應用鉻錳奧氏體鋼藥芯焊絲ПП-AH202 修復碳鋼耐磨零件

鄭世達，Ryabtsev I.A，易江龍，Cherniak I.P，王昕昕，Korzhyk V.M.，王　凱

（1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院中國-烏克蘭巴頓焊接研究院廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點實驗室，廣東廣州510080；2.烏克蘭國家科學院巴頓焊接研究所，烏克蘭基輔）

應用鉻錳奧氏體鋼藥芯焊絲ПП-AH202 修復碳鋼耐磨零件

鄭世達1，Ryabtsev I.A2，易江龍1，Cherniak I.P2，王昕昕1，Korzhyk V.M.2，王凱1

（1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院中國-烏克蘭巴頓焊接研究院廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點實驗室，廣東廣州510080；2.烏克蘭國家科學院巴頓焊接研究所，烏克蘭基輔）

通過耐磨試驗及耐磨層堆焊修復的工程實例，闡述在中高碳或低合金結(jié)構(gòu)難焊鋼上用鉻錳奧氏體鋼藥芯焊絲不預熱進行耐磨層堆焊，并獲得滿意接頭的可行性，從而減輕施工難度并降低成本。

鉻錳藥芯焊絲；耐磨層；修復；堆焊

0　前言

大多數(shù)建筑、公路設備、鐵路、石油天然氣以及冶金設備的零部件，均在有磨料層或沒有磨料層的金屬-金屬間摩擦條件下運行。有時磨損伴隨著沖擊力更會加大磨損過程。這些零部件通常由碳含量0.4％～0.8％的中高碳非合金或低合金結(jié)構(gòu)難焊鋼制造。而磨損是一個比較復雜的微觀破壞過程，是彼此間磨損材料以及工作環(huán)境綜合作用的結(jié)果，會導致表面破壞甚至零件破損，影響設備使用。因此這些零部件的制造和修復都需要耐磨層堆焊[1]。

這種鋼材的零件在堆焊時必須采取措施，預防在熱影響區(qū)和熔敷金屬內(nèi)部出現(xiàn)裂紋。防止裂紋形成最常用的方法是預熱、焊中加熱以及回火，這些措施可大大降低因馬氏體出現(xiàn)形成的殘余應力。如果不能加熱，堆焊可使用奧氏體焊接材料，比如焊絲Св-08Х20Н10Г6，但不管從技術(shù)角度還是經(jīng)濟角度看，并非一直可行。熔敷金屬08Х20Н10Г6的硬度水平有可能達到HB 180～200，金屬與金屬摩擦時耐磨性能不滿足使用要求。

選用堆焊材料使焊縫獲得介穩(wěn)定奧氏體熔敷金屬為最佳方法。介穩(wěn)定奧氏體加工硬化后轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃务R氏體（ε-馬氏體）。與碳鋼在高速冷卻時形成的馬氏體相比，變形馬氏體組織較為分散，有利于優(yōu)化熔敷金屬的力學性能[2-3]。因此，利用介穩(wěn)定奧氏體變成變形馬氏體可提高熔敷金屬硬度及耐磨性。

焊條電弧堆焊雖簡單方便，但效率低，勞動條件差，質(zhì)量不穩(wěn)定；埋弧堆焊生產(chǎn)效率高，勞動條件好，且堆焊金屬成分穩(wěn)定[1]。因此，本研究采用自制堆焊藥芯焊絲ПП-АН202修復碳鋼耐磨零件，并對堆焊層進行磨損測試，下面簡要介紹堆焊藥芯焊絲在烏克蘭典型工程的應用實例。

1　堆焊金屬耐磨試驗

為避免在中高碳非合金或低合金鋼堆焊時對其進行加熱或盡可能少加熱，研制無需預熱的堆焊藥芯焊絲ПП-АН202，它是低碳鉻錳鋼合金堆焊材料，可獲得介穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)的Х12Г12Н2МФ類型熔敷金屬。

根據(jù)“軸-平面”方案進行檢測試驗，在摩擦區(qū)域不添加任何潤滑油的情況下使用摩擦機器評估熔敷金屬Х12Г12Н2МФ的耐磨性能。在有熔敷金屬的試件上切割規(guī)格3 mm×20 mm×15 mm的檢驗樣品進行測試。環(huán)形上試樣直徑40mm，寬度12mm，采用硬度HВ180的M76鋼。磨損檢測過程中，用3mm×20mm樣品對環(huán)形上試樣施加30N壓力。每次測試均嚴格控制摩擦路徑為113 m。

