阅读说明：本技术 一种q235钢板上堆焊高铬合金的堆焊方法 (Surfacing method for surfacing high-chromium alloy on Q235 steel plate ) 是由 柴知章 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种Q235钢板上堆焊高铬合金的堆焊方法,采用高频感应堆焊工艺在普通碳素结构钢母材上堆焊一层2～3mm厚高铬合金耐磨层,可以同时具备两种材料优点,满足韧性和耐磨性要求。(The invention discloses a surfacing method for surfacing high-chromium alloy on a Q235 steel plate, which adopts a high-frequency induction surfacing process to bead-weld a 2-3 mm-thick high-chromium alloy wear-resistant layer on a common carbon structural steel base metal, can simultaneously have the advantages of two materials and meet the requirements of toughness and wear resistance.)

一种Q235钢板上堆焊高铬合金的堆焊方法

技术领域

本发明属于耐磨材料技术领域，尤其涉及一种Q235钢板上堆焊高铬合金的堆焊方法。

背景技术

目前，机械零件大多数是用金属材料制造，在使用过程中会发生的磨损，随着现代工业发展，机械零件经常在异常复杂和苛刻条件下工作，大量的机械零件往往因磨报，腐蚀，或磨蚀而报废这就要求在高温高压、承受较大载荷，以及氧化、磨蚀等工作的条件下机械装备表面具有良好的耐密、耐腐蚀、耐高温和抗氧化等性能。统计资料表明:在失效机械零件中，大约有75％-80％是属于密损。供给机器的能量大约30％～50％消耗于摩擦和磨损的过程中。仅对我国的冶金、煤炭、电力、建筑材料、农机等5个部门的不完全统计，金属件在与砂土、矿石、水泥相接触过程中被磨损的钢材量就在100万吨以上，再考虑因更换设备而降低生产效率，1年所浪费的资金，估计可高达30亿元。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：目前，由磨料磨损所造成的经济损失，占全部磨损的50％以上。各种机械及零部件几乎都存在于磨料磨损。磨损可导致设备构件的寿命下降，严重的还会引起机械设备的事故，降低劳动生产率，进而造成社会资源浪费，限制了工业向现代化，和自动化的发展。因此，研究高性能的抗磨材于机械及零部件表面，提高设备使用寿命，对减少停机和维修，充分发挥材料性能，节约用材，提高产量，增加效益，都有重大意义。另外，对于筛板、衬板、鄂板等这些采用高锁度材料制造的耐始件，不仅生产成本高，而且，脆性大，因而，在冲击载荷条件下使用时受到限制.工业领域中，有许多抵抗感校磨损工件都采用高硬度的铬系合金白口合金，然而，其中部分易损件要求与设备某些部位装配一起，需要对其非工作而进行的机械加工，在这些情况下，整体用高硬度材质就难以满足要求了，还有一些易损件只要求特定部位磨损一定的尺寸后就失效报废，整体采用高硬皮的副材料，被显得极不经济。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在普通碳素结构钢母材上堆焊一层厚高铬合金耐磨层，可以同时具备两种材料优点，满足韧性和耐磨性要求的Q235钢板上堆焊高铬合金的堆焊方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种Q235钢板上堆焊高铬合金的堆焊方法，包括如下步骤：

1)焊前对焊件进行清理，清除焊件表面的铁锈、油污和水分，焊接材料使用前需进行烘干；

2)为防止产生裂纹、晶粒粗大等缺陷，对焊件进行预热，预热温度在200-300℃之间，堆焊工艺采用多层焊的方式进行焊接，需要对堆焊层间温度进行控制，层间温度控制在300-350℃，；

3)焊后需要对焊件进行760-780℃的回火处理；

4)焊条共选用三种型号：D667和J507焊条和Ni基焊条，D667和J507须经200℃下加热并保温1-2h；镍基合金焊条需要进行加热烘干；

5)采用Cr-Mn或Cr-Ni的焊条进行打底焊，先堆焊一层Cr-Mn或Cr-Ni作为隔离焊道。

第5)步中，采用J507焊条进行打底焊时，过渡层采用镍基合金焊条进行填充焊作为过渡层。

采用镍基焊接材料作为填充金属时，堆焊过程中要控制堆焊层的层间温度。；在每层焊缝焊完后用小锤敲击焊缝。

堆焊复合板单道焊宽30-50mm，耐磨层表面平整，在堆焊过程中耐磨层通过形成细小均匀的裂缝释放应力，保持整幅板面的平整，限制产生应力集中，裂缝仅局限于硬层内，使用过程中也不会向韧性很好的Q235钢板中扩展。

