專利名稱：高硬度材料多層焊接工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將高硬度金屬堆焊到母體金屬表面，形成高耐磨材料的技術(shù)。
以前已有許多種耐磨材料應(yīng)用在各工業(yè)領(lǐng)域的各種各樣機(jī)器中，由那些金屬實(shí)施的技術(shù)通常幾乎在所有的部件和零件中應(yīng)用，諸如各自定向裝在立輥機(jī)上的滾軸、輥輪、輥道扇形體。料斗，滑槽內(nèi)襯等等。例如用于軋碎電廠鍋爐中煤的部件、軋碎水泥渣塊或高爐爐渣用的部件，而這些部件的表面由于與粗粒原材料相接觸，可能受到嚴(yán)重的磨蝕和磨損。但并不是要求每個(gè)部件的整個(gè)元件都耐磨，而只要求與原材料接觸的一個(gè)分表面具有這樣的耐磨性就足夠了。所以，將多層高硬度金屬焊到要求耐磨的表面，正好可以達(dá)到保持耐磨性的目的。另外，由于軋機(jī)工作，當(dāng)接觸表面業(yè)已磨損時(shí)，也可以在已磨損的表面上進(jìn)一步實(shí)施多層焊接，使表面得到修補(bǔ)。
一般，要求具有耐磨性的接觸表面面積是相當(dāng)大的，因此，不管它是初始的堆焊或是外加的修補(bǔ)。從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)看，基本上需要有效的焊接。因此，通常所說的全自動(dòng)焊接工藝，諸如二氧化碳焊接，金屬焊條惰性氣體保護(hù)焊、埋弧焊等等已普遍被應(yīng)用于堆焊用途。
為了用提及的堆焊工藝形成一個(gè)耐磨表面，當(dāng)然，較高硬度的溶敷金屬可以獲得較好耐磨性。然而，眾所周知，存在著一個(gè)重要問題是溶敷金屬硬度越高其韌性就越低，這就帶來了在多層焊接時(shí)，不能承受收縮應(yīng)力的不足之處，最終造成容易發(fā)生焊道下裂紋，這個(gè)問題在通常認(rèn)為是不適宜焊接的母體金屬中尤為突出。
當(dāng)溶敷金屬硬度較高時(shí)，由于出現(xiàn)上述的焊道下裂紋增多，堆焊層剝落的可能性就增大。因此，在先有技術(shù)中，盡管堆焊層的耐磨性不足，其硬度必須限制在不高于600維氏硬度，此外，整個(gè)堆焊層的厚度必須限制在2-3層(6至10毫米)。這就產(chǎn)生了另一個(gè)問題，即耐磨段厚度必然很小。
為了克服上面提到的這些缺點(diǎn)，在這以前，已經(jīng)提出了幾種設(shè)想，例如，為了防止剝落，在堆焊工作前，先預(yù)熱到250-600℃，此外，用在堆焊期間保持高溫，此補(bǔ)償韌性的不足。還有一種嘗試是，焊后立即將堆焊段放入600至700℃的爐膛中進(jìn)行退火，以消除焊接應(yīng)力。然而在實(shí)際操作時(shí)，上述的高溫預(yù)熱的高溫下焊接是非常困難的。即使用高溫下退火能消除焊接應(yīng)力，但仍然殘留著使修復(fù)層硬度降低了的另一個(gè)問題。
為了解決裂紋問題，作了另一種嘗試，即用一種能獲得高硬度金屬的焊接工藝和用一種具有高韌性的金屬的焊接相間地重復(fù)進(jìn)行，形成一種多層結(jié)構(gòu)(日本早期公開專利公報(bào)(未審查)56-71578號(hào))或在這一嘗試中，周期地變化焊接條件，以使焊接焊道寬度大小相間地變化，從而在焊道寬度小的區(qū)段處，產(chǎn)生焊接裂紋(日本早期公開的專利公報(bào)(未審查)60-21070號(hào))，還提出了一種嘗試，在這嘗試中，構(gòu)成許多坡口并在橫垮這些坡口的方向外加大量表面耐磨堆焊，以使在焊道延伸垮越坡口和其凸臺(tái)區(qū)段處人為地產(chǎn)生焊接裂紋(日本早期公開的專利公報(bào)(未審查)60-174266號(hào))。
