（材料加工工程专业论文）直流横向磁场作用下铁基堆焊合金的力学性能.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 随着我国科学技术的不断发展，工业自动化的程度在不断提高，对机械设备及零件 材料磨损引起的危害越来越受到重视。在各种磨损类型中，磨料磨损占据着最大的比例。 因此减少磨料磨损与提高机械耐磨性具有很大的经济意义。 电磁作用焊接技术是近年来完善起来的一种新的焊接技术，应用也日趋广泛。利用 外加磁场对焊接中熔滴的过渡、熔池金属的流动、熔池的结晶形核及结晶生长等过程进 行有效地干预，使焊缝金属的一次结晶组织细化，减小化学不均匀性，从而提高了堆焊 层金属的硬度和耐磨性，全面改善堆焊层的性能。 本课题采用碳弧作为熔化热源将合金粉末熔敷在试板上，堆焊过程中外加直流横向 磁场，通过对堆焊层进行硬度、磨损失重实验，显微组织的分析，研究堆焊工艺参数及 磁场参数对堆焊层性能的影响。着重叙述了外加磁场对堆焊层凝固过程、硬质相形态分 布的作用机理，同时对堆焊合金的抗磨机理进行了初步的研究及探讨。 通过对堆焊合金进行系统的实验，得出以下主要结论： 1 利用碳弧堆焊对试样表面进行处理时加入横向磁场，可显著提高堆焊层的硬度及 耐磨性。在适当的磁场参数作用下，堆焊层组织才能获得最佳的细化效果。 2 没有施加磁场时，硬质相杂乱无章的分布；在最佳的磁场参数作用下，堆焊层中 硬质相细小且成“六角形”均匀分布。实验结果表明，堆焊层中硬质相的数量多且细小 并成“六角形”分布时，堆焊层金属的硬度和磨损量均达到最佳状态。 3 由实验结果可知：堆焊电流1 8 0 a ，堆焊速度1 2 c n 妇l i l l ，磁场电流3 a 时，堆焊层 性能达到最佳值，此时，堆焊层的硬度为h r c 5 4 4 ，磨损量为g = o 0 3 3 5 9 。 关键词：横向磁场，碳弧堆焊，磨料磨损，硬质相 沈阳工业大学硕士学位论文 m e c h a i l i c a lp r o p e r t i e so f i r o nb 嬲e ds u r f a c i n ga l l o y sa p p l i e dd c t r a l l s v e r s em a g n c t i cf i e l d w i t l lt h e 船p i dd e v e l o p m e n to fi n d l 塔町t h n o l o g ) ，粕dc o m i n u o i l si n c r e 嬲eo f 血e d e 铲o f 赋曲a i l i 蒯觚d 眦咖谢o n ，p p l cp a ym o 犯a t c e r m o nt ob a 硎o fp 柏 w e 痂g ha nt h ea _ b r 鹬i o n 毋p 船，t h eg r i n d i l l ga _ b m s i o nt a k e st h e 掣e a t c s tp c e 吡nh 硒a g r e a te c o n 删cs i 嘶f i c a n c et od e c 托嬲e 孕i n m n gd b f a s i o na n di n c a m e 删c a lw 谢n g e l e c m m l a g n e t i ci sa p p l i c dt ow e i d i i l g 鹊an e ww e l d i i l gt e c h o l o g yi n c c my e a 璐t h e i n 灯o d l 】c _ e dm a g n e t i cf i e l dc a ng h e 盟e 饪b c t i v ei n t e r v 枷t ot l l e 协m s m o no fd r o p l e t n 响go fm 0 1 蜘b a mm e t a l ，c r y s t a l l i n e 趾dn u c l c a t i o fm o l t e nb a t l l 觚dt h ep m c e 豁o f c r y s t a l l i n eg r o w t ht h em a g 蒯cf i e l dp m m o t e st h e 舱f - m i i l gd e g 佗eo fp r i i n a r yc f y s t a ：l l i z 吐o n s t r u c t i 鹏，d e c r e a st l l ec h c n l i s 仃yn o n h o m o g e n e i 劬s oi tc ms 嘞g 血妣s s 趾d 愀栅i n gr e s i s 呲eo f w e l dm e t a l0 v e r l a ya n di m p r o v eq u a l 毋o f 触i l l gd e p o s i t 1 kc a r b o nr o di su s c d 嬲e l e c 仃0 h d eb 盯t 0m e na l