（材料加工工程专业论文）fecrc高碳耐磨堆焊合金的研究.pdf

摘要 摘要 本论文主要研究了以下三部分： 1对高碳耐磨堆焊焊条药皮配方进行了探讨：并研究了药皮中合金元素对商 碳耐磨堆焊焊条工艺性能的影响： 2研究了碳对耐磨堆焊层的微观组织及机械性能的影响： 3 对初生碳化物定向生长控制进行了探讨。 根据各种药皮的典型配方及石墨过渡系数的大小确定焊条药皮类型为钛钙 型。调节药皮中石墨含量，观察石墨对焊接工艺性能的影响：随石墨含量的增 加焊接工艺性能变差，石墨含量较低时焊道无裂纹，随石墨含量的增加，焊道 裂纹从横向裂纹到纵向裂纹最后横纵裂纹相交，堆焊层整个表面被裂纹分割成 许多小块。随铬含量的增加焊道由光滑到不连续，焊接工艺性能变差。 通过在药皮中逐渐增加石墨的含量，研究碳对堆焊层宏观硬度和耐磨性的 影响规律。通过x 一射线衍射物相分析、扫描电镜微观形貌观察及电子能谱分 、透射电镜分析、显微硬度分析及金相组织观察知：随碳含量的增多，堆焊 层中初生碳化物的数量越来越多，颗粒越来越大；共晶碳化物的颗粒也越来越 大，且在初生碳化物周边生长，离初生碳化物愈远，共晶碳化物愈密集：初生 和共晶碳化物都呈孤立状存在；堆焊层的宏观硬度随碳含量的增加逐渐增加， 当碳含量超过6 时，硬度增加十分缓慢甚至趋向稳定，这与金相组织中初生碳 化物数量的增加一致。通过湿砂橡胶轮磨损试验得出含碳量与耐磨性的关系： 当碳含量在3 1 4 到5 ，1 6 时，随含碳量的增加，耐磨性亦增加。 两种方法研究了初生碳化物的定向生长规律： 一、提高堆焊层中碳含量 二、提高堆焊层焊接时的过冷度 北京工业大学工学硕士学位论文 两种方法虽都能得到碳化物的定向生长，但初生碳化物颗粒的大小却相反。增 加碳含量初生碳化物颗粒增大；提高冷却速度初生碳化物颗粒变小且致密。通 过耐磨性分析得：要得到良好的耐磨性两种方法必须有机结合起来即在适量增 加含碳量的基础上提高堆焊层的冷却速度。 关键词：初生碳化物，共晶碳化物，定向生长，耐磨性，堆焊 a b s t r a c t a b s t r a c t t h r e en e l d sa r ep r i m a r i l ys t u d i e di nt h i sp a p e ra sb e l o w ： 1 t h ef o r m u l ao f h a r d f a c i n ge l e c t r o d e sw i t l lh i 曲c a r b o nc o n t e n t si ss m d i e d t h e e f f 色c t so f a l l o ye j e m e n t s t op m c e s s j n g p r o p e 币e so f e i e c 们d e s a r ei n v e s t i g a t e d 2t h ee f f b c t so fc a r b o nt om i c m s t r u c t u r ea n dm e c h a j l i c a ip r o p e r t yo f h a r d f a c i n g l a y e ra r er e s e a r c h e d 3 t h eo r i e n t a t i o nc o n t r o lo f t h ep r i m a r yc a r b i d e si nt h eh a r d i a y e ri ss t u d i e d t i t a n i u m c a l c i u f n t y p eo fe l e c t r o d ec o a t i n ga r es e l e c t e db ys t u d y i n gt y p i c a 】 f o r m u l ao fc o “n g sa 1 1 dt r a i l s f e re m c i e n c yo fc a r b o n e c t so fc a r