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目前,由于磨损在工业生产中造成巨大的资源浪费与经济损失,人们对具有优异耐磨性能的药芯焊丝产生更高的需求。但是我国的药芯焊丝发展水平较低,生产的药芯焊丝堆焊后的合金质量较差,不能完全满足工业生产中耐磨的要求。因此,研究一种具有优异耐磨性能的不锈钢药芯焊丝具有重要意义。本课题采用不锈钢药芯焊丝通过明弧堆焊制备堆焊合金,研究C、Cr、Nb元素含量对堆焊合金的组织与性能的影响。首先根据堆焊合金的性能要求,确定药芯焊丝的合金体系,使用Pandat软件分析优化确定各元素的含量范围,再采用三因素三水平的正交试验方法设计出药芯焊丝的初始成分,使用堆焊的方式在Q235基体上制备出堆焊试样。再运用OM、XRD、SEM、EDS、洛氏硬度计、摩擦磨损试验机等设备对堆焊试样表征与测试。通过正交优化得到最佳药芯焊丝成分,并进行实际应用检验。实验结果表明:不锈钢药芯焊丝堆焊合金的组织主要成分由Y-Fe+Fe-Cr共晶组织+M7C3型碳化物+NbC硬质相组成。其中M7C3型碳化物与NbC硬质相可以形成耐磨损的“骨架”结构,减少基体受到的磨削与割裂作用,提高堆焊合金的抗磨损能力。但是M7C3型碳化物与NbC硬质的含量过多,使得堆焊合金韧性降低脆性升高,其耐磨性能先升高后下降。堆焊合金中C元素对堆焊合金性能影响较大,Nb与Cr的影响较少。当C含量为3%时,堆焊合金的主要结构是共晶碳化物与Fe-Cr共晶基体组织。C含量不足,会使得碳化物难以长大,晶粒尺寸非常细小,堆焊合金韧性较高,但硬度较差,硬度最高为54.9 HRC。当C含量上升为5%时,堆焊合金中的共晶碳化物转变为初生的M7C3型碳化物,组织由共晶组织转变为亚共晶组织,初生相为M7C3型碳化物与NbC颗粒。C含量的增多使得初生碳化物长大,成为堆焊合金的耐磨骨架,使得堆焊合金的硬度及耐磨性能大大提高,硬度最高为64HRC,均值摩擦系数最低为0.30。堆焊合金中的Nb也是强碳化物的形成元素,可以在γ-Fe相中原位合成NbC颗粒,初生NbC颗粒的形成会消耗碳原子,降低珠光体中碳的含量使其韧性得到改善,并且弥散分布的NbC颗粒可以阻碍M7C3相的生长,细化晶粒而改善合金的韧性,并减少碳化物含量增加对合金的不利影响。当合金凝固时,NbC颗粒作为异质形核核心,可以细化组织结构,改善合金耐磨性能。但Nb含量过高,会阻碍碳原子的扩散速度,抑制碳化物的生成,反而降低合金耐磨性能。通过正交分析与优化,元素对堆焊合金硬度的影响顺序为:C元素>Nb元素>Cr元素;并且得到堆焊合金成分的最优组合为:C含量为5%、Cr含量为16%、Nb含量为6%;通过实际应用对优化后的药芯焊丝进行检验,结果为:优化的药芯焊丝具有良好的焊接工艺和优异的堆焊层质量,可满足实际生产中损坏轧辊的修复要求。