铁基堆焊合金及其应用优化方案

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：采用耐腐蚀铬镍高合金堆焊的容器、管道及机器零件，多数要求母材与堆焊金属的熔合区具有较高的韧性，即不允许或限制马氏体组织的出现，以减小脆性和焊接裂纹的敏感性。此外还要求用最少的堆焊层数，得到表层具有符合要求的铬镍合金成分和所要求的有效耐蚀层厚度。焊条、焊剂按规定预热，堆焊后一般不进行热处理。

（一）珠光体钢堆焊金属

珠光体钢堆焊金属的含碳量一般在0.5％（质量分数）以下，合金元素总量也在5％（质量分数）以下。在焊后自然冷却时，堆焊金属的金相组织以珠光体为主，硬度20～38HRC。

珠光体钢堆焊金属多在焊态使用，也可以通过热处理改善性能。它的特点是焊接性能优良具有中等的硬度和一定的耐磨性，冲击韧性好，易机械加工。它主要用于如下几个方面：在堆焊修复中用于堆焊耐磨层之前的恢复母材尺寸层堆焊，当需要堆焊层数大于2层或3层时，全部使用耐磨性高的金属将增加成本或某些材料不宜多层堆焊时，用于过渡层的堆焊；当母材为低碳钢时，过渡层可加强工件的强度以避免在使用中母体产生变形而引起耐磨层剥落。当母材为高碳钢时，过渡层是为了改善母材熔合区的韧性以防止工件断裂或耐磨层剥落。也可以用于对堆焊层硬度值要求不高的零件的堆焊。

珠光体钢堆焊金属采用的工艺方法主要是焊条电弧堆焊和熔化极自动堆焊，也可以使用钨极氩弧堆焊或气焊堆焊等。珠光体钢的焊条电弧堆焊工艺如下：焊条按规定烘干；工件堆焊前清理油、锈；当母材为低碳钢时，焊前不预热，但当母材为中碳钢或低合金高强度钢时，焊前预热200℃左右。

（二）马氏体钢堆焊金属

马氏体钢堆焊金属根据它们的成分、性能、用途不同，可分为普通马氏体钢、高速钢及工具钢、高铬马氏体钢三种。

1.普通马氏体钢

当堆焊层的韧性、强度、耐磨性都有要求时，常选用普通马氏体钢堆焊金属。它也常在堆焊更脆、更耐磨的材料前，作为高强度的过渡层材料。

马氏体钢堆焊金属采用的工艺方法主要是焊条电弧堆焊和熔化极自动堆焊。普通马氏体的焊条电弧堆焊工艺如下：焊条按规定烘干；工件堆焊前清理油、锈；当母材为低碳钢时，堆焊低中碳马氏体焊条时可以不预热，对于堆焊高碳马氏体焊条时则应预热200～300℃。对于抗裂性差的低合金钢母材和中、高碳母材，则应视焊条与母材的不同，预热150～350℃。对于高碳马氏体堆焊金属的堆焊件有时也采用焊后热处理。

2.高速钢及工具钢

高速钢堆焊金属热硬性高，主要用于制作双金属切削刀具。热工具钢堆焊金属主要用于热锻模、热轧辊等的堆焊制造与堆焊修复。

（三）高铬马氏体钢

高铬马氏体不锈钢堆焊金属抗热性好，热强度高，抗腐蚀性也较好，主要用于中温耐金属间磨损，如中温中压阀门密封面的堆焊。含钼含碳型堆焊金属耐磨性较高，有一定的抗冲击能力在耐气蚀零件的堆焊中得到推广应用。高铬马氏体不锈钢的堆焊工艺方法主要是焊条电弧堆焊熔化极氩弧堆焊和埋弧堆焊。除小件堆焊在焊前不预热外，一般需要预热150～300℃；焊后可以不进行处理，也可退火软化；当加热到900～1000℃空冷或油冷后，可重新硬化。

（四）奥氏体钢堆焊金属

1.高锰奥氏体钢与铬锰奥氏体钢

高锰奥氏体钢与铬锰奥氏体钢堆焊层适于伴有冲击作用的金属间磨损和高应力磨料磨损的工作条件，主要用途之一是对高锰钢铸造件的铸造缺陷进行补焊和对磨损件进行修复堆焊。

2.铬镍奥氏体钢堆焊金属

（1）铬镍奥氏体钢堆焊的应用铬镍奥氏体钢堆焊金属具有优良的耐腐蚀性，抗高温氧化性。当加入一些合金元素后，还兼有优良的耐磨性、耐冷热疲劳性、耐气蚀性等。

铬镍奥氏体钢中有一类是单纯的耐腐蚀用钢，它们虽然耐磨性不好，但由于优良的耐腐蚀性，在化工设备中广泛应用。有耐腐蚀性能要求且不便于采用整体不锈钢制造的容器、管道及机器零件，相当一部分可以采用不锈钢-碳钢双金属合金钢板或类似的双金属材料制造，但在某些要求高的场合则必须是采用堆焊方法制造。采用耐腐蚀铬镍高合金堆焊的容器、管道及机器零件，多数要求母材与堆焊金属的熔合区具有较高的韧性，即不允许或限制马氏体组织的出现，以减小脆性和焊接裂纹的敏感性。此外还要求用最少的堆焊层数，得到表层具有符合要求的铬镍合金成分和所要求的有效耐蚀层厚度。与此同时，不允许表层的增碳值超过某一限定的数值。

还有一类是除了具有耐腐蚀性外，还具有其他优良性能，如耐中、高温金属间磨损性能，主要用于阀门密封面的堆焊。

（2）铬镍奥氏体钢堆焊材料的堆焊工艺铬镍奥氏体钢堆焊的焊接方法主要有焊条电弧堆焊和带极堆焊，其次由于内部空间的限制，也常采用钨极氩弧堆焊工艺。

耐蚀不锈钢堆焊时，首先用高铬镍的E309（Cr25-Ni13）型不锈钢焊接材料在低碳钢或低合金结构钢母材上堆焊一层过渡层，且该过渡层在与母材交界的熔合区有满意的韧性，从而确保焊缝金属有较高的抗裂性和较好的耐腐蚀性。堆焊工艺应采用小的热输入，堆焊电流也宜尽可能小，以减小母材熔深，避免稀释率过高。当堆焊耐腐蚀层时，仍应采用小的热输入。所选用的铬镍奥氏体钢堆焊材料应能保证堆焊层的含碳量、含铁素体量及其他化学成分符合技术条件要求。

在多数情况下，堆焊前不预热并在整个堆焊过程中严格限制层间温度，但个别情况下，堆焊前可稍加预热，并在整个过程中限制层间温度不能过高。焊条、焊剂按规定预热，堆焊后一般不进行热处理。

耐蚀耐磨的铬镍奥氏体钢很大部分是用于阀门堆焊，且堆焊方法主要是焊条电弧堆焊和粉末冶金堆焊。焊条电弧堆焊除工件预热温度要求稍高，其余工艺要点与其他铬镍奥氏体钢堆焊工艺相同。

铁基堆焊合金及其应用优化方案

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