測試時樣品的磨損量根據(jù)磨損體積確定，磨損體積通過在顯微鏡下觀察試樣尺寸變化計算而得。上試樣的磨損量為試驗前后質(zhì)量差。根據(jù)摩擦路徑確定樣品及上試樣的磨損比。樣品1是在火車軌道上切割M76鋼制成的樣品，樣品2是ПП-АН202藥芯焊絲堆焊后的金屬切割而成，所用的工藝參數(shù)需能保證堆焊層質(zhì)量：電流400～450A，電壓24～26V，堆焊速度不小于30 m/h。樣品3是用鐵素體類型的ПП-АН203藥芯焊絲堆焊而成；上述所有試樣在試驗過程中均未進行加工硬化。

測試樣品的化學成分如表1所示。

表1　磨損測試樣品化學成分

耐磨性能研究結(jié)果如圖1和圖2所示。圖1為在試驗過程中測試樣品減少的體積量，圖2為上試樣的磨損質(zhì)量。由結(jié)果可知，藥芯焊絲ПП-АН202堆焊的奧氏體類金屬耐磨性能指標較高，上試樣在試驗過程中的磨損較小。分析可能是焊絲堆焊層經(jīng)加工硬化的結(jié)果，經(jīng)硬度測試可知使用該焊絲的金屬層硬度僅為HRC 20～30。經(jīng)加工硬化及形成變形馬氏體結(jié)構(gòu)后，熔敷金屬硬度升到HRC 40～55（硬度值與加工硬化程度有關(guān)），從而大大提高其耐磨性。

圖1　測試樣品磨損量

圖2　上述試樣磨損量

圖2中試樣1為M76鋼的上試樣與M76鋼試樣接觸后的磨損情況；試樣2為上試樣與ПП-АН202藥芯焊絲堆焊的金屬接觸后的磨損情況；試樣3為上試樣與ПП-АН203藥芯焊絲堆焊的金屬接觸后的磨損情況。從結(jié)果分析可知，藥芯焊絲ПП-АН202堆焊的奧氏體類金屬耐磨性能指標較高，上試樣在試驗過程中的磨損較小。分析可能是焊絲堆焊層經(jīng)加工硬化的結(jié)果，經(jīng)硬度測試可知使用該焊絲的金屬層硬度僅為HRC 20～30。經(jīng)加工硬化及形成變形馬氏體結(jié)構(gòu)后，熔敷金屬硬度升到HRC 40～55（硬度值與加工硬化程度有關(guān)），從而大大提高其耐磨性。

2　堆焊應用

2.1用藥芯焊絲ПП-АН202修復電車磨損鐵軌的工藝[4]

鐵軌凹槽材料主要是w（C）=0.82％的M75鋼和M76鋼。對鐵軌側(cè)表面進行熔化極電弧堆焊時，熔敷金屬第一層的w（C）=0.45％。為了在此含碳量情況下避免形成裂紋，用鐵素體系列藥芯焊絲堆焊時需預熱到350℃～400℃，并且緩慢冷卻。但要把電車軌道加熱到這種溫度操作起來非常耗能且很難完成。

藥芯焊絲ПП-АН202無需加熱應用于電車軌道磨損件堆焊。采用分層分道堆焊，道間相互疊加一定寬度；根據(jù)磨損情況不同，層數(shù)量在5～15變化（見圖3a、圖3b）。堆焊采用熔化極直流埋弧焊劑AH-26П。為實現(xiàn)該工藝，設計并制造了堆焊設備УД-654（見圖3c）。設備以自動行走焊車的形式沿著堆焊軌道爬行工作；焊車裝有機械執(zhí)行器、控制器、焊絲及焊劑儲備裝置；焊接電路電源是柴油發(fā)動機。焊接時為減少熔深，保證稀釋率，采用下坡焊，焊絲前傾，增長伸出長度，減少焊道間距等措施[1]。軌道堆焊后經(jīng)過探傷檢查沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，硬度檢查也滿足要求。

2.2藥芯焊絲ПП-АН202應用在250t通用起重機的定位-轉(zhuǎn)彎工件的堆焊

該起重機定位-轉(zhuǎn)彎部位設計如圖4所示，磨損位置用粗黑色描出。

從外觀、著色和超聲波探傷看出齒輪表面和連接圈的缺陷有：車行走道路的機械磨損不均勻，行走時金屬間擠壓變形導致微裂紋以及金屬脫落地方的疲勞磨損不均勻，如圖5所示。

堆焊前將兩個環(huán)磨損表面放在鏜床進行機械處理，直到去除所有缺陷。圈上除去的厚度層不超過5 mm。再次進行著色和超聲波探傷，確認經(jīng)過機械處理后沒有出現(xiàn)缺陷。