l o yp o w d e ri nt l l eb u i l d 抽g - u pw e l d i n g e x p e 嘶t ha p p l i e dd c 缸彻s v e r m a 鲫e t i cf i e l d 1 1 l ee 行e c to f 触i n gp m c e s s i n g p a 唧n e t c r 孔dm a g n e t i cf i c l dp a 舢酏e r o v 盯l a y sm e c h a i l i c a lp r o p e n i e si s 咖d i c dt l l r o u g l l a n a l y z i n gt h ea v e m g ed e g r e eo fk 叫n e s s ，t h ew e i g h t l e 锱n e 鹤o fd e p o s i t c dm e t a l 砸l dt h e m i 口俄缸u c t i l r e t h em e c h 姐i s mf o r o w 耐a yd l i r i i l g i i d i f i c a ：c i 弧d t h es b a p e 舭d d i s t r i b i n i 蚰o fl 埘dp h a b ya p p l i e dl o n 西t l l d j n a l 姗l g l l e t i c6 e l dh 勰b 咖d i s c 峭s e d i n c e n _ t i o n a l l 孓t l 玲p a p 盯a l s om a k 鹪曲e o 托! t i c a l 锄a l y s i s 粕dp r c l i i 】1 i n a r yd i s c t 塔s i o nt l l e w e a r - s i s t i n gm e c h a n i s mo f t l l eo 、，e r l a y f o l l o 咖g a r et h e 蛐血化s l l l t s ： i1 k 如礤地i n gd e p o s i t 、i t h 蛔d u c c d 蛔璐v e r m a 驴e t i c 丘e l dl l a sh i g h 盯b a r d s s a n db t 魁e fw e 幽g 此s i s t a n t h eo p t i i n 哪p a 托m e t e 瑙c 缸舻e a t l yi i l n u e n c eg m i n 蛐m 船 舱f i n e m e n t 一i i 皇燮旦壁堑堡旦! 堡苎苎壁全全塑垄堂堡壁 2t ki l a r dp h 鹊ei nw e l dm e t a lo v 甜a yi sd i s t i i b l m dr 锄d o n d y 诵t l l o m 棚l 印e t i cf i e l d ；i t i sf i n e 觚dd i s 仃i b u t e d t 1 1 eh e x a g o n i no p t i m 啪p 猢e t e r s ，t l l 吼h a r d n e s s 觚dw e a re x t c l l t i 1 1w e l dm e t a lo v e r l a ya r el l i g h e r 31 1 把s u l ti n 击c a t e d ：t l l ep m p e m e so fs i l r f 缸i n gd 印o s i ta o p t 证1 a lw l l e i l 如r f k i i l g c u r r e mi s18 0 s u 疵c m gs p e e di s1 2 c l ，m i n ，m a g n e t i cf i e l dc 咐e m i s3 a ，h a r c h l e s si nw e i d m e t a lo v e f l a yi sh r c 5 4 4 ，w e a r i n gc 印a c i t y g = o 0 3 3 5 9 k e yw o r d s ：1 h n s v e 礴em a 印e t i cf i e 埘，c a r b o na ks u r f a d n g ，g r i n d i n ga b 憎s i o n ， h a r dp h a s e i i i 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：拯拉逸日期：趔卑! 厶( 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：丕远拯复驽导师签名：壶习煎圣 日期：妒7 - 弓孑 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 磨损概述 1 1 1 磨损的定义、分类 磨损是物体或零件相互接触并相对运动的系统中的一种现象，这种现象普遍地存于 生产和生活之中。