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新型高硬度耐磨焊条

程尚华，张玉凤，孙丹丹，孙志远，王怡然
天津大学材料学院材料加工工程，天津(300072)
E-mail：[e-mail]

摘要：本文所研制的焊条采用H08A焊芯，钒铁、钛铁、金属铬、金属镍、石墨和大理石
等药皮组分，通过焊缝成分控制马氏体相变温度，探索性地研制了新型耐磨、免预热堆焊
焊条。通过能谱分析、磨粒磨损试验、焊条工艺性能试验以及硬度测试，系统地研究了焊条
药皮组分对堆焊层硬度、耐磨性和抗裂性的影响。实验母材样板为常用于轴类钢材的中碳钢
45号钢，试验结果表明，焊缝金属的组织以马氏体组织为主，残余奥氏体分布于其中。通

过电弧高温冶金反应，药皮中钒铁、钛铁和金属铬与石墨反应生成VC、TiC和Cr3C7等硬质
相，并弥散分布于板条状马氏体和残余奥氏体的基体上。堆焊层具有良好的耐磨性和抗裂性。
焊前无需预热，焊后不产生裂纹。
关键词：堆焊焊条低相变点耐磨、免预热抗裂
中图分类号：TG42
1引言
耐磨焊条在冶金、矿山、水泥、机械等行业的应用非常广泛，有很多的科研工作者进行
了大量的研究。国内外的焊接工作者经过多年的努力，通过多种工艺方法发展了耐磨堆焊技
术，已研制出40多个系列60多种牌号的耐磨堆焊焊条如日本的HF－950、美国的
Faceweldl2、瑞典的OKE4－60S、中国的D667、D618、EDC68堆焊电焊条[1]等，这些成
果大幅度提高构件的综合技术指标，提高了构件的使用寿命，同时节省了大量贵重金属。这

些堆焊焊条基本上是通C、Cr、W合金形成高碳高硬度的莱氏体、马氏体基体和CrxCy、
WC硬质相，虽然在硬度方面能满足使用要求，但当硬度≥40HRC时，其抗裂性变差，为
了防止产生裂纹，均要求焊前将工件预热300—600℃，这不仅严重恶化劳动条件，而且还
显著地提高成本[2]。此外，由于这些硬质点颗粒大、脆性大，特别是与铁的结合强度低，在
堆焊和磨损过程中常因大块的硬质点脆裂和脱落，而导致堆焊层失效，直接影响到耐磨堆焊
焊条的推广应用[3]。因此迫切需要研制一种硬度高，耐磨性好，焊前不预热且不产生裂纹，
焊后不需热处理，堆焊层抗脱落能力强的耐磨堆焊焊条。
本文在广泛查阅相关文献的基础上，紧跟国际最新研究进展，对低相变点焊条及其改善
焊接接头硬度、耐磨性及抗裂性的方法、技术、机理、适应性和影响因素等方面进行全面分
析研究。理论上创造性地研究出了低相变点焊条配方，分析了相变应力产生，以及相变开始
温度对焊接残余应力的影响规律；试验中以尽可能的在实际应用的情况下对低相变点焊条提
高焊缝硬度、耐磨性及其抗裂性进行了验证；在应用上尽可能的提出低相变点焊条堆焊时的
焊接规范，从经济角度和适用性方面为低相变点焊条的广泛应用提供理论依据。

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2焊条设计

2.1设计原理
在从高温到室温的冷却过程中，钢铁材料要从奥氏体(A)组织状态发生一系列的组织转
变（相变），根据相变开始温度的不同，分别称为高温转变、中温转变和低温转变，正常情
况下相对应的转变组织为铁素体(F)、珠光体(P)、贝氏体(B)和马氏体(M)。这些组织的转变
机制、晶体结构和组织形态的不同，造成它们的比容也不相同，总体的规律是组织转变温度
越低，所获得的转变组织的比容越大。不同组织的比容与其含碳量有一定的关系，碳钢各相
组织在常温下的比容见表1所示[4]。

表1碳钢各相组织的比容(20℃)
Table1Specificvolumeofdifferentmetallurgicalstructureat20℃
含碳量的碳钢
30.1%
组织比容C(cm/g)
3
比容C(cm/g)体积膨胀εV(%)线膨胀εL(%)
奥氏体(A)0.1212+0.0033(C%)0.12153----
铁素体(F)0.12710.12714.581.53
珠光体(P)0.1271+0.0005(C%)0.127154.621.54
贝氏体(B)0.1271+0.0015(C%)0.127254.711.57
马氏体(M)0.1271+0.00265(C%)0.1273654.801.60

如果按含碳量为0.1%的碳钢计算，在室温下单一组织的铁素体(F)、珠光体(P)、贝氏体
(B)和马氏体(M)分别比奥氏体体积大4.58%、4.62%、4.71%和4.80%，这一数值实际上也是
奥氏体完全转变情况下的相变体积膨胀。按线膨胀量为体积膨胀量的1/3计算，上述奥氏体
完全转变的相变线膨胀为分别为1.53%、1.54%、1.57%和1.60%，其中奥氏体/马氏体转变
的相变线膨胀最大。如果考虑到组织转变是在不同的温度下进行，