（材料加工工程专业论文）crbwv系多元复合强化铁基高温耐磨堆焊合金的优化设计.pdf

淀鬻工盈丈擎疆圭学整逢文 c r - b - w - v 系多元复食骚他钱基赛溢衬磨难舞会金蘸挽纯设诗 摘癸 霾藤鋈内辨瘵淫雨壤蛙浮豺瓣主要是淫爱遥去魏铁锚璇系、铁辏繇系、高镣锩铁合 金或锚基的司太立合金和些镍撼合金，它们熬然在抗蚀、耐磨及热稳定性等方筒均有 突謇静谯点，餐跫箕泠辫器赛，成本太离，不巅予应露擦广。钤辩上述趣惩，零文将垂 交圊归设计的方法与试验相结合，成功地研制出了一种c r - b w v 系多元复合强化铁基 高温耐磨堆霹合金。 本文投据棚关资料，势戥对藏基耐磨蝰焊豹特点，确定了c r - b - w - v 系多元笈合强 化铁基高温耐磨堆焊合窳粉末的最初配方。运用自行编制的焊接材料计髀机辅助设计系 统w 艇e a d ，莱爝一次歪交凰麴设计熬嘉法寒援剿试验，戮酶究魏c r - b - w - v 系多 元复合强化铁慕高温耐磨堆焊禽金粉末所形成的堆焊层的高温磨损失重w ( 7 6 0 ) 舞试骏考察蠢标，霹c r - b - w - v 系多元复合强纯铁基嘉滚耐瘗攥焊会金黥台金系统配方 进行了最优化设计，建立了高潋磨损失潼w ( 7 6 0 ) 与铁基黼温耐膦堆焊合众中合 金元素的质量爵分含量之蔺的丽妇方程，构造裸应黥滢合惩罚函数，并对之求极缓，觚 嚣获得合金的墩优配方。 本文还通过试验，对优化设计的结聚进行检验，即：按照所设计的配方将各种谈合 垒漫台均匀嚣，爱褰锰酸舞钝豫蕊拳玻璃镳藜缝裁，垂涂在母孝考( q 2 3 5 b ) 试 孝上，然 后对烘干的试件进行等离子弧堆焊( 试验方法详见4 1 2 和4 2 2 ) ，并洒过对相_ 陂堆焊 屡缓织菠嫒囊稷分毒避行深天分褥，系统缝磺寒合金元素c r 、8 、w 、v 等对穗虚罐焊 层堆焊层常温硬度、高温硬度、常温耐磨性和黼温耐麝性的影响规律( 详见4 1 3 和 4 2 3 ) 及其毒滠耐密弧瑷，默两验证後豫设计静缩栗是番与试验结莱摇一致。 试验证明：应用研制的c r - b 。、肌v 累多元复合强化铁基高温耐磨堆焊台金粉柬所形 成的雅辉层，蕊高温硬廉h v ( 7 6 0 c ) 指标和商温磨损必重w ( 7 6 0 ) 指标瓣优于 羲l 基s t e t l i t e n o 。1 2 会垒辑形戏驰堆焊层，b p 其离漫耐瘗数拢子铭基台金s t e l t i t e n o 1 2 。 关键诃t 铁基商温耐磨堆焊合焱，耐磨憔，焊接材料计算机辅助设计激优化 沈阳工业大学硕士学位论文 o p t i m i z a t i o nd e s i g no f c r - b - w - vs y s t e m o f m u l t i e l e m e n t c o m p o s i t es t r e n g t h e n i n g h i g ht e m p e r a t u r e - w e a r - r e s i s t a n t i r o nb a s e s u r f a c i n gw e l d i n ga l l o y a b s t r a c t a t p r e s e n t ，m a t e r i a l su s e di nh j 【g ht e m p e r a t u r e - w e a r - r e s i s t a n c ei nt h ew o r l da r em o s t l y f e c r - c ，f e c r - b ，a n dh i g hc h r o m i u m c a s ti r o na l l o y s ，o rc o b a l tb a s es t e l l i t ea n ds o m ek i n d so f n i c k e lb a s es u r f a c i n gw e l d i n g a l l o y s ，w h i c h a r et o oe x p e n s i v et oa p p l y w i d e l yt h o u g ht h e yh a v e s o m eo u t s t a n d i n gm e r i t si nt h ea s p e c t so fc o r r o s i o ns t a b i l i t y ，w e a r - r e s i s t a n c e ，a n dt h e r m a l s t a b i l i t ya n d s oo n t os o l v et h ep r o b l e ma b o v e ，i nt h i sp a p e r , w eh a v es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d o n ek i n do fc r b w - vs y s t e mm u l t i e l e m e n tc o m p o s i t es t r e n g t h e n i n gh i 