据国外工业发达国家统计，每年钢材的耗费占钢材总产量的1 0 ，经 济损失占国民经济总产值的2 _ 4 【1 1 ，以致目前世界的材料利用率不高，消耗比例较大， 其中约有8 0 的材料失效是由磨损引起的【2 埘。磨损所造成的经济损失是十分巨大的， 据美国1 9 8 1 年公布的数字，每年由于磨损而造成的损失高达l 0 0 0 亿美元，其中材料消 耗约为2 0 0 亿美元，相当于材料年产量的7 ；前苏联由于磨损造成的损失，每年约为 1 2 0 1 4 0 亿卢布【2 】。 为了便于研究磨损和把握其规律并制定相应的对策，有必要对磨损进行分类。目前 比较通用的磨损分类方法是以j t b u r w e u 和c d s 的n g 提出的按照磨损机理的分类方 法，即将磨损分为：磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损及微动磨损 等。 ( 1 ) 磨粒磨损 1 ) 磨粒磨损的定义 由于硬的磨粒或凸出物对零件表面的摩擦作用而造成物料迁移，导致表面材料发生 损耗的磨损，称为磨粒磨损。这种磨粒或凸出物一般是非金属磨料如石英、矿岩、砂土 等，但也包括硬金属对软金属表面的磨损。 例如，有一个粗糙的硬质金属表面( 如锉刀表面) ，在压力作用下在一个软金属光滑 平面上滑行时，粗硬的突出点将压入软金属表面并把它“犁”出一道道沟槽。犁沟是切 削作用，所以原来在沟中的金属就被切削成磨屑而脱离母体。又如，砂纸和砂轮在金属 表面上进行磨削时，情况与此相同，所以也属于磨粒磨损。不过这里粗的硬粒磨料己经 不是金属而是非金属的硬质颗粒。 2 ) 磨粒磨损的分类 磨粒磨损是一个包含有多相、不同形状的颗粒( 矿石等) 以不同的能量与各种材料的 直流横向磁场作用下铁基堆焊合金的力学性能 工件相接触、摩擦以至碰撞的复杂过程，因此工业上倾向于对磨粒磨损进行定性的分类。 磨粒磨损的分类方式很多，根据不同的分类方式，磨粒磨损的种类也有差异。例如，就 磨料与工件相对硬度的大小可分为硬磨料磨损和软磨料磨损；根据经受磨损的工件和磨 料的组合，可以把磨粒磨损分为二体和三体磨粒磨损。 不过，在工业上，常见磨粒磨损的一般分类方式是根据其作用力的情况划分为低应 力磨粒磨损、高应力磨粒磨损、凿削式磨粒磨损以及冲击磨粒磨损等四种类型。下面分 别逐一作简单介绍。 低应力磨粒磨损即作用在磨粒上的压力低于其破碎强度下的磨损。这时松散磨 粒自由地在表面上产生滑动，磨粒不产生破碎。 高应力磨粒磨损存在于工件表面问的磨粒被接触应力破碎，即作用在磨粒上的 压力高于它的破碎强度下的磨损。如，研磨机上工作部件的磨损等。 凿削式磨粒磨损有一定的冲击载荷，这种磨损通常形成很高的应力，经常在输 送和破碎大块材料时发生。如，矿业用凿岩机凿头，挖掘机斗齿等零部件经受矿石的磨 损情况。 冲击磨粒磨损磨粒垂直或以一定的倾角落在材料表而上，其局部应力比较高。 3 1 减少磨粒磨损的方法 一般来说，减少磨粒磨损的办法是选择具有较高硬度、较好抗磨性的材料，而且要 尽量减少物料之间相对运动的力。例如，为了减轻搅拌机叶片与衬板之间的磨粒磨损， 采用衬板可以提高硬度，但要减小作用力的关键在于选择适当的间歇。 ( 2 ) 粘着磨损 两个光滑的金属表面在压力下作相对滑行时，界面上的实际接触面积可能结合起来 ( 冷焊) 而形成粘着。这些粘着点又不断破裂，断裂可能发生在结合表面处，也可能发生 在物体的突出部位，这就使某一表面上产生脱离了母体的金属磨屑。这种由于粘着作用 使材料由一表面转移到另一表面所引起的磨损，称为粘着磨损。其破坏特点是粘结点剪 切破坏是发展性的，它造成两表面凹凸不平。活塞与气缸壁之间的擦伤就是粘着磨损的 例子。 根据磨损的破坏程度不同，粘着磨损常表现为轻微磨损、涂抹、划伤、胶合与咬死 沈阳工业大学硕士学位论文 等破坏形式，这些破坏形式主要取决于粘结点的强度与两表面基体金属强度之问的关 系。 预防粘着磨损的主要方法是实现运动部件之间表而压力的均匀分布和改善接触表 面的质量，此外应根据运动部件之问载荷的性质选择适当的材料。 ( 3 ) 腐蚀磨损 当摩擦副工作时，表面金属与周围介质发生化学或电化学反应并生成反应产物，与 此同时，还有机械作用使反应产物脱落，这种以腐蚀为主导的磨损即称为腐蚀磨损。例 如，化工设备中与腐蚀介质接触的零部件的腐蚀就是腐蚀磨损的典型例子。 腐蚀磨损是在与腐蚀介质相处时发生的。在腐蚀条件下，在金属表面将形成一层腐 蚀产物。如果金属表面没有相对滑行，这层腐蚀产物将延缓或阻止腐蚀作用的进行；但 有相对滑行时，这层腐蚀产物将被磨损掉，使金属受到继续的腐蚀和磨损。 由摩擦副的材料性能、周围介质的性质以及介质在金属表面上造成的腐蚀情况不 同，可将腐蚀磨损分为氧化磨损、微动腐蚀磨损、特殊介质腐蚀磨损几种类型。 腐蚀磨损是腐蚀和磨损同时起作用的一种磨损，这种形式的磨损一般不严重，但是， 如果周围环境很潮湿或者温度很高，则可能产生严重的磨损。一般来说，通过良好的装 配可加以改进，避免产生腐蚀磨损。 ( 4 ) 疲劳磨损 疲劳磨损是当两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料的 疲劳强度的情况下，使摩擦表面接触区内材料的微观体积反复产生变形，造成积累损伤 而导致表面层萌生疲劳裂纹，并逐步扩展，最后使表面分离出粒状或片状磨屑，并留下 痘斑状凹坑的一种特殊的破坏形式。其破坏特点为应力超过材料的疲劳极限，在一定循 环次数后即出现疲劳破坏，表面呈麻坑状。 当摩擦副的表面粗糙度、材料和润滑等条件都满足要求时，疲劳裂纹通常在表面层 以下某处萌生；否则从表面产生。总之，疲劳裂纹常常在材料表面层有缺陷的地方发生， 裂纹产生的确切位置受到夹杂物、表面缺陷以及孔隙等因素的影响。 疲劳磨损的最普遍形式是出现在呈滚动接触的机器零件表面上，例如在滚动轴承 中，滚珠与滚道之间的接触点之间的接触点上，其作用力是短暂的，但这种作用是不断 直流横向磁场作用下铁基堆焊合金的力学性能 反复进行的。这样多次反复的加载和卸载，可能导致在接触面上以及稍低于接触面的皮 下形成垂直于或者平行于接触面的疲劳裂纹，这些裂纹的扩展以及互相交割，可能使金 属表面开裂，以至剥落。 疲劳磨损的分类方法很多，按照摩擦副的性质可分为：滚动摩擦疲劳磨损和滑动摩 擦疲劳磨损。根据表面疲劳磨损的发展情况分为：早期疲劳磨损和破坏性疲劳磨损。 ( 5 ) 冲蚀磨损 冲蚀磨损是指含有固体粒子的流体冲击固体表面时使表面发生损坏的一种磨损形 式。解决的办法是选择有弹性的抗磨材料，如橡胶、塑料等，此外应选择适当的冲击角。 ( 6 ) 微动磨损 在相互压紧的表面之间，由于发生小振幅相对振动引起的磨损称为微动磨损。如果 微动损伤中化学或电化学反应占重要地位则称为微动腐蚀。遭受微动磨损的部件，同时 或在微动作用停止后，受到循环应力，出现疲劳强度降低甚至早期断裂的现象称为微动 疲劳。 微动磨损是一种轻微的磨损，又是一种难以预料的磨损。防止出现微动磨损的关键 在于阻止接触面间的相对滑动。 在各种磨损类型中，磨料磨损和粘着磨损占据着最大的比例。尤其对于处于恶劣工 况下的零部件，磨料磨损情况更为严重【4 】。据统计，磨料磨损所造成的经济损失占磨损 的5 0 以上。各种机械及零部件几乎都存在磨料磨损，限制了工业向现代化和自动化的 发展。在我国，由于材料耐磨性较差，大量基础零件的磨损寿命普遍大幅度低于国外先 进产品的水平，因此直接造成的经济损失也是十分惊人的。仅就冶金矿山、农机、煤炭、 电力和建材五个工业部门不完全的统计，每年仅由于磨料磨损而需要补充的备件就达 1 0 0 万吨钢材，相当于1 5 2 0 亿元。近年来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，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【5 1 。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，这都属于材料磨损的研究领域。可见材料磨损问题的重要性是十分突出的，它 在国民经济发展中占有举足轻重的地位。所以提高机械零件的耐磨性具有着很大的经济 意义与社会意义。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 2 抗磨材料的磨料磨损机理 磨粒磨损机理是研究磨粒磨损过程中材料的磨损是怎样发生的，磨损的产物一磨屑 是怎样形成的问题。磨料磨损机理显示了磨损的本质和规律，为耐磨材料的研究和发展 提供依据。 关于磨粒磨损机理，日前还没有一致的意见。揭示金属材料的磨粒磨损机理，确定 它与材料的物理机械性能之间的关系，这不但对研制抗磨材料，而且对合理选择抗磨措 施都有重要的意义。 论文下面将综合介绍文献中出现的几种基本形式的磨粒磨损机理。当然，必须说明 的是，根据工件材料和磨料性质、作用方式、工况条件的不同，下述各类磨损机制大多 是以不同比重综合发生，可能是一种机理起主要作用，也可能是几种机理产生综合作用。 ( 1 ) 显微切削机理 显微切削磨损是硬磨料磨损条件下的主要机制。基于对磨粒磨损过程和表面的观 测，通常认为磨粒磨损是在外力作用下磨粒以一定的角度与材料表面相接触，此时作用 在磨粒上的力可以分解为垂直于材料表面的法向分力和平行于材料表面的切向分力。当 磨料硬度大于材料硬度时，在载荷法向分力作用下磨料被压入材料表面，在表面形成压 痕。而载荷切向力把压入表面的磨粒向前推进，当磨料的棱角形状与运动方向适当时， 磨料就如刀具一样，在材料磨损表面铲刮起一层薄片，形成切削，随后切屑脱离表面， 并在磨损表面留下沟槽。但此种切削的宽度和深度均很小，切屑也非常小，所以称为显 微切削。显微切削磨损量取决于材料硬度，硬度越高，切削量愈少。提高材料硬度，可 降低材料的切削磨损。 ( 2 ) 多次塑性变形机理 多次塑性变形磨损机理也即微观犁皱或微观压入机理。是当硬磨料滑过表面时，除 磨料微观切削外，另一类压入较浅的圆滑磨粒，倾向于只在材料表面造成擦伤而产生塑 性变形作用，即在磨粒作用处材料被磨粒挤压而推移到磨粒运动路径的两侧，中间形成 “犁沟”，两侧形成堆积隆起，这种沿着擦痕两侧堆积的材料己受到严重的塑性损失， 很容易在其他磨粒的作用下而“磨掉”。 