摘 要 研究了一种药芯焊丝，按常规工艺制造与修复轧辊等设备，具有机械加工性好、硬度高、耐磨性好的特点，并能克服后一焊道对前一焊道的热影响，即克服了焊道之间的软化现象，最终使堆焊表面硬度较为均匀，对许多耐磨件（如精轧辊）的堆焊具有重要意义。对其设计原理和具体的应用进行了阐述。
关键词 药芯焊丝 耐磨性 加工性
0 序 言
目前钢铁厂的许多轧辊如开坯辊的堆焊，大多采用实芯焊丝25 Cr3Mo2V进行埋弧自动堆焊来修复，堆焊层洛氏硬度不到HRC40，虽易于加工，但耐磨性不好，寿命短，重复修复次数多，增加修复费用和换辊时间。针对这种情况，有的单位研制了药芯焊丝堆焊轧辊，硬度达HRC55以上，耐磨性确实提高了，但是轧辊表面必须光滑而且要机械加工，加工时感到切削困难，切削速度很慢，生产率低，发生严重打刀现象，刀具报废率高，同样增加修复费用和时间。新研究了一种药芯焊丝，堆焊后硬度只有HRC40多一点，机械加工性能很好，经初步加工后，再进行消除应力退火，硬度增加到HRC55以上，最后精加工投入使用，耐磨性大为提高，这样较好地把轧辊堆焊的加工性和耐磨性统一起来，并且通过正常的堆焊，机械加工和消除应力处理等工序后，能克服焊道之间的软化现象，最终达到堆焊表面硬度均匀效果，对于表面要求硬度均匀如精轧辊等能否采用堆焊方法制造与修复，具有决定性意义。
1 焊丝合金元素的设计
1．1 合金系统设计原理
目前的时效硬化材料，按组织转变类型分为马氏体时效钢〔1〕、奥氏体时效硬化钢和相变控制钢。
马氏体时效钢是一类无间隙或含有少量碳的高合金钢，通过固溶处理，组织全部奥氏体化后接着淬火得到软的无碳马氏体，在此状态下切削加工，再通过低温时效处理析出金属间化合物以提高硬度。典型的材料有马氏体时效硬化不锈钢，主要合金系为Ni－Co－Mo，Cr－Ni－Cu，Cr－Ni－Al，Cr－Ni－Co－Mo－Ti，其中（Cr＋Ni）≥17％。
奥氏体时效硬化钢，按其时效析出物的类型不同可分为2种，一种通过碳化物析出硬化的合金，另一种是通过金属间化合物析出硬化的合金。碳化物时效析出的材料主要是通过碳、铬和镍来保持奥氏体组织，这类合金是通过固溶处理使碳化物溶入到基体中去后快冷，机加工后高温时效使碳化物析出 从而提高材料的硬度，主要的合金系有C－Mn－Cr－Ni，其中镍的百分含量和奥氏体不锈钢的含量相近。金属间化合物时效硬化钢常由含钛或铝的金属间化合物析出来硬化，一般的析出物为Ni3（AlTi）。
相变控制钢的特点是固溶处理后显微组织为奥氏体，再经热处理后几乎完全转变成马氏体，其原理是利用固溶后基体中含有大量铬、钼和镍等合金元素，这使得材料的Ms点相当低，因而经固溶处理后金属显微组织中有大量的奥氏体可以在室温下较为稳定地存在，材料硬度低，可进行机加工，经高温时效后从奥氏体中析出碳化物或氮化物、硼化物，这时奥氏体中碳、氮和合金元素的含量同时下降，奥氏体的稳定性下降而转变为马氏体，从而达到使材料硬度升高的目的。
本药芯焊丝的研究，在原理上与相变控制钢大致相同，其特殊性有：a．没有专门的固溶处理，只是通过堆焊过程，合金元素进入熔敷金属，自然冷却到室温，使熔敷金属中有较多的奥氏体；b．没有专门的热处理，使熔敷金属几乎完全转变为马氏体；c．设计的药芯焊丝堆焊后，熔敷金属中合金元素的种类和数量，一般来说比整体材料相变控制钢要多；d．焊态的固溶，消除应力退火过程中的析出等没有相变控制钢专门处理单一、彻底。例如，除碳化物、硼化物等析出外，也可能有金属间化合物析出，焊态下除固溶外，也有碳化物析出，消除应力退火过程中奥氏体不一定完全转变为马氏体，还可能有残余奥氏体等，总之，过程更复杂，性能更特殊。
1．2 定比碳规律
