碳化钨条氧-乙炔火焰耐磨堆焊工艺的研究

文章编号：1001-1684（2002）02-35-04收稿日期：2002-01-16作者简介：杜学铭（1962-），男，硕士，讲师*“九五”国家重点科技项目（攻关）资助（项目号：95-02-07-08-01）碳化钨条氧-乙炔火焰耐磨堆焊工艺的研究*杜学铭卜智祥李爱农（武汉理工大学，武汉430063）摘要：介绍碳化钨条氧-乙炔火焰堆焊制备金属基碳化物陶瓷复合耐磨堆焊层的工艺方法，结合碳化钨条氧-乙炔火焰堆焊工艺过程、堆焊层性能特点、泥沙磨损实验结果及显微组织形貌，分析讨论了热源性质对堆焊层性能的影响以及复合耐磨堆焊层的抗泥沙磨损特性。

关键词：碳化钨条；火焰；耐磨堆焊；工艺；性能中图分类号：U671.83文献标识码：AAbstract ：This paper expounds the oxyacetylene flare overlaying welding technology of tungsten carbide rod made to be metal matrix carbide ceramal compound overlaying welding layers.It relates the thermal effect property of the oxyacetylene flare ，the operations request of the overlaying ，the technologic process and the quality dominate of the overlaying welding layers.To integrate the tungsten carbide rod overlaying welding technology process of oxyacetylene flare ，the layers capabili-ty ，the examination results of slurry wear and microstructure ，the paper discusses the heat source property affect on the prop-erty of the layers and resist slurry wear property of the compound wearable overlaying welding layer.Key words ：tungsten carbide rod ；flare ；wearable surfacing ；technology ；property1引言泥沙磨损是疏浚船舶过流易损件（如泥泵泵壳、绞刀片、叶轮等）主要的磨损形式，疏浚船舶过流部件工作在泥沙磨损条件下，其磨损快、寿命短，更换频率高（如在恶劣工况条件下，常规ZG35SiMn 材质的绞刀片，其使用寿命仅有6～7天，而更换绞刀片就需3天以上），严重影响了挖泥船的工作效率及施工进度。

提高过流易损件的耐磨性及其使用寿命已是亟待解决的问题。

一般对疏浚船舶过流易损件有高强度和强韧性的性能要求，限制了其耐磨性能，因此，通常在易损件表面堆焊耐磨层以提高其耐磨性及其使用寿命。

碳化钨条氧-乙炔火焰耐磨堆焊方法可在工件表面制备复合耐磨堆焊层，这种堆焊层是金属基碳化钨陶瓷复合材料，该复合材料由低碳钢金属基体和分布在基体中的碳化物陶瓷颗粒组成，具有优异的抗泥沙磨损性能。

2碳化钨条氧-乙炔火焰堆焊工艺2.1堆焊前的准备堆焊材料用铸造碳化钨条型号为YZ3；实验试板尺寸为120mm ×80mm ×20mm ，材质为ZG35SiMn 。

堆焊前，碳化钨焊条表面用丙酮擦清洗干净，将试板被堆焊表面清理见金属本色，无砂眼、油污、锈迹和氧化皮等，试板应放置水平以保证碳化钨颗粒分布均匀。

2.2氧-乙炔火焰堆焊工艺2.2.1氧-乙炔的火焰调节控制由于氧和乙炔的混合比不同，氧-乙炔火焰有氧化焰、中性焰和碳化焰（还原焰）三种类型。

氧-乙炔火焰堆焊时，应采用弱碳化焰，氧与乙炔之比小于1.2，有微过量的乙炔，火焰具有还原性质，可防止堆焊过程中母材表面及堆焊金属被氧化。

火焰调整时，内焰长度应为焰心长度的2～3倍。

2.2.2堆焊操作火焰堆焊时采用的喷嘴，应根据工件的大小和堆焊前的加热程度选择。

由于氧-乙炔火焰能量密度较低，大致为1～10W /cm 2［1］，采用温度最高的内焰区进行堆焊加热，焰心与被堆焊工件表面之间的距离保持在2～3mm ，喷嘴轴线与工件53堆焊表面保持15º～25º夹角，图1为火焰堆焊时焊枪位置。

