828433134.224.43.62.72.51.5表2 稀土低碳低合金耐

8、磨鋼母材化學(xué)成分（w）元素CSiMnMoCrNiCuRe殘含量0.280.700.950.581.211.020.100.032表3 添加稀土釔焊條熔敷金屬的化學(xué)成分（W%）元素CNiPSSiMnCrMo含量0.080 1.050 0.0219 0.010 0.637 0.920 1.180.843 表4 添加稀土鈰焊條熔敷金屬的化學(xué)成分（W%）元素CNiPSSiMnCrMo含量0.090 1.100 0. 02150.008 0.628 0.940 1.101.009 2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1熔敷層金屬化學(xué)成分結(jié)果及分析表3、表4分別為添加氧化釔和氧化鈰的焊條熔敷金屬的化學(xué)成分。對(duì)比熔敷金屬和

9、母材的化學(xué)成分表明，研制的低合金耐磨鋼焊條的熔敷金屬化學(xué)成分與母材相匹配。這說明所研制的稀土低合金耐磨鋼的焊條適用于母材的焊接。稀土在焊縫中的脫硫以及脫氧作用非常明顯。圖1為 磨損試樣的面掃描能譜分析，表5是磨損試樣的面掃描能譜分析結(jié)果?？梢钥闯觯茏V分析中沒有檢測(cè)出S、O含量，試樣中S、O含量很低以至于能譜分析儀檢測(cè)不出來。這再次說明，在焊接熔池中，稀土氧化物可以被碳還原成稀土元素，稀土元素與焊縫金屬中氧、硫等有害物質(zhì)發(fā)生冶金反應(yīng)生成稀土氧化物、稀土硫化物和稀土氧硫化物，從而達(dá)到脫氧、脫硫、凈化熔池的作用。圖1 磨損試樣的面掃描能譜分析表5能譜分析面掃描試驗(yàn)結(jié)果ElementAppInten

10、sityWeight%Weight%Atomic% Conc.Corrn. Sigma Si K0.350.62270.550.131.09Cr K1.141.25150.890.120.96Fe K108.681.103696.390.3996.40Ni K0.700.88140.780.250.74Mo L1.040.72771.390.260.812.2 熔敷層組織和硬度分析測(cè)得堆焊熔敷層的平均硬度值為HRC28,和母材的平均硬度值相差不大,這對(duì)于稀土低碳低合金耐磨鑄鋼的焊接修復(fù)是有利的,說明焊后不需要進(jìn)行熱處理就能滿足使用要求,這也有利于修復(fù)件滿足實(shí)際工況條件。圖2為焊縫的顯微組織,其

11、組織主要由鐵素體(白色部分)、珠光體和貝氏體組成。晶粒非常細(xì)小,這 2.2 沖擊斷口形貌及能譜分析對(duì)添加氧化鈰焊條熔敷金屬試樣進(jìn)行沖擊斷口宏觀分析，發(fā)現(xiàn)試樣斷口邊緣均有比較大的拉邊，斷口處灰暗色纖維區(qū)所占比例很大。利用掃描電鏡對(duì)沖擊試樣斷口進(jìn)行微觀分析，斷口為典型的韌窩斷裂，韌窩數(shù)量多而深，見圖2，與經(jīng)過正火處理的母材相比，見圖4。種組織能夠保證堆焊層既有一定的硬度,又能使堆焊層具有足夠的韌性。圖4為母材鑄態(tài)組織,組織為下貝氏體、板條狀馬氏體以及殘余奧氏體。這樣的組織能夠保證稀土耐磨鑄鋼具有強(qiáng)韌結(jié)合的綜合優(yōu)良性能?？梢园l(fā)現(xiàn)加稀土焊條熔敷層的韌窩要比經(jīng)過正火母材的韌窩深且數(shù)量多。而未加稀土的試樣

12、斷口從圖5可以看出，斷口上有短程的河流花樣和塑性變形的撕裂棱，韌窩較少。圖3為韌窩中的夾雜物，可見夾雜物顆粒大部分為球狀，大小及分布比較均勻，顆粒大小在1左右。 圖2 加稀土沖擊斷口韌窩處掃描電鏡照片 圖3 韌窩中夾雜物掃描電鏡照片 圖4 正火母材掃描電鏡照片 圖5 未加稀土沖擊斷口掃描電鏡照片圖6為斷口能譜分析。由圖可見稀土富集在Ti-Mn硅酸鹽夾雜物上，而夾雜物影響沖擊韌性主要是通過它的大小、形狀、分布等多個(gè)因素綜合作用，當(dāng)夾雜物大小在1左右時(shí)，夾雜物在焊縫中不會(huì)引起強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，且可以作為異質(zhì)形核核心，從而細(xì)化熔敷金屬組織作用，起到提高沖擊韌性作用。并且夾雜物的形狀為球狀時(shí)，在夾雜物周

