1、湘潭大学毕业论文题 目：塑性层埋弧焊药芯焊丝的研究学 院： 机械工程学院 专 业： 材料成型及控制工程 学 号： 2009501029 姓 名： 吴 慧 剑 指导教师： 龚 建 勋 完成日期： 2013-5-30 1湘 潭 大 学毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：塑性层埋弧焊药芯焊丝的研究 学号： 2009501029 姓名： 吴慧剑 专业： 材料成型及控制工程 指导教师： 龚建勋 系主任： 肖逸峰 一、主要内容及基本要求主要内容： 设计一种埋弧焊药芯焊丝，通过改变通过基础配方中中 C 锰铁的百分含量制做出几根金属粉型药芯焊丝，采用埋弧堆焊方法制备奥氏体堆焊合金，仔细观察对比焊接过程中的
2、电弧稳定性、飞溅量、烟尘量、残渣量、焊缝成形、气孔等工艺现象。并对堆焊合金进行硬度测试试验、金相观察试验、磨粒磨损试验，系统的研究药芯中中 C 锰铁对焊接工艺性能、堆焊合金硬度、耐磨性及显微组织的影响，为设计配方时中 C 锰铁的加入量提供理论依据。 基本要求： 1、 埋弧堆焊合金无气孔等缺陷； 2、 翻译相关外文文献一篇（英文内容不少于三页） 。 二、重点研究的问题1、中 C 锰铁含量对药芯焊丝埋弧堆焊堆焊合金耐磨性的影响 2、堆焊合金的显微组织、硬度及耐磨性 2三、进度安排序号 各阶段完成的内容 完成时间1 收集资料，阅读文献 2013.02.252013.03.102 撰写文献综述，拟定试
3、验方案 2013.03.102013.03.213 初步试验并分析总结 2013.03.212013.04.204 完善试验方法和方案 2013.04.202013.05.095 总结试验数据并分析，撰写论文 2013.05.092013.05.126 写出正式稿 2013.05.122013.05.257 答辩 2013.05.318四、应收集的资料及主要参考文献1张文钺.焊接冶金学（基本原理）M,北京:机械工业出版社（第一版),1999 2田志凌,潘川,梁东图.药芯焊丝M.北京:冶金工业出版社,1999 3陈华辉,邢建东,李卫.耐磨材料应用手册M.北京:机械工业出版社,2006 4李建民.
4、磨损金属学M.北京冶金工业出版社 1990:217-243 5李家浚,李诗卓.材料磨损原理及其耐磨性M.北京:清华大学出版社,1990 6尹士科.焊接材料实用基础知识M.北京:化学工业出版社,2004.8-12 7候增寿,卢光熙,金属学原理,上海科学技术出版社(第二版),上海,1990 3湘 潭 大 学毕业论文（设计）评阅表学号 2009501029 姓名 吴慧剑 专业 材料成型及控制工程（焊接） 毕业论文（设计）题目： 中 C 锰铁对药芯焊丝埋堆焊合金耐磨性的影响 评价项目 评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否
5、适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评价评阅人： 2013 年 5 月 31 日4湘 潭 大 学毕业论文
6、（设计）鉴定意见学号： 2009501029 姓名： 吴慧剑 专业： 材料成型及控制工程（焊接）毕业论文（设计说明书） 30 页 图 表 14 张论文（设计）题目： 塑性层埋弧焊药芯焊丝的研究 内容提要：设计一种埋弧焊药芯焊丝，通过改变基础配方中的中碳锰铁的百分含量做出几根金属粉药芯焊丝，采用埋弧堆焊的方法制备奥氏体堆焊合金，并观察堆焊过程的焊接工艺性能，并对堆焊合金层进行硬度测试实验、金相观察实验、磨粒磨损实验，来研究中碳锰铁对焊接工艺性能，堆焊合金的硬度、耐磨性和金相组织的影响，通过实验检验大学所学知识，并为设计配方时中碳锰铁的加入提供依据。结果表面：中碳锰铁对堆焊层奥氏体的形成有显著影响
7、，由于采用埋弧焊，焊缝成形美观，气孔较少。但是烟尘较多。脱渣性随着中碳锰铁的增多而变差。此外堆焊合金的硬度随着中碳锰铁的增多而下降，奥氏体组织所占的数量及体积也随奥氏体增多而增多。5导教师评语指指导教师： 2012 年 5 月 30 日答辩简要情况及评语答辩小组组长： 2012 年 5 月 31 日答辩委员会意见6答辩委员会主任： 2012 年 6 月 1 日目 录摘 要 .1Abstract.21.1 概论 31.2、埋弧堆焊的原理及特点 .31.3、药芯焊丝 .41.5 、奥氏体 61.6、论文的主题及要求 .7第二章 实验材料、设备及成分设计 82.1 实验材料 82.2 实验设备 82