b i d et o w e l d j n g p r o c e s s a r e i n v e s t i g a t e db yc o n t f o l l i n g c a r b o nc o n t e n t w i t h i n c r e a s i n g c a r b o n c o n t e n tw e l d i n gp r o c e s sg e tw o r s e w h e nc a r b o nc o n t e n ti sl o 、v e rt h eh a r d f a c i n g l a y 钌h a sn oc r a c k ；w h e ni ti si n c r e a s e dm et r a n s v e r s oc r a c k sa p p e a ra tn r s ta n dt h e 1 0 n g i t u d i n a jc r a c k sa p p e a r 谢t 1 1t i l e i n c r e a s i n g o ft h ec a r b o n c o n t e n t s w b l d i n g p r o c e s sg e tw o r s e 、v i t l la 1 1i n c r e a s ei nc h r o m i u mc o n t e n ta i l ds m o o t hb e a dt u mt ob e d i s c o n t i n u o u s e 舵c t so fc a r b o nt om a c r o h a r d n e s sa n d 曲r a s i v er e s i s t a n c eo f h a r d f a c i n gl a y e r a r es t u d i e d b ya d d i n gm eg r a p h i t e t ot h ee l e c t r o d e c o a t i n g sg r a d u a l l y s e v e r a l c o n c l u s i o n sc a nb eg o ti nt h i sp a p e r b yx 、r a yp h a s ea n a l y s i s ，s e ma n a i y s i s ，e l e c t r o n e n e 唱ys p e c 仇u na 1 1 a l y s i s ，t e ma 1 1 a l y s i s ，m i c r o h a r d l l e s sa n a i ”i sa n dm e t a l l o 脚h j c o b s e r v a t i o n ：t h eq u a n t i t ya n dv o l 啪eo f t h e p r j m a r y c a f b i d ej n c r e a s eg r a d u a j j y 训t h i n c r e a s i n gc a r b o nc o m e n t ；t h ev o l u m eo f t h ee u t e c t i cc a r b i d eb e c o m e sl a r g e rm t ha n i n c r e a s ei nc a r b o nc o n t e n t sa n dt h ee u t e c t i cc a r b i d e 8g r o wa r o u n dp r i m a r y c a r b i d e s ； t h em r t h e rt h ee u t e c t i cc a r b i d e sa r ef r o mp r i m a r yc a r b i d e st h ed e n s e rt h e ya r e ； p r i m a r yc a