应用铬锰奥氏体钢药芯焊丝ПП-AH202 修复碳钢耐磨零件

郑世达，Ryabtsev I.A，易江龙，Cherniak I.P，王昕昕，Korzhyk V.M.，王　凯

（1.广东省工业技术研究院中国-乌克兰巴顿焊接研究院广东省现代焊接技术重点实验室，广东广州510080；2.乌克兰国家科学院巴顿焊接研究所，乌克兰基辅）

应用铬锰奥氏体钢药芯焊丝ПП-AH202 修复碳钢耐磨零件

郑世达1，Ryabtsev I.A2，易江龙1，Cherniak I.P2，王昕昕1，Korzhyk V.M.2，王凯1

（1.广东省工业技术研究院中国-乌克兰巴顿焊接研究院广东省现代焊接技术重点实验室，广东广州510080；2.乌克兰国家科学院巴顿焊接研究所，乌克兰基辅）

通过耐磨试验及耐磨层堆焊修复的工程实例，阐述在中高碳或低合金结构难焊钢上用铬锰奥氏体钢药芯焊丝不预热进行耐磨层堆焊，并获得满意接头的可行性，从而减轻施工难度并降低成本。

铬锰药芯焊丝；耐磨层；修复；堆焊

0　前言

大多数建筑、公路设备、铁路、石油天然气以及冶金设备的零部件，均在有磨料层或没有磨料层的金属-金属间摩擦条件下运行。有时磨损伴随着冲击力更会加大磨损过程。这些零部件通常由碳含量0.4％～0.8％的中高碳非合金或低合金结构难焊钢制造。而磨损是一个比较复杂的微观破坏过程，是彼此间磨损材料以及工作环境综合作用的结果，会导致表面破坏甚至零件破损，影响设备使用。因此这些零部件的制造和修复都需要耐磨层堆焊[1]。

这种钢材的零件在堆焊时必须采取措施，预防在热影响区和熔敷金属内部出现裂纹。防止裂纹形成最常用的方法是预热、焊中加热以及回火，这些措施可大大降低因马氏体出现形成的残余应力。如果不能加热，堆焊可使用奥氏体焊接材料，比如焊丝Св-08Х20Н10Г6，但不管从技术角度还是经济角度看，并非一直可行。熔敷金属08Х20Н10Г6的硬度水平有可能达到HB 180～200，金属与金属摩擦时耐磨性能不满足使用要求。

选用堆焊材料使焊缝获得介稳定奥氏体熔敷金属为最佳方法。介稳定奥氏体加工硬化后转变为变形马氏体（ε-马氏体）。与碳钢在高速冷却时形成的马氏体相比，变形马氏体组织较为分散，有利于优化熔敷金属的力学性能[2-3]。因此，利用介稳定奥氏体变成变形马氏体可提高熔敷金属硬度及耐磨性。

焊条电弧堆焊虽简单方便，但效率低，劳动条件差，质量不稳定；埋弧堆焊生产效率高，劳动条件好，且堆焊金属成分稳定[1]。因此，本研究采用自制堆焊药芯焊丝ПП-АН202修复碳钢耐磨零件，并对堆焊层进行磨损测试，下面简要介绍堆焊药芯焊丝在乌克兰典型工程的应用实例。

1　堆焊金属耐磨试验

为避免在中高碳非合金或低合金钢堆焊时对其进行加热或尽可能少加热，研制无需预热的堆焊药芯焊丝ПП-АН202，它是低碳铬锰钢合金堆焊材料，可获得介稳定奥氏体结构的Х12Г12Н2МФ类型熔敷金属。

根据“轴-平面”方案进行检测试验，在摩擦区域不添加任何润滑油的情况下使用摩擦机器评估熔敷金属Х12Г12Н2МФ的耐磨性能。在有熔敷金属的试件上切割规格3 mm×20 mm×15 mm的检验样品进行测试。环形上试样直径40mm，宽度12mm，采用硬度HВ180的M76钢。磨损检测过程中，用3mm×20mm样品对环形上试样施加30N压力。每次测试均严格控制摩擦路径为113 m。