曲t e m p e r a t u r e w e a r - r e s i s t a n ti r o nb a s es u r f a c i n ga l l o y c o m b i n i n gt h em e t h o do fo r t h o g o n a lr e g r e s s i o nd e s i g nw i m e x p e r i m e n t s i na c c o r d a n c ew i m c o r r e s p o n d i n gi n f o r m a t i o n s a n di nv i e wo f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f h i g h t e m p e r a t u r e - w e a r - r e s i s t a n c e t h e i n i t i a l p r e s c r i p t i o n o fc r - b w j v s y s t e m m u l t i e l e m e n t c o m p o s i t es t r e n g t h e n i n gh i g ht e m p e r a t u r e w e a r - r e s i s t a n ti r o nb a s es u r f a c i n ga l l o yp o w d e ri s d e t e r m i n e d t h e n ，u s ew e l d i n gm a t e r i a lc o m p u t e ra s s i s t a n td e s i g ns y s t e m - - w m c a d p r o g r a m m e db ym y s e l a d o p t l i n e a ro r t h o g o n a lr e g r e s s i o nd e s i g nt op l a ne x p e r i m e n t ，t h ew e a r w e i g h tl o s s w ( 7 6 0 。c 1o f t h es u r f a c i n gw e l d i n gl a y e r sf o r m e db yt h ea l l o yp o w d e r st h a tw e s t u d i e da st e s tc h e c k t a r g e t d oo p t i m i z a t i o nd e s i g no nt h ep r e s c r i p t i o no f c r - b w vs y s t e mo f m u l t i e l e m e n tc o m p o s i t e s t r e n g t h e n i n gh i 曲t e m p e r a t u r e w e a r - r e s i s t a n t i r o nb a s e s u r f a c i n g w e l d i n ga l l o y ，e s t a b l i s ht h er e g r e s s i o ne q u a t i o no fh i g ht e m p e r a t u r e w e a rw e i g h tl o s sa n d m a s sp e r c e n t a g eo fe l e m e n t so ft h ea l l o yw es t u d i e d f o m lt h ec o r r e s p o n d i n gm i x e d p e n a l t y f i m c t i o na n dt h e nf i n dt h ee x t r e m ev a l u eo f i t ，o b t a i nt h e o p t i m i z a t i o np r e s c r i p t i o n a tl a s t t h i sp a p e ra l s ov e r i f i e dt h er e s u l to ft h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nw i m e x p e r i m e n t s i ti sa s f o l l o w s ：a c c o r d i n gt ot h ed e s i g np r e s c r i p t i o n ，m i xa l lk i n d so ff e r r o a l l o yp o w d e re v e n l y ，a n d s p r e a dt h e mo n t e s ts p e c i m e n sw h o s es u b s t m t ei sq 2 3 5 ，w i t ha d h e s i