一種微裂紋高耐磨藥芯焊絲的研制

張嘉俊

江蘇維特高科焊業有限公司 江蘇淮安 223100

1 序言

近年來，伴隨著國內工程建設事業的高速增長，我國的采掘、筑路領域已然成為了國內高端裝備制造業和戰略性新興產業重點支持發展產業。在可持續發展戰略引導下，工礦機械易磨損部件修復再制造領域發展勢頭迅猛，易磨損部件的修復再制造不但可以節約金屬資源，也為機械設備使用方降低成本提供了新途徑。本文研制了一種微裂紋高耐磨藥芯焊絲，可供采掘、筑路設備等易受土砂及金屬間磨損的部件提供修復再制造使用。

2 研制

磨損是零部件失效主要原因之一，目前應用在抗磨損堆焊再制造領域較廣泛的有高鉻鑄鐵合金等，然而受合金本質及工藝方法的限制，當修復厚度超過一定范圍，則會出現因焊接應力釋放造成的裂紋（見圖1）。尤其是邊角部位、裂紋交錯部位，往往會出現不同程度的剝落、掉塊，嚴重影響了其耐磨損的效果。

另一方面，材料的開裂與碳當量也有直接的關系，一般認為，碳當量越高，越容易開裂。高鉻鑄鐵堆焊合金的碳當量較高，一般在4%~6%之間。因此，對于微裂紋藥芯焊絲藥芯的設計上應在保證硬度的前提下，選用低碳當量的成分組合。

此外，還需要加入錳、硅、鈦、鋁等元素進行脫氧脫氮，以防止在焊接過程中出現氣孔等相關缺陷。

圖1 高鉻鑄鐵合金堆焊合金表面裂紋

在焊接保護氣體的選擇上，優先選用組分為80%Ar+20%CO2或85%Ar+15%CO2二元混合氣體保護，而盡量避免使用100%CO2，減少保護氣體的氧化性，從而使合金元素的燒損減少。

對于渣系的設計，應考慮去除造渣組分。作為堆焊藥芯焊絲，對探傷要求不高，沒有必要采取氣渣聯合保護的方式：因此采用金屬粉芯，去除造渣的成分，提高焊絲的熔敷量，省略掉焊接施工人員除渣及清理現場的工作，將有效地提高焊接效率。

目前國內生產的藥芯焊絲普遍采用軋拔法生產，由兩部分組成，藥芯部分和鋼帶外皮部分。

該藥芯焊絲采用0.9mm厚度的SPCC冷軋低碳鋼帶（化學成分及力學性能見表1），設計藥粉添加率為18%~24% （藥芯組成見表2），采用軋拔法生產（軋拔法藥芯焊絲生產線見圖2），由直進式拉絲機拉細成1.6mm的線徑。

表1 SPCC冷軋低碳鋼帶化學成分及力學性能

表2 藥芯組成（質量分數） （%）

圖2 軋拔法藥芯焊絲生產線

藥芯組成包括鉻鐵、錳鐵、硅鐵、鎢鐵、釩鐵、鉬鐵、石墨以及少量的用于工藝改良的添加劑。其中，硅鐵、錳鐵主要起到脫氧的作用，此外，錳鐵還可以去除堆焊合金中一定量的硫。石墨在堆焊合金中可以改善焊接工藝并為堆焊合金增碳。鉻鐵、鎢鐵、釩鐵可以在堆焊合金中形成各種合金碳化物硬質相，對堆焊合金基體起到硬度和耐磨性的強化。

W含量的增加，堆焊金屬相對耐磨性隨之增加，這是因為一方面W具有固溶強化的作用，另一方面還形成了WC、W2C硬質相，從而提高了堆焊金屬的耐磨性。

V是強碳化物形成元素，形成VC是堆焊層中理想的硬質相，硬度高達2000HV以上。且VC的高溫性能穩定，在磨損情況下不易變形和破裂，高溫下還具有抑制長晶性能。所以隨 V 的含量增加，堆焊金屬的耐磨性增加[1]。

堆焊金屬的耐磨性取決于其中硬質化合物的總量、各硬質化合物的性能和它們的形態與分布、基體的硬度等[2]。

綜上所述，降低碳當量、增加Cr、W、V等多元硬質合金含量并使其產生的碳化物硬質相細小且彌散分布于堆焊合金中，可以獲得微裂紋高耐磨的堆焊合金。

3 試驗

對于堆焊藥芯焊絲，焊接工藝性是評價焊絲質量的重要因素。較穩定的電弧，較少的飛濺物不僅能保證焊道表面成形美觀，更能節約焊材、減少清理工作，提供優良的施工友好性。

選擇Q235B材質板材，長度約300mm，寬度約50mm，厚度約20mm，使用松下YD-500FR氣體保護焊機以及80%Ar+20%CO2混合氣體保護，焊接電流260~280A，電弧電壓32V，沿長度方向平焊一道，觀察焊縫成形及飛濺物情況。

采用納克Labspark750B直讀光譜儀以及HW2000B型高頻紅外碳硫儀對其化學成分進行測定（見圖3）。

圖3 納克Labspark750B直讀光譜儀

采用華銀HR-150A型洛式硬度計對其表面進行硬度測定。采用MLS-225型橡膠輪磨粒磨損試驗機測定其耐磨性，并與Mn13鑄件進行相同試驗條件下的結果比較。采用肉眼或10倍放大鏡觀察堆焊合金經平面磨床磨削加工的焊道表面。

4 試驗結果

（1）焊縫表面成形及飛濺物 焊接結果如圖4、圖5所示。觀察未經處理的焊道表面，可以看出焊道表面幾乎無渣，而且無表面氣孔等缺陷，焊道兩側飛濺物較少。

（2）堆焊合金熔敷金屬化學成分 堆焊熔敷金屬化學成分見表3，硬度見表4，磨粒磨損試驗結果見表5。

圖4 焊接工藝測試現場

圖5 未經處理的焊道表面

表3 堆焊熔敷金屬化學成分（質量分數）（%）

表4 堆焊合金熔敷金屬硬度 （HRC）

表5 磨粒磨損試驗

（3）堆焊合金表面宏觀形貌 經10倍放大鏡觀察堆焊合金表面沒有發現明顯的宏觀裂紋（見圖6）。但由于堆焊合金中分布細小的碳化物硬質相，這些硬質相雖然尺寸細小但是一定程度上會對堆焊合金的基體組織產生割裂。

圖6 堆焊合金表面宏觀形貌

5 應用

目前，此產品正在市場化推廣中。應用于刮板機中部槽修復（見圖7）以及掘進機頭部截齒座耐磨強化（見圖8），均取得了良好的使用效果。

圖7 刮板機中部槽修復

圖8 掘進機截齒座耐磨強化

6 結束語

研制了一種微裂紋高耐磨藥芯焊絲，采用80%Ar+20%CO2或85%Ar+15%CO2二元混合氣體保護焊接，合金設計上采用多元合金碳化物彌散強化，堆焊合金表面硬度達57~60HRC。經肉眼及10倍放大鏡下觀察，未發現堆焊合金表面有明顯宏觀裂紋，與高鉻鑄鐵堆焊合金相比，其受磨粒磨損而導致剝落的可能性大為降低。

通過磨損試驗得出，其耐磨粒磨損性能是同條件下Mn13鑄件的4.5倍。目前，應用于刮板機中部槽修復和掘進機頭部截齒座耐磨強化均取得了良好的使用效果。