专利名称：一种高铬铸铁堆焊材料及工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于焊接材料及工艺，特别适用于高铬铸铁堆焊技术。
众所周知，高铬铸铁是一种优良的耐磨材料，将高铬铸铁耐磨技术应用于焊接领域，便可产生一系列高铬铸铁堆焊材料。目前就高铬铸铁焊接材料而言大致分为三大类。
第一类为奥氏体型占高铬铸铁材料的大部。通常有较高的含碳量，组织为奥氏体，耐低应力磨料磨损的能力较好且较经济。但脆性较大，焊接热循环下容易开裂，不能承受冲击载荷。
第二类为可硬化型材料的含碳量较低，焊态下为奥氏体，韧性优于奥氏体型材料。可用于耐低应力磨料磨损和氧化磨损。其最大优点是能够淬硬强化，强化后可胜任高应力磨损和冲击磨损。此种材料性能优良，适合在各种条件下服役；但不通过热处理就难以发挥其内在的潜能。
第三类为Mo.W强化型这种材料是在一二类材料的基础上加入合金元素Mo和W，以提高材料的红硬性，加强高温条件抵抗磨损的能力，本质上与前两类并无区别。
以上三大类包容了我国现有的高铬铸铁焊接材料。经查新检索出的《硬化表面堆焊合金的应用选择及其堆焊法》推荐的高铬铸铁材料中，3A1为可硬化类；3A3、3A4、3A5为奥氏体类；3A2、3B1～4为Mo、W强化型。这些类型的高铬铸铁焊接材料中尚存在一处空白，即无需热处理而能用于冲击磨损的材料。在现有技术中，能应用冲击磨损的必经热处理；而不经热处理就难以用于冲击磨损。
经研究认为，对高铬铸铁性能影响的主要因素是碳化物的存在形式。高铬铸铁中的碳化物一般为(Fe，Cr)7C3，有一次和共晶两种形态。当处于过共晶成分时，组织中存在大量的一次碳化物。随一次碳化物量增多，抵抗低应力磨料磨损能力增强，这也是奥氏体型高铬铸铁材料有较高的含碳量与含铬量的原因。但在冲击条件下却恰恰相反，由于一次碳化物为先析出相，其晶核长大受到阻碍较小，组织比较粗大。在冲击载荷作用下，粗大的破化物易发生碎裂，从表面剥离，同时使其周围的基体暴露，双重结果都使耐磨性下降。这是奥氏体型高铬铸铁材料不适于冲击载荷的根本原因。由于造成材料脆性的一次碳化物是在结晶过程中产生的，因而也无法通过简单热处理的方式加以解决。
综上所述，在现有的高铬铸铁材料中，还没有不需热处理就可用于高应力磨损和冲击磨损的材料。而且现有的焊接工艺也存在较多弊端。由于高铬铸铁材料具有很大的脆性，在焊接应力下易产生裂纹。为减少裂纹倾向，通常要求预热500℃左右，层间温度不低于400℃，焊后及时保温缓冷。此工艺有三个显著缺点第一，由于焊接部位长时间停留在高温状态，基体组织碳化物长大倾向严重，使材料脆性增加；第二，预热温度高，造成生产率低，浪费能源；第三，大型工件往往是因预热条件不足而难以堆焊。
本发明的目的是提供一种不需热处理就可应用于高应力磨损和冲击磨损的新型材料，即在焊态下为铁素体基的亚共晶高铬铸铁材料及配套的焊接工艺。利用堆焊高铬铸铁的方法可有效地防止剥离，提高磨损抗力，从而达到减少工件磨损失效的目的。
本发明的主要内容包括材料发明和工艺发明两部分。
材料部分的核心是成分，设计成份的主要出发点为1.材料耐磨料磨损能力强，耐冲击性能高、韧性好。
2.焊态下控制组织能力强。
3.堆焊材料对焊接工艺的要求要宽松。
4.合适的成本。
依据上述构想，本发明设计的高铬铸铁堆焊材料熔敷金属的成分含量为(Wt％)C2.0～3.0，Si0.9～1.4，Mn0.5～1.0，Cr18～25，Mo1.5～3.0，V0.5～2.0本发明的材料同现有材料相比具有如下特点1.一般高铬铸铁堆焊材料中，常加入利于奥氏体形成元素Ni、Co等。如我国的D667焊条，加入3～5％Ni，再如澳大利亚VIDALLOY公司的高铬铸铁堆焊材料，加入6％Co，这些元素的加入可以改善奥氏体组织，增加韧性。其缺点是Ni、Co元素较昂贵，加入量少时效果不明显。本发明采取了另外的途径，改变基体组织形态，材料中加入铁素体形成元素Mo和V，使基体组织为铁素体。这种铁素体固溶了较多的合金元素Cr、Mo和V，其显微硬度可达到HV＝430～480。既保留了铁素体组织较高的塑性与韧性，又具有足够的强度与硬度；2.全部碳化物为块状共晶碳化物，研究中发现，当含C量超过3％，含铬量超过26％时，合金中出现一次碳化物。而当含Cr量低于18％时，碳化物只沿初生相晶界生长，起不到抗磨骨架作用。因此，本发明确定含碳量在2.0～3.0％，含Cr量在18～25％是最合适的；3.本发明加入的Mo、V合金元素还有提高材料的红硬性，细化晶粒等作用。经600℃回火，硬度不仅没有下降，而且还提高了1.5HRC；4.材料成本较低。