8、.3 实验的目的 82.4 药芯焊丝配方设计 83.1 配粉 .113.2 药芯焊丝轧制成型 .113.3 试板表面埋弧堆焊 .123.4 包粉率的测算 .123.5 堆焊合金硬度测试 .123.6 试样切割 .133.7 金相试样制备及观察 .13第四章 实验结果及分析 .154.1 药芯焊丝包粉率 .154.2 硬度分析 .154.3 耐磨性分析 .164.4 工艺性能比较 .174.5 金相图分析 .18第五章 总结与展望 .215.1 总结 .215.2 展望 .211摘 要在 Q235A 基体采用埋弧焊方法制备了高锰堆焊合金。采用光学显微镜和硬度测试等手段研究中锰对其显微组织及性能影
9、响。试验结果表明，随着药芯焊丝中碳锰铁含量增加，堆焊合金硬度先增加后减小，这是由于沿晶碳化物和奥氏体基体数量增加叠加结果。关键词：中 C 锰铁；埋弧堆焊；奥氏体；药芯焊丝；耐磨性2Abstract In the substrate of Q235A was prepared using the submerged arc welding of high manganese alloys. Using optical microscopy and hardness tester or other means to study the effect of microstructure and pr
10、operties by manganese to the high manganese alloys. Test results show that with the increase of mid-carbon ferromanganese in flux-cored, the surfacing alloy hardness which it first increases and then decreases, which is due to intergranular carbides and austenite matrix to increase the number of sup
11、erimposed results.Key words： mid-carbon ferromanganese； submerged-arc welding；austenite； flux-cored wire； abrasive resistance3第一章 文献综述1.1 概论药芯焊丝是由薄钢带卷成圆形钢管或异形钢管的同时，填满一定成分的药粉后经拉制而成的一种焊丝 1。药芯焊丝也称管状焊丝或粉芯焊丝，是本世纪 50 年代发展起来的高效焊接材料。分为自保护和气保护两大类具有生产效率高，焊接质量好，焊接成本低等优点。它继承了手工电焊条的成分可调性的有点，又克服了手工焊不能实现连续、自动焊接的缺点
12、 2。焊接工艺性能包括：电弧稳定性、飞溅、脱渣性、焊缝成形等。药芯焊丝工艺性能好，不仅可以提高工作效率，还可以改善工作环境。因此对药芯焊丝工艺性能的研究具有重大的意义。药芯焊丝的焊接工艺性能主要取决于药芯的成分，组成药芯的各种物质通过其粒度和百分含量的变化对工艺性能产生不同的影响。通过控制变量研究某种成分的影响，是科研实验中最常用的一种。本课题将通过控制配方中中 C 锰铁的变化，致力于研究中 C 锰铁对药芯焊丝埋弧焊工艺性能的影响 3。1.2、埋弧堆焊的原理及特点堆焊是一个普遍使用的方法来改善表面性质的工具，获得均匀的合金表面的 焊接，以期提高硬度和耐磨性的目的无延展性和韧性的重大损失基材。是
13、在金属表面熔敷一层特殊金属层,修补已磨损和腐蚀破坏的零件,是为了增大或恢复焊件尺寸，或使焊件表面获得具有特殊性能的熔敷金属而进行的焊接。这种简捷而又行之有效的方法,在我国应用十分广泛。堆焊是最有用和最经济的方法，以改善严重磨损条件提交给组件的性能之一的方法 4。根据堆焊时熔池是否可见，堆焊可分为明弧堆焊和埋弧堆焊。其中埋弧堆焊是在焊接开始前在焊接线上堆积颗粒状焊剂，以自动方式向焊剂中送进焊丝，在焊剂覆盖状态下引燃电弧进行熔化焊接。焊剂受到电弧的加热而熔化、分解，对焊接区起到保护作用 5。埋 弧 焊 采 用 的 焊 剂 因 制 造 方 法 的 不 同 而 分 为 熔 炼 焊 剂 和 粘 结 焊
