（材料加工工程专业论文）内生nbc高抗裂耐磨堆焊合金组织和性能的研究.pdf

研究 个人 人和 学。 有关 授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校 后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一 署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 靴敝储禹夏嘲 醐：却年“蚰 摘要 摘要 堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母材 的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。采 用堆焊的方法来修复或制造零件，对合理使用材料、改进产品设计、提高产品 性能、降低生产成本有重要意义。 本文对抗磨损堆焊材料进行了研究，对各合金元素在堆焊层中的作用进行 了分析，并设计出较理想的合金系统，研制开发出一种适用于严重磨料磨损工 况下的堆焊焊条，有效解决了金属零部件使用过程中的表面磨损问题。 采用低碳钢焊芯配制焊条，在焊条药皮中添加不同种类和数量的合金元素， 研制出适用于中低应力磨料磨损且工艺可行性、经济性和使用性良好的多元合 金复合强化耐磨堆焊焊条。为获得一次碳化物颗粒在强韧的基体上弥散分布的 理想组织，n b 是最合适的元素，从冶金和热力学角度分析表明t i 、v 、w 、c r 、 m o 等元素是不合适的。最终研制的出的堆焊合金属于铁基耐磨材料中的中碳马 氏体耐磨合金，合金系为f e - n b c r - m o t i c 系。 采用直读光谱仪、光学显微镜、s e m 和e d a x 能谱分析、显微硬度计、销 盘式磨料磨损试验机对堆焊层的成分、组织和性能进行了测试分析，结果表明： 优化的碳化铌焊条8 4 2 # 的堆焊层成分为c 一1 3 0 、n b - 6 1 0 、c r y 3 3 3 、 m o - 4 ) 4 1 im n 1 2 8 、s i 1 6 8 、t i - 4 ) 3 ，堆焊层组织为混合型马氏体和少 量残余奥氏体+ 弥散分布的一次n b c 颗粒。焊接时，t i 在高温下首先从液相中 原位析出t i c ，为n b c 的析出提供了核心，从而形成弥散分布的n b c 颗粒。同 时基体中的高碳马氏体和低碳马氏体数量相当，强韧结合的混合型马氏体基体 能联结和支撑增强相，发挥了内生n b c 增强相的抗磨作用。优化的碳化铌焊条 与标准的碳化钨焊条d 7 0 7 相比，n b c 的量虽没有w c 多，但细小的n b c 颗粒 使材料性能发生了根本变化，堆焊层具有较高的硬度、耐磨性和抗裂性；在水 冷的试板上堆焊，肉眼观测无裂纹产生；堆焊层平均硬度在h r c 5 7 左右；耐磨 性达到碳化钨焊条d 7 0 7 的3 3 倍，而原材料成本不足d 7 0 7 的一半，具有很高 的推广应用价值。 关键词：堆焊；原位增强；n b c ；耐磨性；抗裂性 a b s t r a c t a b s t r a c t s u r f a c i n gi sam e t h o do fu s i n ga l l o y so fc e r t a i np r o p e r t i e sd e p o s i t e do nt h e s u r f a c eo fm a t e r i a lb ym e a n so fh e a t i n g ，g i v i n gt h eb a s em e t a ls p e c i a lp e r f o r m a n c eo r t or e s t o r et h eo r i g i n a ls h a p ea n ds i z eo ft h ep a r t s u s i n gt h i sm e t h o dt or e p a i ro r m a n u f a c t u r i n gc o m p o n e n t s ，w ec o u l du s em a t e r i a l sr e a s o n a b l e l y , i m p r o v ep r o d u c t d e s i g n , i m p r o v ep r o d u c tq 砌i t y , a n dr e d u c ec o s t , w h i c ha l lh a v ei m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e t h i st h e s i ss t u d i e dt h ew e a l r e s i s t a n c eo fs u r f a c i n gm a t e r i a l ，a n a l y z e dv a r i o u s a l l o y i n ge l e m