测试时样品的磨损量根据磨损体积确定，磨损体积通过在显微镜下观察试样尺寸变化计算而得。上试样的磨损量为试验前后质量差。根据摩擦路径确定样品及上试样的磨损比。样品1是在火车轨道上切割M76钢制成的样品，样品2是ПП-АН202药芯焊丝堆焊后的金属切割而成，所用的工艺参数需能保证堆焊层质量：电流400～450A，电压24～26V，堆焊速度不小于30 m/h。样品3是用铁素体类型的ПП-АН203药芯焊丝堆焊而成；上述所有试样在试验过程中均未进行加工硬化。

测试样品的化学成分如表1所示。

表1　磨损测试样品化学成分

耐磨性能研究结果如图1和图2所示。图1为在试验过程中测试样品减少的体积量，图2为上试样的磨损质量。由结果可知，药芯焊丝ПП-АН202堆焊的奥氏体类金属耐磨性能指标较高，上试样在试验过程中的磨损较小。分析可能是焊丝堆焊层经加工硬化的结果，经硬度测试可知使用该焊丝的金属层硬度仅为HRC 20～30。经加工硬化及形成变形马氏体结构后，熔敷金属硬度升到HRC 40～55（硬度值与加工硬化程度有关），从而大大提高其耐磨性。

图1　测试样品磨损量

图2　上述试样磨损量

图2中试样1为M76钢的上试样与M76钢试样接触后的磨损情况；试样2为上试样与ПП-АН202药芯焊丝堆焊的金属接触后的磨损情况；试样3为上试样与ПП-АН203药芯焊丝堆焊的金属接触后的磨损情况。从结果分析可知，药芯焊丝ПП-АН202堆焊的奥氏体类金属耐磨性能指标较高，上试样在试验过程中的磨损较小。分析可能是焊丝堆焊层经加工硬化的结果，经硬度测试可知使用该焊丝的金属层硬度仅为HRC 20～30。经加工硬化及形成变形马氏体结构后，熔敷金属硬度升到HRC 40～55（硬度值与加工硬化程度有关），从而大大提高其耐磨性。

2　堆焊应用

2.1用药芯焊丝ПП-АН202修复电车磨损铁轨的工艺[4]

铁轨凹槽材料主要是w（C）=0.82％的M75钢和M76钢。对铁轨侧表面进行熔化极电弧堆焊时，熔敷金属第一层的w（C）=0.45％。为了在此含碳量情况下避免形成裂纹，用铁素体系列药芯焊丝堆焊时需预热到350℃～400℃，并且缓慢冷却。但要把电车轨道加热到这种温度操作起来非常耗能且很难完成。

药芯焊丝ПП-АН202无需加热应用于电车轨道磨损件堆焊。采用分层分道堆焊，道间相互叠加一定宽度；根据磨损情况不同，层数量在5～15变化（见图3a、图3b）。堆焊采用熔化极直流埋弧焊剂AH-26П。为实现该工艺，设计并制造了堆焊设备УД-654（见图3c）。设备以自动行走焊车的形式沿着堆焊轨道爬行工作；焊车装有机械执行器、控制器、焊丝及焊剂储备装置；焊接电路电源是柴油发动机。焊接时为减少熔深，保证稀释率，采用下坡焊，焊丝前倾，增长伸出长度，减少焊道间距等措施[1]。轨道堆焊后经过探伤检查没有发现裂纹，硬度检查也满足要求。

2.2药芯焊丝ПП-АН202应用在250t通用起重机的定位-转弯工件的堆焊

该起重机定位-转弯部位设计如图4所示，磨损位置用粗黑色描出。

从外观、着色和超声波探伤看出齿轮表面和连接圈的缺陷有：车行走道路的机械磨损不均匀，行走时金属间挤压变形导致微裂纹以及金属脱落地方的疲劳磨损不均匀，如图5所示。

堆焊前将两个环磨损表面放在镗床进行机械处理，直到去除所有缺陷。圈上除去的厚度层不超过5 mm。再次进行着色和超声波探伤，确认经过机械处理后没有出现缺陷。

定位-转弯工件磨损圈堆焊使用φ2.0 mm自保护药芯焊丝ПП-АН202。为了预防圈在堆焊时出现变形，要求2名堆焊工对称施焊，如图6所示。堆焊后将定位-转弯工件堆焊圈进行机械处理后，对堆焊层进行超声波和着色探伤检测，没有出现缺陷。

