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1、Cr3支撑辊局部修复焊接材料和工艺的研究 武汉理工大学硕士学位论文Cr3支撑辊局部修复焊接材料和工艺的研究姓名:张正华申请学位级别:硕士专业:材料加工工程指导教师:陈冰泉20071101摘要轧辊在恶劣的环境下工作,很容易出现局部失效。如果能采用堆焊的方法来修复轧辊的局部失效,使其性能达到原来轧辊的性能,那么经济效益肯定会相当可观。从环保的角度上看,也能很大程度地节约资源,减轻对环境的压力。支撑辊由于其母材碳当量很高,焊接冷裂纹敏感性极高,局部失效后进行堆焊修复难度很大。由于轧辊通常由铸造或锻造的方法制造,很少有人研究的焊接性能。本文根据支撑辊的母材特性以及工作条件研究其局部堆焊修复的堆焊材料,
2、全面地分析了其堆焊工艺。所设计的堆焊焊条的基本要求是硬度和抗裂性达到要求。根据要求以及试验经验设计和制作了五种焊条,所有的焊条均采用的焊芯和低氢型药皮。合金元素主要为、。对五种焊条熔敷金属的抗裂性、化学成分、硬度和耐磨性、回火稳定性、扩散氢含量等进行了分析,在废旧的支撑辊上进行的焊接试验验证了其中一种焊条的熔敷金属的性能。另外,还采用现场焊接直观分析和汉诺威电弧分析仪定量分析相结合的方法综合分析了这五种焊条的工艺性能。钢碳当量高,根据传统工艺,局部堆焊修复诸如轧辊的大型工件,一般要预热到,劳动强度很大,并且能耗高,因此降低预热温度很有必要。在支撑辊局部堆焊修复中,出现的裂纹基本都是焊接热影响区
3、的冷裂纹,因此避免在焊接热影响区出现冷裂纹成了制定堆焊工艺的关键。采用焊接热模拟来研究堆焊工艺,一共模拟了种堆焊工艺的焊接热过程。通过对这些模拟过程的热膨胀曲线、试样金相组织等的分析,研究了焊前预热、焊后缓冷、延长冷却时间/与劬、焊后保温这四种因素对焊接热影响区冷裂纹产生倾向的影响。本文还在废旧的支撑辊上对几种热模拟试验结果进行了实践验证。结果表明,所设计的焊条至少有三种具有好的熔敷金属性能和工艺性能,可以满足支撑辊局部修复的要求。如果在焊后的冷却过程采取适当的措施比如缓冷、保温等,预热温度降到甚至更低是完全可能实现的。因此,本文成功的设计了可用于支撑辊局部堆焊修复的堆焊材料,并对传统的堆焊工
4、艺进行了优化。关键词:支撑辊,局部修复,堆焊材料,焊接热模拟,焊接工艺. ?,.? . . 五 , ., . . , ,? .,【,、 . . 】. ,. ., ., , , 劬, . , ,. ?., ,? ,.:,此页若属实,请研究生及导师签名,并装订在学位论文的摘要前。独创性声明本人声明,所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
5、研究生。四:羝至堡醐业、/关于论文使用授权的说明本人完全解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送交仑文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可姒公布论文的全部内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后应遵守此规定研究生签名,:避导师签名,:琶选臼期业、/武汉理工大学硕士学位论文第章引言.课题背景堆焊是焊接领域中的一个分支,是一种熔焊工艺。堆焊技术在我国起源于世纪年代末,几乎与焊接技术同步发展【。它的目的是借用焊接手段对金属材料的表面进行厚膜改质,即在零件上堆覆一层或几层具有希望性能的材料【】。堆焊是用于修复的重要方法之一,许多表面缺陷都可以通过堆焊进
6、行消除,在修复轧辊、模具等部件方面具有重要的应用价值,它不仅是延长材料或零件服役寿命的工艺方法,而且还成为先进制造技术的发展基础睁。我国是一个材料消耗大国,采用堆焊的方法来修复受损的机械零件不仅可以恢复零件原来的尺寸,而且可以进一步提高工作面的性能,这对于降低生产成本,节约材料.提高使用寿命,减少配件消耗意义很大。钢铁工业是国民经济的重要基础产业,近几年来钢铁产业在中国经济快速增长的推动下,出现了较快的增长。冶金轧辊是轧钢的主要大型工具,也是轧机上的主要消耗部件。我国轧辊制造业经过几代科研人员的不懈努力和几十年的发展和壮大,今天已经成为世界轧辊产量大国,轧辊制造技术和材质品种方面有很大的发展【