e n t si nt h eh a r d f a c i n gl a y e r , a n dd e s i g n e dt h ei d e a la l l o ys y s t e m ， d e v e l o p e dak i n do ff a c i n ge l e c t r o d es u i t a b l ef o rs e r i o u sa b r a s i v ew e a l c o n d i t i o n s ， w h i c hi su s e dt os o l v et h ep r o b l e m so fw e a ru n d e rs i m i l a rc o n d i t i o n s u s i n gl o wc a r b o ns t e e lw e l d i n gc o r e ，a d d i n gd i f f e r e n tt y p e sa n dq u a n t i t i e so f a l l o y i n ge l e m e n t st o t h ee l e c t r o d ec l a d ，ak i n do fs u r f a c i n ge l e c t r o d eh a sb e e n d e v e l o p e df o rl o ws t r e s sa b r a s i o n 、析t ht h em e t h o do f t h em u l t i a l l o ys t r e n g t h e n i n gt o m e e tt h et e c h n i c a lf e a s i b i l i t y , e c o n o m ya n dg o o du s eo fs u r f a c i n ge l e c t r o d ew h i c hh a s 1 1 i g hh a r d n e s s n bi ss u i t a b l ee l e m e n tt oo b t a i ni d e a lm i c r o s t r u c t u r e ，w h i c ho r i g i n c a r b i d e sd i s p e r s e d l yd i s t r i b u t i n go nt h es t r o n ga n dt o u g hm a r x ，a n dt i 、v 、w 、c r 、 m oa r en o ts u i t a b l ee l e m e n t si nm e t a l l u r g yo rt h e r m o d y n a m i c s t h eh a r d f a c i n g f e r r o u sb a s e da l l o yf i n a l l yd e v e l o p e db e l o n g st om i d d l ec a r b o nm a r t e n s i t ea l l o yi nt h e w e a r - r e s i s t a n tm a t e r i a l s ，w h i c hi so ft h ef e - n b - c r - m o t i - cs y s t e m t h ed i r e c tr e a d 堍s p e c t r o m e t e r , o p t i c a lm i c r o s c o p e ，s e ma n de d a xs p e c t r u m a n a l y s i s ，m i c r o h a r d n e s sm e t e r , p i n - d i s ca b r a s i v e w e a rt e s t e rh a v eb e e nu s e df o r a m a y z i n gc o m p o s i t i o n , m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ft h eh a r d f a c i n gl a y e r , t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p o s i t i o no ft h eo p t i m i z e dn i o b i u mc a r b i d e se l e c t r o d e8 4 2 # h a r d f a c i n gl a y e ri sc - 1 3 0 、n b - - 6 1 0 、c r - 3 3 3 、m o - 4 ) 。