若犁沟时全部沟槽中的体积都被推在两旁或前缘而不产生切削，则称为犁皱。犁沟 直流横向磁场作用下铁基堆焊合金的力学性能 或犁皱产生的两旁或前缘的材料以及沟槽中的材料在受到随后的磨料作用下，可能把堆 积的材料重新压平，也可能使己变形的沟底材料遭受到再一次的犁皱变形。如此往复的 塑性变形导致一种所谓的胞状结构。即在一定的深度，位错密度极增，并趋于密集堆积 而形成胞壁，此种胞壁垂直于滑动方向，成为位错运动的障碍，造成应力集中，在载荷 作用下，胞壁处就会萌生裂纹。 ( 3 ) 疲劳磨损机理 在磨料作用下，工件表层出现高剪应力和高拉应力区，此处萌生裂纹并逐渐扩展， 最终导致表面分层、剥落。这属于低周疲劳产生的损坏现象，是表层微观组织受周期性 载荷的作用而产生的。标准的疲劳过程有发展的潜伏期，在潜伏期内，表面不出现任何 破坏层，材料外部发生硬化而不会发生亚微观破坏。当进一步发展时，在合金表面出现 硬化的滑移塑变层和裂纹。疲劳形成的表层破坏源于离表面不远的距离，例如在最大接 触应力处，疲劳破坏为局部破坏，具有较深或较圆的坑。 疲劳磨损包括两种类型，第一种是变形疲劳磨损，是在硬磨料相对滑动或冲击磨损 的条件下，磨料切削或凿削的同时，伴随有切削沟槽或冲击凿坑中材料的塑性变形，挤 向沟槽或凿坑的周围，而且在后继磨料的作用下，被推挤出的金属承受反复变形，碾压。 当某些变形严重部位应力超过材料疲劳极限，会产生裂纹，裂纹扩展连接引起疲劳脱落 造成磨损。变形疲劳磨损具有低周应变疲劳性质，其耐磨性以材料的硬度和塑性( 韧性) 综合判据。第二种疲劳磨损是剥层疲劳磨损，即在软磨料或硬磨料作用下基体材料变形 后，由于接触应力的作用，在其亚表层形成裂纹，裂纹扩展，连接至表面，以剥层脱落， 表面留下形态不规则的剥落坑。这类磨损具有应力疲劳性质，其耐磨性主要以材料硬度 为判决，并与韧性有关。 ( 4 ) 微观断裂机理 微观脆性断裂机理是脆性材料的主要磨损形式。 材料磨损时，由于磨料压入材料表面而具有静水压力的应力状态，所以大多数材料 都会发生塑性变形。但对塑性较差的脆性材料，则可能是断裂机理占支配地位。在硬磨 料及冲击条件下，材料中的脆性相( 如碳化物) 或较脆基体( 如马氏休) 会发生脆性断裂， 大块剥落，从而形成磨损。当断裂发生时，压痕处有明显的表面裂纹，这些裂纹从压痕 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 四周出发向材料的内部伸展，裂纹平面垂直于试样表面而呈辐射状为中线裂，压痕附近 还有横向的无出口裂纹。当横向裂纹互相交叉并扩展到工件表面时，产生局部表面剥落， 就造成微观断裂机理的材料磨损。脆性材料的压痕断裂，其外部条件取决于载荷大小， 压头的形状和尺寸，内部条件则取决于材料的硬度、冲击韧性以及断裂韧性等嘲。 1 2 堆焊技术的应用 1 2 1 堆焊技术 为了有效地控制磨损，减小其对社会经济造成的损失和危害，有关磨损机理和抗磨 技术的研究就显得日臻重要了。因为相关的研究可以广泛地用于工业，农业国防等领 域，并将有效地节约能源和降低材料消耗，提高机械设备的可靠性和使用寿命，大大降 低维护和修理费用，这对国民经济的发展有着重大的意义用。因此表面技术受到了重视， 被广泛应用于解决零部件的耐磨、防腐和装饰问题。发展表面改性技术对于提高零部件 的使用寿命和可靠性，改善机械设备的性能质量，增强产品的竞争力，解决引进设备零 备件的修复和国产化问题，支持高技术和新技术的发展，以及节约材料，节约能源等方 面都具有十分重要的意义【8 l 。 目前常用的几种用于提高金属表面耐磨性的表面技术如：常规热处理( 淬火和回火 等) 、化学热处理( 渗碳、渗氮和渗铬等) 以及涂层和热喷涂等表面处理方法在工业上 得到了广泛应用。但是他们也都有着自身的特点和不足。 ( 1 ) 常规热处理会使工件的硬化层脆化以及产生很大内应力，使工件容易变形开裂 故应用范围较窄嘲。 ( 2 ) 化学热处理虽然可以解决零件表面的高硬度、高耐磨性和内部高韧性的要求， 但是工艺过于繁杂、生产周期长、生产成本相对高、表面脆、渗层薄等不足。较薄的硬 化层对大多数承受严重磨损的部件来说是远远不够的【硼。 ( 3 ) 表面镀层是指利用化学或者电化学的方法在金属表面形成具有一定性能的镀层 工艺。镀层往往含有针孔还常有残余应力，稍不留意基体就会含有较多的氢，增加断裂 的可能性。要获得牢固的粘附则需要很大的劳动量。再者，对于硬化层，还必须特别注 意冲击载荷，否则薄而脆的镀层会迅速破裂【儿】。 直流横向磁场作用下铁基堆焊合金的力学性能 ( 4 ) 热喷涂是指材料经热源加热至熔化或半熔化状态，再用高压气流令其雾化并喷 射于工件表面上，从而形成涂层的一种表面加工方法。如果它在空气中进行，涂层中会 产生氧化物夹杂，影响涂层质量【1 2 1 。而且，涂层与基体之间机械结合强度低、涂层致密 性差。 堆焊也是一种改善机械表面耐磨性的简单、经济且行之有效的方法。