高锰钢堆焊焊条的研制及测试

林彰春

(湘潭技师学院 机械系,湘潭 411100)

高锰钢堆焊焊条的研制及测试

林彰春

(湘潭技师学院 机械系,湘潭 411100)

高锰钢应用广泛,具有明显的加工硬化效果.针对高锰钢堆焊及补焊,设计、试制了高锰钢耐磨堆焊焊条,并且对焊条的工艺性能和使用性能进行了测试研究.该焊条采用CaO-CaF2-TiO2碱性低氢型渣系,具有引弧好﹑稳弧好、吹力大、稳定性好、成型好、工艺性能稳定等优点.测试结果表明:焊条的工艺性能良好,加工硬化效果明显.

高锰钢堆焊焊条;CaO-CaF2-TiO2碱性低氢型渣系;加工硬化

1 高锰钢的成分、性能及可焊性分析

高锰钢属于含碳量高的钢种,碳含量为0.9%～1.5%.碳含量愈高,碳化物数量愈多,热处理后金属的致密度愈差,韧性愈低.

锰是高锰钢中的主要合金元素.锰对低温下的冲击韧性影响更大些,即低温时冲击韧性随锰含量的增加提高得更快.锰含量提高时,冷弯角度明显增加.为了得到较好的综合机械性能,建议当碳含量为1.2%时锰应保持在11%～14%.磷含量的增加会使强度、延伸率、断面缩减率降低,而且下降的幅度大体在同一水平.磷在高锰钢中很容易偏析,会加剧磷的有害作用.

高锰钢是奥氏体型高合金钢,碳化物数量多时会在晶界上以网状出现,具有低的塑性、韧性,使其无法在铸态下使用.经过水韧处理后的机械性能可以达到很高的数值.高锰钢铸件在受冲击载荷时,金属表面发生塑性变形.尽管经水韧处理后单相奥氏体组织的硬度很低,但经过变形以后由于变形强化的结果,金属的变形层表现出明显的加工硬化现象[1].表面层的硬度有极大的提高,可以达到500～800HBS,载荷越大,加工硬化程度越高.从表面向内金属的变形程度逐渐减少,硬度也逐渐降低.在硬化层的下面仍是软韧的奥氏体组织,它与硬化层牢固地结合在一起.硬化层表面有很高的硬度,又有好的韧性.这可以使它具有抵抗磨料的犁削磨损、形变磨损和较好的抗冲击疲劳性能.在表面逐渐被磨耗的同时,在外载荷的作用下,硬化层又不断向内发展,维持一个稳定的硬化层.

堆焊和补焊时,在高温脆性区高锰钢奥氏体组织对S、P、Si等有害元素的溶解度较小,晶粒周围易产生低熔点共晶体,如:Fe+FeS(熔点985℃)、FeS+FeO(熔点940 ℃)及Fe+Fe3P(熔点1050 ℃)等;高锰钢的线膨胀系数大(约为低碳钢的1.3倍),导热系数低(约为低碳钢的1/5)[2],焊接时易产生较大的热应力和组织应力;而且很容易发生过热现象,使焊缝塑性下降,所以施焊热裂纹的倾向很大[3].高锰钢结晶过程中的液相线和固相线范围较窄(1400～1350℃),因此具有对气孔的敏感性.同时,对于难以进行水韧处理的工况,堆焊和补焊后焊接接头的塑性很低.综上所述,高锰钢的可焊性差.

本焊条的主要技术特点.本焊条熔敷金属具有比较明显的加工硬化性能.这是由于熔敷金属中含C和Mn量较高,而C和Mn都是扩大奥氏体区的元素,因此,熔敷金属的组织基体上均是奥氏体组织;从而加工硬化现象明显.本焊条的工艺性能良好,引弧性好,电弧稳定性极好,电弧吹力较大,飞溅一般,溶化系数大,载流能力大,脱渣性好,焊缝成形极好,表面光洁,焊缝表面无气孔﹑夹渣﹑裂纹﹑咬边等缺陷.