堆焊耐磨层金相组织为过共晶高铬合金，Cr7C3型初生相细小均匀，基体为Cr7C3与奥氏体、马氏体的共晶组织；六角形Cr7C3相维氏硬度达HV1700；堆焊层硬度HRC50～62，单层堆焊层厚度3.5－6.5mm，基板厚度≥6mm，复合板规格≤1×2m；复合钢板的抗拉与抗冲击性能不低于Q235钢板焊接接头的性能。

在焊接过程中为了避免堆焊金属开裂的工艺方法：1.提高母材的预热温度；2.控制焊接过程中的层间温度；3.焊后对工件采取保温缓冷处理；对于焊接过程中层间温度的控制最为关键，堆焊过程中层温控制在300-350℃。

为了避免出现白口组织，可以采用含碳、硅量较高的合金材料或者是镍基合金、铜基合金、高钒钢等非合金焊接材料来对工件进行焊接，也可以在焊接时进行预热缓冷使石墨充分析出。

为了防止裂纹的措施有：1.采用纯镍或铜镍焊条、焊丝，以增加焊缝金属的塑性；加热减小焊缝上的拉应力；2.对焊件进行预热、缓冷处理，控制焊层温度，减小焊件的温度差。

为了防止在堆焊时，焊后热处理过程中产生开裂和剥落，堆焊金属与母材应该选用相近的线膨胀系数和相变温度；在堆焊时要尽量减少熔合比，降低稀释率；采用预热、层间温度等措施防止堆焊层的开裂和剥落，预热温度在基体材料的马氏体下转变温度以上，防止裂纹和气孔的产生；在堆焊时，当堆焊层达到规定厚度时，可以进行一次去应力热处理；也可以采用中温回火处理，改善焊后的组织和消除热应力，析出弥散的碳化物，形成二次硬化。

为了提高铬合金焊接用镍基焊条的抗热裂的能力，调整焊缝金属的化学成分，使焊缝的脆性温度区间减小；适量的加入稀土元素，增强焊缝的脱硫、脱磷反应；在焊接中通过提高形核率和抑制晶核长大来细化熔池的凝固组织，相应的加入适量的细化晶粒元素，使焊缝晶粒细化，得到稳定均匀的焊缝组织。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，采用高频感应堆焊工艺在普通碳素结构钢母材上堆焊一层2～3mm厚高铬合金耐磨层，可以同时具备两种材料优点，满足韧性和耐磨性要求。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。

采用自动堆焊新工艺方法，在Q235(A3)整幅钢板上形成过共晶高铬合金耐磨层。其优点如下：高的抗磨损性能：磨损试验表明耐复合析的耐磨性比低碳钢高12～18倍，比不锈钢、高锰钢高5倍，比铸态高铬铁高1倍；高的抗冲击性能：由于采用Q235基板，耐磨复合板还具有很高的抗冲击性能，充分体现了复合材料既耐磨又抗冲击的优点。这是铸态耐磨材料所不及的；方便的加工性能：耐磨堆焊复合钢板可以冷弯成型、卷圆，可用等离子切割法切割，可以很方便地将耐磨复合板拼焊在被磨损机件表面；高的性能价格比：使用耐磨堆焊复合板虽然成本提高，但综合考虑机件的使用寿命、维修费用、停机损失等，其性能价格比比普通材料约高2～4倍。由于材料利用合理，耐磨堆焊复合板比同等材料手工堆焊价格低50％。耐磨堆复合板特别适用于与泥沙、矿石、粉尘、煤渣等直接磨擦的机件表面强化。此外耐磨堆焊复合板还具有较好的耐高温性能，在700℃以下具有较高的硬度和抗氧化性。适用于各种磨料磨损的工况条件。堆焊复合板单道焊宽30－50mm，耐磨层表面平整，在堆焊过程中耐磨层通过形成细小均匀的裂缝释放应力，保持整幅板面的平整，限制产生应力集中，裂缝仅局限于硬层内，使用过程中也不会向韧性很好的Q235(A3)钢板中扩展。主要性能：堆焊耐磨层金相组织为典型过共晶高铬合金合金，Cr₇C₃型初生相细小均匀，基体为Cr₇C₃与奥氏体、马氏体的共晶组织。六角形Cr₇C₃相维氏硬度达HV1700，与基体配合表现出最佳抗磨能力；堆焊层硬度HRC50～62，单层堆焊层厚度3.5－6.5mm，基板厚度≥6mm，复合板规格≤1×2M；复合钢板的抗拉与抗冲击性能不低于Q235钢板焊接接头的性能；复合钢板的加工性能：可用空气电弧或等离子弧切割和打孔。可冷态成形或滚圆。冷滚圆时最小曲率半径为复合板厚的20倍。