r b i d e sa n de u t e c t i cc a r b i d e si s o l a t e d l yd i s t r i b u t eo nt h eb a s em e t a l ；t h e 北京工业大学工学硕士学位论文 h a r d n e s so fh a r d f a c i n gl a y e ri n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gc a r b o nc o n t e n t b u tw h e n e x c e e d i n g6 ，t h ei n c r e a s eg e ts l o w ； t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a r b o nc o n t e n ta j l d a b r a s i v er e s i s t a j l c ew a s i n v e s t i g a t e db y a b r a s i o nt e s t t h ea b r a s i v er e s i s t a n c e 1 1 c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nc a r b o nc o n t e n tb e t w e e n3 】4 a n d5 16 7 r w om e t h o d sa r eu s e dt os t u d yl a wo fd i r e c t i o n a lg r o w 血f o r p r i m a r yc a r b i d e s ： f i r s t l y ，i n c r e a s eo f t h ec a r b o nc o n t e n t so f h a r d f a c i n gl a y e l s e c o n d l y m i s ed e g r e eo fs u p e r c o o l i n gw h e nw e l d i n g t h e s et w ok i n d so fm e 也o d sc a nb o t hm a k ec a r b i d eg r o wd i r e c t l y ，b u th a ss o m e l l i f f e r e n c et h ev o l u m eo fp r i m a r yc a r b i d e s g e tl a r g e r w h e nc a r b o nc o n t e n ti s i n c r e a s e db u t g e t s m a l l e rw h e nr a i s i n g c o o l i n gs p e e d i tc a nb ec o n c l u d e d b y a b r a s i v et e s tt h a t g o o d a b r a s i v er e s i s t a n c ec a nk g o tb yr a i s i n gd e g r e e o f 吼i p e r c o o l i n gb a s e do ni n c r e a s i n gc a r b o n c o n t e n ti nh a r d f h c i n g l a y e rp r o p e r i y k e yw o r d s ：p r i m a r yc a r b i d e a b r a s i v er e s i s t a n c e i v e u t e c t i cc a r b i d ed i r e c t i o n a lg r o w m h a r d f k i n g 第室绪沦 第一章绪论 1 1 课题的背景与实际意义 1 1 1 工农业生产中因磨损造成的损失 据统计，机械设备提前失效的原因7 0 由于磨损和腐蚀，机电产品制造和 使用中大约1 3 的能源直接消耗于摩擦磨损。