冷却速度对C-Cr-Mo-V系堆焊合金硬度的影响.doc

冷却速度对C-Cr-Mo-V系堆焊合金硬度的影响
摘要：研究了冷却速度对C-Cr-Mo-V系堆焊合金硬度的影响；制作了四种不同合金配比的焊条进行焊接试验，通过研究其组织特点及焊缝中合金元素的含量得出结论：以Cr-Mo为主要添加元素的堆焊合金硬度受冷却速度的影响较大，冷却速度过快会导致硬度的降低，而以V为主要添加元素的堆焊合金的硬度受冷却速度的影响不大。
关键词： 堆焊；冷却速度；硬度；碳化物

Cooling rate of C-Cr-Mo-V system of the hardness of surfacing显示对应的拉丁字符的拼音

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Abstract：Study of cooling rate on C-Cr-Mo-V system the hardness of surfacing; produced a ratio of four different alloy electrode for welding test, by studying the characteristics of their organization and content of alloying elements in the weld conclusion: The Cr-Mo as the main added element of the hardness of surfacing influenced by the cooling rate, cooling too fast will lead to the reduction in stiffness, and add to V as the main elements of the hardness of surfacing little effect on cooling rate .
Key word: Surfacing；Cooling rate；Hardness；Carbide

冷轧辊、剪刃等一些要求其表面具有高硬度的材料往往以优质工具钢制造，价格昂贵。其苛刻的工作条件导致其表面常出现裂纹, 甚至局部脱落[ 1 ] , 若因此而整件报废必然造成巨大经济损失。堆焊修复是延长其服役时间的一种有效方法，但如果堆焊后达不到使用要求则会对材料造成二次损伤，使原本可以修复的材料彻底报废，因此研究堆焊材料的使用条件及焊后措施从而提高修复成功率有重要意义。本文制作了四种焊条来分别研究以Cr-Mo及V为主加元素的堆焊合金的硬度及组织特点，分析了冷却速度对其硬度的影响。
1 试验材料及方法
自行配制焊条：焊芯采用常规Φ3.2mm HO8A; 药皮为低氢碱性, 采用CaO-CaF2-TiO2渣系, 熔渣碱度约1. 3; 药皮干粉中加入了Cr-Fe、Mo-Fe、V-Fe、Ti-Fe、Mn-Fe、Re-Si及石墨,使用高模数的钾钠水玻璃作粘结剂,然后压涂成型，在烘干机中280°烘干3小时。
本文共制作了四种焊条，其药皮中的合金加入量见表1，其中加入的Ti-Fe在焊条药皮中主要起脱氧作用，1#、2#焊条中合金剂以Cr和Mo为主，3#、4#焊条中合金剂以V为主。
焊条在尺寸50mm×50mm×10mm，材质为Q390D的试块上进行堆焊，焊接电流130A，堆焊点直径Φ25mm，共堆焊三层，层间温度小于100°，1#、3#焊条堆焊最后一层后立即水冷，2#、4#焊条堆焊最后一层后石棉保温缓冷。
水冷条件下对试样进行切割，测试硬度，用电子探针及光谱分析仪获得焊缝试样表面成分; 用光学显微镜观察焊缝的组织形态，测量试样硬度。对试样进行650°高温回火，再次观察其组织形貌，并测量硬度。
表1 各种合金剂在焊条药皮中的加入量(wt.%)
焊条编号 Cr-Fe Ti-Fe V-Fe Mo-Fe 石墨
1# 12 6 × 9 4
2# 8 6 × 10 4
3# 4 6 22 2 4
4# 4 6 28 2 6

注：以上合金剂中合金的含量按以下含量计：
Ti=30%、V=25%、Cr=70%、Mo=60%
2 试验结果
使用HR-150洛氏硬度计测得的试样硬度结果见表2，试样编号与所用焊条编号相同。各试样的成分测试结果见表3，其中Cr、Mo、V、Ti、Si、等元素的含量由电子探针测得，C的含量由光谱分析仪测得。
表2 各试样的平均洛氏硬度(编号同焊条)
试样编号
平均硬度（HRC）
试样编号
平均硬度（HRC）
1#水冷
2#缓冷
3#水冷
4#缓冷
32.5
54.1
61.2
59.5
1#回火
3#回火