2 试验方法

2.1 试验材料及设备

试验涂药电焊条的焊芯均为H08A、Φ 4mm.药皮由石墨、钼铁(100%过 40目,过 160目＜50%)、大理石(100%过 60目,过 100目 ＜30%)、(钒铁100%、过40目,过160目＜50%)、金属铬(100%过40目,过200目＜10%)、电解金属锰(100%过40目)、长石(100%过 60目)、硅铁(100%过 40目,过160目＜30%)、钛白粉、萤石(100%60目)等组成,焊条3为碱性药皮,采用直流正接进行堆焊试验.

手工制造焊条亦可用油压机生产,采用的设备有ZX6-315型焊机、HR-150型洛氏硬度计、MLS-23型湿砂橡胶轮式磨损试验机、各种光学显微镜.

2.2 试验方法

2.2.1 焊条药皮成分及合金系统设计

根据修复件的工作特点及堆焊金属性能等要求,选择了低氢型焊条药皮.为保证焊条的工艺性能及合金元素过渡等要求,对药皮组成的种类及其数量不断进行调整,确定焊条药皮渣系.选定药皮类型、渣系以及药皮配方.初步拟定焊缝金属的合金系统.母材中含C为 0.9%～1.3% 、Mn为 11%～14%,根据母材成分和性能要求初步拟定焊缝金属的合金系统为Mo-Si-Cr系.因为Cr能够大大提高淬透性,改善耐磨性和提高硬度,提高堆焊层中铁素体的含量及强度,改善焊层的韧性;稀土硅铁能够细化堆焊层组织,净化晶界,提高硬度;Mo提高焊缝的强度,细化晶粒,提高高温强度及持久强度.

参考各种硬化表面堆焊合金的典型成分,考查各种元素同时存在和变化对合金硬度、耐磨性能的影响,进行正交设计试验后,确定合金系统.通过多次试验后确定焊条药皮主要组成方案.碱性渣系的合金过渡系数高,焊缝中杂质少,抗裂性能好,故选用碱性渣系,利用CaO-CaF2造渣造气.

2.2.2 硬度试验

在80mm×50mm×14mm的Q235钢试件上,沿长度中点宽度方向堆焊两层,层间温度在50℃以下,堆焊电流为 150～160 A,冷至室温后磨平,在HR-150洛氏硬度计上测定洛氏硬度.一般测5点取平均值,若遇到硬度特殊低点和高点则不计.

2.2.3 磨粒磨损试验

在5mm厚度小块Q235钢板上堆焊两层,连续堆焊,电流为140～150 A,冷却至室温后切取和磨平,成品的试样尺寸为57mm×25.5mm×6mm.注意尽量加工掉堆焊件背面A3钢基体材料,以保证堆焊层厚度,并注意进行堆焊的一面作为试验面.

磨损试验的条件:橡胶轮直径为178mm,硬度为60(邵氏硬度),所加砝码重量为2.5 kg,橡胶轮转速为240 r/min,砂浆比例为1500 g广东新会石英砂配1000 g自来水.先将试样预磨1000转后,在精度为万分之一的天平上称重,然后正式试验磨1000转称重,两次重量差为磨损试验失重量,一种焊条做三个试验,以平均失重量进行比较,失重量小者,耐磨性较好.

2.2.4 金相测试

在适当大小和厚度的Q235钢试板上堆焊两层,堆焊电流为150～160 A,层间温度在50℃以下,冷却后按不同要求切取试样,进行磨、抛光、腐蚀,然后分别进行光学显微分析.

3 焊条配方的设计、调整及施焊工艺研究

3.1 配方的设计和调整

根据高锰钢的成分和性能特点,尽量与母材化学成分接近,同时使控制焊缝中碳的量在0.9%～1.3%,锰的含量在 11%～14%.选择CaO-CaF2-TiO2渣系,合金过渡系数高,焊缝中杂质少,抗裂性能好,气体含量小.合金系统的选择:参照已有的高锰钢堆焊焊条的配方,确定控制焊缝中的碳含量在1%左右,锰含量在14%左右,硅的含量在1%左右.

