（材料加工工程专业论文）抗冲击耐磨料磨损堆焊合金的研究.pdf

沈阡r l l 业火学硕十学位论文 摘要 本文研究了适用于冲击磨损条件下的堆焊合金d k c m 5 0 。 堆焊实验中采_ e j 碳弧作为熔化热源将合金粉末块熔敷在试板上，在动载荷磨料磨损 试验机上进行冲击磨损实验。通过分析堆焊层金属的加工硬化效果及冲击磨损实验中的 磨损失重，并且与d 2 5 6 堆焊焊条进行了对比分析，考察了d k c m 5 0 堆焊层金属的抗冲击 耐磨料磨损性能。最后分析了d k c m 5 0 堆焊合金的耐磨机理以及加入的合金元素对该堆 焊台金耐磨性能的影响规律。 d k c m 5 0 合金系为f e m n c r m o v ，焊后硬度在h r c 3 0 3 2 之间。实验表明， d k c m 5 0 堆焊合金加工硬化性能很强，在受到较大载荷冲击后，表层硬度可达h r c 5 0 5 2 ，较焊态堆焊层硬度提高约6 6 ，同时) j i l t 硬化层厚度也很大。该堆焊合金具有优 异的抗冲击耐磨料磨损性能，无论是堆焊层金属的加工硬化效果，还是抗冲击磨料磨损 性能都比d 2 5 6 焊条优异很多；同时，碳、锰、铬、钼、钒等合金元素的配比比较理 想，既保证了堆焊层的韧性，也获得了优异的抗冲击磨料磨损性能。 d k c m 5 0 堆焊层金属基本上是单相奥氏体组织。在冲击过程中堆焊层金属滑移带中 出现了高密度的位错，这些高密度的位错，使晶体滑移受阻，致使材料得到强化：同时 大量的位错缠结并钉扎在晶界，最终导致位错运动和晶体滑移的阻力大大增加，这是材 料形变后宏观硬度增大的主要原因。 d k c m 5 0 中加入的合金元素c r 、m o 和v 等都是强碳化物形成元素，在堆焊层金属中 形成弥散分布的碳化物，提高了d k c m 5 0 焊态的初始硬度，而且对堆焊层的抗冲击耐磨 料磨损有很大帮助。 关键词：冲击磨损，加工硬化，堆焊合金 沈阳j 业人学硕+ 学何论文 s t u d y o n h a r d f a c i n ga l l o y s f o r i m p a c t a b r a s i o na n d g r i n d i n g a b r a s i o n i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rh a ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e do n ek i n do f h a r d f a c i n ga l l o y sf o ri m p a c t a b r a s i o na n d g r i n d i n ga b r a s i o n w h i c hn a r l l ei sd k c m 5 0 1 1 1t h eb u i l d u pe x p e r i m e n t ，w eu s et h ec a r b o nr o da se l e c t r o d eb a rt om e l ta l l o yp o w d e r t h e i m p a c te x p e r i m e n ti sa c c o m p l i s h e dw i t hm o v i n g l o a dg r i n d i n ga b r a s i o nt e s t i n gm a c h i n ew h i c h m o d e li s m l d - 1 0 c o m p a r e d w i t h h a r d f a c i n ge l e c t r o d e ( d 2 5 6 ) ，w e h a v es t u d i e dt h e p e r f o r m a n c eo fi m p a c t w e a r r e s i s t a n to fd k c m 5 0 t h r o u g ha n a l y z i n g t h e w o r k - h a r d e n i n g e f f e c t a n dw e i g h t l e s s n e s so f d e p o s i t e dm e t a l a n da l s o ，w ea n a l y z et h ew e a r r e s i s t i n gm e c h a n i s m o f d k c m 5 0a n dt h ee f f e c to f a l l o ye l e m e n t s ，s u c ha sc r ，m o ，v t h eh a r d n e s sd e g r e eo fd k c m 5 0 d e p o s i t e dm e t a l ，w h i c hi s af e - m n c r - m o - va l l o y s y s t e m ，i sb e t w e e nh r c 3 0 - 3 2 t h ew o r k h a r d e n