自保護(hù)藥芯焊絲按保護(hù)方式不同可分為有渣和無(wú)渣 2 種^［12］。其中，無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲為金屬粉芯藥芯焊絲，幾乎不添加礦物粉，從而能更大限度地增加合金粉的填充率，對(duì)于提高堆焊層硬度和耐磨性也有了更大的空間和潛力。無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲焊接時(shí)只產(chǎn)生極少量的熔渣，焊后不需要清渣就能連續(xù)施焊，不僅熔敷效率高，還能最大限度地降低生產(chǎn)成本。而有渣自保護(hù)藥芯焊絲通常采用 “渣－氣聯(lián)合保護(hù)或渣－金屬聯(lián)合保護(hù)” 的方式。在整個(gè)焊接過(guò)程中，熔渣不僅能夠隔離空氣，而且還具有 脫氧固氮的作用，這對(duì)實(shí)現(xiàn)自保護(hù)效果有很大幫助。雖然有渣自保護(hù)效果要明顯優(yōu)于無(wú)渣自保護(hù)的情況， 但是有渣自保護(hù)藥芯焊絲焊后需要清渣，不能連續(xù) 焊接，所以焊接生產(chǎn)率低，焊接成本相對(duì)較高。   

2 我國(guó)自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲的發(fā)展概況

在 20 世紀(jì) 80 年代，我國(guó)才開(kāi)始發(fā)展自保護(hù)藥芯焊絲^{［12－13］}。學(xué)者們先后在天津大橋集團(tuán)、天津大  學(xué)、北京鋼鐵研究總院、北京工業(yè)大學(xué)和天津金橋集團(tuán)等單位開(kāi)展自保護(hù)藥芯焊絲的研發(fā)工作^{［13－14］}，這為我國(guó)自保護(hù)藥芯焊絲的發(fā)展打開(kāi)了嶄新局面。但在這個(gè)時(shí)期，我國(guó)的自主研發(fā)能力及對(duì)引進(jìn)技術(shù) 的消化能力還十分薄弱，再加上相關(guān)焊材的生產(chǎn)企 業(yè)參與度不高，導(dǎo)致我國(guó)自保護(hù)藥芯焊絲還處于實(shí) 驗(yàn)室研究階段。發(fā)展到 90 年代，隨著世界各國(guó)陸續(xù)開(kāi)展自保護(hù)藥芯焊絲的研究工作，我國(guó)也開(kāi)始高度 重視^{［15－16］}。但與其他國(guó)家相比，我國(guó)自保護(hù)藥芯焊  絲在品種、力學(xué)性能穩(wěn)定性、生產(chǎn)設(shè)備以及自主研 發(fā)能力等方面還存在不小差距。進(jìn)入 21 世紀(jì)，自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲的優(yōu)勢(shì)得以凸顯。國(guó)家投入了 大量人力、物力和財(cái)力，促使部分高校和科研院所 開(kāi)展相關(guān)研究工作，使我國(guó)自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊 絲技術(shù)得到了快速發(fā)展，并取得了較大的成績(jī)。