我国机电系统1 9 9 0 年调查2 7 个 省市共4 0 0 家企业，由于磨损而造成的损失约为1 1 6 亿元l l j 。 在冶金、发电、矿山、建材、煤碳等行业中，许多工况条件都存在设备的 严重磨损问题，造成设备过早地损坏，需停机检修或更换。如焦碳的筛分，由 于物料的磨削作用，碳钢板制成的料斗使用一个月就磨损报废：炼铁厂的高炉 排渣管道不断受到水渣的冲刷，磨损也相当严重，1 0 m m 厚的碳钢板制成的管 道使用寿命仅为2 3 个月。还有风机叶片、振动给料机、管道弯头、洗煤设备、 破碎设备等，也都是较为典型的易磨损设备。 仅对我国冶金、煤炭、电力、建材、农机等行业的不完全统计，作业环境 为泥沙、粉尘、矿石等介质的金属机件每年被磨掉的重量达百万吨以上，再考 虑停机、更换设备的损失，由于磨损造成的损失是相当严重的。因此，研制高 性能的抗磨材料、提高设备的使用寿命，对减少停机和维修，提高产量，增加 效益，都有重大意义。 1 1 2 传统抗磨材料的不足及复合抗磨材料的出现 传统的抗磨损材料一般为整体铸造的抗磨铸造合金，如高锰钢、铬系抗磨 铸铁等，用这类材料能使机件的抗磨损性能有较大提高。但这些材料还在某些 方面存在不足，如抗磨白口铸铁脆性大、不耐冲击；高锰钢抗磨粒磨损性能差， 以及铸造的抗磨材料结构笨重，材料浪费严熏等缺点而不能满足工业生产对耐 磨材料的要求。 复合材料是近年来材料科学的重要发展方向，铁基层复合材料是在钢基表 面进行复合处理而形成具有新性能表面的复合材料。这些复合材料有着优秀的 北京工业大学1 学硕士学位论文 综合性能。比如复合钢板，既有高的刑磨性，又有良好的韧性和塑性，可以弯 曲，拼焊等。而且这些复合材料制造的产品较传统耐磨产品往往轻巧，加工方 便，应用范围广。 1 1 3 本课题的理论与实际意义 1 1 3 1 减少使用贵重合金的意义 材料是社会文明的象征，也是人们生产技术和生活水平提高的一个物质基 础。随着人类追求物质欲望的增加，也随着地球上人口的增多，人们使用的资 源、能量、材料也越来越多，其结果是给地球的压力越来越大。如何既能很好 的使用材料、能源，又不给自然资源带来灾难。这就需要研究环境、材料和社 会之间的关系，使人类社会可持续发展。 人类社会发展到今天，世界各国都将可持续发展作为2 l 世纪发展战略。可 持续发展是指即可满足当代人的需要，又不损害后代人的需求发展，就是说， 经济建设与人口、资源和环境要协调发展，既要达到发展经济的目的又能保护 人类赖以生存的资源环境，使人类能够连续不断发展。但是人口膨胀、资源短 缺和环境恶化是当今世界可持续发展所面临的三大问题。资源与能源又是制造 材料和推动材料发展的两大支柱，由于环境和材料不合理的开发和利用，直接 导致了资源短缺和环境恶化。因而，材料和可持续发展之间的问题已引起世界 各国的高度重视。 人类日常所用的资源主要来源于地球表层。例如，煤、石油、天然气、金 属矿石、稀有元素等，它们并不是取之不尽用之不竭的。现在资源中面临着前 所未有的危机。1 9 8 5 年，世界有关组织曾经做了一次全球金属矿产资源储量及 使用年限预测的调查表( 见表1 一1 ) 。其中，用途较广的铁矿储量为1 5 3 4 亿吨， 预测使用年限为1 7 1 年；金属铜储量为3 4 亿吨，预测使用年限为4 0 年；金属 铝储量为2 l 亿吨，预测使用年限为2 3 8 年；即使那些储量比较丰富的资源对多 也不超过2 0 0 多年。那么，2 0 0 多年以后，人类有将用什么呢? 据有关资料报道， 现在世界上每年金属耗量有增长趋势，如1 7 5 0 1 8 0 0 年为o1 9 2 亿吨：1 8 0 0 18 5 0 为1 0 亿吨：1 8 5 0 1 9 0 0 年为9 亿吨：1 9 0 0 1 9 5 0 年为4 0 亿吨。