1.堆焊工艺概述

堆焊是用焊接方法在工件表面堆敷一层具有一定性能材料的工艺过程。其目的是为了增加零件的耐磨、耐热、耐腐蚀等方面的性能。堆焊主要应用在制造新零件和修复旧零件两个方面。在实际生产过程中，可通过堆焊焊接工艺将具有某种特殊性能的合金堆焊在工件表面上，形成复合材料的堆焊件，获得良好的使用性能。大幅度提高了工件的使用寿命，延长了服役时间和运行效率。

2.低碳钢的焊接性

碳钢的焊接性随含碳量的增加而变差，在焊接过程中产生冷裂纹的敏感性也增加。碳钢的焊接性变差的主要原因是由于碳含量较高在焊接过程中容易被淬硬，被淬硬的焊缝和热影响区的塑性也会下降，在焊接应力的作用下就会容易发生裂纹，导致碳钢的焊接性变差。碳钢的焊接性还与氢致裂纹的敏感性有关。在焊接含碳量高于0.15％的碳钢时，对氢致裂纹非常敏感。所以在焊接过程中应注意减少氢的来源，可以减少焊条药皮中及母材上的水分，做好必要的焊前准备，焊前对待焊部位及零件需进行清除油污、铁锈等。碳钢中含的S、P等杂质的不均匀也会导致焊接热裂纹，影响焊接性。

Q235与堆焊金属的线膨胀系数相差较大，在焊接热循环的作用下会形成较大的内应力，容易使堆焊层金属在焊后的冷却过程中开裂。在焊接过程中为了避免堆焊金属开裂的工艺方法：1.提高母材的预热温度；2.控制焊接过程中的层间温度；3.焊后对工件采取保温缓冷处理。对于焊接过程中层间温度的控制尤为关键，堆焊过程中层温控制在300-350℃，层间温度过高会造成工件中的合金元素的过度烧损，导致热应力集中，增大焊件的热裂纹倾向，层间温度过低会使焊缝层之间熔合不良，焊缝存在裂纹。

3.高铬合金的焊接性

高铬合金是一种性能优良的抗磨材料，它比一般的白口合金具有高的多的韧性、强度，同时它还具有良好的抗高温性能和抗腐蚀性。高铬合金是含Fe、Cr、C等元素的多元合金，其基体组织为奥氏体组织。高铬合金由于高含碳量和高含铬量导致高硬度的碳化铬硬层，在焊接过程中容易产生应力裂纹；同时，因为含碳量较高，焊接性差，在焊接接头处容易出现白口及淬硬组织。