v em a d eo fs o l u b l eg l a s s p a s s i v a t e db yp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t e ，a n dt h e ns u r f a c et h ed r y i n gs p e c i m e n sw i t hp l a s m a f i r e ( e x p e r i m e n tp l a na s4 1 2 & 4 2 1 2 ) o nt h eb a s i so f a n a l y s i n gi nd e p t ht h ed i s t r i b u t i o no f t h e c o n s t i t u t i o na n dh a r dp h a s eo ft h ec o r r e s p o n d i n gs u r f a c i n gw e l d i n gl a y e r ，w es y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e de f f e c tl a w o f e l e m e n t so f c r , b ，w ，a n dve t co nn o r m a l t e m p e r a t u r eh a r d n e s s ，h i g h 2 沈阳工业大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r eh a r d n e s s ，n o r m a lt e m p e r a t u r ew e a r a b i l i t ya n dh i g ht e m p e r a t u r ew e a r a b i l i t yo f t h e c o r r e s p o n d i n gs u r f a c i n gw e l d i n gl a y e r ( a s4 1 3 & 4 2 3 1a n dh i g ht e m p e r a t u r e - w e a r - r e s i s t a n t m e c h a n i s mo fi t s oi tc a nb et e s ti ft h er e s u l to ft h eo p t i m i z a t i o nd e s i g ni sc o n s i s t e n tw i t i lt h e e x p e r i m e n t r e s u l t i n v e s t i g a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h a t ：t h eh i g ht e m p e r a t u r ep r o p e r t yt a r g e t so f t h es u f a c i n g w e l d i n gl a y e rf o r m e db y t h ea l l o yp o w d e rw e d e v e l o p e d ，s u c h a sh a r d n e s sh v ( 7 6 0 ( 2 ) a n d w e a r w e i g h tl o s s w ( 7 6 0 ( 2 ) ，a l e a l ls u p e r i o rt ot h o s eo f c o b a l tb a s es t e l l i t en o 1 2 ，t h a t i s ， 1 1 i g ht e m p e r a t u r ew e a r a b i l i t yo f t h el a y e ri ss u p e r i o r t ot h a to f c o b a l tb a s es t e l l i t en o 1 2 k e yw o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r e - w e a r - r e s i s t a n ti r o nb a s es u r f a c i n gw e l d i n ga l l o y ，w e a r a b i l i t y ， w e l d i n g m a t e r i a lc o m p u t e ra s s i s t a n t d e s i g n ，o p t i m i z a t i o n 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名徊丝k 吼趔z z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名；丘蔓逛筮导师签名：塞：j 丝至曰期 沈阳工业大学硕士学位论文 引言 磨损是使机械零件失效的一个重要原因，尤其是在高温条件下，材料的抗磨性急剧 下降。