它是用焊接方 法在零件表面堆一层具有一定性能材料的工艺过程，将焊接中的零件连接技术移植到零 件表面进行敷焊的技术，利用焊接热源使基材表面与敷焊材料之间形成熔化冶金结合的 一种表面工程技术。用堆焊方法将耐磨材料覆盖在基体材料上，既提高了耐磨性、延长 零件使用寿命，又节省了贵重材料，降低成本【1 3 1 。它不是为了连接零件，其目的更在于 增加零件的耐磨、耐热、耐蚀等方面的性能。堆焊除了可以显著提高工件的使用寿命， 节省制造、维修费用外，还可以减少修理和更换零部件的时间，从而提高生产率，降低 生产成本。目前，堆焊技术已经广泛地应用于矿山、冶金、农用机械、建筑、铁路、车 辆、化工设备等部门的制造和维修。材料表面堆焊技术多以延长设备或零件的服役寿命 为目的，少数情况下，也用于单纯恢复尺寸为目的的场合。 堆焊的方法一般有：手工电弧堆焊、氧一乙炔火焰堆焊、带极埋弧堆焊、双丝埋弧 堆焊、钨极及熔化极氢弧堆焊、气体保护堆焊、振动电弧堆焊、等离子弧堆焊、电火花 堆焊。 轧辊、轴类、模具、农机零件和采掘机件等易磨损零件，经过一段时间运行后工作 性能和工作效率都会下降甚至失效。采用堆焊工艺可以很好地进行修复。据统计，用于 修复零件的堆焊合金量占合金总量的7 2 。修复旧零件所用的费用很低，而使用寿命往 往比新零件还高。如堆焊旧轧辊的费用仅是新轧辊的3 0 左右，而质量却比新轧辊提高 3 5 倍。因此，广泛使用堆焊工艺修复旧零件，对节约材料，节省资金，弥补配件短缺 等具有重要的意义。通过在金属材料上堆焊合金可以制成双金属机器零件。这种零件的 基体和堆焊层表面，可采用不同性能的材料，所以能分别满足两者不同的技术要求。这 样既能使零件获得很好的综合技术性能，也能充分发挥材料的工作潜力。如水轮机的叶 片，基体材料选用碳素钢，在可能发生气蚀的部位表面堆焊一层不锈钢，使之成为耐气 蚀的双金属叶片；在金属切削刀具的制造中，刀体要求强韧，选用价格便宜的碳钢制造， 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 而刀刃的位置要求坚硬锋利，采用堆焊工艺将硬质合金堆焊在刀体韧口部位，可以节约 大量的贵重金属，大幅度提高使用寿命。 充分发挥材料的堆焊技术必须解决好两方面的问题：一是必须正确选用堆焊合金， 其中包括堆焊合金的成分和堆焊材料的形状，而堆焊合金的成分又往往取决于对堆焊合 金使用性能的要求：二是选定合适的堆焊方法，确定相应的堆焊工艺。本课题采用碳弧 堆焊的方法，与其他堆焊方法相比，碳弧堆焊有其自身的特点。碳弧的热输入量很大， 能够将合金粉末顺利的熔化；而且，碳弧在燃烧过程中能够产生大量的二氧化碳气体， 对处于熔融状态下的合金粉末起到很好的保护作用。碳弧堆焊热量集中，并且能够保证 堆焊层中适当的碳含型1 4 1 ，从而使熔敷金属的耐磨性能提高。碳弧堆焊还具有操作简单， 成本低廉，比手工堆焊耐磨焊条更易获得高合金含量及高硬度与高耐磨性的堆焊层l l 5 1 。 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 2 耐磨堆焊材料的发展现状 近年来，对耐磨合金堆焊材料的研究与开发一直为国内外焊接工作者所重视，尤其 是对多元合金系堆焊材料的研究。大量研究表明，在达到相同硬度水平的前提下，采用 多元合金系统比大量单一元素合金系统更有利于堆焊金属韧性和抗裂性的提高。 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、钴基、镍基自熔性合金粉末。堆焊用的合金粉末及其适 用范围如表1 1 。 ( 1 ) 铁基合金 目前，铁基合金是应用得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、硬度、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。 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 一9 一 直流横向磁场作用下铁基堆焊合金的力学性能 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( 2 0 3 8 h r c ) ，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。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 l l 2 和d 1 2 7 等。 表1 1 堆焊用合金粉末及其应用范围 t a b 1 1a p p l i e dr a f 紫o f a l l o yp o w d e rf o rs u r i n g 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o 1 1 0 之间，同时含有h 恤、m o 、n i 等元素，使其具有“自淬硬”性能。