14、剂 ， 焊 剂 的 功 能 和 成分 类 似 于 焊 条 电 弧 焊 中 的 药 皮 。 由 于 焊 剂 是 分 散 的 ， 从 利 用 上 考 虑 ， 只 适 用 于 平 焊 及 横焊 位 置 焊 接 ， 这 是 埋 弧 焊 的 一 个 不 足 点 。 然 而 ， 由 于 电 弧 被 焊 剂 覆 盖 着 ， 电 弧 光 受 到 焊剂 的 遮 挡 ， 烟 尘 及 飞 溅 也 较 少 。 此 外 ， 由 于 焊 接 以 自 动 焊 方 式 进 行 ， 能 够 利 用 大 电 流 进行 焊 接 ， 这 是 埋 弧 焊 所 具 有 的 优 点 。埋弧自动焊的主要优点是：（1）生产率高 埋弧焊的焊丝伸
15、出长度（从导电嘴末端到电弧端部的焊丝长度）远较手工电弧焊的焊条短，一般在50mm 左右，而且是光焊丝，不会因提高电流而造成焊4条药皮发红问题，即可使用较大的电流（比手工焊大510倍） ，因此，熔深大，生产率较高。对于20mm 以下的对接焊可以不开坡口，不留间隙，这就减少了填充金属的数量。（2）焊缝质量高 对焊接熔池保护较完善，焊缝金属中杂质较少，只要焊接工艺选择恰当，较易获得稳定高质量的焊缝。（3）劳动条件好 除了减轻手工操作的劳动强度外，电弧弧光埋在焊剂层下，没有弧光辐射，劳动条件较好。 埋弧自动焊至今仍然是工业生产中最常用的一种焊接方法。适于批量较大，较厚较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊
16、接。广泛应用于化工容器、锅炉、造船、桥梁等金属结构的制造 6。这种方法也有不足之处，如不及手工焊灵活，一般只适合于水平位置或倾斜度不大的焊缝；工件边缘准备和装配质量要求较高、费工时；由于是埋弧操作，看不到熔池和焊缝形成过程，因此，必须严格控制焊接规范。1.3、药芯焊丝药芯焊丝是一种新型焊接材料，它具有实芯焊丝和普通电焊条无可比拟的优点。正是由于它代表了新型自动和半自动焊接材料发展的趋势和方向，所以药芯焊丝已经在造船、重型机械、钢结构、压力容器和石油管道等行业得到广泛应用。根据资料介绍：日本从 1985 年至今其焊条占整个焊材的比例从 45%下降到 20%；而药芯焊丝所占比例已达到近 30%。在
17、美国焊条比例下降到不足 40%，药芯焊丝则接近 40%；西欧各国焊条约占 30%，药芯焊丝约占 20%2。药芯焊丝作为高科技材料科学的结晶，它的出现和发展适应了焊接生产向高效率、低成本、高质量自动化和智能化方向发展的趋势。药芯焊丝与手工焊条和氩弧焊丝相比有明显的优势，主要是把断续的焊接过程变为连续的生产方式，从而减少了焊接接头的数目，提高了焊缝质量，也提高了生产效率，节约了能源 7。 药芯焊丝也称为管状焊丝，可以通过调整药芯添加物的种类和比例，很方便地设计 品种是实心焊丝无法冶炼和轧制的。药芯焊丝又分为有缝和无缝药芯焊丝，无缝药芯焊丝的成品丝可进行镀铜处理，焊丝保管过程中的防潮性能以及焊接过程
18、中的导电性均优于有缝药芯焊丝 8。药芯焊丝的制造过程控制非常严谨，由于熔填金属来自钢片皮材及焊剂所含的成份，制造前尺寸与化学成份均需详细核对以确保品质。由于焊材内部空间受到限制，焊剂颗粒的大小愈显得重要，颗粒间形成类似鸟巢般结合在一起，焊剂成份元素不均匀。绝大部分的药芯焊丝均由一扁平金属薄片长条逐段经过滚卷成 U 型断面，粒状焊5剂填充于 U 型金属槽中然后再经最后的密封滚卷步骤，将焊剂紧紧的滚压在管形焊丝内卷成管形的焊丝再经过一连串拉丝动作成为最后需要的丝径，此拉丝的动作也可以使填充的焊剂均匀的固定在焊丝皮材内 9。药芯焊丝之所以发展如此迅速主要因为它有以下优点：1）对各种钢材的焊接，适应性
19、强 调整焊剂的成分和比例极为方便和容易，可以提供所要求的焊缝化学成分；2）工艺性能好，烛缝成形美观 采用气渣联合保护，获得良好成形。加入稳弧剂使电弧稳定，熔滴过渡均匀；3）熔敷速度快，生产效率高 在相同焊接电流下药芯焊丝的电流密度大，熔化速度快，其熔敷率约为85%-90%,生产率比焊条电弧焊高约3-5倍；4）可用较大焊接电流进行全位置焊接（埋弧焊不适用此点） 。药芯焊丝也有不足例如：1）焊丝制造过程复杂；2）焊接时，送丝较实心焊丝困难；3）焊丝外表容易锈蚀，粉剂易吸潮，因此对药芯焊丝保存一管理的要求更为严格。需要在以后的发展中改进 10。1.4 、耐磨性磨损是零部件失效的一种基本类型。通常意义