13、圍的應(yīng)力集中較小，夾雜物就不會(huì)作為裂紋源。而未加稀土的沖擊試樣中夾雜物的鈣的含量較高，屬于硅酸鹽夾雜5。另外，加入稀土可能改善了焊接熔池液態(tài)金屬的流動(dòng)性、表面張力，形成的高熔點(diǎn)的稀土硫化物、稀土氧化物有利于球化上浮進(jìn)入熔渣，降低了硫及夾渣物在焊縫金屬中的溶解度和含量，凈化了焊縫金屬，提高了沖擊韌性6。 (a) 加稀土沖擊斷口韌窩處能譜分析（b）未加稀土沖擊斷口能譜分析圖(c)加稀土沖擊斷口韌窩中夾雜物能譜分析圖6 斷口能譜分析圖2.3耐磨試驗(yàn)結(jié)果及分析圖7為根據(jù)耐磨性試驗(yàn)結(jié)果繪制的曲線。圖8為試樣磨損對(duì)比圖片。由圖可以看出開始時(shí)添加氧化釔的熔敷金屬比添加氧化鈰的熔敷金屬耐磨性好，但隨著磨損時(shí)間

14、的增加，添加氧化鈰焊條熔敷金屬的耐磨性能要比氧化釔焊條熔敷金屬的耐磨性能好。而未加稀土焊條熔敷金屬的耐磨性能顯然比添加稀土焊條的熔敷金屬耐磨性能差。圖7 添加稀土和未加稀土焊條熔敷金屬耐磨性對(duì)比曲線 (a)未加稀土的磨損圖片 （b）添加氧化釔的磨損圖片 (c) 添加氧化鈰的磨損圖片圖8 試樣磨損對(duì)比圖稀土提高低碳低合金耐磨鋼焊條熔敷層耐磨性的作用機(jī)理在于稀土元素是較強(qiáng)的內(nèi)吸附元素，在結(jié)晶過程中，稀土元素將聚集在晶界表面，聚集的結(jié)果能有效地阻止晶核在較大的過冷度快速生長(zhǎng)，從而達(dá)到細(xì)化組織的作用；另外彌散分布在熔敷金屬組織中的稀土化合物也可作為異質(zhì)晶核，會(huì)大大提高形核率，利于晶粒的細(xì)化，細(xì)化晶粒的

15、作用結(jié)果最終會(huì)提高熔敷金屬耐磨性。對(duì)韌窩中的第二相粒子進(jìn)行能譜分析, 結(jié)果表明韌窩中第二相粒子主要為Mn、Cr 的碳化物,呈圓球狀, 分布非常均勻。正是這種圓球狀均勻分布且在磨損過程中作為硬質(zhì)相的碳化物提高了熔敷金屬的耐磨性7。3結(jié)論(1)藥皮中添加稀土氧化物后熔敷金屬化學(xué)成分和母材化學(xué)成分基本相當(dāng)，保證了焊條與母材的匹配。(2)稀土氧化物起到脫氧、脫硫、凈化熔池的作用；稀土改善夾雜物呈球狀均勻分布，夾雜物顆粒大小在1m左右，這種情況下的夾雜物在焊縫中不會(huì)引起較大的應(yīng)力集中，且夾雜物不作為裂紋源，從而提高了熔敷層耐磨性。(3)藥皮配方中添加1.5%氧化鈰焊條的熔敷金屬的耐磨性強(qiáng)于添加1.5%氧化釔焊條熔敷金屬的耐磨性。(4)添加稀土氧化物焊條熔敷金屬試樣的沖擊斷口為典型的韌窩斷裂，韌窩數(shù)量多而深，韌窩中的夾雜物呈圓球狀，且分布較均勻。參考文獻(xiàn)：1謝敬佩,李衛(wèi),宋延沛,陳全德.耐磨鑄鋼及熔煉M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003,7:162-1632楊慶祥,廖波.稀土元素在鋼和焊接材料中的應(yīng)用及研究進(jìn)展J. 燕山大學(xué)學(xué)報(bào),1999,1:14-163李午申,張炳范,徐凱齡等.免預(yù)熱耐磨堆焊焊條的研究J. 焊接學(xué)報(bào),1997,2:1-54王清寶,王智慧,李世敏.高碳型Fe-Cr-C耐磨堆焊合金顯微組織研究