新研究的药芯焊丝为金属粉芯焊丝，配方中没有加入任何矿石粉，一般采用埋弧自动堆焊。配方中加入碳和多种合金元素，为了满足合金元素与碳结合成合金化合物分子式中的定比关系，使二次硬化效果最好，即使韧性好的基体组织上弥散分布大量的合金碳化物，必须对含碳量进行适当控制，参考高速钢中碳含量确定方法来计算焊道熔敷金属中所需的含碳量〔2〕，其公式如下：
上面第一式适合于Cr23C6型碳化物，而第二式适合于Cr7C3型碳化物。
1．3 合金元素的计算
设计焊道成分中各种合金元素的含量后，在配方中加多少纯金属粉末或铁合金粉末可参考焊条药皮中添加铁合金或纯金属的公式进行粗略计算，然后根据药芯焊丝的特点，最终由实际配方试验确定。
式中M粉为配方粉末中加入某纯金属粉末或铁合金粉末的百分含量；M焊为堆焊焊道中该合金元素要求的百分含量；M带为钢带中该合金元素的百分含量；η为合金元素过渡系数；Kb为药芯焊丝的包粉量即粉芯占整个焊丝重量百分比；Kc为某合金元素在该铁合金中的百分含量，如果是纯金属粉末则Kc为100％。
1．4 合金粉芯配方的确定
用于设计药芯焊丝的合金元素有很多种如C，Cr，Ni，Si，Mn，Mo，W，V，Ti，Al，B，Nb，Zr等等，它们有的为纯金属粉末，有的为铁合金，有的本身可以为碳化物、硼化物，有的为合金粉末。为了使焊丝堆焊后硬底低，消除应力退火后硬度明显升高。如何选择合金元素考虑的问题是多方面的，如a．堆焊合金中必须有较多的奥氏体化元素；b．合金元素的加入能使马氏体转变温度降低，较多量奥氏体保持到室温；c．合金元素应是碳化物形成元素，具有二次硬化效应，形成的碳化物具有相对好的韧性，在退火时析出金属间化合物；d．应考虑焊丝的成本尽可能低等等。
按以上考虑，焊丝粉芯配方如表1。
2 堆焊电流的控制
一般认为堆焊电流越大，合金元素被烧损越多，堆焊层的硬度降低。本研究焊丝的试验结果却相反，随着电流的增加，堆焊层硬度会升高，而且幅度较大，其趋势如图1所示。
出现以上情况最主要的原因是当电流增大时，焊道峰值温度高，在高温下停留的时间长，堆焊冶金过程达到化学平衡的程度加剧，起到了焊后再加热二次硬化的部分作用。其次是合金元素有所烧损，包括奥氏体化元素和铁素体化元素，破坏了设计值的平衡，这中间奥体化元素碳烧损应该是最严重的，由于碳及其它奥氏体化元素的烧损，焊态的堆焊金属中奥氏体量减少，硬度就会增加。因此，此药芯焊丝施焊过程中工艺参数最主要的是堆焊电流要严格控制。本焊丝（焊丝直径3．8 mm）堆焊电流应控制在460 A左右。
3 堆焊金属的硬度
为了保证机械加工性能和较高的使用硬度，本焊丝硬度设计指标是焊态硬度不高于HRC45，消除应力退火后的硬度不低于HRC55，也就是差值大于HRC10，在焊丝配方试验中，其差值可接近HRC30，然而要达到实际使用程度，还有一些问题需要解决，例如稳定性问题，抗裂性问题和成本问题等，有待进一步研究，目前已达到和超过预期指标。
3．1 焊态单道3层硬度
焊态硬度按以上提到的堆焊电流等其他堆焊条件进行单道3层堆焊，试验结果如表2。
3．2 消除应力退火后硬度
消除应力退火的温度不同，进行二次硬化和走向软化的时间就不同，温度低时间长，温度高则时间短，消除应力温度可以是560℃左右和640℃左右，现以640℃为例，二次硬化的时间与硬度值（平均值）列如表3。
焊态和焊后消除应力退火后硬度增加的变化，是由于配方中有较多的奥氏体化元素，如碳、镍等，使堆焊金属有较多的奥氏体。也有降低马氏体转变点的元素，如钼、钒等，使较多的奥氏体保持到室温。又由于焊接过程的短暂冶金反应未能达到平衡，碳、硼未能结合成化合物等，使焊态硬度较低。在消除应力退火时，上述过程充分进行，奥氏体也发生转变、产生所谓的“二次硬化”现象。
