稀土低合金耐磨钢堆焊焊条1(排版投稿).doc

稀土低合金耐磨钢堆焊焊条熔敷层断口形貌和性能研究
匡建新1 汪新衡1 李天生1 李兴志【2】
（1. 湖南工学院机械工程系 湖南 衡阳 421008； 2. 胜利石油管理局总机械厂  山东 东营 257067）

摘要：通过扫描电镜、能谱分析、磨损试验系统地研究了稀土低合金耐磨钢堆焊焊条熔敷层金属化学成分、冲击断口形貌和耐磨性。试验结果表明,同等条件下，焊条药皮中添加稀土氧化物可以提高熔敷层耐磨性能；药皮配方中添加1.5%稀土氧化铈的焊条的熔敷层耐磨性强于添加1.5%稀土氧化钇。
关键词:稀土低合金耐磨钢焊条；氧化铈；氧化钇；堆焊熔敷层； 耐磨性
中图分类号:ＴＧ422.1　文献标识码:Ａ
Study of Low Alloy and Wear Resistance Steel Hard Facing Electrode containing RE
KUANG Jian-xin1 WANG Xin-heng1 Li Tian-sheng1 LI Xing-zhi2
(1. Dept. of Mechanical Engineering, Hu’nan Institute of Technology, Hengyang 421008；2. general machinery plant of shengli petroleum administration, Dongying 257067，China)

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 added 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 resistance
0引言

机械零件经常处于复杂和苛刻的工作条件下，大量机械设备因磨损而失效。这不仅造成严重的经济损失，甚至酿成安全事故。所以对磨损与耐磨材料的研究已经引起人们越来越广泛的重视。目前矿山机械中广泛使用的耐磨材料主要是高锰钢，它在使用中经受高冲击应力条件下进行摩擦而产生强化（加工硬化）获得很高的耐磨性 。但在高应力条件下工作的耐磨件不足10%，大部分耐磨件在中、低应力状态下服役。当冲击较小时（如磨料为煤炭等材料），高锰钢因不能强烈加工硬化，其耐磨性较低。并且高锰钢的生产工艺要求严格，焊接性也较差[1]。
而低合金耐磨钢通过熔炼时加入Cr、Mo、Ni、Ti、RE等合金元素，结合热处理工艺获得马氏体和贝氏体的复合组织，具有优良的综合力学性能，尤其是它的高硬度、高韧性、耐磨性好以及在使用中不断裂，不变形等优点，使得该种材料替代以往高锰钢系列材料成为可能。现今国内对于低合金耐磨钢材料的研究多是从材料的化学成分及对材料进行热处理所得的组织作为研究的重点，而对低合金耐磨钢的焊接性研究非常少[2-4]。在实际生产中，当铸钢件在使用过程中出现裂纹、磨损国良等缺陷而失效时，若能及时用焊接方法修复，可节约大量资金，显著提高生产效率。因此，研究开发一种焊接性能和力学性能优良的稀土低合金耐磨铸钢堆焊焊条非常必要。本文对该类焊条熔敷层化学成分、组织、冲击断口形貌和耐磨性能等方面进行了较深入地研究，为这一新型焊条更广泛应用于实际生产提供参考。

1 试验材料和方法
焊条药皮配方见表1。加入的稀土添加剂分别为氧化钇和氧化铈，焊芯为H08A。母材为低碳低合金耐磨铸钢，其化学成分见表2 。
母材试板选用10 kg 高频电炉熔炼, 采用冲入法加入稀土, 用水玻璃型砂浇注。采用SX-10-13 高温箱式电阻炉进行焊后热处理。用Neophot-I 型卧式显微镜进行显微组织观察。用HR-150A 型洛氏硬度计测试硬度。用JB-30A 型冲击试验机进行冲击试验, 其断口分析采用Quanta400 型扫描电镜, 能谱分析采用INCA 能谱分析仪。能谱分析采用INCA能谱分析仪。耐磨性试验在自行研制的磨损试验机上进行, 加载1 kN, 试样尺寸为：25 mm×20 mm。

表1 焊条药皮实验配方(w%)
组分
大理石
萤石
铁粉
石英
钛铁
金红石
钛白粉
云母
白土子
纯碱
碳酸钾
氧化锆
硅铁
锰铁
铬铁
镍粉
钼铁
稀土
含量
45
25
8
5
8
2
8
4
3
3
1
3
4.22
4.4
3.6
2.7
2.5
1.5