随着工业技术的迅速发展和机械化、自动化程度的不断提高，机械设备和零件的 磨损造成的的危掣l 】越来越引起人们的重视。堆焊是在金属材料或零件表面熔焊上耐 磨、耐蚀等特殊性能的金属层的一种工艺方法，正是提高金属材料或零件表面耐磨、耐 热、耐腐蚀等方面性能的有效途径。 目前，国内外用于堆焊机械设备和零件的合金材料主要是钴基司太立合金，此种合 金虽然在抗冲蚀、抗擦伤等热稳定性方面均有突出优点，但是在堆焊时产生裂纹倾向较 大，而且钴是稀有金属，价格昂贵，使用钴基合金的成本太高，因此，研究出新型的多 元复合强化铁基高温耐磨堆焊合金来提高机械零件的使用寿命，具有巨大的社会经济意 义和现实意义1 2 j 。 本文系统地研究了c r - b w - v 合金系统中合金元素对其常温硬度、常温耐磨性、高 温硬度、高温耐磨性的影响规律，并运用v i s u a lb a s i c 语言独立编制了多元复合强化铁 基高温耐磨堆焊合金的优化程序软件w m c a d ，即焊接材料计算机辅助设计3 卜【5 】系 统，并使用该软件对三种典型的多元复合强化铁基高温耐磨堆焊合金c 心睡w - n b 系、c 卜b w v 系和c r - m o w v - n b 系的合金配方进行优化设计，采用一次回归正交设 计1 6 1 的方法来规划试验，通过对试验结果的数理分析，建立各合金系统堆焊层的高温耐 磨性( 考查指标为7 6 0 。c 磨损失重a w ) 与合金系统组分( 即各合金元素的质量百分含 量) 之间的线性回归方程，构造相应的混合惩罚函数，并对之求极值，从而获得合金的 最优配方，从而实现了试验的定量性和科学性。 由于受试验时间、实验设备及经费等各方面客观条件的限制，本课题仅完成了对 c r - b w v 系多元复合强化铁基高温耐磨堆焊合金配方优化设计的全过程，并通过了试 验验证。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 基本概念 堆焊【7 】是在金属材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蚀等特殊性能的金属层的一种工艺 方法。它是将焊接中零件的连接技术移植到零件表面进行敷焊的技术，是利用焊接热源 使基材表面与敷焊的材料之间形成熔化冶金结合的一种表面工程技术。它不是为了连接 零件，其目的在于增加零件的耐磨、耐热、耐腐蚀等方面的性能。 堆焊的分类以以沿用焊接的方法为主，如气体火焰堆焊、电弧堆焊、等离子弧堆 焊、电阻堆焊、电渣堆焊、激光堆焊等，在必要时冠以堆焊材料的形态( 粉末、丝材、 药芯焊丝) 、电极的熔化情况( 熔化电极、不熔化电极) 、保护介质( 气体保护、自保 护、熔渣保护) 、自动化程度( 手工、半自动、自动) 等。 研究和应用堆焊技术时需关注以下几个问题，这也是综合评价堆焊技术选择是否得 当，堆焊工艺是否正确，以及堆焊质量是否符合工况要求的重要指标。 ( 1 ) 稀释率 稀释率是指堆焊金属被稀释的程度，用基材的熔化面积占整个熔池面积的百分比来 表示( 见图1 1 ) 。 稀释率= 【b ( w + b ) 1 0 0 图1 1 稀释率示意图 堆焊层以及熔合区的成分和性能都受到稀释率的重要影响。不同堆焊方法的稀释率 不同，在堆焊方法和设备已选定的情况下，应从堆焊材料成份上补偿稀释率的影响，并 从严格工艺参数上来控制稀释率。 2 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 熔合区的成份、组织与性能 堆焊金属和基材热影响区之间存在一个熔合区( 图1 1 中的b 区) ，其化学成份介 于基材和堆焊层之间，性能也不同于基材。而且当工件在高温环境长期工作或堆焊后热 处理时，元素的迁移还会使熔合区的成份和性能发生变化。熔合区的成份和性能通常通 过选择堆焊材料和选择正确的堆焊工艺来控制，必要时可在工作层堆焊前先在基材上堆 焊隔离层。 ( 3 ) 热循环的影响 堆焊层的化学成份除了受到基材稀释的影响外，由于堆焊往往是多道焊或多层焊， 后续焊道使先期的焊道反复多次加热。另外由于堆焊工艺的需要，有时还需对工件进行 预热层间保温或焊后缓冷等措施，在这种复杂的热循环下，堆焊层和熔合区的成份组织 以及内应力变得很不均匀。 ( 4 ) 热应力 堆焊应用的成功与否，有时取决于内应力的大小和载荷应力的类型( 剪切、拉伸或 压缩应力) 。堆焊件的残余应力将加大或减少服役载荷产生的应力，因而加大或减少堆 焊层开裂的倾向。减少残余应力，除对焊接工艺采取必要的预热、缓冷措施外，还可以 减少堆焊金属与基材的线膨胀系数差、增设过渡层以及改进堆焊层金属的塑性来控制。 1 2 堆焊技术的应用特性 1 ) 堆焊层与基体金属结合强度高、抗冲击性能好，因而堆焊技术更适用于高应力 交变负荷的工况条件以及抗高应力磨料磨损、削式磨损的工况要求。 2 ) 通过正确设计堆焊层的合金体系，可以获得抗磨损、冲击、腐蚀、擦伤和气蚀 等多种性能的堆焊层，而且堆焊层金属的成份和性能调节方便。 3 ) 堆焊层的厚度大，常用厚度范围为2 m m 3 0 r m ，由于抗磨损储备尺寸大， 更适用于磨损严重的工况条件。 