i n ge f f e c to fd k c m 5 0i sv e r yg o o d a f t e r i m p a c te x p e r i m e n t ，t h e h a r d n e s s d e g r e e o f d e p o s i t e d m e t a lr e a c h e s h r c 5 0 5 2 ，w h i c h i m p r o v e s6 6 c o m p a r e w i t ht h eh a r d n e s sd e g r e eo f d e p o s i t e dm e t aa sw e l d e d a n dt h eh a r d e n l a y e r i sa l s ob i g ，t h e w o r k - h a r d e n i n g e f f e c ti sm u c hb e t t e rt h a nd 2 5 6 ，a n da l s ot h ep e r f o r m a n c e o fi m p a c tw e a r r e s i s t a n t i nt h ed e p o s i t e dm e t a lo f d k c m 5 0 ，t h ec o m p o n e n to fc r ，m oa n dv a r ev e r ys u i t a b l e ，w h i c hl e a dt os u p e r m a l l e a b i l i t ya n d w e a r - r e s i s t a n t t h ed e p o s i t e dm e t a lo fd k c m 5 0 i ss i n g l e - p h a s eo f a u s t e n i t e d u r i n gi m p a c t i n g ，t h e r ea r e al o th i g hd e n s i t yd i s l o c a t i o ne m e r g i n gi ns l i db a n d s ，w h i c ha f f e c t st h es l i p p i n go f c r y s t a l s s o t h e d e p o s i t e dm e t a li ss t r e n g t h e n i n gb yt h i sb e h a v i o r t h e r ea r em u c hd i s l o c a t i o na m o n g a u s t e n i t eg r a i n s ，a n dt h et a n g l ea n da n c h o r i n go fd i s l o c a t i o na r ei n c r e a s e di ng r a i nb o u n d a r i e s ， w h i c hm a k e st h ed i s l o c a t i o nm o v e m e n ta n dg l i d eo f c r y s t a l sv e r yd i f f i c u l t t h i si st h em a j o r r e a s o nt h a tt h eh a r d n e s sd e g r e ei n c r e a s e sa f t e r s h a p ec h a n g e s t h e a l l o ye l e m e n t si nd e p o s i t e d m e a lo f d k c m 5 0 ，s u c h a sc r ，m o ，v ，w h i c ha r ea d d e di n ap r o p e r q u a n t i f i e s ，a r eg o o dt o t h er e f m e m e n to fg r a i n sa n dt h em a l l e a b i l i t ya n dc r a c k 、 r e s i s t a n c eo fa u s t e n i t es t r u c t u r e a tt h es a m et i m e ，t h ec a r b o n i d e s o ft h e s ee l e m e n t sa r e 沈刚上业大学硕士学位论文 d i s t r i b u t i n gd i s p e r s e l yi nt h eb u i l d u pl a y e r ，w h i c hi n c r e a s e st h eh a r d n e s sd e g r e eo fd k c m 5 0 d e p o s i t e dm e t a l a n dt h ep e r f o r m a n c eo f w e a r r e s i s t a n to f g r i d t n g a