以上措施可避免铸造碳化钨颗粒氧化，尽快加热堆焊表面并预热相邻堆焊部位，保证堆焊过程的连续进行。

图1氧乙炔堆焊焊枪位置1-堆焊焊缝；2-焊炬；3-熔池4-火焰；5-碳化钨条；6-工件起焊时，先用火焰将起焊部位的母材表面预热到朦胧状，形成一层极薄的熔融金属时，再填充碳化钨条进行堆焊。

2.2.3堆焊工艺在进行氧-乙炔火焰堆焊时，除了应具有熟练的操作技能和掌握正确的操作方法外，还应采用合理的堆焊工艺，其工艺主要包括以下几个方面。

1）待堆焊工件表面应尽量处于水平位置，防止碳化钨颗粒沉积和表层基体过多；2）保持合适的氧气和乙炔工作压力，一般氧气的工作压力为0.3～0.35MPa ，乙炔的工作压力0.04～0.05MPa 。

乙炔不宜过量，否则堆焊时会产生大量的碳，增加孔隙和皮层，降低堆焊质量。

3）堆焊时的热过程控制。

堆焊温度过高或堆焊速度过慢，均会造成铸造碳化钨颗粒的熔化分解，并出现堆焊层剥落现象，且易产生气孔。

此外，温度过高，还会造成铸造碳化钨颗粒沉积，碳化钨颗粒分布不均，表面基体金属过多，堆焊层表面耐磨性降低。

但温度过低或堆焊速度过快，也会造成熔融的基体金属流动性降低，堆焊层表面不平，堆焊层与母材金属的结合强度降低，甚至出现未熔合缺陷。

堆焊时在保证堆敷金属与母材熔合的前提下，应尽可能保持铸造碳化钨颗粒的原有形状并使其在基体中均匀分布以充分发挥它的抗磨作用。

因此，必须严格控制堆焊温度和堆焊速度，堆焊时熔池温度应控制在高于母材熔融温度100～200℃范围，堆焊速度应控制在热源前端具有熔融状母材为宜。

4）堆焊层不宜过厚，一般厚度为2～4mm 。

堆焊层过厚，则其抗冲击能力降低，易产生堆焊层剥落。

5）堆焊完毕应缓慢冷却，以减小焊接残余应力，防止堆焊层开裂和剥落。

采用在工件表面覆盖石棉板等保温材料的方法以减缓工件的冷却速度。

3氧-乙炔火焰堆焊层成分及性能3.1堆焊层组成及基体成分氧-乙炔火焰堆焊层由未熔的碳化钨陶瓷颗粒及低碳钢基体组成，碳化钨颗粒“镶嵌”在低碳钢基体中，形成金属基碳化钨陶瓷复合材料。

由于氧-乙炔火焰堆焊时热源温度低、能量密度小，产生了很小的母材熔深，同时由于熔池无电磁搅拌作用，因此堆焊时冶金作用弱，氧-乙炔火焰堆焊稀释率（为1%～10%）低，通常不考虑冶金过程及母材稀释率对堆焊焊缝成分的影响，堆焊层的成分主要由碳化钨条的成分决定。

堆焊层的组成及基体成分如表1所示。

表1堆焊层组成及基体成分wt /%堆焊层组成基体34碳化钨颗粒66基体成分C0.08～0.10其它S 、P ≤0.03从图2碳化钨条氧-乙炔火焰堆焊层SEM 图片中可以看到碳化钨颗粒在基体中的分布情况，形状各异大小不同的未熔碳化钨颗粒“镶嵌”在低碳钢基体中，碳化钨颗粒保持了原有形状。