从以上 2 一 第一章绪论 数据可以看出，金属耗量正在增长，但开采矿石品位却不断下降，如，2 0 世纪 5 0 年代，铜矿为1 8 ，锡矿为1 6 8 ，钨矿为3o 。2 0 世纪8 0 年代，其品 味分别为o7 6 ，0 2 0 ，o2 5 。到2 0 世纪9 0 年代铜矿仅为o 2 o 3 吐 表i i世界主要金属矿物资源储量及预测使用年限 预测使用年预测使用年 矿物质资源矿物质资源 限限 f e1 5 3 4 x 1 0 91 7 lp b9 5 o x l 0 62 6 m n9 0 7 2 x 1 0 09 7z n1 7 0 o x l 0 62 6 n i5 2 6 x 1 0 66 8a l2 1 o x l 0 92 3 8 w 2 8 x 1 0 66 0s n30 6 x 1 0 61 6 c u3 4 0 0 x 1 0 64 0a u3 9 8 x 1 0 32 5 以1 9 8 5 年产量为依据 虽然，材料给人类带来了文明与进步，但材料在开采、提取、制造、生产、 加工、运输、使用和废弃过程中，都消耗了大量的资源和能源，并排出大量的 废气、废水和废渣，污染并破坏了人类生存环境。如何趋利弊害，这就要求人 们尽量减少对贵重金属的应用f 3 】0 1 1 3 2 课题国内外研究状况 铁基合金材料因价格便宜，使用方便而成为最为广泛应用的合金材料。在 抵抗磨损过程中，特别是低应力磨损中，碳含量起重要的决定作用，当碳含量 高于3 5 时，许多初生碳化物形成，从而，耐磨性明显提高。 在铁基堆焊合金层中，不同的微观组织有不同的耐磨性能，这些显微组织 包括铁素体贝氏体，马氏体，奥氏体，碳化物【。在很多情况下，碳化物在铁 基系统中提供较高的耐磨性能。早在1 9 4 9 年h a 、v o r d l 曾报道过碳是抵抗铁和不 锈钢的磨擦中最为重要元素。h a w o r t h 进一步推出其它合金元素在耐磨中的重要 性具第二位，铁和不锈钢的宏观硬度与耐磨性不成比例，而微观组织的类型和 3 北京工业大学c 学硕士学位论文 数量与刑磨性成比例 5 】。a v e r y 和c h a p i n 用不标准的湿沙磨损实验得出，当向 高铬铁中增加钼、钨、锰、铌或钒等元素提高其性能时，填加的金属价格与提 高的耐磨性不成比例。尽管，这些工作都不是在i s 0 1 4 0 0 0 环境评估体系下实验 的，他们得出的结论却是一致的。虽然，这些工作可以追溯到5 0 年前，但研究 堆焊合金的耐磨性，人们仍注重硬度和合金含量，而不注重碳的含量及内部显 微组织组织| 5 j 。 d k o t e c k i 和j s o g b o r n 做了大量的实验得出了碳对耐磨性的影响 如图l l 所示，当然这也不排除一些显微组织的影响。图1 一l 中在低碳区 ( 7 0 2o 0 0 3 e 溅性变大 熔渣流动性不易流动 渣全覆盖匕2 中间少量裸露。= = ： 中间多量裸露= = 令仅两边有渣 渣的覆盖性 。熔渣随机成团不能保护焊道。 渣壳内松孔 渣壳内松 l 增多 脱渣性 逐渐困难，最后经常出现夹渣现象 随石墨含量的增多，焊后裂纹逐渐增多，其变化过程如f ：无裂纹 e = 有很少的横向裂纹c = 横向裂纹增争= = 横向裂纹很多且 裂纹状况 有很小的纵向裂纹e = 横向裂纹很多且纵向裂纹变多c = 裂 纹成块状孤立分布。 总体上来说，药皮中随泥状石墨含量的增多，焊接工艺性能下降。 2 5 5 2 高碳铬铁对焊接工艺性能的影响 为考察高碳铬铁对焊接工艺性能的影响，则固定石墨含量，使高碳铬铁在药 皮中的质量百分比含量逐步增加，看其变化。药皮组分配比见表2 1 0 。 按上表制成六组不同的焊条，在同一焊接工艺条件下进行焊接实验，观察结 1 8 第二章高碳耐磨堆焊焊条的研究 果如表2 1 1 表2 1 0药皮成分配比表 焊条药皮组分含量( w t ) 组分( w t ) 7 # 8 8 9 4 1 0 4 1 1 4 1 2 4 泥状石墨 666666 高碳铬铁 3 04 05 06 07 08 0 其余成分 6 45 44 43 42 41 4 表2 1 l 药皮中高碳铬铁粉含量的增加对焊条工艺性能的影响 高碳铬铁粉含量 ：艺性能 ( ) 6 0焊接工艺好 7 0 焊接飞溅增多，焊道保护性能变差。