b r a s i o n t h r o u g h as e r i e so f e x p e r i m e n t s ，i ti n d i c a t e st h a td k c m 5 0 n o t o n l yh a sg o o d w o r k h a r d e n e f f e c t ，b u ta l s oh a ss u p e rp r o p e r t yo fi m p a c ta b r a s i o na n dg r i n d i n ga b r a s i o n k e y w o r d s ：i m p a c t a b r a s i o n ，w o r k - h a r d e n i n g ，h a r f a c i n ga l l o y s 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：每j 臣日期： 关于论文使用授权的说明 2 口筘j t 6 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：! 壁 导师签名：立_ b 坦曰期 2 0 0 3 - j ，6 沈阳t 业人学坝十学位论文 1 绪论 据统计，全l 生界每年钢铁材料消耗量达7 亿吨以上，其中有5 0 是由于材料磨损 而消耗掉了。掘我国电力、建筑材料、冶会、采煤和农机五个部门不完全统计，估算我 国每年消耗金属材料达3 0 0 儿吨以上，再加上能源消耗及因更换零件而停工等损失高达 几十亿元川。仅就冶金矿山、农机、煤炭、电力和建材五个工业部门不完全统计，近年 柬我国各行业已陆续进口了高达1 0 0 0 亿美元的机械设备f 2 i 。由于零件磨损，每年需要 补充的备件约需数亿美元去购买，这对我国是个沉重的负担【3 】o 为了节约这项外汇，必 须解决进口设备中零件的国产化及磨损零件的修复问题。 而对于处于恶劣工况的零部件，磨损更是十分严重。例如用于粉碎矿石的颚式破碎 机，其颚板是由抗凿削式磨料磨损性能较好的高锰钢制造的。但是，由于颚式破碎机工 作时受到矿石的强烈撞击和摩擦，颚板磨损还是非常严重，甚至几天就需要更换新的颚 板。因此，在大型的磨料制造厂中每天都有报废的颚板被换下f 4 1 0 如果能用焊接的方法 把磨损的部分修复，将会给企业带来可观的经济效益。 目前为解决此类问题，企业大都广泛使用具有较强的加工硬化性能的高锰钢材料， 但由于其铸态组织为单相奥氏体，堆焊金属的柱状晶界易产生网状碳化物，抗裂性较差 【5 | 0 高锰钢材料焊接时的锰烟尘大，而高铬合金铸铁堆焊材料抗冷裂性能较差，加工工 艺复杂，均不利于工程机械磨损件焊接修复的大面积应用【5 1 0 材料磨损的主要原因是因 其强韧性不足，从而在冲击磨损条件下发生脆性剥落、断裂等早期失效。因此提高材料 的强韧性，开发新的耐磨材料是当前国内外非常关注的课题。 基于此，本课题考虑研制开发一种适合于严重磨损工况下的堆焊合金，用于解决类 似条件下的磨损问题。 1 1 耐磨材料简介 1 1 1 耐磨钢铁材料 目前，国内外使用的耐磨材料主要有：奥氏体钢、各种铸铁、低合金马氏体钢、贝 氏体钢、奥氏体一贝氏体双相钢和马氏体一贝氏体双相钢等。它们可归结为三大类：奥 氏体锰钢、耐磨铸铁以及合令别磨钢n 沈| ；| _ | t 业人学砸l 岸位论文 国际上耐磨材料己经发展了三代吼第一代是高锰钢( 代表是m n l 3 ) 及普通白口 铁，以后依次是镍硬铸铁( 代表是m n c r m o c u ) ，高铬铸铁( 代表是1 5 c r 一2 m n 1 c u ) 和低合会耐磨钢( 代表是c r - - n i m n - - m o v 系合金钢) 。 ( 1 ) 高锰钢 耐磨钢中最典型的是高锰钢( m n l 3 ) ，这种钢的基体是奥氏体，在水韧处理后具有 奥氏体组织，作为一种耐磨材料己有很久的历史，其典型成分为：0 9 1 5 c 、1 0 1 5 m n 、0 3 1 o s i 、s o 0 5 、p 0 1 0 ”。它在高的冲击载荷下具有优异的) j n 3 ：硬化能 力，表面能从h b1 7 0 2 2 5 提高到t 1 8 5 0 0 8 0 0 ，而工件内部仍保持原有的高韧性的组 织，表面又具有优异的耐磨性。关于高锰钢的加工硬化机理有不同的理论，既有化学组 元的变化，又有几何学组元的变化。即：1 ) 化学组元的变化( 相变理论) 。这种观点 认为高锰钢中奥氏体是处于相对稳定的状态，在受力而发生变形时，由应变诱导而发生 相变，即在钢的表面发生了奥氏体一马氏体转变，这种理论己经被有关的x 射线分析所 证实。2 ) 几何学组元的变化( 位错塞积理论) 。这种理论认为，高锰钢在经受挤压或 强冲击作用下，晶粒内部产生最大切应力的许多互相平行的平面之间，产生相对滑移， 结果在滑移界面的两方造成高的密度位错，而位错阻碍滑移的进一步运动，即起到位错 强化的作用。结果是增强了钢抵抗变形的能力和提高了钢的硬度，商锰钢表面层在形变 后产生大量的滑移线，即产生大量位错的痕迹。作为这一理论的证明是，一旦这种变形 产生的组织被加热到高温( 5 0 0 。