52.3
62.1

表3 各试样的成份测试结果（wt.%）
试样编号
Cr Mo V C Ti Si Mn
1#
2#
3#
4#
2.11 1.29 - 1.45 0.35 0.77 1.51
1.92 1.85 - 1.39 0.22 0.80 1.23
0.96 0.55 2.54 1.28 - 0.82 0.64
0.87 0.64 2.35 1.21 0.44 0.89 0.90

图1为使用易创数字摄像系统所拍摄的试样放大400倍时的碳化物分布图像：

(a)1#试样400× (b) 1#试样650℃回火400×

(c) 3#试样400× (d)3#试样650℃回火400×
(e)2#试样400× (f)4#试样400×
图1 各试样的碳化物分布图像
3 试验结果分析
一般来说，堆焊焊缝的硬度主要取决于碳及合金元素的含量，一定范围内它的硬度随着碳及合金元素的增多而提高，而堆焊焊缝中合金元素含量一定时，焊缝硬度与合金元素在焊缝中的存在形式有很大关系。Ti、V为强碳化物形成元素,易形成MC型碳化物,含量较高时可由液态金属中析出初生碳化物[2 ,3]；Cr、Mo 为中强碳化物元素,但与Ti 、Nb、V 共存时,Cr、Mo主要起固溶强化作用,强化基体。MC碳化物的高硬度有利于提高焊缝硬度和耐磨性[4]。

图2 1#水冷试样的二次电子像
由表3可知，1#和2#试样中都含有较多的Cr、Mo元素；从图1a、图1e以及图2中可以看出，试样中的硬质相以网状碳化物为主，另外存在极少量的颗粒状物碳化物，根据合金成分的含量分析可知，网状的碳化物为Cr和Mo的碳化物。对比图1a和图1b、图1e可以看出，1#水冷试样的网状碳化物相对较少，网状碳化物的厚度相比1#回火试样、2#的缓冷试样都要薄很多，对基体的包裹作用 明显较弱，从硬度测试结果也可以看出，1#水冷试样的硬度明显不及1#试样回火后的硬度及2#缓冷试样的硬度。分析得知，冷却速度可以明显影响Cr、Mo碳化物的析出量，冷却速度过快时，Cr、Mo两种元素将较多的固溶于基体中。同时说明，Cr、Mo元素的固溶强化作用对堆焊合金硬度的提高作用小于其形成碳化物的作用。
3#和4#试样中含有较多的V，并含有一定量的Cr、Mo。从图1c和图1f可以看出，3#试样和4#试样中的碳化物以均匀分布的小颗粒为主，3#试样退火前后颗粒状碳化物的数量几乎没有变化，说明此碳化物形成时间要在试样冷却至650°以前，分析此碳化物应为焊缝在液态时形成的V的初生碳化物，并且在V的作用下，Cr、Mo两种元素主要以固溶形式存在于基体中，并未形成明显的网状碳化物。另外从3#和4#试样的硬度测试结果可知，V的初生碳化物均匀分布在基体中，对堆焊焊缝硬度的提高有明显的作用。
4 结论

参考文献
[1]　 崔东升. 冷轧带用轧辊的堆焊修复[J]. 钢铁, 1987, 22 (4) : 53.
[2] SUN Dagian,GONG Hui,ZHOU Zhenfeng etal.Effects of alloy-ing elements on the microstructures and mechanical properties of Ni-Fe weld metals[J]. China Welding,1999(2) :33
[3] 　汤爱涛,潘复生. 合金元素影响高速钢中MC碳化物析出温度的热力学计算.钢铁研究学报，1998（3）：45～47
[4] 刘政军,季杰,董晓强等. 超硬质相在高温磨损中的行为及抗磨性. 焊接学报,1999(2)