確實(shí)，上面的任何一種先有技術(shù)都可以起到解決這些問題的一定作用，但仍然存在一些需要解決的不足之處。即在第一個(gè)先有技術(shù)中(日本早期公開的專利公報(bào)(未審查)56-71578號(hào))，由于具有高耐磨性焊層和耐磨性差的另一焊層交替累積溶敷，不用說，這種結(jié)構(gòu)與完全由耐磨層組成的結(jié)構(gòu)比較，顯然其耐磨性是低劣的。同樣的在上述的第二個(gè)先有技術(shù)中(日本早期公開的專利公報(bào)(未審查)60-21070號(hào))，這種工藝，從理論上說是值得重視的，但是在技術(shù)上存在一個(gè)實(shí)際的問題，這個(gè)問題是很難確定用于使焊接焊道的寬度增大和縮小的節(jié)距和通過縮小一條裂紋和另一條裂紋之間的距離使小裂紋均勻分布。例如，雖然，想使分散的裂紋節(jié)距為5祚米，實(shí)際上從技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，結(jié)果由于節(jié)距大，使各個(gè)裂紋的開口過大，并有可能在這樣節(jié)距的焊道中殘留有焊接應(yīng)力，最終使焊道不足以避免局部剝落，在最后的先有技術(shù)情況下(日本早期公開的專利公報(bào)(未審查)60-174266號(hào))，主要是在諸如大面積內(nèi)襯表面上提供許多細(xì)微凹槽，這個(gè)要求不僅而麻煩，而且在設(shè)備使用后進(jìn)行修補(bǔ)恢復(fù)耐磨性時(shí)，一開始就重復(fù)，幾乎是不可能的。
本發(fā)明使上面討論過的幾個(gè)問題得到解決，且主要目的是防止堆焊段在用高硬金屬實(shí)施多層焊接時(shí)由于焊道下裂紋造成的局部剝落。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是構(gòu)成高硬金屬的復(fù)合層，在該復(fù)合層中的硬度高于600維氏硬度，且具有最佳的厚度，不受常規(guī)的堆焊層數(shù)的限制，常規(guī)厚度通常限制在2至3層。
本發(fā)明再一個(gè)目的是提供一種堆焊方法，這種方法的步驟為在實(shí)施堆焊前在高溫下預(yù)熱，在堆焊過程中保持高層間溫度、以及在堆焊后根本不需要釋放殘余焊接應(yīng)力。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種用一種熟知的焊接機(jī)足以實(shí)施的多層堆焊工藝的一般用途，所用的焊接機(jī)僅需作部分改進(jìn)，無需任何專門工作或附加的裝置、特殊的技術(shù)或復(fù)雜的焊接控制手段。
為了實(shí)現(xiàn)以上的目的，根據(jù)本發(fā)明的用高硬度金屬的多層焊接工藝包括的步驟中在對(duì)一個(gè)母材金屬表面用高硬度金屬進(jìn)行多層焊接時(shí)，限制熱輸入值J在2000至6000焦耳/厘米范圍內(nèi)，上面所述的熱輸入值J用下式計(jì)算J＝60×I×E/V式中J是熱輸入值(焦耳/厘米)
E是電弧電壓(伏特)I是焊接電流(安培)V是焊發(fā)速度并限制層間溫度所有時(shí)候均不高于300℃，以使在溶敷金屬的焊道上產(chǎn)生大量均勻并分散的、與焊道方向相垂直的微細(xì)裂紋。