7、。系列轧辊是目前使用量很大的优质轧辊。轧辊的质量和使用寿命直接关系到轧机的生产效率、产品质量及生产成本【】。由于轧辊的工作环境恶劣,所以轧辊很容易出现局部失效】。常见的轧辊局部缺陷形式有划伤、粘辊、剥落、裂纹等。轧辊出现的局部缺陷多发生在表层?厚的淬火层上【】。这类失效轧辊的尺寸有时远没有达到满足使用要求的最小临界尺寸,因此如果仅仅由于轧辊的局部失效而导致轧辊整体报废或者整体堆焊修复,这显然是很浪费的。如果能采用堆焊的方法来修复轧辊的局部失效,并且使用性能达到原来轧辊的性能,那么将会有很好的经济价值,对环境造成的负荷也大大减少。因此对轧辊的局部修复技术研究无论从节约能源、节约资源还是环境保护等
8、方面都具有重要意义们。系列轧辊母材可焊性极差,加上轧辊工况苛刻,局部堆焊修复难度较大。课题的目的就是设计堆焊材料,利用堆焊技术对支撑辊的局部失效进行修复,使其能在机加工后达到使用要求,并对堆焊工艺进行探武汉理工大学硕士学位论文讨,找出堆焊工艺对修复质量的影响机理,从而优化的堆焊工艺。.和本课题有关的国内外研究现状课题主要包括两部分:堆焊材料的研究和堆焊工艺的研究。.在堆焊材料研究方面堆焊材料按使用形式可分为焊丝、焊带、焊条、焊剂等,焊条堆焊适用于工作量比较小或用其它自动化焊接方法难以处理的场合。堆焊质量依赖焊工的水平。由于局部修复工作量较小,且灵活性很大,所以采取手工电弧焊比较合适。对于手工电
9、弧焊的焊条,国内外已经取得了一些发展。如中国研制出的成熟产品,等、日本的.、美国的以及瑞典的.掣悖。目前,纳米技术也已经开始用于焊接材料的开发。虽然很多常规的堆焊焊条在硬度方面能满足使用要求,但当时,其抗裂性变差。为防止产生裂纹,一般要求焊前将工件预热以上,这不仅严重恶化劳动条件,而且还显著提高成本蚍”。目前,国内外专家学者通过研究,在研制性能优良的堆焊焊条方面已经积累较多的经验。比如,文献【】讲述了天津大学的李午申等老师研制的焊条具有优良的耐磨、耐蚀、抗裂、耐热性和工艺性能,室温下不预热焊接不产生裂纹,焊态下可进行机加工。可显著改善劳动条件,降低工艺成本。可广泛用于工作温度以下受水、蒸气、石
10、油介质作用的碳钢和低合金钢部件、高、中压阀门密封面和轧辊的表面堆焊等。文献【】讲述了两种能用于局部修复白口铸铁轧辊的焊条。文献】报道了将.复合变质剂加入碱性焊条药皮中,以为焊芯压制舛.焊条,该种焊条可以局部修复轧辊。文献【】讲述了权旺林、张汉谦等人研制出了可用于修复冷轧辊表面的高强高韧堆焊焊条。.对%.%和.%.%两种铁基堆焊焊条的微观组织和磨损机理进行了研究。文献讲述了和研制了三种焊条:.、.,这三种焊条可以用来堆焊犁头以增加耐磨性.总体来说,与国外相比,国内堆焊材料品种过少,还不能满足实际生产的需要。.在堆焊工艺研究方面武汉理工大学硕士学位论文轧辊局部堆焊修复工艺轧辊整体堆焊修复已经有较为
11、成熟的工艺,但是对于局部堆焊修复,有详细报道的相关文献却不是很多。文献【叫】等报道了有关白口铸铁轧辊缺陷的补焊的研究,该研究可以实现在白口铸铁轧辊上进行冷焊修复局部缺陷。任登义、张元彬等。】在钢轧辊的局部堆焊修复上有所研究,也可以实现冷焊,其堆焊焊缝为两层三部分,分别由三种专用焊条填充。另外,文献【】也讲述了一种轧辊局部创面的修复方法。目前国内外对于钢轧辊的修复,除了张元彬、任登义,邹增大等人研究了冷焊修复钢轧辊和白口铸铁轧辊外,均采用的热焊法阱川。系列的轧辊的局部堆焊研究国内外还未见报道,然而大型构件高温预热可行性极差,严重限制了生产应用,所以将预热温度降低势在必行,但是由于预热温度降低的时
12、候内应力会更大,裂纹敏感性更大【。利用焊接热模拟方法分析焊接工艺【】低合金高强钢、超高强钢、有色金属,以及特种合金的焊接热影响区是最容易出现裂纹的危险区域。因此在研究焊接工艺时,深入研究热影响区中的组织性能是非常必要的。然而热影响区中的各区段非常狭窄,很难单独取出进行相应的试验研究。采用热模拟技术,就可以在一定尺寸的试件上,模拟焊接热循环及焊接应力应变对焊接热影响区中某个区段的影响,从而研究该区段的组织及性能的变化规律。因此可以利用热模拟技术来研究在何种焊接工艺下焊接热影响区具有较好的组织和性能,产生裂纹的可能性最小。焊接热模拟技术从年代开始,前苏联、日本从年代就开始焊接模拟技术的研究,我国从
13、年代开始研究焊接热模拟技。年代以来,世界各国对焊接模拟技术及其有关测试装置进行了大量的研究工作,得到了飞速发展。美国的“”和日本的“”代表了当代广泛使用的模拟试验机,它们不仅能模拟焊接热循环,同时也能根据实际焊接过程模拟焊接应力和变形。最近,随着其它现代相关技术如材料科学、计算机技术、工程测量技术的发展,、甚至也已经被开发出来投入了使用。.研究目标、研究内容和解决的关键问题武汉理工大学硕士学位论文.研究目标设计出满足支撑辊局部堆焊修复要求的堆焊材料,并通过现场堆焊修复试验和对钢的焊接热模拟试验来研究和探讨堆焊工艺,对堆焊工艺进行优化。.研究内容堆焊材料的研究根据要求设计和制作堆焊材料课题所研究