c 以上) 时，己形成的滑移线将不复存在，钢的硬度又 回到原来的水平，这表明大量的位错己经消失。 高锰钢广泛地应用于矿山机械、工程机械、建材部门、电力机械、铁路等方面。例 如用它制造各种挖掘机的铲齿，球磨机的衬板，各种锤头，拖拉机的履带板，风扇磨的 冲击板，铁路道叉等【8 j 。高锰钢具有很强的加工硬化能力而得到广泛的使用，但是其在 中、低冲击载荷下由于得不到足够的冲击和摩擦，不能充分发挥其优势而使耐磨性较 差。在某些高冲击应力工况( 如凿削式磨损) 下，由于其加工硬化峰不在最表层，而在 亚表层，使该处的组织脆化萌生裂纹引起磨损表面的剥落，此外由于其容易引起工件的 塑性变形而使工件安装拆卸困难。 ( 2 ) 耐磨铸铁 洗l f 几1 业人学顺 学位论立 耐磨铸铁主要有普通白口铁、镍硬铸铁和高铬铸铁，由于其中含有m 3 c 或m 7 c 3 等硬 度很高的碳化物而使材料具有优异的抗磨能力，但是其不足之处是材料的韧性不足，工 件在高应力作用下容易出现早期断裂而失效。普通的铸铁以渗碳体为基体，主要组织为 莱氏体。亚共品生铁中还可能有奥氏体转变来的珠光体，这种组织很硬，很脆，以往也 曾在个别耐磨件上用过，但它的应用有限。后来镍硬铸铁研究成功了，它是以马氏体为 基体，上面分布着渗碳体，硬度、韧性和耐磨性都有提高。随着高铬铸铁的研究成功， 由于硬度耐磨性进一步提高，高铬铸铁用于制造锤头，甚至齿板。高铬铸铁的组织是由 硬度更高，而且不连续分布的碳化物m 7 c 3 及马氏体组成。各种铸铁目前在国内外的应用 都不断扩大，在许多地方代替高猛钢和其它耐磨材料，取得了很好的效果，铸铁的应用 主要是资源问题、脆性问题等，有待进一步研究解决。 ( 3 ) 低合金耐磨钢 j 合金耐磨钢中最常见的一种就是低合余马氏体钢，它是采用c r 、n i 、m n 和等元 素合金化，然后通过淬火与低温回火热处理，从而获得回火马氏体组织。由于低合金马 氏体钢中存在的高密度位错板条状马氏体具有很高的硬度和良好的韧性，可以较好地抵 抗磨损时裂纹的扩展，因此该材料具有优异的机械性能和耐磨性。 低合金耐磨钢在中、低冲击载荷条件下同高锰钢相比具有明显的优越性，综合机械 性能高出高锰钢一倍多。 i 1 1 2 耐磨堆焊材料 我国堆焊合金粉末的研制是从国外引进的钴基、镍基合金粉末开始的。然后，根据 我国的资源情况研制、改进了钻基、镍基合金系统，并研制了一批铁基、铜基及复合粉 末材料 8 1 。这些材料的研制及应用对于提高材料的使用寿命、降低合金粉末的制造成 本、推动堆焊技术的科技进步起了巨大的推动作用。按合金系统耐磨损堆焊合金粉末可 分为铁基合金粉末、钴基合金粉末、镍基合金粉末、铜基合金粉末及复合粉末。其中的 复合粉末是在自熔性合金中加入自熔性较差的硬质化合物，其自熔性不及铁基、钻基、 镍基自熔性合金粉末。 堆焊用的合金粉末及其适用范围见表1 1 ： 沈j ；r | t 业人学坝i 学位论义 表1 1 堆焊用的合金粉末及其适用范围【8 】 f i o l 镍基 f 1 0 1 f e 1 0 0 04 0 5 0 _ i _ | j 于堆焊阀fj 、泵柱塞、泵转子等零件 f 1 0 2用于堆焊密封环、刮板、齿轮等耐高 粉末 f 1 0 2 f e 1 0 5 05 0 6 0温、耐磨零件 钴基 f 2 0 1 合金 f 2 0 21 1 5 04 2 4 7 用于堆焊高压阀门、锻模、剪切刀具 粉末 f 2 0 2f e1 1 5 05 0 5 5 用于堆焊内燃机阀、高压泵的封口圈等 f 3 0 11 1 0 04 5 5 0h i 于堆焊齿轮、犁铧等 f 3 0 21 2 5 04 2 4 7用于堆焊高中压阀i j 铁基 f 3 0 31 2 5 05 2 5 8 用于堆焊铲斗齿、泵套 合金 f 3 0 41 2 5 05 8 6 5 用于堆焊挖掘机、破碎机 粉末 f 3 1 11 2 0 03 4 3 8 用于堆焊中压阀门 f 3 1 21 2 5 03 8 4 2 用于堆焊耐蚀零件等 铜基 f 4 2 2i i 0 04 2 4 7 甩于堆焊碳素钢、铸钢、铸铁等零件 粉末 由于钴基和镍基合金粉末价格昂贵，有的时候没有必要采用这类高合金材料，同时 铁基合金粉末材料就能满足要求。因此针对我国国情，丌展了铁基粉末合金的研制工 作，特别是1 9 7 5 1 9 8 5 年间研制出一批适合于堆焊的铁基合金粉末，如f 6 2 3 、f 3 1 2 、 f 3 2 1 、f 3 2 2 及f e 一3 、f e 一4 等。相对于以前的铁基合金粉术，它价格低，使用寿命成 倍提高，对于堆焊合金的研制起到了很好的推动作用。 ( 1 ) 铁基合会 沈m t 业人学硕。f ：学位论文 目前，铁基合金是应用得最广泛的一种堆焊合会。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、硬度、韧性、耐磨性、耐蚀性、耐热性和抗冲击性。由于合会含量和冷却速度的 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。 1 ) 珠光体合金 这类台金的含碳量通常低于0 2 5 ，合金元素总量不超过5 。