       3 我國(guó)自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲的研究現(xiàn)狀

3. 1 自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲的渣系成分

      實(shí)現(xiàn)藥芯焊絲自保護(hù)機(jī)制的基礎(chǔ)主要是渣系成分。因它不僅能隔絕空氣、減少空氣中的氧和氮與熔敷金屬的接觸，還能脫氧、固氮、去除硫和磷等雜質(zhì)，保證焊縫純凈不受污染。在焊縫表面形成的熔渣覆蓋層還能保證焊縫具有一定的形狀，這對(duì)改善焊接工藝性和提高堆焊合金的耐磨性具有重要的意義，學(xué)者們?cè)谶@方面也開(kāi)展了廣泛研究。許立寶^［17］研制的全位置自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊  絲由氟化物  ( BaF₂ ，CaF₂ ，LiF 中的 2 種或 3 種組合) 、碳酸鹽  ( Li₂ CO₃ 和 CaCO₃ 中的 1 種或 2 種組合) 、氧化物  ( Fe₂ O₃ ，MgO，ZrO₂ ，TiO₂ 中的 2 種或 3 種組合) 和脫氧固氮元素 ( Al，Mg，Si，Mn， ＲE)  組成渣系成分，能夠?qū)崿F(xiàn)自保護(hù)和全位置堆焊。通過(guò) “渣－ 氣－ 合金元素聯(lián)合保護(hù)” 實(shí)現(xiàn)自保護(hù)，通過(guò)減小電弧長(zhǎng)度、調(diào)整熔渣物理性能使焊絲 適應(yīng)全位置堆焊。調(diào)整藥芯配方中的渣系成分，從  焊道產(chǎn)生氣孔和熔渣覆蓋情況對(duì)其焊接工藝性能進(jìn) 行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，藥粉中添加 w ( 氟化物) 45% ～ 55%和 w( 碳酸鹽) 4% ～ 8% 時(shí)，造渣和造氣保護(hù)效果良好。氟化物中的 BaF₂  適應(yīng)短電弧燃燒，對(duì)全位置堆焊有利;  藥粉中添加 w ( Al) 8% ～ 10% 和w( 稀土) 4% ～ 6% 時(shí)，能夠顯著脫氧固氮; 藥粉中MgO 和 ZrO₂ 等高熔點(diǎn)氧化物含量在 4% ～ 5% 時(shí)，對(duì)改善熔渣的物理性能更有利，能夠增強(qiáng)焊絲的全位 置堆焊適應(yīng)性。汪虎^［10］為了使堆焊自保護(hù)藥芯焊絲  獲得良好的焊接工藝性能，在分析耐磨堆焊材料特 點(diǎn)，熔滴過(guò)渡形式、焊接電弧穩(wěn)定性、熔渣覆蓋性  和脫渣性的基礎(chǔ)上，最終確定了自保護(hù)耐磨堆焊藥 芯焊絲的渣系組分。當(dāng)渣系成分中 w ( 石墨) 5% ～ 6%，w( Al 粉 ) 10%，w ( MgO) 8% 和  w ( CaF₂ )  30% 時(shí)，其焊接工藝性較好。劉大雙^［18］設(shè)計(jì)了一種無(wú)渣  自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲。相對(duì)于傳統(tǒng)的熔渣型焊 絲而言，它是一種不添加任何   (  或僅添加極少量) 礦物粉，而添加  95% 以上金屬粉的藥芯組分，焊后焊道上微渣或無(wú)渣，自保護(hù)效果主要依靠脫氧保護(hù) 和造氣保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于藥芯中沒(méi)有添加造渣劑， 僅僅是 Al，Mg，Mn，B 和 Ti 元素等氧化產(chǎn)物組成的熔渣，總量較少，分布在各個(gè)階段析出，且頻繁地飛濺出去。而少量氧化物形成的硼硅酸鹽復(fù)合化 合物，在熔池的強(qiáng)烈攪拌作用下上浮至液體金屬表 面形成一層極薄的均勻保護(hù)膜，能夠阻止空氣的侵 入。這層保護(hù)膜極薄且與焊縫金屬直接連為一體， 所以焊后不需要清渣，從而能夠進(jìn)行連續(xù)焊接。

3. 2 合金元素對(duì)堆焊層耐磨性的影響

根據(jù)合金體系的化學(xué)成分不同，自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲可以分為鐵基合金系統(tǒng)、鈷基合金系統(tǒng)和鎳基合金系統(tǒng)等^［19］。在這些合金系統(tǒng)中，鐵基堆 焊合金價(jià)格低廉，通過(guò)添加合金元素可以形成不同的品種，性能變化范圍較為廣泛，而且能夠?qū)崿F(xiàn)韌度和耐磨性的良好匹配，可以滿足許多不同工況的要求^［20］。Fe－Cr－C 系堆焊合金因其耐磨性好和價(jià)格低廉的突出優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前磨損工況下最為廣泛應(yīng)用的一種堆焊合金，主要應(yīng)用在受磨損零件的制造和修復(fù)中^［21］。在 Fe－Cr－C 系自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲中通過(guò)添加不同比例的高碳鉻鐵，就可以使堆焊合金獲得亞共晶或過(guò)共晶成分，并且在堆焊合金中有初生和共晶M C 型碳化物生成^［22］。隨著M C 型碳化物的增多，堆焊合金的硬度增加，耐磨性也不斷提高。但是， 當(dāng) M₇ C₃ 型碳化物的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)35%時(shí)，在堆焊合金硬度增加同時(shí)其開(kāi)裂傾向也不斷增大，所以提高堆焊合金的耐磨性不能單純依靠M C 型碳化物［23－24］。