白口组织是由于在焊接过程中，碳、硅等促进石墨化元素大量烧结造成的，并且焊接区冷却较快，在焊缝区石墨化过程中来不及进行而产生的。为了避免出现白口组织，可以采用含碳、硅量较高的合金材料或者是镍基合金、铜基合金、高钒钢等非合金焊接材料来对工件进行焊接，也可以在焊接时进行预热缓冷使石墨充分析出。在焊接中裂纹也是重要的缺陷，裂纹通常发生在焊缝和热影响区，由于高铬合金的抗拉强度低，塑性较差，而合金的焊接应力较大，并且当白口组织的存在时，白口组织的收缩率大，裂纹的倾向较为严重，导致整条焊缝沿着熔合区线从母材上剥落下来。为了防止裂纹的主要的措施有：1.采用纯镍或铜镍焊条、焊丝，以增加焊缝金属的塑性；加热减小焊缝上的拉应力；2.对焊件进行预热、缓冷处理，焊接参数选用小电流、控制焊层温度，减小焊件的温度差。

4.异种金属的焊接性

对于碳素钢和高铬合金两种材料，在材料的化学成分、组织性能上都不同，两者的焊接属于异种金属的焊接。异种金属之间的的焊接性存在很大的差异，两种材料的熔点、热导率等性能相差很大，那么在进行熔化焊的时候，两种金属就无法很好的均匀熔合在一起。还有材料的线膨胀系数和弹性模量也会影响焊接工件的尺寸和形状的稳定性以及焊接缺陷的可能性。如果材料的弹性模量和线膨胀系数差别太大，会造成工件在焊接过程中产生残余的变形和内应力，这样和直接影响到焊接接头的性能。异种金属焊接中的主要问题主要是：两种金属混合中的稀释问题；不同材料之间焊接时界面上碳及其他元素扩散迁移问题；热膨胀系数的差异引起的热应力问题等。

异种金属堆焊容易出现许多焊接缺陷。1.堆焊金属与母材的差异较大，焊缝熔合区容易出现脆***界区，在冲击载荷的作用下容易导致堆焊层的剥落。为了防止在堆焊时，焊后热处理过程中产生开裂和剥落，堆焊金属与母材应该选用相近的线膨胀系数和相变温度；2.在焊接的熔化区焊缝金属存在稀释，要想获得稳定均匀的焊缝成分和组织，在堆焊时要尽量减少熔合比，降低稀释率；3.采用预热、层间温度等措施防止堆焊层的开裂和剥落，预热温度在基体材料的马氏体下转变温度以上，防止裂纹和气孔的产生；4.在堆焊中会产生残余应力，堆焊层尤其是异种金属熔合线处存在成分上的较大差异，会导致焊件组织和性能不均匀，容易使焊件在使用过程中出现裂纹导致剥落。对于这种情况，我们可以采取消除应力热处理，在堆焊时，当堆焊层达到一定厚度时，可以进行一次去应力热处理。也可以采用中温回火处理，改善焊后的组织和消除热应力，析出弥散的碳化物，形成二次硬化。

5.焊接材料的选择

Q235和高铬合金之间的焊接，焊接材料的选择可以是其中某一种金属的焊接材料或者两种金属之间的化学成分的焊接材料。所选择的焊接材料应该能够防止在焊接时产生的各种裂纹，由于Q235与高铬合金之间的线膨胀系数相差较大，而且高铬合金的含碳量比Q235要高，这导致两种金属之间的焊接性较差。如果我们选用普通的低碳钢焊条去焊接高铬合金，第一、二层焊缝会熔入较多的碳、硫和磷，这会使第一、二层焊缝的热裂纹敏感性增大。为了实现这两种金属的堆焊，可以采用镍基焊接材料。采用镍基材料作为填充材料，是因为镍基合金的线膨胀系数与珠光体钢的相近，那么在焊接过程中所产生的焊接残余应力会降低。同时焊接接头过渡层的厚度与焊接材料的镍含量有关，随着镍含量的增加，过渡层的厚度会降低。

对于高铬合金含S、P杂质高，采用镍基焊接材料焊接时，镍会与硫形成Ni3S2，而Ni-Ni3S2的共晶温度很低；镍与磷生成Ni3P，而Ni-Ni3P的共晶温度也较低；而且镍基焊缝为单相奥氏体，焊缝晶粒粗大，晶界易于富集较多的低熔点共晶。由于高铬合金的高硬度的碳化铬硬层，在堆焊时容易产生裂纹。为了提高铬合金焊接用镍基焊条的抗热裂的能力，可以调整焊缝金属的化学成分，使焊缝的脆性温度区间减小；可以适量的加入稀土元素，增强焊缝的脱硫、脱磷反应；在焊接过程中铸件的宏观组织分为：激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶区，其中粗大柱状晶是造成热裂纹的原因之一。那么在焊接中可以通过提高形核率和抑制晶核长大来细化熔池的凝固组织，相应的加入适量的细化晶粒元素，使焊缝晶粒细化，得到稳定均匀的焊缝组织。