图2堆焊层中碳化钨颗粒分布SEM 图片3.2堆焊层性能3.2.1碳化钨颗粒与基体的结合性能图3为碳化钨颗粒与基体结合情况的SEM 图片，图3中可以看出基体金属较好地浸润了碳化钨颗粒，基体与碳化钨颗粒界面未出现裂纹、夹渣及未浸润等缺陷，碳化钨颗粒边界产生了少量熔化痕迹，与基体形成了冶金结合。

这种结合为碳化钨颗粒提供了强有力的固定和支撑作用，利63图3碳化钨颗粒与基体结合的SEM图片于提高堆焊层的耐磨性。

3.2.3堆焊层的硬度及耐磨性表2为堆焊层的硬度及相对耐磨性实验数据。

耐磨性试样是在堆焊试板中采用线切割的方法割出，数量为2个，直径为20mm，标样为ZG35SiMn（正火：203HB，表面显微硬度205 HV）。

耐磨性实验在多参量控制泥沙磨损实验机上进行，采用双试样换位测试方法；实验参数为：试样预时间4h；黄砂浓度（Wt）70%，砂质为建筑黄砂（粒经≤5mm），实验中定期更换新砂；试样磨损面迎角（冲击角）30º；试样运行线速度6.66 m/s；磨损时间4h。

表2碳化钨条氧-乙炔火焰堆焊层的硬度及泥沙磨损实验结果氧-乙炔火焰堆焊层标样：ZG35SiMn45钢硬度58HRC（其中碳化钨颗粒显微硬度：2254HV）203HB；205HV195HB；195HV质量相对耐磨性9.910.93体积相对耐磨性17.210.93文中碳化钨条氧-乙炔火焰堆焊工艺堆焊的绞刀片于2000年12月在吸扬14号绞吸挖泥船青岛工地（工况主要为结板沙）实船实验取得了良好的效果，堆焊层实船实验的体积相对耐磨性为ZG35SiMn的10.3倍。

4分析讨论1）碳化钨条氧-乙炔火焰堆焊所形成的耐磨堆焊层是一种金属基陶瓷复合耐磨材料。

碳化钨陶瓷颗粒在堆焊层中起增强作用，是主要的抗磨相，金属基体对碳化钨颗粒起固定和支撑作用。

由于碳化钨的熔点很高，所以它可能基本不熔化而存在于焊缝中，“镶嵌”甚至“钎接”在基体上，构成硬质合金复合材料堆焊层。

这与高铬铸铁中Cr7C3从熔池中析出完全不同。

碳化钨耐磨作用的发挥是依靠其自身的高硬度、高耐磨。

为了充分发挥碳化钨的耐磨性，堆焊过程中应尽量避免碳化钨颗粒的熔化，保持其原有形状。

2）图2和图3表明堆焊层中碳化钨颗粒较好地保持了原有形状，并与基体形成了良好结合。

表2实验数据表明堆焊层中作为硬质相的碳化钨颗粒保持了高硬度（2254HV），并显示了堆焊层优异的抗泥沙磨损性能。

这是因为氧-乙炔火焰温度较低，其火焰中心区域最高温度为3150℃［2］，碳化钨条氧-乙炔火焰堆焊时，不易引起碳化钨颗粒的熔化，利于保持碳化钨颗粒的原有形状，充分发挥了碳化钨颗粒的高硬度高耐磨特性，因此堆焊层的耐磨性较高。

电弧堆焊时，由于常压下，普通电弧弧柱温度高达5000～30000K［1］，远远高于氧-乙炔火焰温度，椐文献［3］介绍：碳化钨条电弧堆焊时，会造成原始碳化钨颗粒大部分熔化，而在焊缝中最新析出硬度仅为1200HV的含钨复合碳化物，导致堆焊层耐磨性下降。

3）表2显示：碳化钨条氧-乙炔火焰堆焊层的质量相对耐磨性是ZG35SiMn的9.99倍，体积相对耐磨性是ZG35SiMn的17.02倍，表现出了优良的抗磨粒磨损特性。

文中工艺所形成的复合耐磨堆焊层之所以表现出了优异的抗泥沙磨损性能主要有以下几个方面原因。