根據(jù)規(guī)定的焊接類型，最好是采用一種全自動(dòng)的明弧焊機(jī)，這種焊接機(jī)通常使用藥芯焊絲，且在這種焊接工藝中采用一種高速焊絲進(jìn)給裝置，其進(jìn)給速度能高至3000厘米/分。
考慮到在堆焊工藝中所用的高硬度金屬，要求其硬度至少超過600維氏硬度，這樣不僅堆焊層數(shù)不特別地受到限制、而且它的厚度允許自由確定，為了滿足這些要求，最好提到的高硬度金屬由以下成分組成(1)碳3.0至7.0%，硅0.5至2.0%，錳0.5至4%，鉻20.0至35.0%;(2)至少選擇其中一種成分鉬、鎢、釩、鋯、鈦、硼、鈮、鎘、鈷、鋁、將它加到先前的金屬使其比率達(dá)2%;(3)碳3.0至7.0%、硅0.5至2.0%、錳0.5至4.0%，釩10.0至20.0%，鎢3.0%至10.0%;或(4)至少選擇其中一種成分鉬、鋯、鈦、硼、鈮、鎘、鈷、鋁，加入到先前的金屬中，其比率達(dá)2%。
根據(jù)本發(fā)明的上面配置的工藝中，使微細(xì)的裂紋大量分散并均勻分布，而且在堆焊上與焊接應(yīng)力呈垂直方向，從而使裂紋周圍的應(yīng)力減小到使整個(gè)焊道上的殘余焊接應(yīng)力基本上可以忽略的程度。
在此以前焊接應(yīng)力一直是重要問題之一，因?yàn)槿芊蠖斡捎诶鋮s和固化的結(jié)果產(chǎn)生收縮應(yīng)力，且堆焊硬質(zhì)表面層的堆焊材料和母體金屬的材料特性(諸如強(qiáng)度、硬度、韌性)存在明顯差異，從而在其界面部分應(yīng)力集中，產(chǎn)生大裂紋最終導(dǎo)致剝落。為了對(duì)付這種情況，已經(jīng)提出了幾種設(shè)想，如上面提到的達(dá)到人為地使裂紋均勻分布。本發(fā)明通過限制層間溫度不高于300℃和限制熱輸入在2000至6000焦耳/厘米范圍的新穎構(gòu)思實(shí)現(xiàn)了這個(gè)所要求的功能。
通常已知，在令人滿意的低韌性意義上，為防止出現(xiàn)大裂紋，在焊接過程中較高的層間溫度是比較理想的。對(duì)于那樣的目的，事實(shí)上為了實(shí)施在高溫下預(yù)熱和在焊接過程中也保持高的焊接溫度一直是所面臨的更為艱難的步驟。
本發(fā)明可以被看成是這樣的普通概念的變換，此外，關(guān)于熱輸入焦耳，下面公式是一個(gè)熟知的定律J＝60×I×E/V式中J是熱輸入值(焦耳/厘米)E是電弧電壓(伏特)I是焊接電流(安培)V是焊接速度實(shí)際上，由上面公式計(jì)算的熱量輸入是隨焊接方法不同而變化的，如表Ⅰ所示，但在該表中列出的這些數(shù)值中的任一個(gè)與本發(fā)明所要求的值(2000至6000焦耳/厘米)有著很大差異。
根據(jù)本發(fā)明的熱量輸入限制在不低于2000焦耳/厘米，因?yàn)槿绻陀诖藷崃枯斎?，由于用電弧溶化金屬的溶化速率低，從而基本上不能進(jìn)行堆焊。另一方面，如果熱量輸入超過6000焦耳/厘米，由堆焊獲得的每個(gè)焊道厚度會(huì)變得過大，從而擴(kuò)大了一個(gè)裂紋和另一個(gè)裂紋之間的間隙，因而，使在每個(gè)位置上產(chǎn)生一個(gè)大的和深的裂紋，這會(huì)造成在各裂紋之間的焊道中的殘余應(yīng)力增大。這種裂紋容易發(fā)展，最終形成剝落。為了避免這樣的缺點(diǎn)，在本發(fā)明中確定的上述數(shù)值作為上限。
