高铬铸铁有良好的耐磨粒磨损性能，常采用堆焊的方法，将高铬铸铁堆焊在低合金钢的表面，达到提高低合金钢耐磨损性能的目的[1-3]。但高铬铸铁的碳当量高，采用焊条电弧焊、埋弧焊等堆焊方法容易产生裂纹，难以保证高铬铸铁硬面层的质量[4-5]，电渣焊热输入大，工件温度分布均匀，高铬铸铁硬面层在凝固收缩过程中残余应力较小[6]，能有效避免硬面层产生裂纹。
在低合金钢表面电渣堆焊高铬铸铁硬面层时，低合金钢在熔敷过程中部分熔化，与高铬铸铁堆焊层金属形成了冶金结合。由于低合金钢与高铬铸铁成分的差异，凝固过程中元素迁移偏析，容易引起复杂的相变，甚至会导致结合界面产生裂纹，严重影响堆焊硬面层的耐磨损性能[7-9]。因此，需严格控制电渣堆焊过程稳定性，避免基材金属熔化不均匀，熔合线起伏过大。电渣堆焊过程中对工艺参数的严格控制是控制熔合线形貌，得到满意硬面层的决定条件[10-13]。但目前电渣堆焊所需关键工艺参数的试验数据尚不完善可靠，相关的研究报道也较少。
文中探索研究了耐磨材料高铬铸铁在低合金高强钢上的电渣堆焊工艺，探讨了电渣堆焊过程中工艺参数的控制与堆焊层结合形貌和高铬铸铁堆焊层耐磨损性能的关系。
两人逐个搜索了二楼的房间，一无所获；又跑去一楼的展厅里进行查看。最后，陆叔叔在展厅的一个角落里发现了一具倒在地上的蜡像——蜡像穿着一身沙滩服，一把带血的匕首掉落在旁边。
图1 电渣堆焊装置示意图
用电渣堆焊的方法在低合金高强钢基板上堆焊高铬铸铁硬面层，其装配示意图如图1所示。1为水冷铜块，共有A,B,C三块； 2为25 mm厚的低合金高强钢板；3为外径10 mm，内径4 mm的10号钢熔嘴；焊丝直径3.2 mm。电渣堆焊过程在水冷铜块与基材组成的长方体间隙中进行，药芯焊丝持续进入液态渣池4，和熔嘴一起熔化成金属熔池5，冷却后填充该空间形成一定厚度的堆焊硬面层 6。通过改变B的位置调整间隙尺寸，可得到不同厚度的高铬铸铁硬面层。试验选用40%CaF2-30%Al2O3-30%CaO烧结焊剂，用额定功率为30 kW的交流电渣焊机进行电渣堆焊。基材、熔嘴及高铬铸铁硬面层的化学成分见表1，电渣堆焊工艺参数见表2。由于电渣焊渣池体积大，热流分散，为便于对比分析，可假设渣池不同部位的温度分布均匀。电渣堆焊过程中液态渣池的温度难以直接测量，在低合金钢基板背面打孔，孔深10 mm，用K型热电偶测量该处的热循环曲线，用以分析不同参数下热循环。
电渣堆焊结束后，首先判定各组堆焊试样的成型质量。将成型良好试样垂直熔合面剖开，用标准金相制样方法制备金相试样，Villela’s 试剂(1 g苦味酸+5 mL盐酸+100 mL乙醇)腐蚀后用光学显微镜和扫描电镜观察堆焊硬面层组织和熔合线。对熔合线及两侧的Cr元素进行X射线荧光微区分析。测量从基材到硬面层的维氏硬度，载荷0.49 kg，保持时间15 s。磨粒磨损试验对比高铬铸铁硬面层和低合金钢基体的耐磨性能，磨料为石英砂带，摩擦速度1.57 m/s，载荷10 kg，摩擦时间200 s。每组试样分别测3次，用精度为0.000 1 g的分析天平分别测量失重并取其平均值。
《暂行办法》规定，在一个纳税年度内，与基本医保相关的医药费用，扣除医保报销后个人负担累计超过15000元的部分，由纳税人在办理年度汇算清缴时，在80000元限额内据实扣除。此前的征求意见稿中，限额为60000元。
表1 低合金高强钢D32和高铬铸铁堆焊硬面层金属化学成分(质量分数，%)
材料种类CSiMnPSCuCrNiNbVTiMoAlFeD320．130．221．300．010．010．320．200．390．040．080．020．050．02余量HCCI2．820．682．060．010．010．0620．33————0．880．07余量
表2 电渣堆焊过程工艺参数①
试样编号间隙尺寸S/mm2电压U/V电流I/A输入功率P/kW功率密度ρ/(W·mm-2)①A150×3028～32300～3209．06．00A250×4028～32300～3209．04．50A350×5028～32300～3209．03．60B150×3033～37340～36012．58．33B250×4033～37340～36012．56．25B350×5033～37340～36012．55．00C150×3038～42390～41016．010．67C250×4038～42390～41016．08．00C350×5038～42390～41016．06．40
注：①功率密度ρ=P/S，即单位面积上的输入功率。