4 1 ，m n - 1 2 8 ， s i - 1 6 8 、t 瑚3 t h em i c r o s t r u c t u r e so fd e p o s i t e dl a y e ra r em i x t u r e s o f m a r t e n s i t e sa n das m a l la m o u n to fr e s i d u a la u s t e n i t e ，a n dd i s p e r s e dn b c p a r t i c l e s t i p r e c i p i t a t e di ns i t ut i cf i r s tu n d e rh i g ht e m p e r a t u r ei nw e l d i n gp r o c e s s ，a n dp r o v i d e s c o r et of o r md i s p e r s e dn b cp a r t i c l e s w h i l et h ea m o u n to fh i g h - c a r b o nm a r t e n s i t e a n di ss i m i l a rt ot h a to fl o w - c a r b o nm a r t e n s i t ei nt h em a t r i x ，s t r o n ga n dt o u g hm a t r i x t t i i i 2 1 试验材料l o 2 2 主要试验设备及仪器1 0 2 2 1t l - 2 5 型单缸油压式涂粉机1 0 2 2 2y h 2 0 型自控远红外烘干炉1 l 2 2 3z x g 3 3 0 0 1 型直流焊机l l 2 2 4d k 7 7 3 2 数控制线切割机床。1 1 2 2 5t h e r m oa r l 3 4 6 0o e 直读式光谱分析仪1 2 2 2 6h r - 1 5 0 型数显示洛氏硬度计、h x 1 0 0 0 t m l c d 显微硬度计1 2 2 2 7o l ：n 佃u sb h - 2 金相显微镜1 2 2 2 8m l - 1 0 0 型销盘型回转式磨料磨损试验机、a b 2 0 4 - n 型分析天平1 2 2 2 9q u a n t a - 2 0 0 扫描电镜和e d a x 能谱仪1 3 2 3 试样的制备1 4 2 3 1 堆焊试样1 4 目录 2 3 2 抗裂性试样1 4 2 3 3 磨损试样1 4 2 3 4 硬度试样1 4 2 3 5 金相试样1 4 3 耐磨堆焊合金的设计1 6 3 1 合金系的选择1 6 3 2 焊条药皮配方的设计1 8 3 3 耐磨堆焊合金成分的设计1 9 3 3 1 第一阶段的试验设计2 0 3 2 2 第二阶段的试验设计。2 4 3 3 3 第三阶段的试验设计2 9 4 耐磨堆焊合金组织和性能的研究3 3 4 1 堆焊合金碳化物形成的热力学分析3 3 4 2 堆焊层的显微组织和碳化物形态3 4 4 2 1 第一部分试验的堆焊合金的显微组织和碳化物形态3 5 4 2 2 第二部分试验的堆焊合金的显微组织和碳化物形态3 8 5 结论4 7 参考文献二4 8 致谢。5 2 个人简历及攻读硕士学位期间发表的学术论文5 3 v 1 绪论 1 1 引言 冶金、矿山，煤炭、化工、电力等行业的机械零部件在使用过程中因磨损 而造成的损失十分巨大，美国每年因磨损造成的经济损失达g u l 0 0 0 多亿美元， 国内每年由于工件磨损造成的损失达到4 0 0 亿元【l 】。国家每年花费在更换此类部 件的费用巨大，由于这些零部件损坏而造成的停产或产品质量降低等的间接损 失，更是无法估量，已成为国家工业发展的沉重负担。通过对大量失效零部件 的统计发现，其失效大部分是由于其表面局部遭受破坏而造成的 2 1 。只需将这些 损坏部位进行修复，就能继续使用。所以，研制用于修复机器零件的耐磨材料 成为国内外各企业和研究机构关注的重要课题。 堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体 材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。 因此，堆焊既可用于强化材料或零件的表面，亦可用于修复零件因服役而导致 的失效部位，都可达到延长零件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本的 目的。因此，国内外制造业对堆焊技术的发展十分重视，i i w 以及各工业发达国 家的相关学术机构均设置了专门委员会，以协调和促进堆焊技术的发展p 】。 采用堆焊的方法来修复或制造零部件，对合理使用材料、改进产品设计、 提高产品性能、降低生产成本均有重要意义。采用堆焊工艺的优点主要有以下 两个方面【4 j ： ( 1 ) 通过填充辅以盖面的堆焊工艺在磨损的零部件表面堆覆金属熔覆层，不 仅能获得磨损前的尺寸，而且熔覆层的耐磨性优于金属原件。如果在修复时采 用合理的焊接工艺，则零部件可以实现多次修复。 ( 2 ) 采用堆焊的方法在零部件表面堆覆金属熔覆层，可以极大地提高其表面 的耐磨性，从而有效地减少零部件在安装运行时的损耗，增加其使用寿命。虽 然这种方法在一定程度上增加了设备的初始价格，但是能降低设备的使用费用 和总的生产成本。 基于上述优点，本课题研究了抗磨损堆焊材料，分析了各合金元素在堆焊 层中的作用，并设计出较理想的合金系统，研制开发出一种适用于严重磨损工 1 绪论 况下的堆焊合金焊条，采用电弧作为热源进行堆焊，可以有效解决金属零部件 在使用过程中的表面磨损问题。 1 2 1 金属磨损的类型 磨损是一种普遍存在的现象，凡两个物体相互接触并有相对运动的表面都 会发生磨损。磨损是机械零件失效的主要形式之一，根据不完全统计，1 3 1 2 的能源消耗于摩擦与磨损；对材料来说，约8 0 的零件失效是由磨损引起的i 5 。 磨损通常分为五种类型：磨料磨损、冲击磨损、黏着磨损、高温磨损及腐蚀磨 损【6 】。在机械零部件的磨损过程中，往往会受到两种或两种以上磨损的共同作用， 使得对耐磨材料的研究分析变得更加复杂。因此，在研制耐磨堆焊材料之前， 有必要对相关的磨损机理进行一定的研究。 1 2 1 1 磨料磨损 这种类型的磨损方式在所有的磨损类型中大约占5 5 - - 7 0 。砂粒、硬金属 屑等硬质颗粒或表面粗糙物体在压应力的作用下，对金属表面进行显微切削， 即磨料磨损。按应力状态不同，磨料磨损分为下列三种形式： ( 1 ) 中低应力磨料磨损。硬质磨料在不同的速度下连续多次与所接触的金属 表面发生刮擦而造成的金属部件的磨损。磨料的摩擦速度、硬度、擦切的角度 及磨料的大小都会影响磨损的程度。这类磨损的特点是作用在磨料上的应力较 低，对零件表面的冲击力较小，通常以表面擦伤的磨损形态出现。 ( 2 ) 高应力磨损。在磨料与金属接触点上高压应力的作用下，磨料被粉碎的 同时引起金属表面的的划伤或金属表面的材料剥落。和中低应力擦伤式磨料磨 损相比，这类磨损强度大得多。值得注意的是，有些硬度值不高、但有良好韧 性的堆焊合金在这种高应力磨削式磨料磨损的场合，也能表现出较好的耐磨性。 例如目前应用比较成熟的奥氏体高锰钢、马氏体钢以及一些含有硬质碳化物相 的合金钢等。 ( 3 ) 凿削式磨料磨损。常见的是磨料以很大的冲击力切入金属表层，导致大 块状的金属块层脱落，形成沟槽的磨损形式。如挖掘机斗齿、破碎机颚板等。 在这种带有严重冲击的磨损条件下，一般采用具有高韧性的耐磨堆焊材料，如 2 1 绪论 奥氏体高锰钢堆焊合金。 1 2 1 2 冲击磨损 外来的急速冲击瞬间对金属表层产生极高的机械压力，当此压力超过金属 部件所能承受的弹性极限时，就会造成受冲击区域金属变形，这种磨损称为冲 击磨损。其破坏程度取决于外来磨粒的大小、形状和冲击速度等。 1 2 1 3 黏着磨损 这类磨损在所有的磨损情况中约占1 5 ，主要是由金属间的无润滑摩擦造成 的。由于接触面上不平整，摩擦过程中金属层受到较高的应力，使接触面上发 生塑性流动，这部分发生移动的材料会出现加工硬化、疲劳、氧化等现象而脱 离表层，形成游离的磨屑，从而造成零件表面的耗损。 1 2 1 4 高温磨损 在高温环境下长期工作的金属部件，表层容易老化，同时由于受热也会导 致其内部组织发生变化，如晶粒粗大、表面龟裂、蠕变及软化等，减少其使用 寿命。若同时受到外力冲击，更会加快其损耗。 1 2 1 5 腐蚀磨损 工业上使用的材料多为钢铁材料，容易受到各种形式的腐蚀，这是由于化 学作用引起的材料损失。对于堆焊来说，腐蚀磨损只是次要的磨损因素，大多 数堆焊金属都有一定的耐腐蚀性能，但是对于在强腐蚀环境下使用的零部件就 要求单独考虑此因素。 1 2 2 堆焊合金的类型 堆焊金属合金系可归纳为铁基、钴基、镍基等三大类型。每种材料都有由 于自身结构及组织的优点，在各自的磨损场合显示出较好的耐磨性，甚至可能 具有抗两种以上磨损的耐磨性能。镍基、钴基合金价格较高，但由于高温性能 好、耐腐蚀，主要用在要求耐高温磨损、高温腐蚀的场合。铁基堆焊金属性能 变化范围广，韧性和抗磨性匹配好，能满足许多不同的要求，而且价格低，所 以应用最广泛，因此主要讨论铁基堆焊材料的种类。 3 1 绪论 铁基堆焊材料由于合金含量、含碳量和冷却速度的不同，可以根据形成的 堆焊金属基体组织及显微结构的不同再细分为马氏体、奥氏体、珠光体等几种 类型。碳元素是铁基堆焊合金中最重要的合金元素。m o 、c r 、w 、t i 、v 、n i 、 m n 、b 等合金化元素，对堆焊合金层中的硬质相的形成，基体组织的组成、结 构及性能有着相当明显的影响。就铁基堆焊合金而言，不同的合金成分含量， 对堆焊合金的性能影响也是相当显著，详细的研究如下所述 7 1 ： ( 1 ) 低碳低合金钢堆焊合金这类合金的含碳量一般小于0 3 ，合金元素总 量在5 以下，主要添加元素是m n 、c r 、s i 、m o 等。在一般的冷却速度下，这种 堆焊金属的组织主要以珠光体为主，属于珠光体钢类型。在较快的冷速下，得 到马氏体组织，从而使整个基体组织的硬度有所提高。使用这类堆焊合金的主 要问题是，当用于修复刚性较大或碳当量较高的机器零部件时，需要焊前预热 和焊后热处理，否则焊后工件表面容易出现裂纹等缺陷。 ( 2 ) 中碳低合金钢堆焊合金含碳量在0 3 - - 一0 6 之间，合金元素的总量也 在5 左右，组织主要是马氏体和残余奥氏体，有时也会因为工艺的差异，出现 少量的珠光体，属于马氏体钢堆焊合金。通常添加的主要元素是c r 、m o ，由于 碳元素的含量高于低碳低合金钢堆焊合金，所以它的裂纹倾向更大，需要更严 格的焊前焊后的热处理。 ( 3 ) 高碳低合金钢堆焊合金此类合金的含碳量在0 7 1 o 的范围内，甚 至能达到1 5 ，合金的总量约5 ，主要强化元素是c r , 堆焊金属组织为马氏体 和残余奥氏体。因为m o 、等元素的作用，此类合金在柱状晶粒边界析出共晶 莱氏体，造成合金的韧性差，其脆性比前面两类合金大。碳元素的大量加入实 现了合金强化，提高了堆焊层硬度。但同时也使堆焊的过程中容易产生热裂纹 和冷裂纹。 ( 4 ) c r - w 、c r - m o 热稳定钢堆焊合金此类合金的特点是含碳量处在中碳范 围，有较多的w 、v 、m o 等强碳化物形成元素。即使在高温的工作环境仍能保 持较高的硬度和耐磨性，耐冲击，抗疲劳。缺点是焊接过程中容易产生裂纹， 需要配合必要的焊前预热和焊后热处理。 ( 5 ) 高铬马氏体钢堆焊合金此类钢的特点是高铬含量，通常在1 3 以上， 含碳量在0 1 - - 1 5 之间。此类合金由于组织为马氏体，有一定量的碳化物存 在，能获得较高的硬度，但高的碳当量导致堆焊过程中容易产生裂纹。铬的碳 化物大量存在，能获得很好的耐磨性，然而脆性也更大。在堆焊修复的过程中 4 1 绪论 需要比较严格的热处理配合，才能获得预期的效果。 ( 6 ) 高锰奥氏体钢堆焊合金此类钢含m n 约1 3 ，含碳量在0 7 1 2 之 间，堆焊金属中组织是奥氏体，属于奥氏体高锰钢。这种合金硬度较低，仅为 2 0 0 h b 左右，但是在受到强烈冲击是，转变为马氏体而使表面层硬化，硬度提高 到原来的两倍多，但是心部仍然是有韧性的奥氏体组织。这种强韧结合的组织 结构，能够有效地承受强烈冲击的凿削式磨料磨损。但是如果应用在低应力的 磨料磨损，由于外冲击力不足于使材料表层产生硬化作用，所以耐磨性不高。 ( 7 ) c r - n i 奥氏体钢堆焊合金这类钢种是在1 8 8 奥氏体不锈钢的成分的基 础上，添加m o 、v 、s i 、m n 、w 等元素来提高材料本身的性能。主要特点是耐 腐蚀性、热强性和抗氧化性较好，但耐磨性低于前述的堆焊合金，主要应用于 石油化工行业的部件修复。 ( 8 ) 高速钢堆焊合金这类钢的特点是含w 1 7 - - 2 1 ，含c r 3 9 4 9 ， 添加了c 、v 等强化元素。堆焊合金组织为奥氏体和网状莱氏体的转变产物组成。 由于形成了w c 硬质相，这种合金有较好的红硬性和耐磨性，但较高的碳当量使 堆焊过程中容易产生裂纹，主要用于各种切削刀具的修复。 一 1 3 国内外堆焊合金材j i 栅究现状 堆焊是焊接技术领域的一个重要分支，又是表面工程中的一个主要技术手 段。在工业生产中采用堆焊方法有很多种，目前常用的手段主要由氧乙炔火焰 堆焊，手工电弧堆焊，气体保护电弧堆焊，振动电弧堆焊，等离子弧和埋弧堆 焊等【8 1 。目前国内外有关堆焊合金研制的最新的进展简要介绍如下： b u y t o z s o n e r t 9 1 在f e c r - c 懈中加入t i ，m n 等碳化物形成合金元素，得到 的堆焊合金中的组织是m 7 c 3 和奥氏体组织，m 7 c 3 的硬度值1 0 5 0 - 1 5 0 0 h v ，但是 堆焊层的硬度值仅在5 0 0 - - 一7 5 0i - i v 之间。虽然这类合金有较好的韧性，能承受一 定的冲击作用，但是外界的冲击力很容易就能超过软基体弹性极限，并导致整 个堆焊层显示不出预期的良好耐磨性。 f a n c h i e h 1 0 】在f e c r - c 合金系中，加入大量的c r 元素，平铺在铁基上，采用 氩弧焊熔融的方式，在堆焊层中获得大量的外层为( c r ，f e ) 7 c 3 、内层为( c r , f e ) 2 3 c 6 的硬质复合颗粒。这种工艺较好地控制了堆焊层的成形和合金中碳化物的比例， 可以根据需要在堆焊基体中获得亚共晶、共晶或过共晶组织，堆焊层的整体硬 5 i 绪论 度可以达到7 0h r c ，而且没有宏观裂纹。但是由于这种合金的碳当量远远高于 其他的合金，材质脆性明显，在零部件再次投入生产受到冲击作用时，容易再 次发生磨损失效。 j a m e sbc t l l 】等人采用镍基堆焊合金系n i c r - b s i ，这种合金的硬度值能达到 5 0 , 6 0 h r c ，即使在6 0 0 , 7 0 0 c 的高温条件下也能保持很好的红硬性，抗氧化性， 抗高温蠕变性，良好的耐磨性。但是这种合金的应用除了以合金粉末或金属箔 条的形式以真空钎焊来生产抗高温耐腐蚀的设备外，均是采用热喷涂的方式进 行生产修复【1 2 1 。目前在国内外的市场上，镍铬硼硅系耐磨电弧堆焊材料极为少 见【1 3 】。 