卓金管件有限公司45号钢堆焊熔敷金属的组织及性能——文献学习体会
文献概况与研究内容
本文发表于2006年《西华大学学报（自然科学版）》第25卷第6期，作者来自西华大学材料科学与工程学院和四川大西洋焊接材料股份有限公司。研究分别采用焊条CHR172和CHR132在45号钢基体上进行堆焊试验，对焊缝金属和热影响区（HAZ）的显微组织进行了分析，并对堆焊熔敷金属的硬度进行了测试。结果表明，堆焊金属的显微组织和显微硬度与焊条种类和堆焊工艺参数有关，焊条CHR172堆焊熔敷金属的硬度优于焊条CHR132。
45号钢（GB/T 699中的45钢）是一种常用的中碳优质碳素结构钢，广泛应用于机械制造、汽车零部件、轴类零件、模具等领域。由于45号钢含碳量适中（0.42～0.50%），具有良好的综合力学性能，但也存在耐磨性不足、易磨损的问题。在实际工程应用中，45号钢零件经常需要堆焊修复或表面强化以提高耐磨性、耐蚀性或耐热性。
显微组织与硬度分析
堆焊熔敷金属的显微组织特征
堆焊熔敷金属的显微组织是决定其性能的关键因素。在45号钢上进行堆焊时，熔敷金属的凝固组织受以下因素影响：
- 冷却速率：堆焊熔池的冷却速率决定了凝固组织的晶粒尺寸和相组成。快速冷却倾向于形成马氏体或贝氏体组织，而慢速冷却则倾向于形成珠光体和铁素体组织。
- 合金成分：焊条CHR172和CHR132的合金成分不同，直接影响熔敷金属的相组成和硬度。
- 熔合比：母材45号钢的稀释会改变熔敷金属的实际成分，影响组织转变。
| 焊条型号 | 熔敷金属硬度 | 主要组织特征 | 工艺参数敏感性 |
|---|---|---|---|
| CHR172 | 较高 | 马氏体/贝氏体为主 | 较高 |
| CHR132 | 较低 | 混合组织 | 中等 |
焊条CHR172与CHR132的性能对比
本文报道CHR172堆焊熔敷金属的硬度优于CHR132，这一结果与两种焊条的合金成分设计密切相关。CHR172作为高硬度堆焊焊条，其药皮配方中通常含有较高含量的合金元素（如Cr、Mo、W等），这些元素在凝固过程中形成大量弥散分布的合金碳化物（如Cr₇C₃、Mo₂C、WC等），通过第二相强化显著提高硬度。同时，较高的合金含量降低了奥氏体向珠光体的转变温度，促进了马氏体组织的形成，进一步提高了硬度。
CHR132的硬度相对较低，可能与其合金成分中碳化物形成元素的含量较低有关。较低的合金含量意味着较少的硬质碳化物析出，同时奥氏体向珠光体的转变更容易发生，导致硬度降低。然而，较低的硬度也意味着较好的韧性和焊接性，在某些工况下可能更为适用。
热影响区的组织变化
堆焊过程中，母材45号钢的热影响区（HAZ）经历快速加热和冷却的热循环。对于45号钢而言，HAZ的组织变化具有以下特征：
- 过热区：靠近熔合线的区域，温度最高（超过1100℃），晶粒严重长大，冷却后形成粗大的马氏体或贝氏体组织，硬度高但韧性差。
- 正火区：温度在900～1100℃之间，奥氏体晶粒均匀化，冷却后形成细小的珠光体和铁素体组织，综合力学性能良好。
- 部分相变区：温度在Ac₁～900℃之间，只有部分组织发生相变，冷却后形成混合组织，性能不均匀。
- 再结晶区：温度在Ac₁以下，不发生相变，但可能发生再结晶和晶粒长大。
HAZ的组织变化直接影响堆焊接头的使用性能。在实际工程中，HAZ往往是接头的薄弱环节，特别是在承受交变载荷或冲击载荷的工况下，HAZ的粗大组织和残余应力可能成为裂纹萌生的起点。
工程实践中的关键考量
堆焊工艺参数的影响
本文指出堆焊金属的显微组织和显微硬度与堆焊工艺参数有关。在实际工程中，以下工艺参数对堆焊熔敷金属的性能有显著影响：
- 焊接电流：电流增大导致热输入增加，冷却速率降低，倾向于形成较软的平衡组织（珠光体+铁素体），硬度降低。但电流过小可能导致熔敷金属成形不良和未熔合缺陷。
- 焊接速度：焊接速度增大导致热输入降低，冷却速率增加，倾向于形成较硬的马氏体组织，硬度升高。但速度过快可能导致熔池保护不良和气孔缺陷。
- 层间温度：层间温度过高导致冷却速率降低，硬度降低；层间温度过低可能导致冷裂纹敏感性增加。
- 道次数量：多层堆焊时，后续层对前层的回火作用会降低硬度，因此多层堆焊的最终硬度通常低于单层堆焊。
焊条选型的工程决策
在实际工程中，焊条选型需要综合考虑以下因素：
- 服役工况：磨损类型（磨料磨损、粘着磨损、冲击磨损、腐蚀磨损等）、载荷大小、工作温度、环境介质等。
- 性能要求：硬度、韧性、耐磨性、耐蚀性、耐热性等。
- 工艺可行性：焊接性、变形控制、残余应力水平等。
- 经济性：焊条成本、堆焊效率、使用寿命等。
对于45号钢零件的耐磨堆焊，如果工况以磨料磨损为主且要求高硬度，CHR172是更合适的选择；如果工况涉及冲击载荷或需要较好的韧性，CHR132可能更为适用。在实际选型中，建议进行小规模的工艺试验，对比不同焊条在模拟工况下的耐磨性能，以数据驱动的方式做出决策。
学习心得与反思
通过阅读本文，我深刻体会到堆焊熔敷金属的组织和性能是合金成分、工艺参数和冷却条件三者共同作用的结果。焊条CHR172和CHR132在45号钢上的堆焊性能差异，本质上反映了合金设计对堆焊层性能的调控作用。CHR172通过高合金含量获得高硬度，CHR132通过低合金含量获得较好的综合性能，两种焊条各有其适用场景。
在实际工程实践中，我注意到以下常见问题：首先，许多工程技术人员在选择堆焊焊条时，往往只关注硬度指标，而忽视了韧性、抗裂性和工艺性等综合性能，导致堆焊层在实际使用中过早失效。其次，堆焊工艺参数的优化是一个系统工程，需要综合考虑焊接性、成形质量、残余应力和变形控制等多方面因素，不能仅以单一性能指标为优化目标。最后，45号钢的HAZ在堆焊过程中容易形成粗大组织和残余拉应力，在承受交变载荷时可能成为疲劳裂纹的萌生源，因此在重要场合需要考虑堆焊后的热处理工艺以消除残余应力和改善HAZ组织。