工艺部分包括三方面1.不预热、不后热；2.构筑堆焊槽；在母材上即将堆焊的部位，事先用低碳钢板拼焊成隔板，纵横隔板将待焊部位分隔成一个个小格子，每小格子就是一个堆焊槽，在堆焊槽内堆焊合金。堆焊槽可以是方形，也可以是圆弧形，堆焊槽高度等于堆焊高度。这种堆焊槽的主要作用是(1)拼板起到堆焊合金的骨架作用。拼板与母材的接合强度大于高铬铸铁与母材的接合强度，能够保证堆焊合金组成一个整体，不会在冲击下大块脱落。
(2)由于钢板的塑性变形能力大大强于高铬铸铁，因而冷却时的焊接塑性变形集中于拼板，合金受到的焊接应力大大降低，裂纹倾向随之减小。同时，拼板还可成为裂纹扩展的阻碍，起到止裂作用。
(3)拼板起到减小焊道长度的作用，使单道长度减小，裂纹敏感性随之降低。
3.边缘过渡当母材也是裂纹敏感性较大的材料，如高碳钢，灰口铸铁、白口铸铁等，堆焊过渡间是必要的。具体作法是沿待焊面的边缘先用软性焊条施焊一周软化带，堆焊合金的首尾焊缝都起止于软化带上，首尾与软性地区相交，中间部位直接施焊于母材，可以有效地防止剥离。不采用过渡，堆焊合金的边缘剥离严重。整个待焊面全部采用过渡时，母材部分很可能成为落弱环节，易从母材处撕裂。
利用本发明堆焊高铬铸铁合金，焊态下不仅可应用于低应力磨损，还可应用于高应力磨损及冲击条件下磨损。在冲击磨损条件下工作，其抗磨能力与热处理优于硬化型高铬铸铁材料，焊接厚度可达100mm。
实施例利用上述发明，成功地堆焊了鞍钢烧结总厂单齿辊破碎机。
单齿辊是烧结生产中的重要设备。烧结机把焊结好的块料从机尾倾泻到固定的篦板上，单齿辊破碎齿在篦板的空隙间旋转，通过破碎齿的剪切，使大块的烧结矿得到破碎。在破碎过程中，单齿辊要受到温度高达800℃的炽热烧结矿的冲击、剪切、挤压等综合作用，属高温冲击式磨料磨损，磨损情况非常严重。利用本发明的焊接材料和工艺对单齿辊进行堆焊修复。使用的焊接材料成分含量为(w％)C＝2.5，Si＝1.1，Mn＝0.9，Cr＝23，Mo＝2.5，V＝1.5。修复的单齿辊长7米，重34吨，为国内第二大单齿辊设备。其破碎齿和辊面采用耐磨材料，破碎齿为铸造高铬铁(含碳4.5％，含铬28％)，磨损深度为40～160mm，辊面为高铬钢，磨损深度为5～40mm。
由于含碳量高，合金脆性大，使用中又经反复的冲击，因此待焊面裂纹非常严重、部分合金甚至用手锤就可将其击掉，堆焊难度极大，用传统材料和工艺根本无法实施。利用本发明中的材料及工艺方法堆焊修复取得较好效果，不仅全部恢复了尺寸，而且使用寿命也有所提高。
利用本发明，先后修复单齿辊4个，与单齿辊配套使用的篦板26块，最低使用寿命达到原品，节约费用约500万元。
权利要求
1.一种高铬铸铁堆焊材料，通常是由高碳、高铬和一定量的镍、钴等合金元素组成的奥氏体基过共晶合金，其主要特征在于相对较低的碳、铬含量并加入钼，钒合金元素，使之形成铁素体基亚共晶高铬铸铁合金，其成分含量为(wt％)C2.0～3.0，Si0.9～1.4，Mn0.5～1.0，Cr18～25，Mo1.5～3.0，V0.5～2.0。
2.一种高铬铸铁堆焊工艺，其主要特征是焊前不预热，焊后不需热处理，构筑堆焊槽；边缘过渡等工艺。
3.根据权利要求2所述的高铬铸铁堆焊工艺，其特征在于采用构筑堆焊槽施焊工艺，即在母材预以堆焊的部位，事先用低碳钢板拼成隔板，纵横隔板将待焊部位分隔成一个个小格子，每个小格子就是一个堆焊槽，在堆焊槽内堆焊合金。
4.根据权利要求2所述的高铬铸铁堆焊工艺，其特征是采用边缘过渡方式，即沿待焊面的边缘先用软性焊条施焊一周软化带，堆焊合金的首尾焊缝都起止于软化带上，首尾与软性地区相交，中间部分直接施焊于母材。
全文摘要
本发明提供了一种高铬铸铁堆焊材料及工艺。该材料是选用相对较低的碳，铬含量并加入促进铁素体形成元素钼和钒，使之形成铁素体基的亚共晶高铬铸铁合金。它既保留了较高的塑性与韧性，又具有较高的强度与硬度。在焊接工艺方面采用构筑堆焊槽和边缘过渡等技术，可有效地防止剥离，提高磨损抗力，从而减少工件磨损失效。本发明不需热处理就可应用于高应力磨损和冲击磨损，是比较理想的高铬铸铁堆焊材料及工艺。
文档编号B23K35/30GK1116574SQ9511013
公开日1996年2月14日 申请日期1995年3月24日 优先权日1995年3月24日
发明者付魁军, 高辉光, 庞兆夫 申请人:鞍山钢铁公司, 鞍山钢铁公司钢铁研究所