20、上来讲，磨损是指零部件几何尺寸（体积）变小。 零部件失去原有设计所规定的功能称为失效。失效包括完全丧失原定功能；功能降低和有严重损伤或隐患，继续使用会失去可靠性及安全性和安全性。磨损是摩擦的结果，长期以来，人们对摩擦的研究较多，对摩擦的理解和理论研究也较透彻，而对磨损的理解和研究还远远不够。磨损虽然是普遍存在的现象，但其成因和表现形式是非常复杂的，人们可以从不同的角度对它进行分类，故磨损的分类方法很多。其中根掂磨损的破坏机理进行分类有利于对磨损现象的正确理解和深入地研究，即将磨损分为:磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损及微动磨损等 11。其中磨料磨损占全部磨损的50%。磨料磨损机
21、制是物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物（包括硬金属）相互摩擦引起表面材料损失的现象。磨料磨损机理是属于磨料的机械作用，这种机械作用在很大程度上与磨料的性质、形状及尺寸大小，固定的程度以及载荷作用下磨料与被磨材料表面的机械性能有关。磨料磨损的机理主要是:显微切削,即硬磨粒像刀具一样对零件表面进行极其微小的切削,形成切屑;磨粒较圆或与零件表面的相对角度不合适时，只对表面进行犁沟，把表面材料堆向两旁和前沿，经反复塑性变形表面材料发生断裂剥落；脆性断裂，脆性材料的磨损一般属于这种情况。影响磨料磨损的因素有零件材料的内部因素和磨粒等的外部因素。内部因素中影响最大的是材料的硬度。一般地说，零件材料的硬度（正确
22、地说是材料磨损后的表面硬度）越高，则耐磨性越高。本次实验的堆焊合金主要组织是奥氏体，而奥氏体组织6的硬度较低，所以耐磨性较低 11。1.5 、奥氏体奥氏体是碳溶于 -Fe 所形成的固溶体。碳原子位于 -Fe 八面体间隙的中心，即面心立方点阵晶胞的中心或棱边的中点，假如每一个八面体间隙中心各容纳一个碳原子，则碳在奥氏体中的最大溶解度应为 20%（质量） 。但实际上碳在 -Fe 中的最大溶解度仅为 2.11%（质量） 。这是因为 -Fe 八面体间隙的半径仅 0.052nm，小于碳原子的半径 0.077nm12。碳原子的溶入将使该八面体间隙发生膨胀而使周围的八面体间隙减小。因此不是所有的八面体中心均
23、能容纳入一个碳原子。碳原子的溶入使 -Fe 的点阵发生畸变，点阵参数增大。溶入的碳越多，奥氏体的点阵参数越大。碳原子在奥氏体中的分布是不均匀的，存在着浓度梯度。在合金钢的奥氏体中，除碳原子外，溶于 -Fe 中的还有合金元素原子。碳、氮等间隙原子位于 -Fe 八面体间隙的中心，而锰、硅、铬、镍、钴等合金元素的原子则置换部分铁原子，处于面心立方点阵的结点位置 13。奥氏体是一般钢在高温下的组织，即当温度在 Ac1 以上发生奥氏体转变，铁素体转变为奥氏体组织，其存在有一定的温度和成分范围。有些淬火钢能使部分奥氏体保留到室温，这种奥氏体称残留奥氏体 8。奥氏体是钢中的高温稳定相，但若钢中加入足够量的能
24、扩大 相区的元素，则可使奥氏体在室温成为稳定相。因此，奥氏体可以是钢在使用时的一种组织状态，以奥氏体状态使用的钢称为奥氏体钢。在奥氏体的组织中，具有面心立方点阵的奥氏体的硬度和屈服强度均不高，碳的固溶也不能有效地提高其硬度和强度；因为面心立方点阵滑移系统多，奥氏体的塑性很好，易于变形，即加工成形性好；又因面心立方点阵是一种最密排的点阵结构，致密度高，所以奥氏体的比容最小；奥氏体中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，因此奥氏体钢的热强性好，可作为高温用钢；奥氏体具有顺磁性，而奥氏体的转变产物均为铁磁性，所以奥氏体钢又可作为无磁性钢；奥氏体的线性膨胀系数大，因此奥氏体钢也可用来制作热膨胀灵敏的仪表