表2 稀土低碳低合金耐磨钢母材化学成分（w％）

元素
C
Si
Mn
Mo
Cr
Ni
Cu
Re残
含量
0.28
0.70
0.95
0.58
1.21
1.02
0.10
0.032

表3 添加稀土钇焊条熔敷金属的化学成分（W%）
元素
C
Ni
P
S
Si
Mn
Cr
Mo
含量
0.080
1.050
0.0219
0.010
0.637
0.920
1.18
0.843

表4 添加稀土铈焊条熔敷金属的化学成分（W%）
元素
C
Ni
P
S
Si
Mn
Cr
Mo
含量
0.090
1.100
0. 0215
0.008
0.628
0.940
1.10
1.009

2　试验结果及分析
2.1熔敷层金属化学成分结果及分析
表3、表4分别为添加氧化钇和氧化铈的焊条熔敷金属的化学成分。对比熔敷金属和母材的化学成分表明，研制的低合金耐磨钢焊条的熔敷金属化学成分与母材相匹配。这说明所研制的稀土低合金耐磨钢的焊条适用于母材的焊接。
稀土在焊缝中的脱硫以及脱氧作用非常明显。图1为 磨损试样的面扫描能谱分析，表5是磨损试样的面扫描能谱分析结果。可以看出，能谱分析中没有检测出S、O含量，试样中S、O含量很低以至于能谱分析仪检测不出来。这再次说明，在焊接熔池中，稀土氧化物可以被碳还原成稀土元素，稀土元素与焊缝金属中氧、硫等有害物质发生冶金反应生成稀土氧化物、稀土硫化物和稀土氧硫化物，从而达到脱氧、脱硫、净化熔池的作用。

图1 磨损试样的面扫描能谱分析

表5能谱分析面扫描试验结果
Element
App
Intensity
Weight%
Weight%
Atomic%

Conc.
Corrn.

Sigma

Si K
0.35
0.6227
0.55
0.13
1.09
Cr K
1.14
1.2515
0.89
0.12
0.96
Fe K
108.68
1.1036
96.39
0.39
96.40
Ni K
0.70
0.8814
0.78
0.25
0.74
Mo L
1.04
0.7277
1.39
0.26
0.81

2.2 熔敷层组织和硬度分析
测得堆焊熔敷层的平均硬度值为HRC28,和母材的平均硬度值相差不大,这对于稀土低碳低合金耐磨铸钢的焊接修复是有利的,说明焊后不需要进行热处理就能满足使用要求,这也有利于修复件满足实际工况条件。图2为焊缝的显微组织,其组织主要由铁素体(白色部分)、珠光体和贝氏体组成。晶粒非常细小,这

2.2 冲击断口形貌及能谱分析
对添加氧化铈焊条熔敷金属试样进行冲击断口宏观分析，发现试样断口边缘均有比较大的拉边，断口处灰暗色纤维区所占比例很大。利用扫描电镜对冲击试样断口进行微观分析，断口为典型的韧窝断裂，韧窝数量多而深，见图2，与经过正火处理的母材相比，见图4。

种组织能够保证堆焊层既有一定的硬度,又能使堆焊层具有足够的韧性。图4为母材铸态组织,组织为下贝氏体、板条状马氏体以及残余奥氏体。这样的组织能够保证稀土耐磨铸钢具有强韧结合的综合优良性能。

可以发现加稀土焊条熔敷层的韧窝要比经过正火母材的韧窝深且数量多。而未加稀土的试样断口从图5可以看出，断口上有短程的河流花样和塑性变形的撕裂棱，韧窝较少。图3为韧窝中的夹杂物，可见夹杂物颗粒大部分为球状，大小及分布比较均匀，颗粒大小在1左右。

图2 加稀土冲击断口韧窝处扫描电镜照片 图3 韧窝中夹杂物扫描电镜照片

图4 正火母材扫描电镜照片 图5 未加稀土冲击断口扫描电镜照片
图6为断口能谱分析。由图可见稀土富集在Ti-Mn硅酸盐夹杂物上，而夹杂物影响冲击韧性主要是通过它的大小、形状、分布等多个因素综合作用，当夹杂物大小在1左右时，夹杂物在焊缝中不会引起强烈的应力集中，且可以作为异质形核核心，从而细化熔敷金属组织作用，起到提高冲击韧性作用。并且夹杂物的形状为球状时，在夹杂物周围的应力集中较小，夹杂物就不会作为裂纹源。而未加稀土的冲击试样中夹杂物的钙的含量较高，属于硅酸盐夹杂[5]。
另外，加入稀土可能改善了焊接熔池液态金属的流动性、表面张力，形成的高熔点的稀土硫化物、稀土氧化物有利于球化上浮进入熔渣，降低了硫及夹渣物在焊缝金属中的溶解度和含量，净化了焊缝金属，提高了冲击韧性[6]。