為進(jìn)一步提高 Fe－ Cr－ C 系堆焊合金的耐磨性，眾多研究者對(duì)自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)在其藥粉中適當(dāng)加入 V，Ti，Mo，W，B 和 Nb 等合金元素，通過(guò)多元微量的合金化方式，能夠改善堆焊合金的韌性，并且堆焊合金的硬度和耐磨性明顯增加［25－28］。叢相州等人^［29］研制了 2 種多元合金強(qiáng)化型高鉻鑄鐵自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲。其藥芯焊絲采用金屬粉芯、多元合金強(qiáng)化型高鉻鑄鐵合金系以及造氣－ 合金元素自保護(hù)機(jī)制，焊接工藝性能優(yōu)良。在多種合金元素的綜合作用下，堆焊層顯微組織發(fā)生明顯改變。馬氏體和少量奧氏體基體組織與垂直于磨損面呈細(xì)桿狀的初生碳化物和呈粒狀共晶碳化物實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌性良好匹配， 堆焊層宏觀硬度為 HＲC61 ～ HＲC63，可以抵抗不同應(yīng)力等級(jí)的磨粒磨損。王清 寶等人^［30］研究了Nb 和Mo 對(duì)高碳自保護(hù)藥芯焊絲熔敷性能的影響，觀察 Nb 和 Mo 在金相組織中存在的形態(tài)，分析了 2 種元素的強(qiáng)化機(jī)理，以及硬度和耐磨性存在差異的原因。結(jié)果表明:  隨著 Nb 和 Mo 含量的增多，Nb 和 Mo 的初生碳化物數(shù)量增多，熔敷金屬硬度和耐磨性均提高。但是，在熔敷金屬中， Nb 僅生成初生 NbC，沉淀強(qiáng)化熔敷金屬，強(qiáng)化效果明顯;  Mo 不僅生成初生 Mo₂ C，而且還固溶強(qiáng)化初生 Cr₇ C₃ 和基體，通過(guò)沉淀和固溶 2 種形式強(qiáng)化熔敷金屬，但強(qiáng)化效果不明顯。李達(dá)等人^［31］研制了一   種自保護(hù)高鉻鑄鐵型藥芯焊絲，研究對(duì)象選擇 Fe－ Cr－C－V 系合金，對(duì)其堆焊金屬組織與性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:   堆焊合金顯微組織主要為馬氏體+ 殘余奧氏體+M₇ C₃  型碳化物。其中表面為多邊形具有六方棱柱結(jié)構(gòu)，并且垂直于母材向堆焊層表面生 長(zhǎng)的 M₇ C₃ 初生型碳化物是堆焊合金中的主要強(qiáng)化相，大幅度提高了堆焊層平均硬度，為 HＲC63。在藥芯焊絲中加入了適量的 Mo 鐵和 V 鐵，一部分 Mo 和 V 元素在堆焊合金中形成了 Mo₂ C 和 V₂ C 碳化物， 起到彌散強(qiáng)化作用;  剩余部分的 Mo 和 V 元素固溶在基體組織中，起到固溶強(qiáng)化作用。在彌散強(qiáng)化和 固溶強(qiáng)化共同作用下，堆焊合金的耐磨性大幅度提 高。另外，在藥芯焊絲中加入適量的稀土氧化物后， 堆焊金屬相對(duì)耐磨性為 Q235 鋼的 14 倍左右。

3. 3 外加硬質(zhì)相顆粒對(duì)耐磨性的影響

外加硬質(zhì)相顆粒對(duì)于提高堆焊合金硬度和耐磨性是非常有效的方法。常用外加硬質(zhì)相顆粒主要是 各種高熔點(diǎn)、高硬度、并與基體組織潤(rùn)濕性良好的 碳化物、氮化物、硼化物和氧化陶瓷硬質(zhì)相顆粒等。尉法兵等人^［32］在 Fe－Cr－C 系藥芯焊絲中加入不同含量 TiB₂ 粉末，制備 TiB₂ 強(qiáng)化高硬度高耐磨堆焊自保護(hù)藥芯焊絲，并對(duì)其堆焊合金的顯微組織和性 能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:    TiB₂  的加入，使得堆焊合金中初生碳化物增多，同時(shí)生成了大量的 TiC － TiB₂   顆粒，并且彌散分布在初生碳化物和基體上，其堆焊合金具有更高的硬度和更好的耐磨性。

目前，很多單位都對(duì)自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲 開(kāi)展了不同程度的研究，但只有很少的成果轉(zhuǎn)化成 了產(chǎn)品，導(dǎo)致其應(yīng)用也受到限制。另外，再加上堆 焊技術(shù)沒(méi)有現(xiàn)成的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，致使每個(gè)單位的工藝、設(shè)備以及工況復(fù)雜程度也參差不齊^［35］，所以對(duì)自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲的焊接工藝性能和力學(xué)性能的 要求也各不相同，導(dǎo)致其在批量化生產(chǎn)方面與堆焊 焊條還存在一定的差距。為推動(dòng)我國(guó)制造和再制造 工業(yè)的快速發(fā)展，還應(yīng)加速自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊 絲的科研和生產(chǎn)發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