这种合金焊后得到 珠光体组织( 也包括索氏体和屈氏体) ，其硬度为h r c 2 0 3 8 。珠光体堆焊层，由于硬 度较低，耐蚀性不佳，故常用于机械零件恢复尺寸时的打底焊，意在提高堆焊的经济性 或形成底层基体金属与顶层高合金在成分和性能上的良好过渡层。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。珠光体钢堆焊合金的组织以珠光 体为主，焊接性好，抗冲击能力强；但是堆焊层硬度较低，虽然有利于；0 n 3 2 ，但耐磨性 较差，主要用于修复磨损较轻的工况，如轴类及车轮磨损面。手弧焊常用的堆焊焊条有 d 1 0 2 、d 1 0 7 、d 11 2 和d 1 2 7 等( 9 l 。 2 ) 耐磨奥氏体合金 耐磨奥氏体合金主要是以高锰系列为主，有的还在其中加入一些合金元素，以达到 更高的性能要求。低铬锰奥氏体钢含c r 量不超过4 ，含m n 在1 2 1 5 之间，并含 有一些n i 和m o ：高铬锰奥氏体锰钢堆焊层含c r 为1 2 1 7 m ，含m n 约为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 2 5 0 之间。此类合金一般都是应用其良好的加工硬化性，堆焊 层强度高，韧性好，经冷作硬化后硬度可达到h b 4 5 0 5 0 0 。主要用来修复严重冲击载 荷下的金属间磨损和磨料磨损的零部件，如矿l i j 料车、铁道道岔、颚式破碎机颚板以及 挖掘机斗齿等。加入n i 、c r 等合金元素的奥氏体堆焊合金除了具有上述的性能外，还 具有较好的耐腐蚀性、耐热性、抗裂性等。常用的高锰钢堆焊焊条有d 2 5 6 和d 2 6 6 ；低 铬锰钢焊条暂无国标牌号：高铬锰钢焊条有d 2 7 6 、d 5 6 7 和d 5 7 7 等吼 3 ) 马氏体合金 沈阳丁业人学顺 学位论文 在萨常的焊接条件下，马氏体钢堆焊层的焊态组织为马氏体。其古碳量在o ，i 1 0 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+ 贝氏体之问变化。 马氏体钢堆焊层又可按其含碳量分为低碳、中碳和高碳马氏体三种堆焊层。其中c o 3 的为低碳马氏体，c0 3 o 6 的为中碳马氏体，c0 6 1 o 的为高碳 马氏体。其硬度也随着含碳量和含合金量的变化而在h r c 2 5 6 0 之间变化。马氏体钢堆 焊层的硬度和耐磨性比珠光体钢高，而韧性和抗冲击性则要低的多，而且随着含碳量的 增加，这种趋势越来越明显。 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。在低应力磨粒磨损的场合也能获得比较满意的使用效果，例如犁铧的堆焊等。在高 应力磨粒磨损和有中度以上冲击的工况下，马氏体钢的应用比较少。常用的焊条有 d 1 6 7 、d 1 7 2 、d 2 0 7 、d 2 1 2 、d 2 2 7 、d 2 3 7 、d 3 3 7 、d 0 2 7 和d 0 3 6 等1 9 】。 4 ) 耐磨双相中锰台金 耐磨双相中锰钢含有c0 6 1 o 、m n6 0 1 0 及适量的n i 、c r 、m 0 。其中 c 和m n 的含量均比高锰钢低的多。由于c 、m n 含量的降低，焊态组织不再是稳定的奥 氏体组织，而是介稳奥氏体【10 】和1 0 以下马氏体组成的双相组织。虽然焊后的硬度仅 为2 5 0 3 0 0 h b ，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 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，此材料特别适用于中高应力磨粒磨损、接触疲劳或 二者复合的工况。可用于堆焊接触应力滚柱轴承、挖掘机斗齿、铁路辙叉等工件。 5 ) 耐腐蚀合金 耐腐蚀合金以镍铬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。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。耐腐蚀不锈钢堆焊材料的种类繁多，应用也很广泛。 6 ) 高合金铸铁 高合金铸铁堆焊层含有c1 5 6 o ，并含有大量的c r ( 3 5 3 5 ) 、适量的 w 、n i 、m o 、v 、t i 、b 等元素。按相结构，又可分为含有马氏体、残余奥氏体和莱氏体 沈| f | t 业人学倾i j 学位论文 的马氏体合盒铸铁，以及由奥氏体十莱氏体共品的奥氏体合金铸铁。大量的碳、铬、钼 钨提供了大量的碳化物，在加硼的情况下还有一定的硼化物，因此使堆焊层的抗高应力 磨粒磨损能力有较大的改善，而自4 蚀性和韧性相应降低。马氏体合金铸铁堆焊层的宏观 硬度为h r 5 0 6 0 ，耐磨、耐蚀、耐热和抗氧化性能较好，但不附冲击。常用的马氏体 合金铸铁焊条有d 6 0 8 、d 6 7 8 和d 6 9 8 等；奥氏体合金铸铁焊条在国内还未有定型产品； 高铬合金铸铁焊条有d 6 1 8 、d 6 2 8 、d 6 4 2 、d 6 8 7 等。 ( 2 ) 钴基合会 钴基台金本身具有耐蚀性，耐热性以及抗粘着磨损等性能。钴基合金主要有两大系 列，一是c o c r w c 系，另一个是c o m o c r s i 系列，前者用m 7 c 3 型碳化物强 化，使该系列的抗磨粒磨损能得到提高：后者用拉夫斯相强化f 1 0 j 。 在抗金属问磨损，例如齿轮啮合面的磨损方面性能优越。该类合金堆焊层的组织是 奥氏体+ 共晶组织。其主要特点是再6 5 0 。c 以上的高温仍保持较高的强度和硬度，同时 在5 4 0 6 5 04 c 时保持的高温蠕变强度比任何其它堆焊金属的都高。常用的c o c r w c 的堆焊材料有r c o c r a ( c o c r 2 8 w 4 一c 1 1 和d 8 0 2 焊条) ；r c o c r b ( c o c r 2 9 一w 8 - - c 2 5 和d 8 1 2 焊条) ；r c o c r c ( c o c r 3 0 一w 1 2 c 2 5 和d 8 2 2 焊条) 【1 1 1 2 1 。 ( 3 ) 镍基合金 镍基合金中最常见的是n i c r b s i 系和n i c r m o w 系，此外还有n i - - c r m o c 、n i m o f e 和n i c r w s j 等系【1 3 、“】。 n i - - c r - - b - - s i 系列以高硬度的硼化铬作为强化相，有较高的耐低应力磨粒磨损能 力，优良的耐腐蚀、耐热和抗高温氧化性能。主要用于高温下低应力磨料磨损和高温腐 蚀的工况，但其抗冲击性能较差。n i c r m o w 系列主要用于耐腐蚀的场合，但也可 作为高温耐磨材料。其强度高、韧性好、耐冲击，特别是其可机械加工性能，使其应用 同趋广泛。n i c r m 。c 系列堆焊层中含有碳化物，可作为钴基耐磨堆焊合会的代用 品。n j - - m o - - f e 系( n i - - 2 0 m o - - 2 0 f e ) 则适用于在耐盐酸、耐碱的化工设备中的应 用。常用的镍基合金堆焊材料有n i 3 3 7 焊条，f 1 2 l 、f 1 2 2 粉术等。 ( 4 ) 铜基合金 沈| ；f | _ t 业大学顺1 。学位论义 铜基合金按成分可分为紫铜( 纯铜) 、黄铜( 铜一锌合金) 、青铜( 铜一锡、铜一 铝、铜一硅合会) 和白铜( 铜一镍合金) 。铜基堆焊材料分为四大类：紫铜，黄铜，青 铜和自铜。铜基堆焊材料有较好的耐大气，耐海水和耐各种酸碱溶液的腐蚀，耐气蚀以 及耐粘着磨损的性能。但易受硫化物和氨赫的腐蚀，耐磨料磨损性能不良，所以不适于 在高应力磨料磨损和温度高于2 0 04 c 的条件下工作。铜基堆焊材料受核辐射不会变成放 射性材料，所以在核工业中应用较多。铜基堆焊材料主要用来制造要求耐腐蚀，耐气蚀 和金属问磨损的以铁基材料为母材的双金属零件或修补磨损的工件。铜基堆焊材料堆 焊时一般不预热。当工件厚度较大，熔合不良时，可预热2 0 0 。c 左右。为减少母材中铁 的不良影响，往往取堆焊层6 m m 以上部分为工作层。氧乙炔焰和t i g 堆焊比较好。 ( 5 ) 复合合金 复合合金是以钨的碳化物为主，还包括t i 、m o 、v 、t a 、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。堆焊层是含有碳化钨硬质颗粒和较软胎 体合属的复合材料堆焊层。胎体金属可以是铁基合金、镍基合金、钴基合金和铜基合 金。这种复合材料在磨料磨损的工况条件下，胎体金属优先被割削，从而使硬质颗粒在 表面稍微凸起。不同的胎体金属还使得堆焊合金具有不同程度的高温抗氧化性和耐腐蚀 性。碳化钨复合材料堆焊在石油及修井设备工具中应用较普遍，在冶金、矿山及煤炭开 采、土建施工、建材、制糖、发电等部门中应用也越来越多。管装粒状铸造碳化钨焊条 多用氧一乙炔焰手工堆焊，也可用电弧堆焊。纳入标准的碳化钨堆焊焊条有d 7 0 7 、 d 7 1 7 。 1 2 耐磨材料强韧化的途径 为了提高材料使用寿命，防止材料早期失效，则要对耐磨材料进行强韧化处理。目 前耐磨材料的强韧化处理主要有以下几方面【q ： ( 1 ) 合金化 通过合金化途径提高耐磨铸钢的强韧性的研究取得了很大的进展，近年来己逐步形 成了以低合金、中台会直到高合金高强韧性耐磨铸钢系列。奥氏体高锰钢具有高塑性、 高韧性以及低裂纹扩展等特性，是一种极好的耐冲击磨损材料，广泛应用于矿忆机械 _ l 。程及其他经受冲击负荷的机械，如挖掘机的斗齿、破碎机和磨球机的衬板、拖拉机和 沈l ；r | t 业大学坝士学位论立 坦克的履带以及铁路道叉等产品。但是，高锰钢的耐磨性只有在高冲击负荷的工作条件 下才能表现i 叶；来：并且，此种钢屈服强度低，初始硬度也低，磨损较快，易产生严重的 变形，造成拆卸维修困难。因此，在某些冲击载荷不高的场合，其耐磨性就显得不足。 针对高锰钢这些缺陷，各国学者对其进行改型和合金化，使其具有高强韧性和耐磨性。 加入的台金元素主要有c r 、m o 、v 、w 、n b 等碳化物形成元素以及n i 等非碳化物形成元 素。人们在对高锰钢进行改型和合金化的同时，也不断地研制新的耐磨铸钢材料。