任登义【1 4 1 等人以w c c o 类硬质合金为母材，以特制的镍基焊条为焊材，电 弧冶金后，能形成大量的碳化物颗粒分布在镍基合金上，其良好的耐磨性是不 容置疑的，但不足之处是w 元素形成碳化物同时对基体具有较强的固溶强化作 用，而且w c 的高温稳定性较差抗冲击能力低，在高温热源的作用下分解形成 w 2 c 等脆性相【1 5 】，导致基体脆化而裂纹倾向大。而且较高的硬度值，使得加工 性稍差。 龚建勋【1 6 】等人制备了用于埋弧焊药芯焊丝的f e c r - v 堆焊合金，其主要成分 质量分数为c o 9 - - , 1 5 ，c r l 3 - - 1 5 ，v 1 0 2 0 ，w 0 4 1 o 。这种堆焊合 金的显微组织由铁素体+ 马氏体+ ( c r ，r e ) 2 3 c 6 等碳化物组成。尽管碳化钨，铁 铬碳化物的大量形成，能够一定程度上提高耐磨性，但是c r ，v 元素在晶界含量 显著高于晶内，随w c 加入量提高，晶界与晶内含量差距增大。晶界碳化物呈条 状或断续网状分布造成了这种堆焊合金具有强烈脆性。 汤文博课题组【1 他1 】结合已有的研究成果，总结了国内外堆焊合金的特点后， 在合金成分范围( ) ：c 1 5 ，s i 4 0 ，m n 2 0 ，c r 8 0 ，m o 1 0 ，n b 1 5 内，研究了c n 妯t i 合金系耐磨堆焊焊条成分对组织性能的影响规律，初步研制 了一种n b c r - t i 耐磨堆焊合金。这种合金通过控制) 、c 等主要元素的添加，获 得的合金硬度在h r c 5 5 - - 6 0 之间，在3 0 m i n x4 0 0 m m x2 0 0 m m 以上大板堆焊具有 较好的抗裂性，堆焊层厚度在6 8 m m 左右，肉眼观测，裂纹条数小于1 0 条，裂 纹间距大于2 0 m m 。在该合金成分范围内，该课题组当前研究阶段获得的硬度， 耐磨性等各项指标较对比试样有所提高，已能满足生产的需求，但未达到研究 预期最终目标，目前仍在做进一步的深入工作。该课题组认为，在保证抗裂性 的前提下，要进一步提高硬度和耐磨性，需要添加更多的n b 、v 等元素以增加合 6 1 绪论 金中一次碳化物数量，高强韧的混合型马氏体基体上弥散分布着大量的硬质相 是最理想的组织。 值得注意的是，手工电弧堆焊目前仍然是一种应用最广的堆焊方法。同一 般的手工电弧焊基本相同，所需设备简单、使用可靠、操作灵活、成本低，特 别是能通过堆焊焊条获得随意的堆焊合金成分，来实现对焊层性能的合理控制。 鉴于手工电弧堆焊的特点，本研究的主要目的是研制出适用于手工电弧焊、在 堆焊之后能够获得具有综合优良特性的耐磨合金的耐磨焊条。 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，已研制出并投入生产t 4 0 多个系列6 0 多种牌号 的耐磨堆焊焊条如日本h f 9 5 0 、美国的f a c e w e l d l 2 、瑞典的o k f a 6 0 s 、中国的 d 6 6 7 、d 6 1 8 等瞄】。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过c 、c r 、w 合金 形成高碳高硬度的莱氏体、马氏体基体和c r x c y 、w c 硬质相，虽然在硬度方面 能满足使用要求，但当硬度芝h r c 4 0 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3 0 0 - - 6 0 0 ，这不仅严重恶化劳动条件，而且还显著地提 高成本，使用范围也受到了限制，对于比较大的工件操作难度更大。这些焊条 片面地追求高硬度，有的堆焊层硬度甚至达到7 0 h r c 以上，用于实际生产修复 时，反而出现耐磨性降低和严重的裂纹缺陷。而且高铬含量对焊工健康不利j 。 此外，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。因此迫切需要研制一种硬度高，耐磨性好，焊前不需预热 且焊后不产生裂纹，无需热处理，堆焊层抗脱落能力强的耐磨堆焊焊条。 1 4 1 课题研究的内容 本课题研究的内容包括两部分： 一是研制出适用于中低应力磨料磨损的多元合金复合强化的耐磨堆焊焊 条，焊条硬度高，耐磨性明显优于本课题组前期研究获得的合金。新研制的焊 条焊前不需预热且焊后无需热处理而不会产生裂纹，堆焊层抗脱落能力强。 7， 1 绪论 二是完成这种焊条堆焊层组织分析以及性能检测。分析所研制的磨料磨损 堆焊焊条的性能是否达到设计的要求，分析研究堆焊层的硬度、耐磨性及抗裂 性，以及各种合金元素对堆焊层的各项性能的影响规律。由于此类堆焊焊条主 要是应用于中低应力磨料磨损的工况条件下，所以着重对堆焊层金属的耐磨性， 抗裂性等机理进行深入研究，为进行相关机理的理论研究做出一定的贡献，为 进一步研制更优良的耐磨合金奠定理论基础。 