焊接成型不光滑。 8 0引弧容易，焊接时飞溅较多，焊道表面有未完全熔化的金属粉，焊道成 形不连续，焊渣成团，基本上不能对焊道形成保护，脱渣困难。 总体上来说，药皮中随高碳铬铁粉含量的增多，焊接工艺性能下降。 2 5 6 焊条药皮的最终确定 通过2 4 2 1 3 和2 4 2 4 两步，经大量实验，可制得药皮中石墨含量为4 的 几种工艺性能好，石墨过渡系数高的焊条药皮配方，之后，将石墨提高到6 。 由于满足此要求的药皮配方的焊接工艺性能比较差，所以，本试验就将含石墨 量为6 ，焊接工艺性能好的药皮配方做为本实验的基本配方，由上述知1 7 # 药皮配方满足此要求。这样本实验就以1 7 “焊条药皮配方改变药皮中石墨含量， 进行工艺性能的研究。即对14 ，2 ，38 ，48 ，54 ，64 焊条所制得的高碳耐磨 堆焊合金层进行以下机械性能实验。 2 6 本章小结 一1 9 一 北京工业大学工学硕士学位论文 通过焊条设计的依据，方法及各材料在焊条药皮中的作用，依据钛钙型典 型药皮配方，并通过金相组织粗略判断相对碳含量的高低，经大量试验研制出 焊接工艺性能良好的高碳耐磨堆焊焊条。对所研制的堆焊焊条药皮通过分别不 断提高石墨含量和高碳铬铁粉含量，研究了石墨和高碳铬铁粉对焊接工艺性能 的影响。实验结果表明：焊条药皮中随石墨和高碳铬铁粉含量的增加，焊接i - 艺性能变差。 一2 0 第三章f e c r c 型高碳耐磨堆焊层组织和性能的研究 第3 章f e c r c 高碳耐磨 堆焊层组织和性能的研究 3 1 前言 本章对含碳量为3 3 4 、4 1 l 、5 1 6 、6 5 的f e c r c 高碳耐磨堆焊 堆焊合金的宏观和微观及其机械性能进行研究。通过金相分析及扫描电子显微 分析研究了初生碳化物及共晶碳化物的变化规律；依靠能谱分析测得基体、初 生碳化物及共晶碳化物中f e 、c r 元素的含量，并做比较；做透射电子显微镜对 基体组织进行了研究；测量宏观硬度和显微硬度考察了碳对宏观硬度的影响及 碳化物横截面和纵截面之间的硬度关系：通过湿砂橡胶轮磨损得出碳对堆焊层 耐磨性能的影响及碳化物与基体的互相保护作用；对金相分析、能谱分析、磨 损形貌分析推测出磨损形貌上的小孔所在地很可能就是初生碳化物形成时形成 的孔洞及缺陷所在地。 3 2 实验设备 c l y m pv s d e m 型金相显微镜，h 1 0 0 型洛氏硬度试验机，h x d l o o o 型 显微硬度计，m s l 2 3 橡胶轮磨粒磨损试验机，j s m 一6 3 0 1 f 场发射扫描电镜， h 7 0 0 h 透射电子显微镜，x 射线衍射仪，万分之一光学分析天平。 3 3 高碳耐磨堆焊层的制备 磨损过程是个复杂的动态过程，而硬度则是静态参量，不能正确地反映这 一动态过程【引。d j k o t e c 和j s o g b o r n ，对2 0 0 多个铁基合金系堆焊的 试样分析后，得出结论：微观组织，而不是硬度，是铁基耐磨合金抗低应力磨 损的关键因素，这类合金最抗磨的微观组织是含奥氏体的共晶体+ 初生碳化物； 硬质相的形态、分布、数量、大小、基体的性质以及与硬质相的匹配都会影响 堆焊层耐磨性【“。它有较高的硬度( h r c 5 0 ) 和耐磨性，但合金脆性较大，可用 在受磨粒磨损而不受强烈冲击的工件上。基体主要为f e c r 固溶体。硬质相与 基体形成良好的匹配是良好耐磨性的保证。 2 1 北京工业大学工学硕士学位论文 3 3 1 耐磨堆焊层的性能要求 从刷磨复合钢板的使用看主要用在建筑、矿l u 、农机等行业上，堆焊层 主要承受低应力磨料磨损，有时会使用在泥沙环境中。耐磨层应满足以下性能 要求。 堆焊层与母材问要有良好的冶金结合。 堆焊层要保证定的硬度。 堆焊层要有良好的耐磨性，最好有一定的耐蚀性。 3 3 2 耐磨堆焊层的制备 按表2 8 ，取14 ，24 ，4 “，58 ，64 制成五种高碳耐磨堆焊焊条。 