不同间隙尺寸及热输入的渣池功率密度如图2所示：A2，A3和B3组的功率密度不大于5 W/mm2，均有不同程度的夹渣和未熔合缺陷；而C1组功率密度过高，达到了10.67 W/mm2，在堆焊过程中基材被熔穿；A1，B1，B2和C2，C3组电渣堆焊试样外观检测合格，其中B1组和C2组的功率密度相对较高，约为8 W/mm2，而A1，B2和C3组的功率密度相对较低，约为6～6.5 W/mm2。外观检测合格电渣堆焊试样如图3所示。
图2 不同间隙尺寸及热输入下功率密度
图3 高铬铸铁电渣堆焊试样
外观检测合格的A1，B1，B2和C2，C3组试样堆焊过程热循环曲线如图4所示，B1和C2组试样在堆焊过程功率密度较高(约8 W·mm-2)，峰值温度约为1 200 ℃，而A1，B2和C3组试样的功率密度较低(约6～6.5 W/mm2)，峰值温度约为1 100 ℃。将各组试样分别沿熔合界面垂直面剖开，其界面熔合线示意图如图5，B1，C2组热循环峰值温度高，后期基材熔化过多，熔合线侵入基材较深，而A1，B2和C3组在稳定阶段熔合线较为均匀。
当电渣堆焊过程达到稳定状态后，热量处于平衡状态，即：
Q输入=Q堆焊+Q传导+Q辐射
(1)
式中,Q输入为焊接输入热量;Q堆焊为电极与基材熔化进而产生堆焊层所消耗的热量;Q传导为水冷铜块传导的热量;Q辐射为热辐射散失的热量。
B1,C2组的功率密度较高，使得公式(1)中Q输入偏大，在电渣堆焊过程中渣池热量不断积累，无法保持平衡。而A1,B2和C3组热量热输入功率密度为6～6.5 W/mm2时，功率达到了如公式(1)所示的平衡状态，获得稳定可靠的熔合界面。从图5还可以看出，各组堆焊试样在底部开始阶段10 mm范围内基材熔化量很少甚至没有熔化，这是电渣堆焊开始时在底部引弧造渣，大部分热量用于熔化焊剂，产生热量不足以熔化基材所致。
④措施和计划予以制定。制定系列规章管理办法，营造宣传氛围。对媒体予以尊重，并合理利用，建立良好的媒体沟通机制。健全舆论危机应对措施，做到防患于未然。管理和教育需强化，医务人员的媒体介素需进一步提升。与时俱进，传统媒体和自媒体并重，加强媒体覆盖面。
二是基础设施建设进展顺利。防洪薄弱环节建设稳步推进，中央投资的548座重点小(2)型病险水库除险加固项目顺利完成建设任务，河南省投资的486座小(2)型病险水库除险加固项目2013年年底也基本完成建设任务；46座大中型病险水闸除险加固项目开工建设34座；110个中小河流治理项目下达投资计划22.75亿元。
图4 电渣堆焊过程基板内部热循环曲线
综上所述，在25 mm厚的低合金钢板上电渣堆焊30～50 mm厚的高铬铸铁堆焊层时，随着间隙尺寸变大，堆焊层厚度的增加，堆焊过程中电流和电压也要相应增大，以增大热输入，保证合适的功率密度。功率密度过小易造成夹渣和未熔合缺陷，而功率密度过大则会造成基材过熔，熔合线不稳定，甚至造成基材熔穿，渣池的功率密度保持在6～6.5 W/mm2时可获得良好的堆焊层。
图5 电渣堆焊层界面熔合线示意图
图6为高铬铸铁和低合金钢堆焊界面外观及金相组织。从图6a可以看出高铬铸铁堆焊层和基材结合界面平整清晰，没有缺陷；图6b为结合界面的金相照片，在高铬铸铁硬面层和基材的结合界面存在宽度约25 μm的奥氏体带状区域。这是因为基材中C含量较低，受基材熔化稀释作用影响，堆焊层近熔合线附近区域碳含量相对较低，凝固时首先析出韧性较好的初晶奥氏体，有效避免了裂纹的产生；结合界面基材一侧虽然析出少量侧板条铁素体，但铁素体韧性仍高于高铬铸铁硬面层，也没有发现微观裂纹。
通过对结合界面Cr元素进行微区分析，如图7所示，Cr元素由堆焊层向基体扩散，离界面层越远，基体中Cr元素含量越低，Cr元素扩散区宽度约500 μm。
图8为高铬铸铁堆焊层表面向下3 mm处金相组织照片。从图8a可以看出高铬铸铁堆焊层为均匀的亚共晶高铬铸铁组织，由奥氏体枝晶和共晶团组成。其中初生奥氏体大小均匀，呈一定阵列排列。这是因为在高铬铸铁凝固过程中，熔池在水冷方向散热较快，奥氏体结晶时以沿散热方向延伸生长的外生凝固方式为主，表现出一定的方向性。从图8b可以看出共晶组织中共晶碳化物为细小的多边形或长杆状的M7C3型碳化物，碳化物周围基体由马氏体组织和部分残余奥氏体组成。这种亚共晶高铬铸铁组织在具有较高硬度的同时还有一定的韧性，能承受较大的冲击载荷，在实际磨损工况中应用十分广泛[14]。
图6 低合金钢和高铬铸铁电渣堆焊界面
图7 低合金钢和高铬铸铁电渣堆焊界面Cr元素微区分析
图8 高铬铸铁堆焊层组织形貌