14、的堆焊材料为手工电弧焊焊条。对焊条的主要性能进行测试和分析。堆焊工艺的研究在堆焊材料满足要求的情况下,对堆焊工艺进行研究探讨,主要研究堆焊工艺对局部修复的影响,利用热模拟来研究其机理,对传统工艺进行优化。.解决的关键问题符合支撑辊局部堆焊修复要求的焊条的设计、制作。焊条工艺性能的定量分析。探讨工艺因素对堆焊修复的影响和机理,以及优化传统工艺。.采取的研究方法主要采取以下研究方法:根据支撑辊的母材特性和工作条件来设计多种堆焊焊条,并通过硬度试验、耐磨性试验、回火稳定性试验、抗裂性试验以及现场修复试验等来判断是否符合要求。使用汉诺威电弧分析仪来定量分析所设计的焊条的工艺性能。使用热模拟试验机来对钢
15、进行焊接热模拟试验,通过对热模拟试验的数据的比较、分析,以及对热模拟试样的分析,来研究不同焊接工艺下焊接热影响区产生冷裂纹的可能性的大小。用设计出的焊条在不同的焊接工艺下进行现场堆焊试验,以验证焊接热模拟实验的可靠性,并确定较好的工艺。武汉理工大学硕士学位论文第章支撑辊局部修复堆焊材料的设计本课题根据厂方要求,焊条焊态下熔敷金属的硬度值应在。另外,要实现局部修复,熔敷金属必须得有良好的抗裂性。.焊芯的确定为了便于配方调试,在设计上选择的焊芯,焊芯材料选择堆焊焊条常用的,借助药皮过渡合金元素。的主要成分如表.嘲。表的化学成分%化学成分质量百分比牌号 .一. 如. :抑. 郢. 如. 茎. 三.药
16、皮类型的确定电焊条的药皮在焊接过程中不但可以造渣、造气对熔池起到机械保护作用,而且还有向焊缝中渗入合金元素改善冶金并改善焊条工艺性能的等作用。目前应用于堆焊焊条的药皮类型有:钛钙型、低氢钠型、低氢钾型、石墨型等【”。针对不同的药皮类型适用不同的堆焊合金系统的特点,同时为了保证所研制的焊条具有良好的性能,本文选择了低氢钠型药皮。.合金系统的确定合金元素是影响焊缝组织和性能的重要因素.根据母材的主要成分如表.、支撑辊工作条件以及前期试验经验,本课题设计的焊条熔敷金属的主要合金元素为:、。表 钢的几种主要元素的质量百分比%元素质量百分比 . . .武汉理工大学硕士学位论文所用合金元素在焊缝合金中的主
17、要作用?卅】:是强烈的奥氏体形成元素和降低点元素。在堆焊材料的设计中,是最重要的强化元素,同时也是致脆元素。具有间隙固溶强化的作用,增加材料中的的含量,将促进孪晶马氏体的形成,增加碳化物数量,减少碳化物质点距离,增次硬化峰值,获得高的硬度。但是含量的增加会使材料的的冲击韧度下降,为此,在满足性能要求的前提下,应尽量减少的含量。:提高淬透性,产生固溶强化,促进马氏体的形成,在高合金超高强钢的设计中,有促进二次硬化效应,形成细小弥散的沉淀相,提高硬度和拉伸屈服强度。在铬铁合金中,当含量在%以内时,合金的冲击韧度会随着含量的增加而增加,但是超过%时,冲击韧度则会急剧下降。的二次硬化峰值在左右。:能增
18、加淬透性,产生固溶强化,抑制回火脆性,形成,增进二次硬化效应,是二次硬化峰的原因,的二次硬化峰值约为。当含量较低时,随含量增加,硬度增加,耐磨性提高。当含量增加到一定程度后,形成特殊的碳化物:,等。随含量的继续增加,的碳化物也将越来越多,故耐磨性提高。当含量再继续增大时,由于药皮中含量受到限制,的特殊碳化物将不再增加,而只能以原子态过渡到焊缝中去,这样,基体相急速增加,硬度下降。继续增加含量,耐磨性也要下降。:是稳定奥氏体元素,降低点,提高淬透性。此外,还是良好的脱氧剂和脱硫剂,与联合作用有利于降低焊缝中的氧含量,与结合形成,防止的熔点的形成,防止焊缝金属中产生热裂纹的倾向,提高焊缝中铁素体和
19、奥氏体的强度和硬度,同时又是弱碳化物形成元素,取代渗碳体中的部分,形成复合渗碳体。但是过量的含量将使钢的晶粒粗化,使钢的延展性降低,韧性下降。:是强铁素体形成元素,除在铁素体和奥氏体中提高固溶强化的作用外,还具有脱氧作用,降低焊缝中的氧含量,降低氧对焊缝金属的不利作用。最后确定堆焊熔敷金属主要化学成分的目标质量百分比如表.。因为要求熔敷金属有好的抗裂性,因此熔敷金属目标碳含量低于母材.武汉理工大学硕士学位论文表.熔敷金属主要化学成分的目标质量百分比%化学元素 .?旬. . .加.目标质量百分比 . .药皮的确定.药皮组成物的作用本文设计的焊条药皮用到的成分及其作用如下.】:大理石化学式为,含.