25、元件；奥氏体的导热性能差，故奥氏体钢加热时，不宜采用过大的加入速度，以免因热应力过大而引起工件变形，另外单相奥氏体具有良好的耐腐蚀性能（双相奥氏体是在其固淬组织中铁素体相与奥氏体相各占一半，一般最少相的含量也许要达到 30%） 14。在合金钢中除碳之外，其他合金元素也可溶于奥氏体中，并扩大或缩小奥氏体稳定区的温度和成分范围。例如，加入锰和镍能将奥氏体临界转变温度降至室温以下，使钢在室温下保持奥氏体组织，即所谓奥氏体钢（此次实验通过加入 Mn，使得奥氏体组织的转变温度将至室温之下，得到奥氏体组织） 15。7本次实验是通过在药芯焊丝的配方中加入大量的中碳锰铁，使得堆焊合金中含有较多的Mn，Mn在堆
26、焊过程中与奥氏体相无限固溶，使得相扩大，a与相缩小，当Mn含量达到某一限量时，使得奥氏体组织转变温度降低至室温。1.6、论文的主题及要求本课题主要研究中 C 锰铁对埋弧堆焊合金耐磨性的影响，并对所取得的试样进行磨损试验，对试样的金相图进行分析。本文主要的技术指标及技术依据为：（1）明弧堆焊合金无气孔等缺陷；（2）翻译一篇外文文献。8第二章 实验材料、设备及成分设计2.1 实验材料本实验中药芯焊丝的研制，外皮采用 H08A 钢带，所用的药粉主要由微碳铬铁(70%Cr,3%C,其余 Fe)、中碳锰铁(80%Mn) 、硅铁(45%Si)、石墨（银片状） 、镁铝粉、碳化钛、还原铁粉等组成。堆焊试样母材
27、为 Q235A 钢，金相腐蚀试剂为 4硝酸酒精溶液。2.2 实验设备YHZ-1 型药芯焊丝成型机及其附属拉丝机、HR-150 型洛氏硬度计、角磨平机、砂轮切割机、MZ-1000 埋弧焊机、MLS-23 型湿砂橡胶轮式磨损试验机、DT150 型光学天平、砂纸若干、M2 型预磨机、 PG2 型抛光机、普通药物天平、 HFXA 型金相显微镜。2.3 实验的目的经过一系列的实验，找到一个配方达到技术指标：明弧堆焊合金无气孔等缺陷；焊接过程中烟尘较小、脱渣性良好。2.4 药芯焊丝配方设计目前，药芯焊丝发展日新月异，根据实验室材料和经济、可行性等问题，同时满足（1）无气孔等缺陷;（2）焊接工程中烟尘小、脱
28、渣性良好（ 3）获得耐腐蚀性能好的奥氏体等要求。本实验在设计配方时加入较多的锰（40%） ，通过降低奥氏体转变温度，使得在常温条件下得到奥氏体组织。同时为了保证堆焊层具有很高的耐蚀性，良好的冷加工性和良好的韧性、塑性、焊接性和无磁性，可加入细化晶粒的元素,以提高综合力学性能,防止堆焊金属在使用中的剥离,提高堆焊金属塑性和韧性。还可向该合金系中加入各种合金粉末构成金属粉型的药芯焊丝，焊接时产渣量很少，可以不用去渣进行多层焊。根据各合金元素的作用设计堆焊合金的化学成分。另外,在保证基本性能的前提下,还应考虑经济性。各种合金元素的选用：锰可以细化晶粒，降低产生裂纹的倾向，提高金属的抗热裂纹的能力。另
29、外，锰对增加焊缝的屈服强度和抗拉强度，增加冲击韧性有一定的帮助。锰还有脱氧的作用。9同时为了获得奥氏体组织，需要加入较多的锰元素。Mn 在堆焊过程中与奥氏体相无限固溶，使得 相扩大，a 与 相缩小，当 Mn 含量达到某一限量时，使得奥氏体组织转变温度降低至室温。 （配方中锰是以中碳锰铁的形式加入的，塑性层堆焊合金的主要组织为奥氏体，所以采用中锰作为变量，研究其耐磨性）为了获得奥氏体组织还需控制 C 的含量，当 C 含量过多的时候，宏观上堆焊层的塑性，韧性降低，甚至产生焊接裂纹。微观上 C 含量过多容易生成的硬且脆的碳化物相数量过多且其形态为网状树枝状时，破坏奥氏体的连续性，同时 C 含量过多容
30、易产生 CO 使得焊缝出现气孔。另外含碳量较多时，奥氏体在冷却时易发生分解形成（Cr，Fe） 23C6，不能保持单相奥氏体状态 16。因此，在实验中需要严格控制 C 的含量（如控制石墨的含量，采用微 C 铬铁来减少配方中 C 所占比例） 。另外还控制了铬的含量，因为铬含量的增加，铁素体含量增多，极大的限制了奥氏体的形成与发展，但是铬有固溶强化作用，与其他合金元素形成固溶体，提高合金的抗氧化和耐腐蚀性能，铬对脱渣和成型也有良好的影响 17。所以需适当控制铬铁的含量,以达到所需要求。配方中设计加入硅铁，焊态焊缝金属的平均硬度硅的增加而呈非线性增加，在添加硅和锰的焊缝金属中，其抗拉强度主要与固溶强化