本课题所研制的焊条要求适用于中低应力的磨料磨损条件，结合前述的堆 焊合金类型，最终研制出的堆焊合金属于铁基耐磨材料中的高碳马氏体耐磨合 金，合金系为f e 舶c r - m o t i c 系。其中主要的合金元素是铌，同时加入一些其 他合金元素，如钒、铬、钼等。该焊条堆焊后的堆焊合金堆组织为高碳、低碳 的混合型马氏体和少量残余奥氏体+ 弥散分布的一次n b c 碳化物。该堆焊焊条最 大的特点是堆焊层的表面硬度达到5 7 h r c 以上，而原材料成本不足碳化钨焊条 d 7 0 7 的一半，耐磨性却达到按标准生产的碳化钨焊条d 7 0 7 的3 3 倍以上。在抗裂 性试验时，在q 2 3 5 钢板上每焊完一道，立即用自来水对母材底部水冷，使整个 试样的温度冷却至t j l 0 0 以下，焊完后观测焊道表面，用砂轮打磨平整后再仔细 观察，均未发现裂纹。达到了焊前不预热，焊后无需热处理，仍保持良好的综 合性能的目的。 1 4 2 课题研究的难点 本课题的研究难点是在保证焊条的焊接工艺性能的前提下，获得具有良好 的综合机械性能的堆焊合金。因此，解决问题的关键是设计研究最佳的合金系 统。另外，为保证基体是高碳马氏体和低碳马氏体的混合型马氏体组织，并且 两者数量相当，就要控制好碳元素及其他及各合金元素的含量，并获得一定数 量的碳化物颗粒，两者要做到兼顾。 1 4 3 课题研究的意义 本课题在两年半的研究时间里，研制出了一种满足工艺可行性、经济性且 使用性良好的堆焊焊条。研制的焊条性能优于目前国内已投入生产的各种堆焊 焊条，并且已投入了初步的生产应用。其优异的抗磨料磨损性能，使得被修复 的工件的使用寿命大大延长，一方面能够节省制造、维修费用，节省大量的生 产成本，符合“再制造工程”的要求。这种修复技术属于先进的绿色制造技术，较 8 9 2 试验材料及试验方法 本课题采用低碳钢焊芯配制焊条，在焊条药皮中添加不同种类和数量的合 金元素，确定堆焊工艺参数，通过向堆焊层中过渡合金元素，使堆焊层形成多 种硬质相，达到多元复合强化、提高耐磨性的目的。 堆焊空冷后取样，采用洛氏硬度实验、金相组织实验、磨损实验、微区成 分分析等方法对堆焊层熔敷金属的工艺性能、显微组织及力学性能进行分析。 采用光谱仪、金相显微镜、扫描电镜和e d a x 能谱分析堆焊金属的成分和组织结 构，对不同含量的合金元素进行对比分析，研究主要合金元素的作用以及对该 合金耐磨性能的影响规律，进一步得出最佳耐磨堆焊药芯焊条的成分配比。 2 1 试验材料 试验用耐磨料磨损焊条的焊芯材料为h 0 8 a ，巾4 0 m m ，焊条药皮由石墨、 金属铬、高碳铬铁、钼铁、4 5 # 硅铁、锰铁、铌铁、镍粉、碳酸盐、硅酸盐、金 红石、钛白粉、萤石、钾钠水玻璃等组成，药皮呈碱性，药皮外径由7 0 m m 。堆 焊基体材料为q 2 3 5 钢板，尺寸为l o o m m x l o o m m x 2 0 m m ( 小板) 和 4 0 0 m m x 2 0 0 m m x 3 0 m m ( 大板) 。 试验采用淬火态的4 5 钢，d 7 0 7 碳化钨耐磨堆焊焊条进行性能对比分析。其 中d 7 0 7 的焊芯规格为3 2 m m ，焊接电流为9 0 a ，电弧电压为2 5 3 0 v ，本研究中 自制的焊条的焊芯规格是4 0 m m ，焊接电流为1 4 0 1 8 0 a ，电弧电压为2 5 - 3 0 v 。 2 2 主要试验设备及仪器 在本课题实施中需要应用的设备和仪器说明如下： 2 2 1t l - 2 5 型单缸油压式涂粉机 t l 2 5 型单缸油压式涂粉机用于制备试验所用耐磨焊条。该设备由郑州机械 研究所提供，其特点是工作压力高，涂料直线传送，摩擦力小，不易发热硬化， 对涂料的适应性强，压涂质量比较稳定。 制作流程：焊芯加工一水玻璃调配一涂料调配一压涂成型。 1 0 2 试验材料及试验方法 在涂压时，先将混制均匀的湿涂料置于粉缸中，在油泵产生的高压压力下， 推动活塞将涂料推向机头，在机头内与焊芯混和，通过成形模压制成湿焊条。 2 2 2y i - i x 2 0 型自控远红外烘干妒 堆焊试验前，烘干要使用的焊条。焊条往往会因吸潮而使工艺性能变坏， 造成电弧不稳、飞溅增大，并容易产生气孔、裂纹等缺陷，所以在进行试验前， 要严格地烘干才能使用。 焊条的烘干是在烘干炉内进行的，y h x 2 0 型自控远红外电焊条烘炉具有炉 内温度均匀、烘干温度范围大( 室温- - - , 6 0 0 ( 2 ) 等特点，炉内装有排潮装置，并且 能自动定时控温，使用比较方便。 将焊条放入烘干炉内经7 0 , - , , 1 1 0 。c 低温烘3 一- - 4 d x 时后，再分段升温至2 0 0 ( 2 ， 保温2 3 小时，升温至t 3 0 0 - - 4 0 0 ，保温2 3 d x 时后降至8 0 以下出炉。 2 2 3z x g 3 - 3 0 0 1 型直流焊机 z x g 3 3 0 0 1 型直流焊机具有操作简单，使用方便，速度较快，焊接后焊缝 结实等优点。利用焊机产生的电弧来熔化研制出的堆焊焊条，在试板上获得所 需的堆焊合金。 