4 ) 熔敷率高。用手工电弧堆焊每小时在工件表面堆焊的金属量可达3 k g ，双带极 埋弧自动焊熔敷率可达到6 8 k g h 。 5 ) 堆焊所用的设备比较简单，经常可与焊接设备通用。 3 沈阳工业大学硕士学位论文 6 ) 工件受热大且不均匀，当堆焊薄壁零件、细长杆时应当注意变形问题。 1 3 堆焊技术的应用及其现实意义 由于堆焊技术的优异特性，因而在矿山机械、冶金机械、农业机械、建筑机械、发 电设备、铁路、车辆、石油化工设备以及工具、模具的制造和维修中获得广泛的应用。 堆焊除可显著提高工件的使用寿命，节省制造、维修费用外，还可减少修理和更换 磨损件的时间，从而提高生产率，降低生产成本。由于应用堆焊能更合理地利用材料， 从而获得优异的综合性能，所以堆焊对改进产品设计也有重大意义。 1 4 常用堆焊合金的分类及应用 在计划采用堆焊过程中，有一个重要问题就是选定堆焊合金。为此，必须对工件己 发生或可能发生失效的类型和堆焊合金类型及性能、使用范围有所了解。 堆焊合金的化学成份和金相组织对其使用性能起着决定性作用，所以堆焊合金的分 类必须考虑这两种因素，常见的堆焊合金有铁基、镍基、钻基、铜基合金和碳化物等几 种类型。 1 4 1 铁基合金 铁基合金8 l 州是应用的最广泛的一种堆焊合金。这不仅仅是因为其价格低廉，经济 性好，而更是因为经过成分、组织的调整，铁基合金可以在很大范围内改变堆焊层的强 度韧性耐磨性耐蚀性耐热性和抗冲击性。由于合金含量和冷却速度的不同，铁基合金堆 焊层的组织可以是珠光体、马氏体、奥氏体或莱氏体等。 1 4 1 1 珠光体合金 珠光体合金一般含碳量小于o 2 5 ，合金元素总量不超过5 。这种合金焊后的金 相组织以珠光体为主( 包括索氏体和屈氏体) ，焊接性好、抗冲击能力强。堆焊层硬度 较低( h r c 2 0 _ h r c 3 8 ) ，虽有利于机械加工，但耐磨性较差，主要用于修复被磨损零 件，如轴类及车轮磨损面，有时也在堆焊高耐磨材料时作打底焊，起恢复尺寸和过渡层 的作用。在少数情况下，珠光体堆焊层可以直接用于对耐磨性要求不高的工作表面。 d 沈阳工业大学硕士学位论文 珠光体合金的焊接性良好，对稀释率的要求也不严。采用的工艺方法以手弧焊和熔 化极自动堆焊为主。 手弧焊常用的珠光体堆焊焊条有d 1 0 2 、d 1 0 7 、d 11 2 和d 1 2 7 等。 1 4 1 2 马氏体合金 在正常的焊接条件下，马氏体钢的堆焊层的焊态组织为马氏体。其含碳量在 0 1 1 o 之间。同时含有m n 、m o 、n i 等元素，使其具有“自淬硬”性能。根据淬 硬性和冷却条件的不同，焊后组织在马氏体和马氏体+ 贝氏体之间变化。 马氏体钢堆焊层的硬度( h r c 2 5 - - h r c 6 0 ) 和耐磨性比珠光体钢高，而韧性和抗 冲击性则要低，而且随着含碳量的增加，这种趋势越来越明显。但其焊接性比珠光体钢 差。因此，焊前对母材表面要除油除锈，对裂纹敏感性比较强的母材还要考虑焊前预热 和焊后热处理。 马氏体钢堆焊层最理想的应用是在抗金属间磨损的场合，例如各种齿轮、轴类的堆 焊。在低应力磨料磨损的场合也能获得比较满意的使用效果，例如铧犁、挖泥铲的堆焊 等。在高应力磨料磨损和有中度以上冲击的工况下，马氏体钢的应用比较少见。其耐热 性和耐蚀性亦不能令人满意。 马氏体钢的主要堆焊工艺是手工电弧堆焊和熔化极自动堆焊。手工电弧堆焊常用的 焊条为d 1 6 7 、d 1 7 2 、d 2 0 7 、d 2 1 2 、d 2 2 7 、d 2 3 7 等。施焊前必须对焊条烘干。 1 4 1 3 耐磨奥氏体合金 耐磨奥氏体合金主要分为商锰钢和铬锰钢两大类。典型高锰钢的w e = 1 。o 一1 4 、 w m n = 1 0 - - 1 4 ；低铬锰奥氏体钢含铬量不超过4 ，含锰量在1 2 一1 5 之间，并含 有一些n i 和m o ：高铬锰奥氏体钢堆焊层的w c r _ 1 2 一1 7 、w m 。一1 5 。 高铬钢和铬锰奥氏体钢在堆焊后具有相同的组织结构，均为奥氏体组织。焊态的硬 度也相似，均在h b 2 0 0 - - h b 2 5 0 之间。它们最显著的共同特点是加工硬化性能非常 强。在受到较大的冲击载荷以后，表面硬度可达h b 4 5 0 - - - h b 5 5 0 。因此。耐磨奥氏体堆 焊层抗低应力磨料磨损的效果并不出众，但特别适合于有冲击的高应力磨料磨损的场 合。可用于堆焊破碎机的腭板、挖掘机的斗齿及铁路辙叉等零部件。其中高铬锰奥氏体 堆焊层还具有较好的耐蚀性和抗氧化性。 5 沈阳工业大学硕士学位论文 高锰钢堆焊层的工艺性能比较好，但有时会出现热裂倾向。为此，推荐使用较小的 线能量，例如由3 2 的焊条，施焊时焊接电流只要7 0 a _ 9 0 a 即可。在低合金钢基体上 堆焊高锰钢和低铬锰奥氏体钢时，由于母材的稀释作用，会在焊层中出现马氏体脆化 区，使堆焊层在冲击载荷下产生裂纹进而引起剥落。故建议在堆焊之前先用高合金奥氏 体不锈钢打底作过渡。而高铬锰奥氏体堆焊层不必使用过渡层。 常用的高锰钢堆焊焊条是d 2 5 6 和d 2 6 6 ；低铬锰钢焊条暂时无国际牌号：高铬锰 钢焊条有d 2 7 6 、d 5 6 7 和d 5 7 7 等。 