加入稀土硅铁能够细化堆焊层组织,净化晶界,提高硬度,同时,调节溶渣的粘度,使溶渣均匀的覆盖在焊逢上.加入钼铁,提高焊缝的强度,细化晶粒,提高高温强度及持久强度.(根据实验调整)

根据渣系性质,估算合金损失,确定药皮中应加的合金剂及数量,根据资料显示,在手工电弧堆焊焊条的合金过渡系数中,碳的合金过渡系数在0.32～0.65之间,锰的合金过渡系数在 0.40～0.50之间.[4]

焊芯的化学成分如表1所示:

表1 焊芯的化学成分

在药皮中应加入的数量按下式计算:

[Me]w——要求焊缝中的合金浓度(%)

[Me]c——应加铁合金数量(g)

[Me]f——焊丝中合金成分含量(%)

η丝——焊丝中过渡系数

η皮——药皮中过渡系数

Kb——药皮重量系数

Kc——合金在该铁合金中的含量(%)

药皮重量系数Kb由试验估测为0.5.

根据上式:参照现有低氢型药皮配方,确定第一次试验用药皮配方如下表2所示.

表2 第一次测试用重量配方

试验发现有较多缺陷经多次调整试验,得到焊接性比较好的配方,如表3所示.

表3 调整后优化药皮配方

按这个配方成分做出来的焊条其优点在于:引弧﹑稳弧好,吹力大,稳定性好,成型好,工艺性能稳定.存在的两个主要问题:

①焊缝渣的粘度不够,覆盖性差.

②焊缝加工硬化后的硬度达不到要求.

对于第一个存在的问题,解决办法是调低硅铁的含量,同时加入长石,提高渣的粘度,另外调整萤石与碳酸钙的比例,但试验结果不尽理想,渣的覆盖性差的问题没有得到解决.

对于第二个存在的问题,解决办法是试验在碳、锰、硅铁、钼铁不同含量对焊缝加工硬化后硬度的影响,通过调整,焊缝的加工硬化后硬度由原来的45H RC增到了50HRC.

再次调整后的焊条配方如表4所示.

表4 再次优化的药皮配方

加工硬化后硬度如表5所示.

表5 加工硬化后硬度表

能进一步锤击,焊缝加工硬化后的硬度达到了52HRC以上.如果再调整一下锰碳比和加入稀土元素,堆焊层的硬度是可以达到设定的目标(55HRC).

3.2 焊条的施焊工艺研究及测试结果

焊接时采用电流(120～160 A)弱规范来减小熔合比和热影响区的宽度,从而保证堆焊层的化学成分,减小热裂纹倾向;并且尽量采用短道焊﹑断续焊﹑窄道焊﹑直线(不摆动)运条﹑焊后迅速泼水并锤击焊道;多层焊时,还应控制层间温度,冷却到室温再施焊,以便使熔敷金属具有和母材相同的性能.

测试结果表明:本焊条的工艺性能良好,引弧性好,电弧稳定性极好,电弧吹力较大,飞溅一般,溶化系数大,载流能力大,脱渣性好,焊缝成形极好,表面光洁,焊缝表面无气孔﹑夹渣﹑裂纹﹑咬边等缺陷.

4 结 论

(1)本焊条采用CaO-CaF2-TiO2渣系,合金过渡系数高,焊缝中杂质少,抗裂性能好,气体含量小.脱渣性好,焊缝成形极好,表面光洁,焊缝表面无气孔﹑夹渣﹑裂纹﹑咬边等缺陷.

(2)焊接时采用电流(120～160 A)弱规范来减小熔合比和热影响区的宽度,从而保证堆焊层的化学成分,减小热裂纹倾向.

(3)焊条熔敷金属的抗热裂性好,耐磨性能良好、焊后经水韧处理后加工硬化效果显著.

(4)本焊条焊芯采用常用的低碳钢芯H08A熔敷金属,所需的合金元素靠药皮过渡,所以,焊条制造成本低,采用本焊条对高锰钢产品景象补焊,或在普通碳素体钢或合金钢上堆焊制造双金属结构,经济效益及效果都十分显著.

[1]崔 昆.钢铁材料及有色金属材料[M].北京:机械工业出版社,1981:119-121.

[2]崔 昆.钢铁材料及有色金属材料[M].北京:机械工业出版社,1981.

[3]周振丰,张文钺.焊接冶金及金属焊接性[M].北京:机械工业出版社,1994:457-458.

[4]刁淑生,徐 婷,杨 克,储少军.手工电弧堆焊焊条某些合金元素的过渡系数[J].焊接学报,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,讲师,研究方向:模具设计.