(a) 加稀土冲击断口韧窝处能谱分析

（b）未加稀土冲击断口能谱分析图

(c)加稀土冲击断口韧窝中夹杂物能谱分析

图6 断口能谱分析图

2.3耐磨试验结果及分析
图7为根据耐磨性试验结果绘制的曲线。图8为试样磨损对比图片。由图可以看出开始时添加氧化钇的熔敷金属比添加氧化铈的熔敷金属耐磨性好，但随着磨损时间的增加，添加氧化铈焊条熔敷金属的耐磨性能要比氧化钇焊条熔敷金属的耐磨性能好。而未加稀土焊条熔敷金属的耐磨性能显然比添加稀土焊条的熔敷金属耐磨性能差。

图7 添加稀土和未加稀土焊条熔敷金属耐磨性对比曲线

(a)未加稀土的磨损图片 （b）添加氧化钇的磨损图片 (c) 添加氧化铈的磨损图片
图8 试样磨损对比图

稀土提高低碳低合金耐磨钢焊条熔敷层耐磨性的作用机理在于稀土元素是较强的内吸附元素，在结晶过程中，稀土元素将聚集在晶界表面，聚集的结果能有效地阻止晶核在较大的过冷度快速生长，从而达到细化组织的作用；另外弥散分布在熔敷金属组织中的稀土化合物也可作为异质晶核，会大大提高形核率，利于晶粒的细化，细化晶粒的作用结果最终会提高熔敷金属耐磨性。
对韧窝中的第二相粒子进行能谱分析, 结果表明韧窝中第二相粒子主要为Mn、Cr 的碳化物,呈圆球状, 分布非常均匀。正是这种圆球状均匀分布且在磨损过程中作为硬质相的碳化物提高了熔敷金属的耐磨性[7]。
3结论
(1)药皮中添加稀土氧化物后熔敷金属化学成分和母材化学成分基本相当，保证了焊条与母材的匹配。
(2)稀土氧化物起到脱氧、脱硫、净化熔池的作用；稀土改善夹杂物呈球状均匀分布，夹杂物颗粒大小在1μm左右，这种情况下的夹杂物在焊缝中不会引起较大的应力集中，且夹杂物不作为裂纹源，从而提高了熔敷层耐磨性。
(3)药皮配方中添加1.5%氧化铈焊条的熔敷金属的耐磨性强于添加1.5%氧化钇焊条熔敷金属的耐磨性。
(4)添加稀土氧化物焊条熔敷金属试样的冲击断口为典型的韧窝断裂，韧窝数量多而深，韧窝中的夹杂物呈圆球状，且分布较均匀。

参考文献：
[1]谢敬佩,李卫,宋延沛,陈全德.耐磨铸钢及熔炼[M].北京:机械工业出版社,2003,7:162-163
[2]杨庆祥,廖波.稀土元素在钢和焊接材料中的应用及研究进展[J]. 燕山大学学报,1999,1:14-16
[3]李午申,张炳范,徐凯龄等.免预热耐磨堆焊焊条的研究[J]. 焊接学报,1997,2:1-5
[4]王清宝,王智慧,李世敏.高碳型Fe-Cr-C耐磨堆焊合金显微组织研究[J]. 机械工程材料,2004,10:23-26
[5]李代钟,钢中非金属夹杂物[M].北京:科学出版社,1993
[6]王世亮,胡维平,唐伯钢.采用重稀土改善焊缝韧性的研究[J].焊接学报.1986, 2: 55
[7]李兴志,李建国,王建民等.稀土低合金耐磨钢焊条熔敷金属的组织和力学性能[J].热加工工艺.2006, 11: 60-62

作者简介：匡建新（1973，12—），男，湖南祁东人，副教授，硕士，主要从事金属材料及加工工艺的教学和科研工作，已发表论文19篇。联系电话：[phone]。 Email :kjx73@

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