［1］ 熊俊偉．  CSP 板形控制及工作輥磨損模型研究［D］．  湖北  武漢:武漢科技大學(xué)，2007．

［2］ 任艷艷， 張國(guó)賞， 魏世忠， 等． 我國(guó)堆焊技術(shù)的發(fā)展及展望［J］．  焊接技術(shù)，2012，41( 6) :   1－4．

［3］ 何 實(shí)，李家宇，趙 昆． 我國(guó)堆焊技術(shù)發(fā)展歷程回顧與展望［J］．  金屬加工:   熱加工，2009( 22) :   25－27．

述［J］．  中國(guó)機(jī)械工程，1996，7( 5) :   60－64．

［4］ 張文鉞．  21 世紀(jì)我國(guó)焊接材料的發(fā)展前景［J］．   焊接技術(shù)，

2000，29( 4) :   38－40．

［5］ 楊建東，王有平． 面向 21 世紀(jì)的我國(guó)藥芯焊絲制造技術(shù)的研究與發(fā)展趨勢(shì)［J］．  機(jī)械工人，2002( 10) :   19－21．

［6］   溫家伶， 王 強(qiáng)， 陳明清， 等． 自保護(hù)藥芯焊絲研究的現(xiàn)狀

［J］．  武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002( 6) :   733－736．

［7］ 賈 華． 多元復(fù)合強(qiáng)化耐磨堆焊藥芯焊絲及堆焊層耐磨機(jī)理的研究［D］．  遼寧 沈陽(yáng):   沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2018．

［7］ 孫    咸．  藥芯焊絲特性及生產(chǎn)線裝備的選用［J］．  電焊機(jī)，2013，

43( 9) :   20－24．

［8］ 陳天宇．  藥芯焊絲生產(chǎn)工藝及裝備的發(fā)展?fàn)顩r［J］．  天津冶金，

2009( 4) :   67－70．

［9］ 王占朝．  特種耐磨藥芯焊絲的制備工藝和性能優(yōu)化研究［D］．  河北 秦皇島:   燕山大學(xué)，2009．

［10］ 汪    虎．  耐磨堆焊用自保護(hù)藥芯焊絲渣系研究［D］．  江蘇  南京:   南京航空航天大學(xué)，2010．

［11］栗卓新，陳邦固，張文鉞，等． 自保護(hù)藥芯焊絲的研究進(jìn)展評(píng)述［J］．  中國(guó)機(jī)械工程，1996，7( 5) :   60－64

［12］ 唐天順．  高鉻自保護(hù)明弧堆焊無(wú)渣耐磨藥芯焊絲的研究［D］．湖南 湘潭:   湘潭大學(xué)，2012．

［13］ 吳    健．  結(jié)構(gòu)鋼用自保護(hù)藥芯焊絲工藝性能研究［D］．  江蘇  南京:   南京航空航天大學(xué)，2010．

［14］ 倪雪輝．  金屬粉芯自保護(hù)堆焊用藥芯焊絲的研制［D］．  湖南  湘潭:   湘潭大學(xué)，2009．

［15］ 李再華．  微渣耐磨堆焊用自保護(hù)藥芯焊絲的研制［D］．  湖南  湘潭:   湘潭大學(xué)，2006．

［16］ 牛全峰．  自保護(hù)藥芯焊絲的研究［D］．  湖北  武漢:   武漢理工大學(xué)，2005．

［17］ 許立寶．  全位置自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲研制［D］．  黑龍江  哈爾濱:   哈爾濱焊接研究所，2015．

［18］ 劉大雙． 耐磨堆焊用無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲及其冶金行為研究［D］．  江蘇 南京:   南京航空航天大學(xué)，2013．

［19］ Liu D S，Liu Ｒ P，Wei Y H，et al． Comparative behaviour of cobalt and iron base hardfacing alloys［J］．  Surface  Engineering，2012，28 ( 5) :   338－344．

［20］ Balasubramanian V，Varahamoorthy  Ｒ，Ｒamachandran  C  S，et  al． Abrasive slurry wear behavior of stainless steel surface produced by plasma transferred arc hardfacing  process［J］．  Surface  and  Coatings Technology，2010，202( 16) :   3 903－3 912．

［21］ Sun D Q，Wang W Q，Xuan Z Z，et al．  Effect of alloy elements on microstructure and crack resistance of Fe－Cr－C weld surfacing layer［J］．  China Welding，2003，12( 2) :   92－97．

［22］ 王智慧，賀定勇，蔣建敏，等． Fe－Cr－C 耐磨堆焊合金磨粒磨