1 4 1 4 耐磨双相中锰合金 耐磨双相钢中含有o 6 给一1 o 的c 、6 0 一1 0 0 的m n 及适量的n i 、c r 、m o 。 其中c 和m n 含量均比高锰钢低很多。 由于c 、m n 含量降低，焊态组织不再是稳定的奥氏体，而是由介稳奥氏体和1 0 以下马氏体组成的双相组织。虽然焊后硬度为h b 2 5 0 _ _ i b 3 0 0 ，但介稳奥氏体在工况中 应力和冲击的作用下发生马氏体相变并迅速强化，使表面硬度达到h b 5 5 0 - - - h b 7 0 0 ，即 使表层金属被磨掉，新露出来的表面也同样会发生硬化，使耐磨性获得再生。所以，特 别适用于中高应力磨料磨损、接触疲劳或二者相复合的工况，可用于堆焊高接触应力滚 柱轴承、挖掘机斗齿、铁路辙叉等工件。在某些场合，其耐磨性要优于高锰钢。 1 4 1 5 耐腐蚀合金 耐腐蚀合金以铬镍奥氏体不锈钢和高铬马氏体不锈钢为主。由于其耐蚀性和抗氧化 性，不锈钢的使用非常广泛。不锈钢能在表面生成稳定致密的氧化铬膜，这种膜能使表 面免受进一步的氧化和阻止腐蚀介质的进一步作用。但在某些条件下，由于氧化膜不稳 定，不锈钢也会产生点蚀晶间腐蚀或总体腐蚀。高铬马氏体不锈钢除具有耐蚀性外，还 有一定的热强度，可用抗中温( 3 0 0 c - - - 6 0 0 ) 的金属间磨损。 为了使堆焊层具有良好的耐蚀性，其显微组织最好为单相奥氏体或马氏体。在低合 金钢基体上堆焊不锈钢时，必须首先仔细地对合金系统进行设计。 为减少稀释率，通常用直流正接或交流进行不锈钢堆焊。线能量的选择也以偏小为 原则。堆焊奥氏体不锈钢时，往往首先用高铬镍的2 3 1 3 型或2 6 - 2 1 型焊接材料作为过 渡层；高铬马氏体不锈钢的堆焊则不需要过渡层，但一般需要1 5 0 c - - 3 0 0 c 的预热。 6 沈阳工业大学硕士学位论文 1 4 1 6 高合金铸铁 高合金铸铁堆焊层含有1 5 盼q o 的c ，并含有大量的c r ( 3 - - 3 5 ) 、适量的 w 、n i 、m o 、v 、t i 、b 等元素。按相结构，又分为马氏体合金铸铁、奥氏体合金铸铁 和高铬合金铸铁【1 川三大类。大量的c 、c r 、m o 、w 、v 、t i 等提供了大量的碳化物， 在加b 的情况下还有一定的硼化物，因此使堆焊层的抗高应力磨料磨损能力有较大改 善，而耐冲击性和韧性却相应较低。 1 4 1 6 1 马氏体合金铸铁 马氏体合金铸铁堆焊合金含c ：2 t 玲_ 5 ，常加入的其它合金元素有c r 、w 、n i 、 b 等，其总含量不超过2 0 ，属亚共晶合金铸铁，金相组织是马氏体+ 残余奥氏体+ 莱氏 体合金碳化物。堆焊层硬度h r c 5 0 - - h r c 6 0 ，有很高的抗磨料磨损的能力，耐热、耐 蚀、抗氧化能力也很强，还能耐轻度冲击。但堆焊时容易出现裂纹，主要用于农业机 械、矿山设备等零件的堆焊。 1 4 1 6 2 奥氏体合金铸铁 奥氏体合金铸铁u ，【1 2 1 堆焊合金含c ：2 _ 4 ，c r ：1 2 一2 8 ，还含有m n 、 n i 、m o 、s i 等合金元素，金相组织是奥氏体+ 网状莱氏体共晶。堆焊层硬度h r c 4 5 一 h r c 5 5 ，耐低应力擦伤式磨料磨损性能高，但耐高应力磨料磨损性比马氏体合金铸铁堆 焊层低，耐腐蚀性和抗氧化性较好，有一定韧性，能承受中等冲击，对开裂和剥离的敏 感性比马氏体合金铸铁和高铬合金铸铁堆焊层都小，主要用于有中度冲击和中等磨料磨 损的场合，如粉碎机辊、挖掘机斗齿等零件的堆焊。 1 4 1 6 3 高铬合金铸铁 高铬合金铸铁堆焊合金含c ：1 5 q 0 ，含c r ：1 5 t 肛q 5 。为进一步提高耐磨 性、耐热性、耐腐蚀性、抗氧化性，加入一些其它元素，如w 、m o 、n i 、s i 、b 等。 这种合金可分为三种类型：奥氏体型、可热处理硬化型( - 5 氏体型) 和多元合金型。它 们的共同特点是含有大量初生的针状c r t c 3 ，这种极硬的碳化物分布在基体中大大地提 高了堆焊层耐低应力磨料磨损的能力，但耐高应力磨料磨损的能力还取决于基体对 c r t c 3 的支撑作用。所以奥氏体型的耐磨性能最差，多元合金型的最好。可热处理硬化 型高铬合金铸铁含碳量2 5 ，c r 含量大于2 5 ，堆焊层基体组织是奥氏体( 硬度 7 沈阳工业大学硕士学位论文 h r c 4 5 - - h r c 5 5 ) ，经8 0 0 。c - - 8 5 0 。c 退火后可加工，再经9 5 0 一1 0 9 0 空淬后，基体 组织成为马氏体，硬度可达到h r c 6 0 ，耐高应力磨料磨损性能大大的提高，耐热、耐 蚀和抗氧化性也不差，在生产中应用很广泛。在高炉料钟、高压泵零件中都利用了这种 合金的堆焊层。 1 4 2 钴基合金 钴基合金主要指的是c o c r - w 合金。该类合金含c ：0 7 一3 3 、w ：3 一 2 1 、c r ：2 6 一3 2 。堆焊层的金相组织是奥氏体+ 共晶组织。而含碳量高的合金是 过共晶组织，出现大块的m 7 c 3 和m 6 c 型的合金碳化物。