根据焊接实际情况，优化焊接工艺参数，使焊接工艺性能良好。堆焊工艺 参数见表3 一l 。 表3 1堆焊工艺参数 焊接参数电流( a )电压( v )焊速( m m ，m i n ) 大小 1 6 0 1 9 02 0 2 41 4 0 焊接是要注意，试板要用夹具在焊接工具台上加紧，这是为了防止试板变 形。试板厚度为8 m m 。在试板上焊一l o o m m 2 5 m m 8 m m 厚的堆焊层进行焊 接实验性能实验。手工焊焊接，每焊完一层都要先清理焊接表面，以免造成夹 渣。堆焊至少四层，主要是为了减少母材对堆焊层的稀释率的影响。 堆焊层制得后，用电切割机切割，取样。切割时要避开起弧和收弧的地方， 两侧各去2 c m ，取中间6 c m 作为试样。取出后用砂轮机粗打磨堆焊表面，但要 保证打磨量大致相等，这样的目的是为了便于观察和比较相同情况下各实验性 能。后根据各实验的具体要求制成不同的试样。进行组织和性能分析。 3 4 实验过程 3 4 1 金相试样制备过程 取1 0 n 1 i i l 1 0 m m 5 r 眦制成金相试样，先磨后抛，最后进行浸蚀。 浸蚀：堆焊层组织中含有大量的碳、铬等元素，耐腐蚀性好。采用腐蚀性 一2 2 第三章f e c f c 型赢碳耐磨堆焊层组织和性能的研究 强的j 氯化铁盐酸溶液，浸蚀的堆焊层组织清晰。浸蚀时间大约5 0 秒。 浸蚀液的配制：三氯化铁5 9 盐酸 5 0 m l 蒸馏水 l o o m j 3 4 2 金相组织观察 试样浸蚀好后，选取典型的内部显微组织，合适的放大倍数，拍摄成金相 照片。 3 4 3 洛氏硬度试验 将上述切割和粗磨过程中所制成得一组试样从中间取4 0 m m 2 5 m m 8 m m 的试样做洛氏硬度试验。堆焊层表面和背面用2 0 0 号砂纸磨平，以保证平 行度。载荷1 5 0 k ，取5 点测洛氏硬度，把5 点的硬度平均值作为最终硬度值。 测量宏观硬度主要是为了观察碳含量对堆焊合金硬度的影响。 3 4 4 显微硬度试验 实验条件：载荷1 0 0 9 ，加载时间1 5 秒； 实验过程：在要测定的组织中( 主要观察各试样显微组织中自色组织和黑色 组织及黑白相间组织) ，取五点打显微硬度，其中任何两点的距离大于三倍的压 痕，取五点的平均值。 3 4 5 堆焊层成分分析 根据显微组织，初生碳化物的多少，粗略估计出堆焊层含碳量的多少，后 测定化学成分。 实验方法：化学滴定法，红外吸收法 3 4 6x 射线衍射试验 试样尺寸：1 5 h 吼6 啪5 m m ，横断面处用4 硝酸酒精溶液轻微腐蚀。 3 4 7 场发射扫描电镜试验和能谱分析 试样尺寸：5 m m 5 m m 6 m m ，横断面用氯化铁溶液深腐蚀，腐蚀时间大 约9 0 秒，后用超声波清洗表面。为考察堆焊层中的共晶碳化物对试样进行扫描 一2 3 北京工业大学工学硕士学位论文 电镜分析和能谱分析。能谱分析是半定量的，并不准确，但能定性的说明元素 的相对含量的多少。 3 4 8 透射电子显微镜 型号：h 7 0 0 h 试样先用手磨，后用电解液电解做成几个u m ，主要考察基体组织。 3 4 9 磨粒磨损试验 试样尺寸：5 7 m 2 5 5 m m 6 嘲。试样切好后，在磨床上磨光表面，同时保 证磨损面和基面相互平行。图3 一l 为磨粒磨损试验机原理示意图。 图3 1磨粒磨损试验机原理示意图 试验原理：试验时装上6 0 邵尔硬度的橡胶轮，并将预磨损试样置于夹具杆 的试样槽内，使试样堆焊层表面的正中对准橡胶轮缘，施加一个载荷，通过杠 杆作用，使磨损表面受到一个正压力。利用转动的橡胶轮带动与水混合的石英 砂磨粒对堆焊层产生磨损，通过测定磨损试样的失重来确定堆焊层的耐磨性能。 磨损后用万分之一光学分析天平测量磨损试样的磨损量。本实验采用4 54 淬火 钢( h r c 5 1 5 ) 作为标准试样进行比较。 