将修复后的零件放在250 t起重器使用，一切正常。使用药芯焊丝ПП-АН202类似工艺可修复各类变形起重机的定位-转弯工件。

图3　ПП-АН202修复电车磨损铁轨示意

2.3药芯焊丝ПП-АН202应用在升降机主轴和引风机转轴的修复堆焊

图7a为升降机主轴传送位置的堆焊示意，此升降机位于深度35 m的地下机房[5]，主轴材料40XM钢，采用直径1.6mm的ПП-АН202药芯焊丝加混合气体φ（Ar）82％+φ（CO2）18％进行修复堆焊，堆焊用工艺：电压21～22V，电流230～250A，气流量16L/min。用自动送丝方式堆焊，堆焊后经外观、着色探伤没有出现缺陷，再进行如图7b所示的机械处理后确认没有缺陷，表明此焊丝的堆焊效果较好。此焊丝还可用于材料为55钢的引风机叶轮转轴的气体保护堆焊修复。如图7c所示，叶轮直径4.5m，旋转速度750r/min，在砾石焙烧线上运行，经修复后运行效果良好。

图4　起重机定位-转弯剖面草图

图5　通用起重机的定位-转弯工件磨损外观

图6　定位-转弯工件磨损圈现场堆焊示意

图7　升降机主轴和引风机转轴的修复堆焊

3　结论

低碳铬锰钢合金堆焊药芯焊丝ПП-АН202可用于高碳钢零件的制造和修复过渡层、表面层堆焊，无需加热或最小限度加热，堆焊层未出现裂纹等缺陷，并能达到较高的耐磨要求，这将简化修复工序并大幅减少维修费用。

[1]周振丰.金属熔焊原理及工艺（下册）[M].北京：机械工业出版社，1982.

[2]Черняк Я.П.，Васильев В.Г.，Соломийчук Т.Г.Влияние погоннойэнергиинаобразование отколовв 3ТВ высокоуглеродистой стали М76 при наплавкеаустенитными проволоками/Каленский В.К.[J].Автомат.сварка. 2001（11）：11-14.

[3]Черняк Я.П.,Бурский Г.В.,Каленский В.К.Некоторые особенности замедленного разрушения металла ЗТВ стали М76 после наплавки проволокой аустенитного класса[J].Автомат.сварка，2002（8）：50-52.

[4]Каленский В.К.，ЧернякЯ.П.，ПритулаС.И.Восстановительная наплавка изношенных трамвайных рельсов[J]. Сварщик，1999（2）：5.

[5]В.И.Дворецкий，Ю.В.Демченко，И.А.Рябцев и др. Технологический модуль УД-690 для восстановления посадочных мест главного вала эскалатора типа ЭТ в условиях машинного зала метрополитена[J].Сварщик，2006（6）：11-13.

Application of chrome-manganese austenitic steel flux cored wire ПП-АН202 for the repair of wear parts of carbon steel

ZHENG Shida1，Ryabtsev I.A2，YI Jianglong1，Cherniak I.P2，WANG Xinxin1，Korzhyk V.M.2，WANG Kai1，
（1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Advanced-Welding Technology，E.O.Paton Chinese-Ukrainian Institute of Welding，Guangdong General Research Institute for Industrial Technology，Guangzhou 510080，China；2.The E.O. Paton Electric WeldingInstitute ofNational AcademyofSciences ofUkraine，Kiev，Ukraine）

Through some engineering examples of abrasion tests and resistant layer surfacing repair，the austenitic chromiummanganese steel flux cored wire used for the hardfacing of medium-high carbon or low-alloy structural steels without preheating are described in this paper.By using this wire can get satisfaction joints and reduce the cost and difficulty of welding.

chrome-manganese austenitic steel flux cored wire；wear resistant layer；repair；surfacing

TG421

A

1001-2303（2015）11-0001-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.01

2014-03-12；

2015-08-08

国家国际科技合作项目（2011DFB50190）；广东省重点实验室建设项目（2012A061400011）；广东省引进创新科研团队计划资助（201101C0104901263）

郑世达（1961—），男，广东人，高级工程师，主要从事药芯焊丝研制和焊接工艺研究工作。