在堆焊后进行热处理时，存在碳素钢母材和高铬合金焊缝之间的熔合区产生明显的碳的扩散，使高铬合金焊缝金属产生增碳层，由于增碳层区域很窄，碳化物析出的密度较高，导致熔合区的硬度和脆性很高，在承受载荷时，会沿熔合线产生显微裂纹。从金属的物理性能分析，Q235与高铬合金焊缝金属之间的线膨胀系数相差较大，焊后热处理会使焊缝处产生较大的应力，再加上增碳层的脆化，很容易发生剥离裂纹。对于焊接材料的选择需要避免上述的缺陷，采用镍基焊接材料一方面是它与Q235的热膨胀系数相近，不会在焊接中产生较大的应力；另一方面，镍基合金焊缝中没有强碳化物形成元素，可以有效的抑制金属与焊缝之间的熔合区产生碳的迁移扩散。

6.焊接工艺的确定

1.焊前必须对焊件进行清理，清除焊件表面的铁锈、油污和水分等杂质，焊接材料使用前需进行烘干。

2.为防止产生裂纹、晶粒粗大等缺陷，对焊件进行预热，预热温度在200-300℃之间，该工艺为堆焊工艺采用多层焊的方式进行焊接，需要对堆焊层间温度进行控制，以防止焊缝温度过高或者停留时间过长引起的严重脆化现象，层间温度控制在300-350℃，以免过热使热影响区脆化。

3.选用直流电焊机采用小线能量，尽量减少基本金属受热，采用小电流、短电弧，在焊接过程中尽量用较窄的焊道进行焊接，这样可以尽可能的使焊接接头尽快的冷却，这样也可以在一定程度上减少碳化物的析出。

焊后需要对焊件进行760-780℃的回火处理，获得组织成分较好的焊接接头。

4.焊条共选用三种型号。D667和J507焊条和Ni基焊条，D667和J507须经200℃下加热并保温1-2h。镍基合金焊条需要进行加热烘干。

5.为了防止热烈采用Cr-Mn或Cr-Ni的焊条进行打底焊，先堆焊一层Cr-Mn或Cr-Ni作为隔离焊道，防止裂纹。

堆焊分层根据焊件的厚度决定，采用J507焊条进行打底焊，过渡层采用镍基合金焊条进行填充焊作为过渡层，与焊材的线膨胀系数最小，抗裂性好。最后用D667焊条进行热焊，，手工堆焊耐磨层。

堆焊参数见下表(以堆焊层1.5mm为例)：

焊条直径参数选择表

堆焊层厚度/mm	<1.5	<5	>5
				焊条直径/mm	3.2	4-5	5-6
堆焊层数	1	1-2	>2
				堆焊电流/A	80-100	140-240	180-240

镍基焊接材料作为填充金属，堆焊过程中要严格控制堆焊层的层间温度。在每层焊缝焊完后用小锤轻轻的敲击焊缝，这样既可以减小应力还可以使焊接接头粗大的柱状晶破碎，细化晶粒。焊接为镍基合金焊条，采用石墨型药皮。石墨是强脱氧剂，可以防止焊缝产生气孔，同时适量的碳可以缩小高温脆性温度区间，从而提高焊缝的抗裂纹能力；药皮中碳的析出，可以降低焊缝的收缩应力，有利于降低热影响区熔合线附近产生冷裂纹的倾向；同时有利于降低半熔化区中的碳向焊缝扩散程度，在一定程度上减小白口宽度。

采用上述的方案后，采用高频感应堆焊工艺在普通碳素结构钢母材上堆焊一层2～3mm厚高铬合金耐磨层，可以同时具备两种材料优点，满足韧性和耐磨性要求。

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。