前 言
堆焊是獲取雙金屬材料，提高工件表面的耐磨性、耐蝕性等性能的簡易、廉價的方法。CO2焊接是高效、低耗、低成本、在生產中應用最廣泛的焊接方法。但我國目前的實心CO2合金焊絲，藥芯堆焊焊絲品種、規格較少，價格高，致使CO2堆焊技術的擴大應用受到限制；火焰噴熔雖然設備簡單，但合金粉價高、效率低，工件受熱面積大易變形。等離子噴熔設備復雜投資大。氮氣是種來源廣泛、價格低廉的氣體，而且氮化物具有極強的強化作用。能否將火焰噴涂技術和CO2堆焊結合起來，充分發揮氮化物的強化效果和兩種方法各自的優勢及工廠現有CO2焊接設備的潛力，并能根據工作的使用要求，隨意調整合金成分，是本課題研究的目的。
1 試驗條件與方法
1.1 堆焊金屬合金系的確定
本試驗采用Fe-Cr-Mn-Si-C-B-Ti-W系多元微量合金化，其目的是在強化顯微組織基體的同時，彌散析出大量的高硬度的硬質點，同時又不過多的降低堆焊金屬的抗裂性能，提高其耐磨性。兩個試件的典型配方和堆焊金屬的化學成分、硬度分別見表1、表2。
1.2 合金粉的噴涂
按預先確定的合金配方稱量各種合金粉并均勻混合，采用QH-2/h兩用噴炬將合金粉噴涂在材質為Q235、尺寸為100 mm×50 mm×16 mm的試件表面，涂層厚度控制在0.4~0.5 mm,確保堆焊金屬的合金含量。合金粉的粒度控制在100~150目，合金粉太粗影響合金粉的噴涂；太細則在堆焊過程中合金粉燒損增大。噴涂工藝參數為氧氣壓力0.5~0.8 MPa，乙炔壓力0.05~0.07 MPa，噴嘴距工件表面距離為150~200 mm，噴涂前試件表面要去銹去油污處理。
1.3 （CO2+N2）保護電弧堆焊工藝試件表面噴涂合金粉后再進行（CO2+N2）保護電弧堆焊，堆焊方法和工藝參數與普通實心CO2堆焊相似，本試驗采用φ1.2 mm的H08Mn2SiA焊絲，CO2氣體流量11 L/min，氮氣流量1.5 L/min，CO2和N2通過各自的減壓閥和流量計進入氣體混合室均勻混合后導入焊槍的進氣管路，電弧電壓19 V，焊接電流135 A。
堆焊時需注意下面幾點：①施焊過程中電弧盡量通過粉層中心，保證合金粉充分熔合；②焊道較寬時，焊槍需橫向擺動，保證合金粉完全熔合，得到較寬的堆焊層；③堆焊速度對堆焊層合金含量有較大的影響，可通過試驗確定，若采用自動焊就更好掌握；④堆焊時最好加引弧板和熄弧板，因為引弧和熄弧處容易產生合金粉熔合不良、氣孔和夾渣等缺陷。
2 試驗結果及分析
2.1 氮氣含量對堆焊工藝性能的影響
試驗發現混合氣體中氮氣含量較高時，電弧不穩定，飛濺增大，焊縫成形差，焊縫中常產生大量的氮氣孔。當然氮氣含量過低，氮氣的作用就不能顯示出來，即不容易形成氮化物硬質相，強化作用大大降低，一般氮氣含量占10%~15%較合適。
2.2 合金元素對堆焊金屬硬度的影響
C、Cr、W不但具有很強的固溶強化作用，提高材料的淬透性，而且是硬度極高、耐磨性極好的碳化物、碳硼復合化合物等硬質相的主要形成元素，所以隨著粉層中石墨含量的增加，堆焊金屬的硬度顯著提高（圖1a），但C含量過高，金屬的脆性增大，產生裂紋的傾向增大，所以一般C的含量控制在0.65%以下。Cr還可與N形成CrN硬質相，使Fe-B相圖的共晶點左移，導致硬度較低的鐵硼共晶體減少，而硬度高的復合硼化物數量增多，所以堆焊金屬的硬度隨著粉層中鉻鐵含量增加而提高（圖1b）。
B可極大地提高金屬的淬透性，并能與Fe、C、Cr等元素形成多種高硬度的硼化物硬質相，所以隨著粉層中硼鐵含量的增加堆焊金屬的硬度大幅度提高（圖1c）。但硼含量過高，在晶界形成網狀的脆性相，加大了金屬的脆性和裂紋傾向（圖2）。
Ti與氧的親和力很大，一般條件下Ti的過渡系數很小，但在本試驗條件下，由于熔化的合金不通過電弧空間，大大降低了Ti的氧化幾率，而且合金粉層中還有其它強脫氧元素（C、Mn、Si等），N2的加入降低了焊接氣氛的氧化性，這些因素都有利于Ti的過渡。Ti是種極強的碳化物和氮化物形成元素，細化晶粒的作用也很強，所以堆焊金屬的硬度隨粉層中鈦鐵含量的增加而提高（圖1d）。
2.3 堆焊金屬顯微組織與抗裂性分析
試件1由于含有較多的碳化物、硼化物和氮化物形成元素，堆焊金屬的顯微組織為馬氏體加等量下貝氏體基體上彌散分布著大量的硬質相：Cr23C6（HV1 600~1 800）、WC（HV 2 740）、TiC（HV 3 200）、CrB2（HV 2 100）、Fe3（C、B）（HV 800~900）、TiB（HV 2 500）、TiV、MnN、CrN、WN等。又由于Ti有良好的細化晶粒的作用，所以組織細小（圖2a），抗裂性能較好，堆焊試驗中從未發現裂紋。試件2由于堆焊金屬Si、B含量較高，Ti含量較低，晶粒粗大；Si有促使B在晶界偏析的作用，又使Fe-B相圖中共晶點右移，使低硬度的硼鐵共晶數量增加，高硬度的復合硼化物數量降低，導致硼化物沿晶界呈網狀分布（圖2b），使堆焊金屬脆性增大，抗裂性能降低，試驗中三個試樣有二個試樣產生了宏觀橫向裂紋。
2.4 堆焊金屬耐磨性分析
磨粒磨損試驗在MLD-10型試驗上進行，試樣尺寸為50 mm×15 mm×5 mm，磨料為人工破碎的石英砂，粒度為20~40目，轉數200 r/min，磨損時間為4 h，試驗原理見參考文獻［1］，試驗結果見表3。由表3可以看出，在相同的合金配方下(試件1)，加氮氣與不加氮氣比較，雖然堆焊金屬的硬度變化不大（表2），但二者的耐磨性卻相差很大，磨損率前者是后者的1.6倍，是Ni60噴熔層的1.5倍，是試件2的9.3倍。這是由于試件1加N2保護之后，堆焊金屬在彌散分布大量的C、B化合物的基礎上又增加了硬度高、耐磨性好的氮化物硬質相，能有效地抵抗磨粒產生的犁溝磨損，加上組織細小，韌性較好，防止了大磨粒擠壓下產生的壓痕斷裂，所以耐磨性最好。試件2由于細化晶粒的Ti含量低，晶粒粗大，加上硼硅含量較高，導致B、C化合物在晶界呈網狀分布，組織的脆性大，容易產生細小裂紋，在磨粒的擠壓下，使裂紋擴展或產生壓痕破裂，所以耐磨性較低。
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