实验条件：橡胶轮转速2 4 0 r p m ：橡胶轮宜径1 7 6 唧；橡胶轮硬度6 0 ( 邵尔 龋度) ；水1 0 0 0 克，磨料为1 5 0 0 克、4 0 7 0 目石英砂；载荷7 k g ，磨损时间4 分2 0 秒，橡胶轮总转数1 0 0 0 转。 一2 4 第三誊f e c r c 型高碳耐磨堆焊层组织和性能的研究 3 4 1 0 试样磨损后表面形貌的观察 试样磨损后，制成5 i 砌5 m m 6 m m 试样，保护好磨损表面。在扫描电镜 f 观察微观形貌。 3 5 耐磨堆焊层组织和性能分析实验结果 3 5 1 堆焊层成分分析结果 堆焊层成分主要由碳、铬、铁组成，其余成分 0 5 。为此只测堆焊层中含 碳量和含铬量。测得成分见表3 2 。 表3 2堆焊层主要化学成分( 砒) 主要化学成分( w t ) 及c r c 编号 cc rc r c 其它 f e l 4 3 3 4 3 4 i o1 0 2 i o ，5 余量 2 4 4 1 13 7 4 891 2 2 8 ，结合f e c c r 合金液相面投影图可知，随温度的降低，初生碳化物开始出现主要为 m 7 c 3 。随温度的进一步降低，将发生共晶奥氏体的一系列转变，共晶碳化物开 始形成，共晶碳化物的主要形式有m 2 3 c 6 ，m 7 c 3 ，m 3 c ，这些碳化物都是硬 一3 i 一 北京工业大学工学硕士学位论文 质棚，对提高合金的抗磨能力起主要作用。 3 6 2 初生碳化物 高碳耐磨合金中含碳量一般为2 7 ，含铬量为1 1 3 5 。凝固组织中可 能出现的初生碳化物和共晶碳化物主要有m 2 3 c 6 ，m 7 c 3 ，m 3 c 这些碳化物都 是硬质相，对合金的抗磨能力起主要作用。 碳、铬碳比不同将直接影响初生碳化物的数量、性质、尺寸、分布状态及 基体组织性能。图3 2 为上述四种堆焊合金堆焊层的金相组织。由图可知，在 以隐针马氏体和少量奥氏体的基体上分布着一些初生碳化物和共晶碳化物。初 ，匕碳化物是指过共晶组织平衡凝固时，最早形成的初生相，在图中主要特征是 颗粒较大且孤立的白色碳化物。共晶碳化物指在f e c r - c 三元相图的液相面投 影图中经包共晶转变后形成奥氏体，奥氏体在冷却过程中转变成的相对细小的 碳化物，在图中主要指颗粒细小的小白点。 这些初生碳化物外形完整，呈六方形，内部有许多空洞，文献【2 5 j 【2 6 】【3 3 j 认为 这些空洞充满基体金属，这是典型的m ，c ，形碳化物。从本实验四种堆焊合金的 金相组织分析，随碳含量的增加或碳铬比的降低，初生碳化物越来越多，而且 颗粒越来越大，碳化物的生长方向越来越明显垂直于母材，如14 中初生碳化 物较少，颗粒也较小，且生长方向十分零乱，有的垂直于母材表面，有的平行 j 二母材表面，还有的斜向生长。在24 ，44 中，初生碳化物逐渐增多，颗粒增大， l i 生长方向趋向与母材表面垂直；斜向生长的及平行于母材表面生长的碳化物 逐渐减少。在54 ，64 中初生碳化物颗粒最大，且全都垂直于母材表面方向生长。 随含碳量的增加，初生碳化物生长方向趋于一致，垂直于母材，这是使碳化物 定向生长的一个重要方法。 分析其原因主要是： 1 ， 合金成分愈远离共晶反应投影线，初生相份量愈多，共晶体在凝固组织中占 有的比例愈小。随含碳量和含铬量的增多，合金成分离共晶线越远，初生碳 化物越来越多，共晶成分越来越少。 3 2 第三章 f e c r c 型高碳耐磨堆焊层组织和性能的研究 2 随碳含量的增加，碳化物成核几率增多，形成碳化物是放热过程，碳化物增 多时放热较多，这样碳化物在高温下生长时间就较长，易于扩散，所以碳化 物变得粗大。 为验证上述解释，做如下冷却实验，实验步骤及方法见第四章。在相同焊 接规范和相同堆焊层数的情况下，用含碳量为4 1 1 和6 5 的焊条在冷却水的 冷却下得到如图3 5 所示。比较图3 5 和图3 2 ( b ) 、( d ) 四图可以明显的 看出：加冷却水的组织由于过冷度大生长缓慢，长得都比较细小，数量较多。 没加冷却水的长得比较粗大。加冷却水后碳化物明显增多。 由图3 5 可见柱状碳化物生长方向基本一致，所以，我们可说随过冷度的 提高，碳