图9中硬度测试结果表明：在熔合线附近，高铬铸铁中的碳元素向低合金钢中扩散，硬度随碳含量的增多明显升高，熔合线附近硬度变化的范围约为450 μm，与微区分析得到的过渡层宽度500 μm相当，稳定阶段高铬铸铁堆焊层平均硬度达到720 HV，约为低合金钢硬度的2倍。磨粒磨损试验测得低合金钢基体摩擦平均失重为9.37 g，而高铬铸铁电渣硬面堆焊层摩擦平均失重为2.56 g，磨损量仅为前者的27.3%。可见在较大摩擦载荷下，在低合金钢工件表面电渣堆焊高铬铸铁硬面层可大幅提高工件的耐磨粒磨损性能，有效延长其使用寿命。
同时必须重新审视耕地功能，把握耕地生产—生态的功能性演变规律，保护耕地多元化功能。需要贯彻区域经济社会的可持续发展的理念，科学、动态的认识耕地的多功能性，树立耕地综合价值观。耕地多功能性保护不仅强调了耕地利用的合理方向，也增强了严格保护耕地的说服力和行动能力。
图9 高铬铸铁电渣堆焊层硬度变化
(1)热输入和间隙尺寸决定了在低合金钢上电渣堆焊高铬铸铁层的功率密度和成形质量。功率密度过大会导致低合金基材过熔，而功率密度过小则会在堆焊界面出现夹渣和未熔合缺陷，功率密度在6～6.5 W/mm2时，电渣堆焊的方法可以在低合金钢上有效堆焊大厚度的高铬铸铁硬面层。
(2)电渣堆焊的方法可以得到没有裂纹、夹渣和气孔缺陷的低合金钢和高铬铸铁堆焊界面。堆焊界面元素过渡均匀，过渡层厚度约500 μm。
(3)高铬铸铁硬面层平均硬度达到700 HV，约为低合金钢硬度的2倍，高铬铸铁硬面层磨粒磨损失重为低合金钢失重的27.3%，耐磨粒磨损性能优势明显。
参考文献
[1] Wang Y, Gou J, Chu R, et al. The effect of nano-additives containing rare earth oxides on sliding wear behavior of high chromium cast iron hardfacing alloys[J]. Tribology International, 2016, 103: 102-112.
[2] Lucey T, Wuhrer R, Moran K, et al. Interfacial reactions in white iron/steel composites[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2012, 212(11): 2349-2357.
[3] 任重阳,余圣甫. 高铬铸铁型药芯焊丝熔滴过渡及飞溅试验研究[J]. 焊接, 2015(3): 23-26.
[4] 李昱,余圣甫. 5CrNiMo 热作模具 CO2 气体保护焊修复用药芯焊丝研制[J]. 焊接, 2017(6): 39-43.
[5] Kurt B, Eroglu M. Diffusion bonding between high chromium white iron and austenitic stainless steel[J]. Science and Technology of Welding and Joining, 2007, 12(5): 467-471.
[6] 孙加民, 朱家勇, 夏林印, 等. 电渣焊接头焊接残余应力与变形的数值模拟[J]. 焊接学报, 2016, 37(5): 23-27.
[7] 梁军, 赵雷, 赵彦芬. 国产 S30432 钢和 T92 异种钢焊接接头力学性能和显微组织分析[J]. 动力工程学报, 2013, 33(10): 815-821.
[8] 王可, 郑振太, 薛海涛, 等. 254SMO/Q235B 异种钢焊接接头显微组织[J]. 焊接学报, 2013, 34(2): 105-108.
[9] 郭祥,芦丽莉,王飞, 等. 异种金属环焊接接头裂纹分析与控制[J]. 焊接，2017(8):38-42.
[10] 刘阳, 刘爱国. Q235钢表面CMT堆焊310不锈钢的组织与性能[J]. 焊接，2017(1):64-67.
[11] 李海新, 张琳琳, 张婧, 等. 厚板奥氏体不锈钢焊接技术研究现状[J]. 焊接，2017(6):35-38.
[12] 王浩, 李天赐,张乐乐. 焊接技术在金属结构修复中的应用和发展现状[J]. 焊接，2017(1):18-26.
[13] 宋友宝, 李龙, 周德敬. 金属层状复合板焊接研究现状与展望[J]. 焊接，2016(10):18-21.
[14] 陈璟琚. 合金高铬铸铁及其应用[M]. 北京：冶金工业出版社，1999.
联系客服