20、%,.%,属三方晶系,比重.缸./。纯大理石析出的开始分解温度为,但与其它物质混合后,其开始分解温度可降到左右。焊条用大理石,应含%。主要作用是造气与造渣。大理石分解产生的是碱性氧化物,能提高熔渣的碱度,增加熔渣的表面张力和熔渣与熔化金属之间的界面张力,粗化熔滴,影响熔滴过渡形态。增强熔渣的脱硫、磷能力。大理石分解产生的气体,可排除电弧区内的空气,阻止氮气侵入液态金属中,并降低电弧气氛中的氢分压,有利于焊缝金属降氢。萤石又称氟石。化学式,含.%,.%,属等轴晶系,比重./,熔点。冶金部己制定冶金用萤石标准卜,一级萤石空%,二级萤石之%。均可用于焊条。主要用于造渣和改善熔渣的物化性能。它可降低碱
21、性熔渣的熔点、粘度和表面张力,增加熔渣的流动性。有利于降低焊缝金属的气体杂质,有脱氢作用。锰铁按锰铁中的含碳量不同,可分为高碳锰铁含碳.%、中碳锰铁含碳.%和低碳锰铁含碳卯.%。其主要作用是脱氧及合金化。用锰脱氧后生成,所以附带起造渣作用。由于锰铁的含磷量较高,应注意焊缝金属增磷的问题。铬铁按铬铁中的含碳量不同,可分为低碳铬铁含碳.%中碳铬铁武汉理工大学硕士学位论文含碳.%低碳铬铁含碳.%。其主要作用是作为合金剂。钛铁化学式为,含.%、.%、氧.%。属三方晶系菱面晶体,呈铁黑色或钢灰色。比重.,熔点。钛是一种活泼元素,对氧亲和力大,脱氧效果好。钛脱氧后生成也有造渣作用。用钛铁脱氧时,有微量的钛
22、元素过渡到焊缝中去,能细化晶粒,提高韧性。钼铁其主要成分为、。其主要作用也是作为合金剂,也有造渣脱氧的作用。稀土硅适量的稀土硅可提高堆焊合金组织的高温稳定性,回火二次硬化和抗蠕变能力。细化晶粒,改善塑性和韧性,使碳化物在晶界聚集形成耐磨网架,提高堆焊合金高温耐磨性能。纯碱化学式,其主要作用是改善压涂性能,另外也有造渣和稳弧的作用。石墨主要成分为,其主要作用为稳弧和石墨化。石墨还可以增塑和润滑,改善压涂性能。另外,石墨在电弧高温下有强的氧化性,氧化后生成的可作为电弧下熔池金属的保护气体,对其他的合金过渡起到保护作用。稀土氧化物在焊条药皮中添加适量的稀土氧化物可以细化焊缝组织、增加针状铁素体的含量
23、、提高焊缝金属的低温冲击韧性和降低焊缝中扩散氢含量。稀土元素具有脱氢、脱硫、减少夹杂物数量、净化焊缝组织的作用。金红石化学式为,含钛%,含氧%,属四方晶系柱状晶体,呈暗红或褐红色,比重为./,熔点为。金红石具有稳弧和造渣作用,可调整熔渣的熔点,粘度,表面张力和流动性,有利于全位置施焊,改善焊缝成型,减少飞溅和咬边。因此药皮中加入大量金红石的焊条具有良好的焊接工艺性能。武汉理工大学硕士学位论文硅微粉主要成分为,是由纯净石英粉经先进的超细磨工艺流程加工而成。其主要作用是造渣。硅铁主要成分是、。其主要作用是脱氧和合金化。硅脱氧后生成,因而也有造渣作用。由于高硅铁易与水玻璃发生化学反应使焊条发泡,故通
24、常采用低硅铁或通过钝化处理。水玻璃主要用作粘接剂,也有稳定电弧和造渣的作用。焊条用水玻璃有钠水玻璃和钾水玻璃两种。钠水玻璃可以单独使用,但是钾水玻璃则多和钠水玻璃混合后使用。水玻璃加入药皮中,使药皮具有一定的强度、易于涂敷。当钾、钠水玻璃混合使用时,在碱性低氢型药皮中还有显著的稳弧作用。水玻璃模数增大时,其粘接性增强。焊条用水玻璃模数一般在.之.,但是为了减少焊条药皮的吸湿性,可以使用模数大于.的水玻璃。.药皮外径的设定焊条药皮的厚薄直接影响到焊条的焊接工艺性能和焊缝金属的质量。焊条药皮过厚,易使药皮套筒增长,直接导致断弧;而药皮过薄则达不到渣气保护和合金过渡的目的。因此在焊条制造过程中,应该