c o c r - w 合金的主要特点是在 6 5 0 。c 以上温度仍保持较高的强度和硬度，同时在5 4 0 c - - 6 5 0 c 时保持的高温蠕变强度 比任何其它堆焊合金的都高。此外，该合金具有一定的抗腐蚀性、优良的抗粘着磨损性 能。随着含碳量的增加还具有很高的硬度和优良的抗磨料磨损性能。因此，虽然这类合 金价格昂贵，在要求耐高温磨损、耐高温腐蚀的场合仍能得到较多的应用。 钴基堆焊合金【1 3 1 随着含碳量、含钨量的增大，耐磨料磨损性能大大增强。如含 c r 的c o c r w 合金，虽然抗磨料磨损性能一般，但由于有高的抗氧化性、抗腐蚀性、 耐热性和较低的摩擦系数，故可用于内燃机排气阀的密封面的堆焊。而含c2 5 的c o c r - w 合金虽有很好的抗磨料磨损性能，但抗冲击能力、焊接性和机械加工性能下降， 只能磨削加工，堆焊时易出现裂纹。它适用于高温工作条件下高应力磨料磨损的工具刃 部的堆焊，如牙轮钻头、热冲头、热剪刀等零件的堆焊。 1 4 3 镍基合金 镍基合金按其强化相的不同可分为三大类，即含硼化物合金、含碳化物合金和含金 属间化合物合金，其中以含硼化物镍铬硼硅合金应用最广。 镍铬硼硅合金【1 4 】系含b ： 1 5 4 5 、c r ：n 1 8 。堆焊层的金相组织是奥氏 体+ 碳化物+ 硼化物。一般含铬多的合金含硼量也高，形成极硬的硼化物。堆焊层常温硬 度可达到h r c 6 2 ，具有很高的耐低应力磨料磨损能力，但抗冲击性能下降。由于在5 4 0 仍保持较高硬度( h r c 4 8 ) 且具有很好的抗氧化性、耐腐蚀性，可用于阀门密封面的 堆焊。 8 沈阳工业大学硕士学位论文 含碳化物的镍基合金使用较少，但由于和钴基合金相比价格较低，作为钴基堆焊合 金的代用品 1 5 1 ，近来在国外得到较多应用，尤其是含碳化物( m 7 c 3 和m 6 c 型) 的n i - c r m o c o f e w c 系列合金，较易用氧乙炔焰堆焊，使用更普遍。 含金属间化合物的镍基合金旧如n i 3 2 m o 1 5 c r 3 s i ，高温硬度高，具有很好的耐 金属间磨损的能力和中等的耐磨料磨损的能力，但抗冲击性不好，常用来堆焊在严重腐 蚀介质中工作的阀门密封面。 1 4 4 铜基合金 做堆焊用的铜基合金主要是铝青铜、铅青铜、锡青铜，有时也用黄铜和紫铜。铜基 堆焊合金酬腐蚀、耐气蚀、耐金属间磨损。可在铁基材料上堆焊铜合金制造双金属件， 也可用来修补磨损的零件。但铜合金易受硫化物腐蚀，耐磨料磨损性能和抗高温蠕变能 力差，且易受硫化物和氨盐的腐蚀。选用铜基合金堆焊材料时，可参考同质的铜基合金 的使用范围和应用场合。 1 4 5 碳化物 碳化物以钨的碳化物为主，还包括t i 、m o 、v 、t a 和c r 的碳化物。它们的共同特 点是硬度很高，其中碳化钨的应用最为普遍，碳化物的制造工艺分铸造和烧结两种。碳 化物堆焊层 博1 是由基体( 铁基、钴基、镍基或铜基合金) 与嵌入其中的碳化物颗粒组成 的复合材料。 1 5 多元复合强化硬质耐磨堆焊合金的类型、性能及应用 多元复合强化硬质耐磨堆焊合金目前已发展达数十种，为了系统地了解各种堆焊合 余的性能，人们进行了分类。但无论如何分类，其堆焊层性能主要取决于各组成相的性 能，因此通常根据堆焊层主要组成相分类，目前国内外关于多元复合强化硬质耐磨堆焊 合金大致可分为以下几类： 1 5 1 c r c 系复合硬质耐磨堆焊合金 铬碳化合物( c r 2 3 c 6 、c r 7 c 3 ) 等的硬度( h v 1 8 0 0 ) 高于石英砂磨粒的硬度 ( h v 1 3 0 0 ) ，性能优于普通渗碳体，是高铬合金铸铁系、c o c r _ w 系、n i c r b s i 系和 高碳高铬 具钢系等耐磨多元复合强化硬质耐磨堆焊合金的主要硬质相， 2 0 】。 9 沈阳工业大学硕士学位论文 表1 1 各种高铬合金铸铁1 1 0 i 的主要成分、组织和性能 性能 i 耍化学戏分)组织 冲击磨损 台余类型 n b 、 凿 高低 磨 cc rn l m o 、w 、基体硬质相高低应应 v 削蚀 力力 奥氏体+ 初生 奥氏体铁1 2 51 0 ，2 25 1 2铬碳好好好好好好 少量共晶 化合物 马氏体+ 初生 马氏体铁1 5 4 55 2 0铬碳好好好 好好 少量共晶 化台物 奥氏体铁奥氏体+ 初生 ( c r 7 c 3 ) 3 7 52 2 - 3 5铬碳好好好好好好 碳化物 化台物 奥氏体一 复杂 马氏体一铬和其它 碳化铬铁 3 7 52 0 - 3 5 1 0共品碳化元素的碳好 好好好好好 物( 复杂化物 基体) 马氏体 马氏体+棚生 碳化铬铁 2 _ 52 2 - 3 5碳化物 铬碳好 好好好 共品化合物 低铬 少量 白l j 铁 2 50 8 马氏体好 好好好好 碳化铬 1 5 2w c 系复合硬质自 屠堆焊合金 w c 系复合硬质耐磨堆焊合金硬度( h v 2 4 0 0 ) 高于c r t c 3 和刚玉磨粒的w c 硬质 相，这是很重要的技术突破。这类堆焊材料的种类、成分、堆焊工艺( 见表1 2 ) 及其 制备技术，已颇具规模。 