31、、显微组织和二次相颗粒尺寸有关。在含锰的焊缝中添加硅可发生下列变化：焊缝金属中含氧量减少，针状铁素体数量增加及其长宽比发生变化，二次相数量增多；同时硅可与其它合金元素形成低熔点共晶，改善熔池的流动性，有利于减小焊接气孔，改善焊缝成型 18。钛和氧的亲和力很大，焊缝中钛是以微小颗粒氧化物的形式（TiO）弥散分布于焊缝中，促使晶粒细化，提高堆焊层的韧性。由于钛对氧的亲和力大，还可以保护其他元素不被氧化。但是钛与碳的亲和力也较大，生成热稳定性好的间隙相 TiC，它具有很高的熔点且硬度是在 MC 系碳化物中为最高的，形成硬质相分布在奥氏体晶粒上，所以在控制碳含量的同时也需要考虑钛的含量 18。铝在钢中
32、的作用(1)用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；(2)提高钢的抗氧化性能。近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。(3)此外，铝还能提高对硫化氢和 V2O5 的抗腐蚀性。同时铝具有以下缺点：脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。当含铝较高时其高温强度和韧性较低。最后设计的药粉配方具体成分：试样 石墨 中 C 锰铁微 C 铬铁硅铁 TiC Al-Mg Fe101# 2 40 20 4 5 1 282# 2 50 20 4 5 1 183# 2 60 20 4 5 1 8（注：每组配方配置 200g 药粉以满足焊接和测包粉率的
33、用量）实验中以中 C 锰铁作为变量，是因为锰作为影响堆焊合金奥氏体化的主要元素，以中C 锰铁作为变量可以更明显的为三组实验做比较。同时研究中 C 锰铁对焊接工艺：脱渣行，烟尘等影响。药芯焊丝是采用 H08A 钢带作为包裹药粉的钢带，所以也需将钢带中的成分考虑进去：合金元素 C Mn Si S P百分比 0.012 0.22 0.11 0.011 0.008根据上述资料和配方配制出药芯焊丝，然后观察焊接过程中的飞溅、烟尘等现象，以及堆焊合金组织的气孔等缺陷、硬度等适当的改变合金元素的含量得到了几种不同的配方如下表所示。编号项目1# 2# 3#中 C 锰铁 40 50 60气孔 少量气孔 无 无焊
34、缝成型 良好 良好 良好烟尘 大量 一般 少量由于采用埋弧焊作为焊接方法焊接的工艺性能较明弧堆焊好，气孔少，焊缝成型美观，不存在飞溅的问题，但是由于配方问题烟尘较多，在以后的研究中有待改进。 （焊接工艺的分析在第四章中有详细分析）11第三章 实验方法与过程3.1 配粉按照制定的配方称取药粉，总质量为 200g。其中石墨为银片状的，应先将其磨细，中碳锰铁有的成大块状或大颗粒也应先将其磨细然后和其它药粉一起放入研钵中拌匀磨细，再经 60 目筛过滤，铁粉中有被氧化的也需经 60 目筛过滤。最后将所有药粉放入研钵磨细混合均匀。3 个配方需配 3 次粉。3.2 药芯焊丝轧制成型药芯焊丝从制造方法上可以分
35、为有缝药芯焊丝和无缝药芯焊丝两种。其中，有缝药芯焊丝因为制造成本低而获得了广泛应用，它的制造方法是用薄钢带通过成型轧棍加工成 U 型槽，填入药粉轧成管状，最终尺寸是由拔丝加工而成。目前药芯焊丝的截面其形状有很多种，其中管状焊丝（即 O 形焊丝）由于形状简单，易于加工生产，且具有价格低的优势，是药芯焊丝采用的主要截面形状，因此我们所轧制的焊丝截面全部为 O 形截面 3。本药芯焊丝全部是在 YHZ-1 焊丝成型机上轧制而成。本设备采用轧-拔法生产工艺生产，药芯焊丝的成型、上粉和合口工序在轧丝机上完成，而将减径工序全部或大部分移至拉丝机上来完成。首先用药物天平称取药粉配方，充分均匀混和、烘干，然后将
36、粉末倒入轧丝机的料斗中，进行轧制。钢带采用规格为 14mm0.3mm 的 H08A 钢带。为保证轧丝的顺利进行，对材料、设备和工艺有一定的要求以免影响药粉的均匀性及焊接质量。药粉要充分研磨保证均匀性，颗粒度符合一定的标准。轧丝机的轧辊应尽量处于同一条直线，成形轧辊侧面应处于竖直面上，以免焊丝扭转影响焊丝的平稳顺利的轧制及药粉的均匀性甚至焊丝裂开以至漏粉。焊丝轧制完后，应逐步减径拉拔，达到所需要的直径(由 4.2mm3.2mm)，本实验焊丝全部拉拔为直径 3.2mm。拉拔速度不能太快，应控制拉拔速度，本试验拉拔速度为 1.5r/min，应该避免出现拉断、漏粉等问题。在拉拔过程中需注意拉丝模是否光