1 9 世 纪6 0 年代发明的中锰钢，以及近年来- 丌发的空淬中铬耐磨钢，广泛应用于水泥、电力及 冶金矿山等行业的球磨机衬板等零件。作为主加元素的铬，因其能与铁形成连续固溶 体，在奥氏体中溶解度较大，可强化基体，提高基体的强度和硬度而不降低韧性。另 外，铬在回火时能阻止或减缓碳化物的析出与聚集，使碳化物得到较大的分散度，也有 利于韧性的提高。在中铬铸钢中，铬的含量一般控制在3 o 6 0 之间。通过对合金 元素的探讨研制出一种铬钥妮耐磨铸钢，该钢经空淬+ 回火热处理后，得到马氏体+ 贝 氏体+ 奥氏体多相混合基体组织，与m n l 3 钢对比，耐磨陛增加了2 倍“5 1 。 ( 2 ) 复相组织 低合金马氏体耐磨铸钢是目前应用最广泛的一种耐磨材料。一些发达国家从2 0 世 纪3 0 年代就开始研制和使用，国内在6 0 年代才开始研制，到8 0 年代开始普及。此类 钢的硬度比珠光体耐磨钢高一倍多，耐磨性比奥氏体高锰钢还好，适合低应力、多冲击 条件下使用，同时还具有一定的韧性。但这种抗磨材料强调选择马氏体组织，因而材料 的抗冲击疲劳性较差。自美国人b e i n 发现贝氏体转变后，国内外学者对其进行了大量 的研究。研究表明，贝氏体组织中板条问膜状奥氏体是保证该钢具有强韧性配合的主要 原因。复相组织耐磨钢是在马氏体、贝氏体钢的基础上发展而来，具有高强度的马氏体 和韧性的贝氏体相互配合而获得良好强度和韧性，使这种钢具有比单一马氏体高的韧性 水平。复相耐磨铸钢主要包括奥氏体一贝氏体耐磨铸钢、马氏体一贝氏体耐磨铸钢和一 些多相耐磨铸钢m j 。 魏成富等人所研制的中碳低合金耐磨铸钢，在铸态下就获得奥氏体一贝氏体为主的 组织，具有高硬度、高韧性和优异的耐磨性能。在铸态下使用不需重新热处理，是传统 高锰钢的理想借代材料。戴敦才等对钢进行等温淬火，得到了m + b + a 的复相组织，提高 沈| f 几丁业人学 i ! i ii 学位论义 了材料的强韧性和耐磨性。通过与i n 1 3 钢进行对比试验表明，其所研制的多相耐磨铸 钢的耐磨性比m n l 3 钢要好n 1 3 课题研究内容、难点及目的 1 - 3 1 课题研究内容 本课题为抗冲击耐磨料磨损堆焊合金的研究，所研究的堆焊合金属于铁基耐磨材料 中的耐磨奥氏体合金，合金系为f e m n c r m o v 。其中的主要合会元素为锰，同时 加入一些其它的合金元素，如铬、钼和钒等。此类合金堆焊后基体基本为单相奥氏体组 织，焊后硬度在h r c 3 2 3 4 之间。该类合金的最大特点是加工硬化性特别强，在受到较 大载荷冲击后，表层硬度迅速提高到h r c 5 0 5 3 。因此，特别适合冲击作用下的凿削式 磨料磨损场合，具有代表性的是堆焊颚式破碎机的颚板、挖掘机的斗齿及铁路辙叉等零 部件。 具体的实验方法为按所设计的配方将各种合金粉末混合均匀，用经高锰酸钾钝化的 水玻璃粘接在试验用钢板上，为了使每次试验中的堆焊层均匀一致，将粉术涂敷在 8 0 m x 3 0 m m 的区域内，厚度为4 m 。自然晾晒2 4 小时后进行烘干，烘干温度为1 5 0 ，保温一小时。烘干之后采用碳弧作为熔化热源，将试样熔敷在试件上。分析堆焊层 的性能是否达到设计的要求，主要考查堆焊层的硬度、耐磨性及冲击后的加工硬化程 度，以及各种合金元素、堆焊工艺参数对堆焊层的各项性能的影响规律。由于此类合金 主要是应用于冲击载荷的工况条件下，所以着重分析熔敷金属的耐磨性及冲击后硬度变 化的规律。此外，本课题需对合金元素的作用进行细致的分析研究，经过多次试验最终 确定配方中各合金元素的最佳含量范围。同时，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。 1 3 2 课题的难点及目的 由于本课题所研究的堆焊合金中合金元素的含量很高，导致合金粉末的熔点很高， 因此合金熔化成形相对困难。考虑解决的方法是采用热输入较大的碳弧作为熔化热源， 碳弧的热输入较大，而且合金受热范围大，可以将合金粉末顺利的熔化；另外，碳弧在 燃烧过程中能够产生大量的二氧化碳和一氧化碳气体，对处于熔融状态的合会粉末起到 很好的保护作用。碳弧操作简单，成本低廉，比手工堆焊酬磨焊条易获得高合金含量及 沈| ；l t 业人学坝i 学位论义 高硬度与高耐磨性的堆焊层1 1 7 ”l 。但是，碳弧的熔深有限，为了保证涂敷的合金粉术与 试板较好的熔合，需采用较大的焊接电流以保证粉术熔透；而问题是随着电流的增大， 合会的烧损也会加剧。因此，在本课题中需进行对比实验，以确定最佳的焊接工艺参 数，既保证合金粉术顺利熔化在试板上，又能过渡足够的合舍元素。 此外，本课题的主要研究问题，就是保证堆焊后熔敷金属的性能，即抗冲击耐磨料 磨损性能。针对这一问题，考虑解决的方法是设计晟佳合金系统及调整合金元素的最佳 成分，控制铁素体形成元素如c r 的含量，同时适当的增加奥氏体形成元素的含量，以 达到兼顾的目的，保证焊后熔敷金属的组织为单一奥氏体组织。 如果本课题中的上述问题解决好，所研制的堆焊合金将具有良好的工艺性能，优异 的抗冲击耐磨料磨损性能，将使受强烈冲击磨损工件的使用寿命大大延长，能够节省大 量的生产成本，为企业提供强有力的技术支持。 