经试验后确定的合适堆焊工艺参数，本研究研制的焊条的焊芯规格为 4 0 m m ，焊接电流为1 4 0 - - 1 8 0 a ，d 7 0 7 焊条焊接电流为9 0 a 。三种焊条焊接时电 弧电压为2 5 - 3 0 v ，焊接速度1 0 0 - - 1 5 0 m m m i n 。 2 2 4d k 7 7 3 2 数控制线切割机床 d k 7 7 3 2 数控制线切割机床用于制取磨损、金相等试验所需规格的金属试 样。 电火花线切割加工时，为了获得比较好的表面粗糙度和高的尺寸精度，并 保证钼丝不被烧断，应选择好相应的脉冲参数，并使工件和钼丝之间的放电必 须是火花放电，而不是电弧放电。 根据多次试验的经验，在切割编程时，用于磨损的试样为巾5 5 m m x 3 0 m m ， 用于金相的试样截取尺寸为1 5 x 1 0 x 1 0 m m 。 2 试验材料及试验方法 2 2 5t h e r m oa r l 3 4 6 0o e 直读式光谱分析仪 采用t h e m oa r l 3 4 6 0o e 直读式光谱分析仪对堆焊合金样品进行成分分析 和检测。对其中的非金属元素以及金属元素进行准确定量分析，以指导合金成 分的调整设计以及组织性能的分析。 将制备好的小板堆焊试样( 小板焊接前的尺寸为l o o x l o o x 2 0 m m ，堆焊后的 尺寸为1 0 0 x 1 0 0 x 3 6 m m ) 用砂轮切割机将试样的引弧区、收弧区等易出现焊接缺 陷的区域切除，用砂轮将试样表面打磨平整，并用砂纸将待测堆焊层表面打磨 光整。 2 2 6h r - 1 5 0 型数显示洛氏硬度计、h x _ 1 0 0 0 t m l c d 显微硬度计 h r - 1 5 0 型数显示洛氏硬度计、h x - 1 0 0 0 t m l c d 显微硬度计用于测量堆焊 合金覆层的宏观硬度和显微硬度并进行对比，研究化学成分对材料硬度的影响。 试样形状尺寸：用线切割机截取尺寸为1 0 x 1 0 x 1 5 m m 的堆焊试样。 每组试样测十次，最后求平均硬度。 2 2 7o l y m p u sb h - 2 金相显微镜 用o l y m p u sb h - 2 金相显微镜观察堆焊的金相组织，研究组织和性能之间 的关系。观察硬质相颗粒与基体组织的界面结合情况。 试样形状尺寸：1 0 x 1 0 x 1 5 m m 的堆焊试样，将测过硬度的合金试样打磨抛光 腐蚀后观察。 金相试样制备过程：砂纸打磨- 水冲洗_ 抛光_ 水冲洗一酒精棉球清洗_ 烘干一腐蚀剂浸蚀_ 水冲洗- 酒精棉球清洗一烘干。腐蚀剂：3 的硝酸酒精溶 液。浸蚀时间：4 0 s 。用金相显微镜采集系统观察至清晰的组织并照相分析。金 相照片标尺单位为i n n 。 2 2 8m l 1 0 0 型销盘型回转式磨料磨损试验机、a b 2 0 4 n 型分析天平 用磨损试验机对不同成分的堆焊合金试样在不同条件下进行耐磨性测定， 用m e t t l e rt o l e d o 公司生产的a b 2 0 4 - n 型电子分析天平( 0 1m g ) 称量磨损失重情 况。比较它们的性能。磨损试验机的结构示意图如图2 1 所示。 1 2 试样为用线切割机床加工成巾5 5 x 3 0m i l l 尺寸的圆柱形试样。 试验选取1 8 0 # 碳化硅金相砂纸作为磨粒材料，砂纸固定在试验机转盘上随 转盘一起以一定的速度转动。载荷根据需要选取为5 、1 0 、1 5 、2 0 、3 0 n ，每一 载荷下重复做3 次，取平均值，试验前后试样均用乙醇清洗，用电子分析天平 称磨损前后的试样重量，以确定试样的磨损失重。每磨损一块试块更换一张新 砂纸。试验参数见表2 1 。 表2 1 试验参数 t a b 2 1e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r 2 2 9q u a n t a 2 0 0 扫描电镜和e d a x 能谱仪 用扫描电镜观察堆焊合金中硬质颗粒的分布情况，硬质颗粒与基体组织的 界面结合情况，观察合金磨损试样表面的磨损形貌。用能谱仪分析相关组织中 元素的成份及含量。 试样尺寸同金相试样。试验前将用于金相组织观察的试样再次仔细打磨抛 1 3 2 试验材料及试验方法 光，并用电磁清洗。 2 3 试样的制备 2 3 1 堆焊试样 将尺寸为l o o m m x l o o m m x 2 0 m m 的q 2 3 5 试板两面在铣床加工，去掉氧化皮 和铁锈，用z x g 3 3 0 0 1 型直流焊机手工焊接，对于焊芯规格4 0 m m 的焊条，焊 接电流为1 4 0 1 8 0 a ，电弧电压为2 5 3 0 v ，焊接速度1 0 0 - - - 1 5 0 m m m i n 规格3 2 m m 的焊条只需将焊接电流改为9 0 a i i p 可。沿着试板纵向连续堆焊第一层焊缝，冷却 后再堆焊第二层，采用日本的l i n es e i k it c 6 0 0 0 红外线测温仪，测温范围是 3 肛5 5 0 ，焊道的温度控制在上下2 0 的偏差内。保