37、滑，有无划痕，杂质等，避免拉伤造成焊丝断裂。焊丝轧拉后，应保证焊丝表面应光洁，成形规则，无毛刺、凹坑、划痕、锈皮和油垢，也不应有其他对焊接性能或操作性能有不良影响的夹杂物。另外焊丝的两端要封口，避免漏粉。123.3 试板表面埋弧堆焊选用 Q235A 钢作为实验用焊接试板，试板尺寸为 120mm30mm8mm。首先将焊接试板两面用角磨机打磨光亮，去除表面氧化层和污锈。然后将药芯焊丝装入埋弧焊机的焊丝轮内，将工作台清理干净，试板置于工作台上，四周用钢板围住以防止熔融金属外流，同时可以保证形成电流回路，最后加入埋弧焊剂。调好焊接参数后，从试板一端焊起（注意仔细观察焊接过程中电弧的稳定性、焊接烟尘量等
38、工艺现象） 。焊完第一道焊缝后，观察焊缝成形情况和残渣量。待第一道焊缝冷却后去渣再在其上堆焊第二层（记录脱渣性能） ，重复以上操作。最后观察有无气孔。所有焊接过程都是在相同的焊接参数下进行的：焊接电流为 360420A，焊接电压为 35.6V，焊接速度为20m/h。3.4 包粉率的测算包粉率即粉芯占整个焊丝重量百分比，为了避免出现失误我们选用焊丝的中间部位（焊后剩下的药芯焊丝部分），就可以减少药粉流动等引起的失误。用钳子在药芯焊丝中间剪下一段称其重量，然后剥开焊丝外皮，除净焊丝内药粉，再称其重量，最后得出的药粉重量与焊丝重量的比即为焊丝包粉率。包粉率与焊丝直径、药粉成分和粒度等因素有关。包粉率
39、对焊接工艺和焊缝质量都有影响，包粉率过小，药粉将不能完全充满焊丝，药粉在焊丝内易发生流动，这样会严重影响焊丝的内在质量及其使用性能；如果包粉率过大，则会给制造工艺带来困难。在实验过程中应引起注意。3.5 堆焊合金硬度测试将冷却至室温的焊接试板焊缝的熔敷金属进行宏观硬度测试。为避免外因引起的实验结果失真，须将表面的氧化层打磨掉。用 HR-150 型洛氏硬度计在焊缝中间部位均匀间隔测试常温硬度，试板必须放平整，操作时试板不能有跳动。测试 810 个点，去除一个最高值和一个最低值(对于碰到的硬度特殊高点或低点不计)，测量点距离一般相距 1mm 左右，距离过大或过小都可能带来误差，取剩下几个点的平均值
40、。3.6 试样切割金相试样尺寸为 12mm10 mm25mm，耐磨试样尺寸为 57mm25.5mm6mm。133.7 金相试样制备及观察（1）首先在砂轮机上磨平焊道表面，四周倒角以避免磨金相砂子时对砂子造成损伤。（2）用砂纸磨平，首先按 120，240，360，400，500，600 的顺序在普通的水砂纸上进行粗磨，然后按 W(50), W(40), W(28), W(20), W(14), W(10)的顺序在金相砂纸上磨光。每个型号的砂纸，试样首先要沿一个方向磨制，然后再转 90进行磨制，直到上次磨制方向的磨痕消失为止。在磨制的时候需注意均匀用力，防止在某个方向上磨损过度，造成试样上出现多个
41、平面。（3）用抛光机抛光，直到表面没有划痕。（4）腐蚀表面，如果不是立即在抛光后腐蚀试样，就必须再磨一次，去掉表面的氧化膜。把试样浸入硝酸浓度为 4%的酒精溶液 2 分钟左右（奥氏体组织耐腐蚀性能较强，但由于材料限制选择硝酸酒精腐蚀） 。用水冲洗干净后，酒精擦洗表面并用吹风机吹干。（5）观察金相并拍照记录。3.8 耐磨试验（1）由于焊缝表面凹凸不平，为了能更加准确的测量其耐磨性，所以应先将试样堆焊层磨平。将试样放入试验机 MLS-23 的专用夹具中，一定要装紧。装上试验机的底盖和外罩，旋紧螺丝。用台秤称量 1.5Kg 的石英砂放入罩内，用量筒盛 1000 ml 水放入罩内。盖上玻璃罩，装上选用
42、的砝码，放下砝码，启动电机。实验机转 1000 转停掉电机。先打开试验机的底盖，将石英砂和水放出，取出外罩，清洗工作空间，取出试样，试样制备就完毕了。其中试验机 ML-23 的具体参数如下：施加正压力（N） 245橡胶轮转速（r/min） 240橡胶轮直径（mm） 170橡胶轮转向 逆时针橡胶轮硬度（邵尔硬度） 60砂、水重量（Kg） 石英砂 1.5、水 114石英砂粒度（目） 6040 15（2）清洗试样，再用电吹风吹干，在 DT150 型光学天平上称量其初始质量E1；（3）重复步骤（1） ，在天平上称量其最终质量 E2，得出磨损量为E = E1-E2；（4）分别对 1、2、3 号试样做上述