沈m t 业人学t i j i t ：学位论文 2 实验材料、设备及方法 2 1 实验材料 2 1 1 合金粉末的选择 目前广泛使用的奥氏体高锰钢具有高塑性、高韧性以及低裂纹扩展等特性，是一种 较好的耐冲击磨损材料，广泛应用于矿山、机械工程及其他经受冲击负荷的机械，如挖 掘机的斗齿、破碎机和磨球机的衬板、拖拉机和坦克的履带以及铁路道叉等产品。但 是，高锰钢的耐磨性只有在高冲击负荷的工作条件下才能表现出来，在某些冲击载荷不 高的场合，其耐磨性就显得不足【1 9 1 ； 并且，此种钢屈服强度低，初始硬度也低，磨损较快，易产生严重的变形造成拆 卸维修困难。高锰钢材料虽然具有较强的加工硬化性能，但是，由于铸造过程中单相奥 氏体的铸态组织易在柱状晶界产生网状碳化物，从而抗裂性变差，在严重磨损工况下耐 磨性能得不到保证。耐磨铸铁硬度高，耐磨性能好，但韧性差，不宜应用于有冲击载荷 作用的工况。因此本文意在通过合金化途径提高堆焊层的初始硬度、强韧性以及耐冲击 磨损的性能，使其具有高强韧性和更好的耐磨性。 合金元素的选择考虑以下因素： ( 1 ) 具有固溶强化效果的合金元素，它们可以强化基体，有利于提高耐磨性。 ( 2 ) 能形成碳化物的合金元素，它们对耐磨性的影响取决于碳化物的晶体结构类 型，碳化物的体积分数和碳化物中某元素的含量。 综合以上因素，确定堆焊层中的合金系为f e m n c r m o v ，各合金元素的含量 通过对比试验进行确定。合金粉末含量需要满足耐磨性能、工艺性和经济性等方面的要 求。同时，为了在堆焊层中过渡足够的合金元素，对粉末中各元素的含量应予以限定， 具体含量见表2 1 。 表2 1 台金粉末中各元素的含量( 质量分数，) 洗m 工业大学坝l 学位论文 2 1 2 堆焊试板 为了保证在冲击磨损试验中试样的尺寸，选取厚度为3 0 r a m 的2 0 g 钢板作为堆焊试 板，尺寸为i o o m m x 4 0 t u r n x 3 0 r a m ，化学成分见表2 2 。 表2 22 0 6 的化学成分( 质量分数，) 2 2 实验设备、仪器及试样制备 2 2 1 主要实验设备及仪器 在本课题实施中需要应用的设备和仪器主要有： 1 ) h 6 x 一4 0 0 直流电焊机； 2 ) m l d 1 0 型动载磨料磨损试验机； 3 ) z y h - 3 0 型自控远红外烘干炉： 4 ) h r 一1 5 0 型数显示洛氏硬度计： 5 ) t g 3 2 8 a 型分析天平； 6 ) m e f 4 a 型金相显微镜： 7 ) 0 k 7 7 5 0 数控制线切割机床。 2 2 2 试样的制各 ( 1 ) 冲击磨损试样 冲击磨损试样采用线切割从堆焊后的试板上切取，m l d l o 型动载磨料磨损试验机 锤头要求试样长度不大于4 0 m m ，因此加工试样尺寸为3 5 n 1 i n xl o m m xl o m m ，见图2 1 。 沈m t 业人学坝i j 学位论文 图2 1 堆焊试样不意图 j ( 2 ) 硬度试样 硬度测量采用数显示洛氏硬度计在冲击磨损试样上按g b 2 3 1 - - 8 4 进行，冲击磨损之 前测量堆焊层金属表面硬度值，冲击之后测取表面以及堆焊层金属侧面硬度值。 ( 3 ) 金相试样 将冲击磨损后的试样截取尺寸为1 5 哪xl o m m l o m m 的试样，在砂轮上磨平、倒 角；之后依次在r 5 0 、r 2 8 、r 1 4 、r 5 金相砂纸上研磨，再使用抛光机抛光，分别用水、 酒精冲洗，吹干。用王水和甘油混和的溶液腐蚀，经酒精冲洗干净后，在m e f 4 a 型金相 显微镜上观察金相，并照光学金相照片。 2 3 实验方法 2 - 3 1 碳弧堆焊的优点与缺点 ( 1 ) 碳弧堆焊的优点 碳弧堆焊已经在国内外得到广泛应用。8 0 年代美国，匈牙利等国已用碳弧堆焊工 艺来提高工件的抗磨能力。国内也在煤炭、玻璃、水利、农业机械电力等行业上应 用。碳弧的热输入比较大，能够将合金粉术顺利的熔化：而且，碳弧在燃烧过程中能够 产生大量的二氧化碳气体，对处于熔融状态的合金粉末起到很好的保护作用。采用碳极 电弧作为熔化热源还可以使堆焊层中碳元素的含量得到保证，从而使熔敷金属的耐磨性 能提高，碳弧堆焊热量集中，并且能够保证堆焊层中适当的碳含量【1 7 】。而且碳弧堆焊操 作简币，成本低廉，比手工堆焊耐磨焊条易获得高合金含量及高硬度与高耐磨性的堆焊 层等特，j 一“。 沈懈1 _ t 业人学坝l 学位论文 ( 2 ) 碳弧堆焊的缺点 碳弧堆焊的缺点是施焊时烟雾较大，厚度小于5 m m 的钢板上难以应用，很容易烧 穿。另外，碳弧的熔深有限，而且焊接时碳棒的烧损比较严重。 2 3 2 合金粉末的堆焊 将台金粉末混合均匀后，用经高锰酸钾钝化的水玻璃粘结在试板上，放置在阴凉处 自然风干2 d 小时。之后用z y h 一3 0 型自控远红外烘干炉烘干，先加热至5 0 。c 6 0 。c 预 热，防止涂敷的粉末开裂；然后升温至1 5 0 ，保温l 小时。 ( 1 ) 堆焊工艺参数的确定 堆焊电流经过多次试验选择在2 0 0 2 2 0 a 之间。试验表明，电流小于2 0 0 a 时，堆 焊层金属焊态硬度虽然比较理想；但是，在焊接过程中合金粉末熔化效率低，碳及合金 元素不能充分熔