如果層間溫度超過300℃，會(huì)推遲溶敷的金屬池的固化速度，從而使焊道上裂紋的尺寸增大，而裂紋數(shù)的減少致使一條裂紋和另一條裂紋之間的殘余應(yīng)力增大。為了克服這一缺點(diǎn)，定300℃為上限。
為了將提到的基本上與常規(guī)的焊接技術(shù)的原理不同的焊接工藝投入實(shí)際應(yīng)用，最理想的是采用以下焊接設(shè)備。
首先，選用全自動(dòng)明弧焊接機(jī)作為焊機(jī)，這種選擇其主要的原因是使焊接作業(yè)簡單化，即根本不需要外加密封氣體、焊藥和類似的東西。因而簡化了設(shè)備且使整個(gè)設(shè)備包括輔助焊接夾具(諸如機(jī)械手、定位器等)的裝配變得簡易，由此也使設(shè)備容易攜帶，這對(duì)于一個(gè)遠(yuǎn)處難于接近的作業(yè)場所要用耐磨材料修復(fù)的部位必須實(shí)施修補(bǔ)的情況是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。
其次，最好采用藥芯焊絲作為用于全自動(dòng)明弧焊機(jī)中的焊芯。這種藥芯焊絲由一塊構(gòu)成空心管子的薄的條狀鋼板組成，其空心部分混合地裝有細(xì)顆粒合金元素，脫氧劑，產(chǎn)生氣體的成分，形成一根焊條。同時(shí)，這種焊芯的外緣鋼板段具有一種特性，與實(shí)心焊條比，電流密度很大，因而它的溶化速度非常高。
再有，為了利用上述的特性，最好在焊接機(jī)械中采用一種四個(gè)輪子拖動(dòng)的高速焊絲進(jìn)給機(jī)，這種進(jìn)給機(jī)進(jìn)給速度能高到3000厘米/分，代替常規(guī)的進(jìn)給速度為600厘米/分的進(jìn)給機(jī)。
由于選擇提到的藥芯焊絲，在表面耐磨堆焊中，可以從較寬的范圍中選擇合金元素，而且現(xiàn)在可以選擇最適合用于各種磨損工況的任何成分和/或硬度。已注意到在先有技術(shù)中表面耐磨堆焊允許硬度最大僅為600維氏硬度，層數(shù)為2至3層，它的厚度為6至10厘米。而另一方面，在本發(fā)明中，用提到的焊接機(jī)械實(shí)施同樣的工藝滿足上述的同樣的焊接要求時(shí)，在要求的厚度情況下可以形成600至1000維氏硬度的高硬度的堆焊。
根據(jù)本發(fā)明的堆焊，代表性的成分可以采用以下的材料(1)高鉻硬質(zhì)合金諸如碳3.0至7.0%;錳0.5至4.0%，鉻20.0至35.0%的材料;和(2)高釩硬質(zhì)合金材料，諸如碳3.0至7.0%、錳0.5至4.0%。釩10.0至20.0%、鎢3.0至10.0%，最好根據(jù)磨損情況將下面的元素中的一種或幾種元素鉬、鎢、釩、鋯、鈦、鈮、鎘、鈷、鋁加到提到的兩種材料中，其量達(dá)2%。
一般認(rèn)為，用于表面耐磨堆焊的焊接材料準(zhǔn)備采用容易碳化的合金元素，且每種由上述這些元素組成的硬質(zhì)合金具有高硬度，而由堆焊獲得的溶敷硬度幾乎與這些硬質(zhì)合金的總量成正比，再有，由于包含這些合金元素的溶敷硬度一般幾乎與所加的碳量成正比，可以說，高含碳量(碳3.0至7.0%)使構(gòu)成高硬度的堆焊的主要功能得以實(shí)施。
在這當(dāng)中高碳和高合金的焊接消耗的具有高的開裂靈敏性，它的裂紋出現(xiàn)的間距與固化速度比起來是高的，且裂紋出現(xiàn)的數(shù)目隨退火進(jìn)程而減少，從而降低了大裂紋出現(xiàn)的可能。
在本發(fā)明中，由于在焊接期間限制熱量輸入焦耳極低，且焊接過程是在低層間溫度下高速進(jìn)行，因此溶敷的固化速度變得非常高。使許多裂紋均勻分布，從而使存在于整個(gè)焊接層中的殘余應(yīng)力大部分釋放掉，避免了導(dǎo)致局部剝落的大裂紋發(fā)生。