根据淬硬性和 沈阳工业大学硕士学位论文 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。其中翊3 的为低碳马氏体， o 3 o 6 的为中碳马氏体，0 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2 5 6 0 屺之间变化。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，而且随着含碳量的增加，这种趋势越来越明显。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，应用比较少。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。 3 ) 耐磨奥氏体合金 耐磨奥氏体合金主要分为高锰钢和铬锰钢两大类。低铬锰奥氏体钢含铬量不超过 4 ，含锰量在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 ，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【l o 】。焊态的 硬度也相似，均在2 0 0 2 5 0 耶之间。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4 5 0 5 5 0 皿。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 于堆焊破碎机的颚板、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。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。 4 ) 耐磨双相中锰合金 耐磨双相钢中含有o 6 1 o 的c 、6 o 1 0 o 的m n 及适量的n i ，c r ，m o 。 其中c 和含量均比高锰钢低很多。由于c ，m n 含量的降低，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2 5 0 直流横向磁场作用下铁基堆焊合金的力学性能 3 0 0 船，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5 5 0 7 0 0 h b 。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。 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 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。 6 ) 高合金铸铁 高合金铸铁堆焊层含有1 5 6 o 的c ，并含有大量的c r ( 3 3 5 ) 和适量的 w ，n i ，m o ，v ，砸，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 和高铬合金铸铁三大类。大量的c ，c r ，m o ，w ，v ，币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。碳的浓度极大的影响着堆焊层的组织和性能。碳含量偏低， 则碳化物数量不足，堆焊层硬度低；随碳含量的增加，堆焊层的硬度增加，但韧性降低， 故含碳量过高，耐磨性反而下降。因此，不能单纯提高碳含量，必须添加其它合金元素。 选择合适的合金体系要根据磨损条件，没有一种堆焊材料适合所有情况。表1 2 为主要 的耐磨合金对比状况，从中可以看出要得到高的耐磨合金体系应着手于碳化钨合金及高 铬合金。 沈阳工业大学硕士学位论文 表1 2 主要耐磨合金及其特性 1 a b 1 2w e 铲r e s i s t a r l ta l 】d ya l l d 瞻c h 删耐鲥c 很好的耐磨性 n m gq 曲i d ec o m 耐t e s 由于韧性不足，易剥落 好的耐磨性，高碳化合物适应于低 h i 曲c h m m i u mi r 吼s 应力，具有好的抵抗氧化性 对低应力和高应力有好的耐磨性， h k i n e l l s i t i ci “m s 有高压应力 耐 裂 对低应力有好的耐磨性，对高热应 磨 c o b a 拄b a s e a l l o 筘性箱 力及高温氧化性腐蚀性有很好的 相 溪 抵抗作用 m a r 觚i t i cs i e c l s 磊 赢 有好的耐磨损性能和碰撞抵抗力 对 中等的耐磨性，好的抗冲击及有高 韧性 a u s 溉n i c 鼬e l s 马氏体合金铸铁堆焊层的宏观硬度为h r c 5 0 6 0 ，耐磨、耐蚀、耐热和抗氧化性 能较好，但不耐冲击。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 。 ( 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co 7 3 3 、w3 2 l 、c r 2 6 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 以上温 度仍保持较高的强度和硬度，同时在5 4 0 6 5 0 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。 钴基堆焊合金随着含碳和含钨量的增大，耐磨料磨损性能大大增强。如含c l 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 直流横向磁场作用下铁基堆焊合金的力学性能 和较低的摩擦系数，故可用于内燃机排气阀密封面的堆焊。而含c 2 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。其主要特点是在6 5 0 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 0 0 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 - c 1 1 和d 8 0 2 焊条) ： r c o c r b ( c o c r 2 9 w 8 c 2 5 和d 8 1 2 焊条) ；r c o c 疋( c o c r 3 0 w 1 2 c 2 5 和d 8 2 2 焊条) 。 ( 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。镍铬硼硅合金系含b1 5 4 5 、含c ro 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。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近年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 f - m o - c o i f e w 二c 系列合金，较易用氧乙炔 焰堆焊，使用更普遍。含金属间碳化物的镍基合金如n i 3 2 m o 1 5 c r 3 s i ，高温硬度高， 具有很好的耐金属问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。常用的镍基合金堆焊材料有n i 3 3 7 焊条， f 1 2 1 、f 1 2 2 粉末等。 ( 4 ) 铜基合金 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 一硅合金) 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。但易受硫化物和氨盐的腐蚀，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 0 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，耐气蚀和金属间磨 沈阳工业大学硕士学位论文 属间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 左右。为减少母材中铁的不良 影响，往往取堆焊层6 衄以上部分为工作层。氧一乙炔焰和t i g 堆焊比较好。 ( 5 ) 复合合金 复合合金粉末是以钨的碳化物为主，还包括n 、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。碳化物堆焊层是由基体( 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。纳入标准的碳化钨 堆焊焊条有d 7 0 7 、d 7 1 7 。 1 3 磁场作用焊接技术 1 3 1 磁场的引入 电磁作用焊接技术是近年来完善起来的一种新的焊接技术，应用也日趋广泛。利用 外加磁场的方式通常有3 种：外加横向磁场，即外加磁场的磁力线垂直通过电弧轴线； 外加纵向同轴磁场，即外加磁场的磁力线方向与电弧轴线方向平行；外加尖角形磁场， 它可使电弧弧柱的形状变为椭圆形，使弧柱能量密度和电弧电场强度提高。对控制焊接 电弧和焊缝金属成型来说，横向磁场具有最大的可能性。而对控制焊缝金属一次结晶过 程来说，纵向磁场具有最大的可能性。本课题采用外加横向磁场，但采用一种焊接条件 下的电磁作用新方法。这种方法是把电磁线圈安置在焊缝的背面，采用这种装置时，电 磁场对焊接熔池金属的作用强度较大，而对电弧放电的作用强度较弱，可有效的控制一 次结晶过程。 实践表明，利用外加磁场对焊接中熔滴的过渡、熔池金属的流动、熔池的结晶形核 及结晶生长等过程进行有效地干预，使焊缝金属的一次结晶组织细化，减小化学不均匀 性，提高焊缝金属的塑性和韧性，降低结晶裂纹和气孔的敏感性，从而提高焊缝金属的 性能，全面改善焊接接头的质量。在航空、航天、