25、严格控制焊条药皮的外径尺寸。可以采用药皮重量系数来控制药皮厚度,其公式【删如.。:鱼%.式中:足表示焊条药皮重量系数%;表示焊条药皮重量;表示药皮部分的焊芯重量。一般焊条药皮的重量系数在.%之间,堆焊焊条要依靠药皮过渡大量的合金元素,因此重量系数较高。本文的焊条的模径较大,定为.药皮组成成分的配比估算及确定武汉理工大学硕士学位论文焊条药皮通常由几种或者几十种原材料组成。而每种原材料除了几项主要化学成分外,还有多种微量元素或化合物等组合在一起。因此,在计算药皮配方设计时,只要抓住主要的化学成分作概略的估算。其方法是:先将配方中的各项原材料的化学成分分别乘以配方百分比,单独得出实际设计配方中的占有
26、值。然后将各项原材料的同类化学成分逐一相加,其总和即为实际设计配方中的主要组成成分【柙】。在借鉴常用焊条的配方以及前期试验经验后,调整估算的药皮成分,最终确定了五种焊条药皮配方。配方大体相似,除表中各组分比例略有差别外,碳素铬铁、钼铁、稀土硅等组分相同。所设计的焊条命名为焊条,五种焊条分别以号、号、号、号、号焊条作区分。五种焊条均采用水玻璃,模数为.,比重为./。表. 号焊条药皮中存在差别的组分的质量百分比%焊条 大理 萤石 低碳 高碳 钛铁 石墨 硅微 雾化编号 石 锰铁锰铁 金红 粉 硅铁石号号 / .号.号 . .号 . .武汉理工大学硕士学位论文.本章小结本章确定了五种焊条的配方。五种
27、焊条均采用的焊芯。五种焊条都属于低氢钠型焊条,焊条模径均为.。五种焊条的药皮的主要不同点在于大理石、萤石的量及比例。武汉理工大学硕士学位论文第章支撑辊局部修复堆焊材料的性能研究厂方对焊条的主要要求是:修复时不裂,焊态熔敷金属硬度在。因此本文需对抗裂性、硬度进行测试。另外,为了更好地掌握焊条性能,本文还对与修复质量相关的焊条的其它性能作了研究,比如熔敷金属的回火稳定性、耐磨性、扩散氢含量以及工艺性能等作了研究,并在有局部失效的支撑辊上进行现场修复试验。.焊条熔敷金属的化学成分了解堆焊熔敷金属的成分有助于掌握熔敷金属的性能,本文采用化学法测试这号焊条熔敷金属的化学成分。.试验材料及设备号焊条、钢板
28、、.型弧焊机、.高温箱式电阻炉、钻床等。.试验方法及分析先在钢板上堆焊熔敷金属,至少堆焊层,焊缝高度约为。然后对熔敷金属进行退火处理,再在钻床上钻取熔敷金属的金属屑,最后采用化学采样法测定收集的金属屑的化学成分。焊接采用直流反接,电流约为。.试验结果号焊条熔敷金属主要成分的质量百分比如表.。表. 号焊条熔敷金属的化学成分的质量百分比% 啊焊条编号. . . . .号 . .号 . . . . . .号 . . . . . . . . . . . . .号.号 . . . . . ,武汉理工大学硕士学位论文由表.可以看出,这五种焊条的熔敷金属的化学成分总体上相差不大。号焊条的、和、含量均最高,号
29、焊条的含量最高,而号焊条的含量最高。虽然这号焊条药皮用到的含钛的组分只有钛铁和金红石,但五种焊条的熔敷金属均含有少量的钛,这些钛的来源主要分为两部分:钛铁和在电弧高温冶金反应条件下能形成形成;药皮中的与通过电弧冶金反应也能生成,其反应如式【】。、号焊条钛的来源包括、两部分,而、号焊条的的来源只包括第部分。.,.;.号焊条与号焊条相比较,号焊条的含量更高,这是因为号焊条药皮中存在钛铁,钛铁是脱氧剂,虽然对氧的亲和力不如,但是二者相差不大,钛铁的存在会有利于石墨向熔敷金属中过渡。正因为有更多的过渡,使得生成更多的,这就是号焊条的含量比号焊条略高的原因。号焊条药皮中的石墨不仅过渡了一部分,而且石墨的
