卓金管件有限公司高铬铸铁型自保护药芯焊丝堆焊组织与性能分析——文献学习体会
一、文献概况与技术定位
本文发表于《燕山大学学报》2009年第33卷第3期，作者团队来自燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室、大连市锅炉压力容器检验研究所和大连天亿天然气有限公司。研究研制了一种自保护高铬铸铁型药芯焊丝，对其堆焊金属的组织与性能进行了系统分析。高铬铸铁（通常含Cr 15%~30%）是经典的耐磨材料，广泛应用于矿山机械、水泥机械、电力设备等领域的耐磨件。自保护药芯焊丝堆焊技术的优势在于无需外加保护气体，适用于户外和移动作业场合，是现场堆焊修复的主流工艺之一。
二、自保护药芯焊丝的工艺特点
2.1 自保护机制与焊接保护
自保护药芯焊丝（Self-Shielded Flux-Cored Wire）通过焊丝药皮中的造气剂（如CaCO₃、NaHCO₃等）和造渣剂（如CaF₂、SiO₂、Al₂O₃等）在焊接过程中产生保护气体和熔渣，实现对熔池的保护。相较于实心焊丝+外加保护气体的工艺，自保护药芯焊丝具有以下优势：
| 特性 | 自保护药芯焊丝 | 实心焊丝+保护气 |
|---|---|---|
| 保护方式 | 药皮造气造渣 | 外加保护气体 |
| 抗风性 | 强 | 弱 |
| 设备需求 | 低 | 高（需气源） |
| 飞溅 | 较大 | 较小 |
| 熔敷效率 | 较高 | 中等 |
| 适用场合 | 户外、移动作业 | 室内、固定工位 |
2.2 高铬铸铁型药芯焊丝的成分设计
高铬铸铁型药芯焊丝的成分设计需平衡以下因素：
- 碳含量：高碳有利于形成高硬度碳化物，但过高的碳含量会导致堆焊层脆性增加，易产生裂纹；
- 铬含量：Cr是形成M₇C₃型碳化物的关键元素，铬含量越高，碳化物含量越多，硬度越高；
- 合金元素：Mn、Mo、Ni等元素的加入可改善堆焊层的韧性和耐磨性；
- 稀土元素：稀土氧化物可细化晶粒，改善碳化物形态，提高耐磨性。
三、堆焊金属的显微组织与硬度分析
3.1 显微组织特征
研究结果表明，堆焊金属的显微组织主要为马氏体+残余奥氏体+M₇C₃型碳化物。这一组织特征是典型的高铬铸铁型堆焊层的组织组成：
- 马氏体：快速冷却条件下奥氏体发生无扩散相变形成，是硬度的主要贡献者之一。马氏体的碳含量和合金元素固溶度决定了其硬度水平。
- 残余奥氏体：由于Cr、Ni等奥氏体稳定化元素的存在以及快速冷却条件，部分奥氏体未能完全转变为马氏体而保留下来。残余奥氏体的存在有利于提高堆焊层的韧性，但过多则降低硬度。
- M₇C₃型碳化物：高铬铸铁中的特征碳化物，硬度极高（HV1700以上），是堆焊层耐磨性能的核心贡献者。M₇C₃型碳化物的形态和分布对耐磨性能影响显著。
3.2 碳化物的形态与硬度分布
研究对初生碳化物和共晶碳化物分别进行了硬度测试，结果如下：
| 碳化物类型 | 生长位置 | 表面硬度（HV） | 侧面硬度（HV） |
|---|---|---|---|
| 初生碳化物 | 沿堆焊层向母材方向生长 | 1783 | 1127 |
| 共晶碳化物 | 围绕初生碳化物周围生长 | 830 | — |
初生碳化物硬度显著高于共晶碳化物，这一差异可从碳化物的化学成分和晶体结构解释。初生碳化物中Cr含量更高，碳原子占位更完整，因此硬度更高。共晶碳化物中Fe含量相对较高，碳原子占位不完全，硬度较低。
3.3 堆焊层表面硬度
堆焊金属表面硬度达到HRC60以上，这一硬度水平满足了高耐磨工况的基本需求。HRC60对应的维氏硬度约为HV750以上，与初生碳化物的硬度水平相当，说明堆焊层表面的高硬度主要由硬质相（碳化物）贡献。
四、耐磨性能与稀土元素的作用
4.1 耐磨性能对比
在相同磨损条件下磨损1h后，堆焊金属相对耐磨性为Q235钢的14倍左右。这一数据表明高铬铸铁型堆焊层具有优异的耐磨性能，是普通碳素钢的十余倍。耐磨性能的提升主要归因于：
- M₇C₃型碳化物的高硬度和耐磨性；
- 马氏体基体的固溶强化效应；
- 残余奥氏体的增韧作用，防止碳化物剥落。
4.2 稀土氧化物的作用机理
研究指出，在药芯中加入适量的稀土氧化物能提高堆焊金属的耐磨性。稀土元素（如Ce、La、Nd等）在堆焊冶金过程中的作用机制包括：
- 变质处理：稀土元素与硫、氧等杂质反应，净化熔池，减少有害夹杂物；
- 细化晶粒：稀土元素作为异质形核质点，促进奥氏体和碳化物的形核，细化晶粒；
- 改善碳化物形态：稀土元素促进碳化物呈球状或短条状分布，避免网状碳化物导致的脆性开裂；
- 提高界面结合：稀土元素在碳化物与基体界面富集，改善界面结合强度，减少碳化物剥落。
五、工程应用中的质量保障
5.1 堆焊层裂纹控制
高铬铸铁型堆焊层由于高碳高铬成分，存在较大的裂纹倾向。裂纹类型主要包括：
- 热裂纹：由低熔点共晶的偏析引起，可通过降低碳含量、加入脱硫剂控制；
- 冷裂纹：由氢致延迟开裂和淬硬组织引起，可通过预热、控制层间温度和焊后热处理控制；
- 再热裂纹：焊后热处理过程中产生，可通过控制热处理温度和速度控制。
5.2 与管道耐磨堆焊的关联
高铬铸铁型自保护药芯焊丝堆焊技术在管道耐磨修复中具有广泛应用前景。特别是在以下工况中，高铬铸铁堆焊层是理想的耐磨解决方案：
- 高含砂磨料浆输送管道的内壁耐磨处理；
- 矿浆输送管道的弯头和变径处耐磨强化；
- 水泥输送管道的耐磨内衬；
- 电厂除灰管道的耐磨修复。
在实际应用中，需注意管道曲率对堆焊工艺的影响：小半径弯头处的堆焊需特别注意热输入控制和焊道布置，避免管壁变形和层间开裂。
六、总结
本文通过研制高铬铸铁型自保护药芯焊丝并系统分析其堆焊金属的组织与性能，揭示了马氏体+残余奥氏体+M₇C₃型碳化物的典型组织特征，阐明了初生碳化物与共晶碳化物的硬度差异及其对耐磨性能的影响机制。堆焊金属表面硬度达到HRC60以上，相对耐磨性为Q235钢的14倍，稀土氧化物的加入进一步提高了耐磨性能。该研究为高铬铸铁型堆焊材料的成分设计和工艺优化提供了重要的实验数据和理论依据，对矿山机械、水泥设备、电力设备及管道耐磨修复等领域的应用具有重要的工程参考价值。在实际生产中，需综合考虑堆焊层硬度、韧性、耐磨性和裂纹敏感性的平衡，选择最优的焊丝成分和工艺参数，确保堆焊层在恶劣工况下的长期可靠服役。