43、三个步骤的处理，得到三个试样的磨损量E 1、 E 2、 E 316第四章 实验结果及分析4.1 药芯焊丝包粉率经测量的三组配方的焊丝得包粉率如下表所示：表 药芯焊丝包粉量号码 总重(g) 钢带重(g) 粉重(g) 包粉率1# 7.51 3.95 3.56 47%2# 10.2 5.3 4.9 48%3# 13.2 7 6.2 47%由此可见，本实验中所测得的包粉率都较高，都达到 47%，由于配方中含有较多密度较大的合金粉末：中 C 锰铁、微 C 鉻铁等。根据测量得到：随着中 C 锰铁的含量增加，药芯焊丝的包粉率变化不大。原因在于在其他成分不变的情况下，用中 C 锰铁代替了与其密度相差不大的还原
44、铁粉所造成的。包粉率不仅对焊接工艺有一定的影响，还对堆焊合金最终的化学成分有影响，从而影响组织的形态、宏观硬度和耐磨性。本组实验配方包粉率偏大，对在药芯焊丝拉丝有些许影响（石墨较少以及高密度成分较多，造成药粉的延展性能较差，在拉拔过程中容易出现断丝的现象） 。4.2 硬度分析用 HR-150 型洛氏硬度计在焊缝中间部位均匀间隔测试常温硬度，测试十个点，去除一个最高值和一个最低值(对于碰到的硬度特殊高点或低点不计)，取剩下八个点的平均值。三个试样的硬度数据如下表所示。表 堆焊合金的宏观硬度值(HRC)硬度值(HRC)编号1 2 34 5 6 7 8 平均值1# 31 30 24 24 35 25
45、 26 26 272# 28 29 28 29 31 30 28 29 293# 25 25 29 23 24 22 25 22 2417由表可知三个试样的硬度值都偏低，且随着中 C 锰铁百分含量的增加堆焊合金硬度先增加后减小。由于 Mn 是奥氏体形成元素，可与奥氏体无限互溶，使得奥氏体相扩大，在常温下得到奥氏体组织，在奥氏体的组织中，具有面心立方点阵的奥氏体的硬度和屈服强度均不高，碳的固溶也不能有效地提高其硬度和强度；因为面心立方点阵滑移系统多，奥氏体的塑性很好。4.3 耐磨性分析金属材料的硬度、强韧性及耐磨性等与其微观组织有密切的关系。就堆焊而言，材料的耐磨性是磨损条件和材料性能的综合反映
46、，其耐磨性主要取决于硬质相的形态、分布、数量、大小、基体的性质、以及基体与硬质相的匹配关系。尽管如此，材料的耐磨性和硬度之间的关系并非一一对应，高硬度的堆焊金属并不一定具有优良的耐磨性。本试验中对试样进行了耐磨性试验，试样尺寸和实验条件均相同。耐磨试验的数据列于下表中，本实验的试样的硬度高，耐磨性也很好。相对耐磨性是指标准试样的磨损量和实验试样磨损量的比值 ，这里将试样一作为标准试样，=标准试样磨损量/实验试样磨损量 27 。表 堆焊合金的耐磨损性能试样磨损前重量（g）磨损后重量（g）绝对失重量（g）硬度（HRC）1# 140.9180 140.7795 0.1385 272# 166.509
47、6 166.2404 0.2693 293# 169.0992 168.8288 0.2704 24堆焊合金的耐磨性能受到配方中的合金元素的影响，此次实验的堆焊合金由于主要由奥氏体组成，所以耐磨性能较差。配方中的锰为奥氏体化元素，使得奥氏体相扩大，同时配方中的 C 含量较低，使得铁素体相和渗碳体相减小。最终得到奥氏体组织。而奥氏体组织的硬度较低，耐磨性较差。184.4 工艺性能比较实验制备的堆焊药芯焊丝在埋弧焊条件下的工艺性能列于下表。工艺性能编号焊接电弧烟尘 焊缝成型气孔 脱渣性1# 稳定 最多 美观 无 易2# 稳定 较多 美观 无 一般3# 稳定 较多 美观 无 一般电弧稳定性是指电弧保
48、持稳定燃烧（不产生断弧、飘移和磁偏吹等）的程度 22。电弧稳定性直接影响焊接过程的连续性及焊接质量。3 个配方制备的药芯焊丝在焊接过程中电弧都很稳定，这说明中 C 锰铁在埋弧焊条件下对药芯焊丝的焊接电弧稳定性没有明显影响。焊接烟尘是由金属及非金属物质在过热条件下产生的蒸汽经氧化和冷凝而形成的22。焊接烟尘主要取决于药芯的成分。由于烟尘中常含有各种致毒物质，因而污染工作环境，危害焊工健康。为了保护焊工的身体健康，除了采用防尘通风等技术措施之外，还应从根本上尽量减少发尘量、降低烟尘的毒性。焊接烟气中的烟尘是一种十分复杂的物质，已在烟尘中发现的元素多达 20 种以上，其中含量最多的是 Fe、Ca、Na等，其次是 Si、Al、Mn、Ti、Cu 等。焊接烟尘中的主要有害物质为Fe2O3、SiO2、MnO、HF 等，本次实验的发尘量都较大可能是配方中含有较多的中 C 锰铁，其中锰在焊接过程被氧化形成 MnO，其反应式为 Mn + O