3．3 多道多层堆焊硬度
轧辊堆焊是多道多层焊，堆焊厚度可达30 mm左右，众所周知，一般的堆焊材料堆在焊后一道时对前一道，后一层对前一层的硬度影响是明显的。
人们认为在后一焊道的热影响区即图2所示的前一焊道上各点的硬度是降低的，也可以推之前一层焊道在后一层焊道的热影响下硬度也是降低的，实际情况确实如此，在多层多道大面积堆焊时，其平均硬度要比单道焊道低HRC4左右，这种硬度的降低通常理解为焊道回火。
由于这种硬度的不均匀性，一般认为堆焊工艺不能用于精轧辊和表面要求硬度均匀的其他零部件的堆焊。
造成上述现象的原因是一般的堆焊材料追求的是焊态硬度，达到硬度峰值后回火就软化，通常都没有考虑二次硬化效应。本焊丝热影响区硬度不但可以不降反而可以提高，然而，提高太多会物极必反，消除应力退火时会提前软化，所以要使硬度均匀是一个很复杂的问题，经过努力摸索，正确的配方，正确的堆焊工艺，消除应力退火后硬度可以较为均匀。
4 堆焊金属的热疲劳性能
本研究的药芯焊丝，很多情况下用于堆焊热轧辊，刚投入使用时是没有裂纹的，但使用一段时间后都会产生较多的裂纹，如果不掉块，对其使用无大影响。产生裂纹的原因，除表面金属中有较多铬，在高温下析出脆性σ相外，主要是因为轧辊时冷时热，产生热疲劳所致，堆焊合金的热疲劳与其基体组织，第二相的结构、形态和分布有较大关系，第二相如碳化物粒子的热膨胀系数如果与基体的膨胀系数相差较大时，会与基体之间产生较大热应力而导致裂纹的萌生。因此选用和基体晶体结构相同或相近的碳化物有助于提高和基体之间的结合力，增强堆焊金属的热疲劳性能。另外，堆焊金属中氧化物夹杂，第二相形状具有尖角，易产生应力集中等对堆焊金属的热疲劳性能有很大影响。
本焊丝及钨、钼、钒以及以碳化钨代替钨对焊丝热疲劳影响，其方法是固定焊丝的其他成分不变，分别加入它们在试验中认为通常合适的份量。得到不同的堆焊金属试样，分别加热至850℃（强化试验，比轧辊实际工作温度高）保温20 min后立即水淬并反复进行，看产生第1条裂纹的水淬次数，显然次数越多抗热疲劳性能越好，其结果如表4，并都进行100次水淬，观察堆焊金属上的裂纹条数。
从表中数据看出，焊丝中加入钒铁对焊丝热疲劳性能影响较小，这是因为二次硬化时VC直接由基体中析出能与基体保持一定的共格关系，且VC本身不易长大并使M2C型碳化物不易聚集。加入钨对热疲劳性能影响较大，特别是以碳化钨代替钨粉加入时，热疲劳性能大为降低。
5 堆焊金属的加工性和耐磨性
堆焊金属焊态下的硬度在HRC45以下，故用一般硬质合金刀具加工很顺利，基本无打刀现象。消除应力退火后的精加工由于堆焊层已平整，加工量小，可用车削和磨削等，也能顺利加工，总之堆焊金属的加工性是优良的。
堆焊金属的耐磨性，受试验设备限制，只做了磨粒磨损试验，设备为MLS－23型，试样尺寸和试验条件均相同，对比试样为25Cr3Mo2V堆焊金属试样，另外本研究焊丝焊态试样和消除应力后（二次硬化后）试样，以绝对磨损重量来表示试件的耐磨性，显然绝对磨损量小的耐磨性好，其结果如表5，从表中看出，消除应力下（二次硬化后）的试件耐磨性最好，为25Cr3Mo2V试样的2．63倍。
6 结 论
6．1 所研究的焊丝焊态硬度低于HRC45，用一般硬质合金刀具可进行机械加工，通过必须工序消除应力退火后，堆焊金属硬度在HRC55以上，焊丝具有较好的耐磨性。
6．2 所研究的焊丝，按正常工艺堆焊和处理能消除焊道之间的软化现象，使表面硬度较为均匀，适合于精轧辊等表面要求高的部件堆焊。
6．3 要使焊丝得到预期的使用效果，必须控制堆焊工艺，特别是控制堆焊电流的大小。
6．4 焊丝中加入钼、钒形成碳化物硬质相比加入钨有较好的热疲劳性能。