定位-轉(zhuǎn)彎工件磨損圈堆焊使用φ2.0 mm自保護藥芯焊絲ПП-АН202。為了預防圈在堆焊時出現(xiàn)變形，要求2名堆焊工對稱施焊，如圖6所示。堆焊后將定位-轉(zhuǎn)彎工件堆焊圈進行機械處理后，對堆焊層進行超聲波和著色探傷檢測，沒有出現(xiàn)缺陷。

將修復后的零件放在250 t起重器使用，一切正常。使用藥芯焊絲ПП-АН202類似工藝可修復各類變形起重機的定位-轉(zhuǎn)彎工件。

圖3　ПП-АН202修復電車磨損鐵軌示意

2.3藥芯焊絲ПП-АН202應用在升降機主軸和引風機轉(zhuǎn)軸的修復堆焊

圖7a為升降機主軸傳送位置的堆焊示意，此升降機位于深度35 m的地下機房[5]，主軸材料40XM鋼，采用直徑1.6mm的ПП-АН202藥芯焊絲加混合氣體φ（Ar）82％+φ（CO2）18％進行修復堆焊，堆焊用工藝：電壓21～22V，電流230～250A，氣流量16L/min。用自動送絲方式堆焊，堆焊后經(jīng)外觀、著色探傷沒有出現(xiàn)缺陷，再進行如圖7b所示的機械處理后確認沒有缺陷，表明此焊絲的堆焊效果較好。此焊絲還可用于材料為55鋼的引風機葉輪轉(zhuǎn)軸的氣體保護堆焊修復。如圖7c所示，葉輪直徑4.5m，旋轉(zhuǎn)速度750r/min，在礫石焙燒線上運行，經(jīng)修復后運行效果良好。

圖4　起重機定位-轉(zhuǎn)彎剖面草圖

圖5　通用起重機的定位-轉(zhuǎn)彎工件磨損外觀

圖6　定位-轉(zhuǎn)彎工件磨損圈現(xiàn)場堆焊示意

圖7　升降機主軸和引風機轉(zhuǎn)軸的修復堆焊

3　結(jié)論

低碳鉻錳鋼合金堆焊藥芯焊絲ПП-АН202可用于高碳鋼零件的制造和修復過渡層、表面層堆焊，無需加熱或最小限度加熱，堆焊層未出現(xiàn)裂紋等缺陷，并能達到較高的耐磨要求，這將簡化修復工序并大幅減少維修費用。

[1]周振豐.金屬熔焊原理及工藝（下冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[2]Черняк Я.П.，Васильев В.Г.，Соломийчук Т.Г.Влияние погоннойэнергиинаобразование отколовв 3ТВ высокоуглеродистой стали М76 при наплавкеаустенитными проволоками/Каленский В.К.[J].Автомат.сварка. 2001（11）：11-14.

[3]Черняк Я.П.,Бурский Г.В.,Каленский В.К.Некоторые особенности замедленного разрушения металла ЗТВ стали М76 после наплавки проволокой аустенитного класса[J].Автомат.сварка，2002（8）：50-52.

[4]Каленский В.К.，ЧернякЯ.П.，ПритулаС.И.Восстановительная наплавка изношенных трамвайных рельсов[J]. Сварщик，1999（2）：5.

[5]В.И.Дворецкий，Ю.В.Демченко，И.А.Рябцев и др. Технологический модуль УД-690 для восстановления посадочных мест главного вала эскалатора типа ЭТ в условиях машинного зала метрополитена[J].Сварщик，2006（6）：11-13.

Application of chrome-manganese austenitic steel flux cored wire ПП-АН202 for the repair of wear parts of carbon steel

ZHENG Shida1，Ryabtsev I.A2，YI Jianglong1，Cherniak I.P2，WANG Xinxin1，Korzhyk V.M.2，WANG Kai1，
（1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Advanced-Welding Technology，E.O.Paton Chinese-Ukrainian Institute of Welding，Guangdong General Research Institute for Industrial Technology，Guangzhou 510080，China；2.The E.O. Paton Electric WeldingInstitute ofNational AcademyofSciences ofUkraine，Kiev，Ukraine）

Through some engineering examples of abrasion tests and resistant layer surfacing repair，the austenitic chromiummanganese steel flux cored wire used for the hardfacing of medium-high carbon or low-alloy structural steels without preheating are described in this paper.By using this wire can get satisfaction joints and reduce the cost and difficulty of welding.

chrome-manganese austenitic steel flux cored wire；wear resistant layer；repair；surfacing

TG421

A

1001-2303（2015）11-0001-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.01

2014-03-12；

2015-08-08

國家國際科技合作項目（2011DFB50190）；廣東省重點實驗室建設項目（2012A061400011）；廣東省引進創(chuàng)新科研團隊計劃資助（201101C0104901263）

鄭世達（1961—），男，廣東人，高級工程師，主要從事藥芯焊絲研制和焊接工藝研究工作。