30、脱氧作用以及其氧化生成的部分在本试验条件下都有利于合金过渡,因此号焊条的、含量均高于号焊条。、号焊条的药皮的主要区别在于大理石与萤石的含量及比例。在药皮反应中产生的在本试验条件下也对合金过渡有保护作用。另外,熔渣的氧化性也能影响合金过渡,含多的熔渣更有利于合金过渡,这几种焊条熔渣中的来自于和,经计算可知熔渣中的含量是号号号。因此,的保护作用以及熔渣氧化性的作用使得、号焊条的合金元素的规律不明显.武汉理工大学硕士学位论文.焊条熔敷金属抗裂性用来局部堆焊修复轧辊的焊条的熔敷金属的抗裂性是一项最为基本的使用性能。抗裂性试验方法有很多,比如:斜形坡口焊接裂纹试验法,插销试验等。这些试验方法主要适用于结
31、构钢,本文采用了一种简单易行且效果极佳的方法来衡量焊条的抗裂性。.试验材料及设备号焊条、尺寸为的钢板、焊机为.型弧焊机、金相显微镜等。.试验方法先在低碳钢板上堆焊长宽高的焊缝,堆焊过程中每焊完一层空冷,再在焊道中间焊一个直径约为的焊点,然后空冷。采用直流反接,电流约为。冷却后,清理焊点及周围位置,用放大镜观察,如果焊点周围没有裂纹,则抗裂性能好,若点焊周围一侧有裂纹,则抗裂性一般,如两侧均出现裂纹则抗裂性差。放大镜观察的只是表面,若要了解内部有无裂纹,应采用射线探伤。用检查完裂纹后的熔敷金属制作金相,采用%的硝酸酒精溶液腐蚀。.试验结果及分析经过放大镜观察,这种焊条的堆焊金属表面均无裂纹。然后
32、对这五条焊缝进行射线探伤,射线底片显示内部也没产生裂纹,抗裂性能良好。图. 号、号焊条产生的延迟裂纹号焊条产生的延迟裂纹 号焊条产生的延迟裂纹武汉理工大学硕士学位论文但是经过一段时间后,号和号焊条出现了延迟裂纹,如图.。其它三种焊条没有出现这种情况。合金元素对抗裂性的影响这五种焊条熔敷金属中均有一定量的和稀土元素的存在,和稀土元素都有细化奥氏体晶粒,从而使转交后的组织晶粒细化的作用。晶粒越细,强度和韧性都越高。另外,稀土元素对熔敷金属中的夹杂物有净化、细化作用,能使夹杂物数量减少。因此一定量的和稀土元素对抗裂性的提高有利。是防止热裂纹的有益元素。的存在改善了硫化物的分布形态,使薄膜状的低熔点化
33、合物改变为球状,并置换形成,从而减少了低熔点硫化物的数量,提高了焊缝的抗裂性【”。组织对抗裂性的影响如图所示,这五种焊条焊态熔敷金属组织主要为马氏体以及残余奥氏体,图中自色网状结构为残余奥氏体。号、号、号这三种焊条的焊态熔敷金属的组织很相似,残余奥氏体均匀分布,碳化物图中黑色细小的颗粒弥散程度高,因此熔敷金属具有较好的强度也有较好的塑性和韧性,因而抗裂性较好。而号、号焊条熔敷金属的、等元素的含量相对较高,从图.和也可以看出,二者的组织中残余奥氏体含量极低,这可能导致这两种焊条的焊态熔敷金属的脆硬性较其它三种高在后文中对这五种焊条焊态熔敷金属硬度的测试中也确实可以看出号、号焊条的硬度高于其它三种
34、,因此产生了延迟裂纹.武汉理工大学硕士学位论文图.号焊条焊态熔敷金属金相图号焊条焊态熔敷金属金相图号焊条焊态熔敷金属金相图一号焊条焊态熔敷金属金相图号焊条焊态熔敷金属金相图号焊条焊态熔敷金属金相图武汉理工大学硕士学位论文.焊条焊态熔敷金属的硬度及耐磨性焊态熔敷金属的硬度也是堆焊焊条的基本性能,是厂家要求的一个重要指标。另外,轧辊必须有好的耐磨性,所以局部堆焊修复的焊条的熔敷金属也应该有较好的耐磨性,因此本节对一号焊条焊态熔敷金属的硬度和耐磨性进行了测试、比较和分析。.试验材料及设备号焊条、厚度约的钢板、.型弧焊机、线切割机、.型洛氏硬度计、磨损试验机、型扫描电子显微镜、电子分析天平。.试验方法
35、在小块钢板试件上堆焊一个高度约为的堆焊层,每焊一层空冷,采用直流反接,电流为.。空冷至室温后磨平焊缝表面,在.型洛氏硬度计上打硬度,为了减小测量误差,本文采用多次测量取平均值的方法,至少测量点,取平均值,硬度特殊高或者特殊低的点不计。将硬度试验的试样线切割切取并磨光,成品试样的尺寸为:。为了保证堆焊层厚度,应尽量加工掉背面低碳钢基体材料,试验面为进行堆焊的一面。磨损试验的条件:摩擦副的直径为.,厚度为.。调质后的硬度约为:。采用连续滑动干摩擦,载荷为。试件先预磨,用无水酒精清洗吹干后用万分之一的分析天平称重,作为磨损前的质量。正式磨损两个小时候后,用无水酒精清洗吹干再称重,作为磨损后的质量,两