在本發(fā)明的高硬度金屬多層堆焊工藝中，與為同一目的進(jìn)行的先有技術(shù)相比，可以獲得更高硬度的堆焊層和更大的厚度，同時(shí)堆焊段的耐磨性和壽命明顯地得到改善。再則，由于焊接速度很高，也改善了焊接效率。另外由于焊接機(jī)械本身的結(jié)構(gòu)簡化，使之容易攜帶，因而使修復(fù)作業(yè)可以擴(kuò)展到遠(yuǎn)處的現(xiàn)場。
另外，本發(fā)明的焊接工藝是通過在高硬度的溶敷金屬上逐層地堆焊高硬度溶敷金屬實(shí)施的，從而構(gòu)成許多層，本發(fā)明的技術(shù)不僅可應(yīng)用于具有良好焊接性的軟金屬的母體金屬上，而且，例如可以輕易地以修復(fù)形式應(yīng)用于高碳鑄件材料(諸如高鎳鑄鐵)。
本發(fā)明的另一些特點(diǎn)和優(yōu)越性參考以下附圖的敘述過程將變得更為明了。
在附圖中，構(gòu)成了本專利申請(qǐng)的一部分。


圖1是一張前視圖，示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，取得的金屬組織的顯微照片中的某一位置。
圖2是一張顯微照片，示出取自圖1中A-A線的金屬組織。
圖3是一張示出取自圖1中B-B線的金屬組織的顯微照片。
圖4是表示另一個(gè)實(shí)施例的金屬組織顯微照片。
在本發(fā)明的一個(gè)舉例中，一個(gè)直徑為900毫米的高鉻硬質(zhì)合金耐磨鑄件圓柱體，是借助于一臺(tái)自動(dòng)明弧焊機(jī)，用一種高鉻硬質(zhì)合金管狀焊條，直徑為3.2毫米，焊在母材為鐵和含有碳6.0%、鉻27%以及其他成份的基材上，其焊接條件為(1)焊接電流400安培(2)焊接電壓28伏特(3)移動(dòng)速度180厘米/分(4)層間溫度最大300℃(5)熱量輸入3700焦耳/厘米(6)密封氣體、預(yù)加熱、后加熱無用前述的樣品1的母材金屬的高鉻硬質(zhì)合金耐磨鑄件(碳2.7%、鉻27%)建立比較樣品1，和具有600維氏硬度的試驗(yàn)材料，用按照先有技術(shù)之一的涂鍍弧焊工藝進(jìn)行表面耐磨堆焊建立比較樣品2。
然后，前述的樣品1、比較樣品1和2在相同的試驗(yàn)條件下經(jīng)受橡膠輪耐磨試驗(yàn)(RWAT)。表2示出試驗(yàn)條件，而表3示出試驗(yàn)結(jié)果。
表2
(a)試樣上的負(fù)載 8.8公斤(b)摩擦輪的旋轉(zhuǎn) 6000(c)轉(zhuǎn)速 120轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘(d)磨料 石英砂6號(hào)(e)磨料饋送量 300克/分(f)試樣尺寸 20×20×50(毫米)表3磨料量 磨料耐磨倍數(shù)(比較樣品2:100)樣品1 102.9克 2.44比較樣品1 267.4克 0.94比較樣品2 251.5克 1.00從表3知道，根據(jù)本發(fā)明的那個(gè)樣品的耐磨性是先有技術(shù)表面耐磨堆焊的兩倍。
圖1示出一個(gè)位置，示出樣品1的微觀組織顯微照片。圖2是取自圖1的A-A線剖面的顯微照片，從照片中看出，象計(jì)狀結(jié)晶體的硬質(zhì)合金向一個(gè)方向生長。圖3是取自圖1的B-B線剖面的顯微照片，從圖看出，象針狀結(jié)晶體的硬質(zhì)合金密集地生長。圖4是另一樣品的金屬組織的顯微照片，在該樣品中，一個(gè)垂直滾筒堆焊有30毫米厚度并投入使用，從圖中看出，在表面上均勻分布著微細(xì)裂紋，裂紋相間距離5毫米。