碳化钨堆焊材料多用于承受冲击载荷的严重磨损的情况下。堆焊w c 系合金肘， 最突出的 ：艺问题是硬质相颗粒相的“沉底”，可通过合理控制粉末加入时间和位置以 及调节堆焊层基体液相比重来抑制这种现象的发生。堆焊w c 系合金时，可配用多种基 体合会。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 表1 2w c 系堆焊材料种类、成分及堆焊工艺 碳化物类别烧结w c + c o 、铸造w 2 c + w c 加入量2 州d 或更高 基体相铁基合金、钢基合金、镍基台金( n i - c r - b s i ) 、钴基台金( c r - w ( - m o ) 系) 、铜基台 ( 粘结相)金( w - n i z n 灌c u - m n - n i ) 材料种类堆焊粉末、药芯焊丝、管状焊条、烧结棒( 条) 工艺方法气焊、等离子弧焊、氩弧焊、手弧焊、火焰堆焊、电渣堆焊 采用包复碳化钨粉末； 选择热输入量低、凝固快的工艺方 法： l 克服气孔、裂纹、烧损和扩散固溶问题。 工 选择热输入量低、凝固快的工艺方 艺 法。 措 施 以v c 代替w c ： 2 克服碳化钨沉底。 采用钢基烧结焊条； 控制好粉末加入时间和位置。 采用包复粉末； 3 改善韧塑性。 用铜基合金作基体相。 1 5 2 1w c ( n i 。c r _ b s i ) 系 表1 , 3w c ( n i - c r - b s i ) 系合金成分及其性能 纯学或分( 重量)硬麦( h r c ) 牌号 n jc rbs if ecw c基体相硬质相 3 2 c ( 美国)余 350 808080 l8 06 67 4 _ 7 6 1 0 1 1 2 ( 瑞士)余322l50 85 0整体5 7 6 4 m s f w c 2 ( 日本) m s f n i - 4 ( m s f n i - 5 ) c o ( 1 02 05 5 5 n i w c 3 5 ( 中国)余 8 一1 2 1 5 05h 1 4l5 q 02 5 0 2 w c ( n i c r - b s i ) 系镍基复合堆焊材料中最重要的一个系列( 见表1 3 ) 。加入极 硬的w c 作主体硬质相，还配以c r b 、c r 2 3 c 6 等硬质相强化的基体相( 低硼系中以n i 或n i f e 固溶体为主，高硼系中以n i - n i b 共晶为主) ，使整体材料的硬度和抗磨损性 能有很大提高f 2 1 1 f 2 4 1 。 1 5 2 2w c ( c o c r - w ) 系 综合性能优良的c o 基合金中加入w c 作为主体硬质相，在严重磨损机件的堆焊领 域中占有重要地位。加入n b c 、v c 的钴基合金堆焊层也有类似功能。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 5 3n b c 、v c 系复合硬质耐磨堆焊合金 v c ( h v 252 0 - 3 0( 2 8 高碳低硼 32 5151 84 31 9 ll ( c r ，f e ) 7 ( c b ) ) 1 0 ( 高铬铸铁型1 ( c r , f e b ( c b k 25 2 0 3 ( c r f e m c b h 4 ( c r f c ) ”f c b ) 6 d 刚y - f e 1 过共晶 共晶 ( c r , f e ) b a f e v f e ( 1 51 0 - 2 03 5 ( f e ，c o b+ ( f c c r ) b 95 9 过共晶共晶 ( c l f e ) b d 刚y - f e 151 0 2 053 6 f f e , c r ) b+ ( f e c r ) b 25 过共晶共晶 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 2 c r - b _ w _ v 系多元复合强化铁基高温耐磨堆焊合金的设计 2 1 c r - b w v 系合金系统的确定 材料的耐磨性吼口8 1 是磨损条件和材料性能的综合反映。通常用堆焊层的硬度 ( h u ) 和磨料的硬度( h a ) 的比值( h u h a ) 来判断堆焊层的耐磨料磨损性能。如果 磨料硬度比堆焊层硬度高得多，则发生快速磨损：反之，则磨损率较低。然而，仅用硬 度的高低来评价材料的耐磨性是很不确切的，也就是说，高硬度的堆焊层不一定具有优 良的耐磨性，还受其显微组织的影响。 对于c r - b w v 系多元复合强化铁基高温耐磨堆焊合金的合金系统的设计，从提高 其常温和高温耐磨性的角度出发，考虑的磨损机制是磨料磨损机制【2 9 1 。扫描电镜下观察 堆焊金属的磨料磨损【3 0 】p 2 l 特征主要有两种，是在磨粒切削作用下形成的“犁沟”， 二是表面削落形成的凹坑，是由于表面受磨粒作用出现塑性损伤，产生裂纹，并扩展形 成剥落所致，显然堆焊金属在磨料磨损过程中既有塑性变形导致的磨损，又有断裂导致 的磨损，因此提高堆焊层金属的抗塑性变形能力和抗断裂能力对改善其耐磨性是有利 的，而这些能力与堆焊金属的显微组织密切相关，主要表现在硬质相的形