36、次质量之差为试验材料的磨损量,每组焊条试验三次,以平均磨损质量的倒数作为耐磨性,耐磨性的值高则耐磨性好。磨损试验后,立即采用型扫描电子显微镜拍摄试样的磨损形貌。.试验结果及分析号焊条焊态熔敷金属硬度如表.。由表.可看出,、号焊条焊态熔敷金属的硬度都在要求内且相差不大,这是因为这三种焊条的焊态熔敷金属的合金元素含量与组织形态均相似,这一点可以从前文的表.和图.看出。武汉理工大学硕士学位论文表. 号焊条焊态熔敷金属的硬度焊条编号 号 号 号 号 号. . . . .平均硬度、号焊条熔敷金属的合金元素含量是高于其它三种的,因而其焊态熔敷金属组织也应该有更多的马氏体,所以这两种焊条的焊态熔敷金属有较高
37、的硬度就不难理解。号焊条与号焊条相比较,号焊条的焊态熔敷金属有更高的硬度。虽然号焊条熔敷金属的、的含量不及号焊条,但是其、含量更高。可以细化晶粒,从图.中可以看出,号焊条焊态熔敷金属的晶粒最为细小。而原子和原子的原子半径相差不大,容易形成置换固溶体,使得晶格畸变,能够提高基体硬度。另外,在试验中发现号焊条熔敷金属虽然含碳量很高,但是焊态下存在碳化物偏析集中的情况,如图.图中黑色组织即为碳化物,这就使得基体的含碳量有所降低,在测量硬度时,也发现号焊条焊态熔敷金属有异常高的点达到.,这可能是在碳化物集中的区域。图. 号焊条焊态熔敷金属中偏析集中的碳化物磨损是由于接触面问的相互机械作用而造成的表面破
38、坏现象,磨损是一个复杂的微观破坏过程,它是金属材料本身与它相互作用的材料以及工作环境综合作用的结果,所以磨损实际上反映了一个系统的性能,它受多种因素影响【州。一般来说,堆焊金属的硬度对堆焊金属的耐磨性有重要影响,但是硬度武汉理工大学硕士学位论文和耐磨性并非是一一对应【。号焊条焊态熔敷金属的耐磨性试验数据如表。由表.看出,这五种焊条焊态熔敷金属的耐磨性与硬度并不完全对应。表 号焊条焊态下的熔敷金属的耐磨性与硬度焊条编号 平均硬度平均磨损质量 耐磨性/. .号 . .号 .号 . . 号 . . .号 . . .本试验的磨损属于金属表面间的相对滑动磨损。在金属相对滑动磨损过程中,随表面间相互作用导
39、致材料迁移机制的不同,磨损表面的形貌特征不同【】。?号焊条试样的磨损形貌如图,由图可知,这五种焊条的焊态熔敷金属的磨损机制主要有两种:磨粒磨损和粘着磨损。由磨损形貌图可以看出:号、号焊条试样表面塑性变形明显,号焊条试样还有大块剥落的现象即粘着磨损造成的局部材料转移。号焊条试样表面的犁沟很多,脆性剥落很明显。号、号焊条试样表面的犁沟较少,几乎没有剥落现象。武汉理工大学硕士学位论文图 号焊条试样的磨损形貌图号焊条试样的磨损形貌图 号焊条试样的磨损形貌图号焊条试样的磨损形貌图号焊条试样的磨损形貌图号焊条试样的磨损形貌图号、号焊条焊态熔敷金属的基体有良好的塑性,使硬质相在磨损过程中不至于很容易脱落、剥
40、离,另外由于这两种焊条熔敷金属在磨损的过程中,磨损表面发生较多的塑性变形,在碳化物周围产生位错增殖,阻碍碳化物滑移,延缓碳化物剥落,因此也可以延缓磨损。但从图可以看出这两种焊条焊态熔敷金属的碳化物均不多,没有足够多的硬质相来减缓磨损,因此使得它们的耐磨性不是最好号、号焊条焊态熔敷金属虽然硬度很高,但是它们的耐磨性并不是最好,特别是号。虽然号焊条的基体硬度较高,但是偏析、过于集中的碳化物很容易脱落成为磨粒加速磨损,由图也可以看出号焊条试样磨损表面的沟槽最多,这些直接导致了号焊条焊态熔敷金属的耐磨性最差。号焊条不存在号焊条碳化物偏析、过于集中的情况,其焊态熔敷金属基体硬度很高,耐磨性较好。号焊条的