權(quán)利要求
1.一種高硬度金屬的多層焊接工藝，包括的步驟為將高硬度金屬用多層焊接到基底金屬表面時(shí)，限制熱量輸入焦耳J在2000-6000焦耳/厘米范圍內(nèi)，上述熱量輸入值J的計(jì)算用J=60×I×E/V式中J為輸入熱量值(焦耳/厘米)E為電弧電壓(伏特)I為焊接電流(安培)V為焊接速度并且限制層間溫度任何時(shí)候均不高于300℃，以使在溶敷金屬的焊道上產(chǎn)生大量均勻且分散的微細(xì)裂紋，其方向與焊道相垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種高硬度金屬的多層焊接工藝，其中采用全自動(dòng)明弧焊工藝。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的高硬度金屬的多層焊接工藝，其中采用藥芯焊絲。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的一種高硬度金屬的多層焊接工藝，采用饋送速度能達(dá)3000厘米/分的高速焊絲進(jìn)給裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的一種高硬度金屬的多層焊接工藝，其中所用的堆焊的高硬度金屬的硬度至少超過600維氏硬度，且不僅堆焊層數(shù)不受專門限制，而且它的厚度允許自由確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的一種高硬度金屬多層焊接工藝，其中堆焊的高硬度金屬由此組成(1)碳3.0至7.0%，硅0.5至2.0%，錳0.5至4%，鉻20.0至35.9%;或(2)至少選擇其中一種成份鉬、鎢、釩、鋯、鈦、硼、鈮、鎘、鈷、鋁，加入的比率達(dá)2%。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的一種高硬度金屬多層焊接工藝，其中堆焊的高硬度金屬由此組成(1)碳3.0至7.0%，硅0.5至2.0%，錳0.5至4%，釩10.0至20.0%，鎢3.0至10.0%;或(2)至少選擇其中一種成份鉬、鋯、鈦、硼、鈮、鎘、鈷、鋁，加入的比率達(dá)2%。
全文摘要
為了在一種母體金屬上用較高硬度的金屬實(shí)施多層焊接以形成較大厚度的堆焊層，提供了一種焊接工藝在用高硬度金屬多層焊接到母體金屬的表面時(shí)，使熱量輸入值J限制在2000至6000焦耳/厘米范圍；上述的熱量輸入值J用公式計(jì)算，并限制在任何時(shí)間層間溫度不高于300℃，以使在溶敷金屬的焊道上產(chǎn)生大量方向與焊道垂直的均勻，分散的微小裂紋，從而使在整個(gè)堆焊層中存在的殘余焊接應(yīng)力基本上釋放完，且在焊道部分不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)致剝落的大裂紋。
文檔編號(hào)B23K9/04GK1068057SQ9210040
公開日1993年1月20日 申請(qǐng)日期1992年1月22日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月25日
發(fā)明者蘆田敏行, 吉田壽夫, 杉岡繁昭 申請(qǐng)人:株式會(huì)社栗本鐵工所