41、磨损形貌虽也有剥落现象,但较其他焊条少,由磨粒导致的犁沟也少,并存在塑性变形。从图.可以看出,号焊条焊态熔敷金属的组织中,碳化物颗粒细小、弥散程度高,能够很好的减缓磨损。号焊条不仅焊态熔敷金属硬度不低,而且硬质相作用明显,因此具有很好的耐磨性。由此可见,只有在基体兼有硬度与塑性,再加上有颗粒细小、弥散程度高的硬质相的时候,才会有很好的耐磨性。武汉理工大学硕士学位论文.焊条熔敷金属回火稳定性回火稳定性是指淬硬钢在回火过程中抵抗硬度值下降即抵抗软化的能力,又称抗或耐回火性。因为被修复的轧辊往往要在一定温度下进行热处理,所以熔敷金属的回火稳定性很重要,因此本文对所研制焊条熔敷金属的回火稳定性进行了试
42、验,并对回火试样的金相组织进行了分析。.试验材料及设备低碳钢板,号焊条,.型弧焊机,线切割机,.高温箱式电阻炉,.型号的洛氏硬度试验机,奥林巴斯落射投射两用金相显微镜等。.试验方法在低碳钢板试件上堆焊一个长宽高的焊缝,每焊完一层后空冷。采用直流反接,电流约为。用线切割将堆焊层焊缝分成块,分别放入、的.高温箱式电阻炉中回火处理保温小时后空冷,冷至室温后用砂纸打磨除去表层氧化皮,用.型号的洛氏硬度试验机测量焊缝表面硬度,依然采取多次测量取平均值的方法得到最后的硬度值。最后再将试样打磨,抛光,制作金相,采用%的硝酸酒精溶液腐蚀,采用金相显微镜拍摄金相图。.试验结果及分析号焊条熔敷金属回火后的硬度见表
43、.。表 号焊条熔敷金属回火后的硬度配号 号 号 号 号回火温度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .武汉理工大学硕士学位论文续表号 号 号 号 号回火温度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .号焊条的熔敷金属回火硬度曲线见图.。由表.和图.可以看出:各种焊条所得熔敷金属基本上有良好的回火稳定性。焊条熔敷金属的硬度总体上是随回火温度的升高而降低的,但是总体上在以下温度区间内变化幅度不大,在高温回火时仍然能有较高的硬度。结合表,可以看出除了、号焊条熔敷金属在回火后的硬度低于焊态时的外,其他三种焊条熔敷金
44、属在回火后的硬度均高于焊态时的。这可能是因为这三种熔敷金属在低温回火时发生了人工时效,有新的弥散相析出,使得硬度升高。武汉理工大学硕士学位论文武汉理工大学硕士学位论文图.?号焊条熔敷金属回火硬度曲线号焊条熔敷金属回火硬度曲线号焊条熔敷金属回火硬度曲线号焊条熔敷金属回火硬度曲线号焊条熔敷金属回火硬度曲线号焊条熔敷金属回火硬度曲线号焊条熔敷金属回火温度在、时硬度有一个较大的增加。号焊条也有与此类似的情况,其熔敷金属回火温度在时有一个增加。以号焊条为例,从图中可以看出,号焊条的熔敷金属在较低温度回火得到回火马氏体,其形态呈黑色针状,且保持较高的硬度:随着回火温度升高到时,碳化物颗粒会很快长大,因而弥
45、散强化效果会下降,马氏体中含碳量下降,熔敷金属的硬度也降低,在回火温度增高到,组织大小没有明显变化,但硬度出现低谷。淬火钢的回火温度升高到时,组织转变为回火屈氏体,在巧回火时,组织转变为回火索氏体。如图,号焊条的熔敷金属在回火时,产生了细小的粒状组织和片状组织相结合的组织,即为回火屈氏体。如图.、号焊条的熔敷金属的回火温度在、时,产生了回火索氏体。所有的焊条的熔敷金属在回火后的硬度又一次开始降低,且随回火温度升高进一步降低。这与本文通过硬度试验测得的结果是一致的.武汉理工大学硕士学位论文图 号焊条熔敷金属的几种回火试样金相图回火金相 回火金相 回火金相回火金相 回火金相 回火金相武汉理工大学硕士学位论文.焊条熔敷金属的扩散氢含量在常温下正常情况
