（材料加工工程专业论文）焊后加热过程对fecrc耐磨堆焊合金组织及性能的影响.pdf

摘要 摘要 f e c r - c 耐磨堆焊合金是一种重要的耐低应力磨粒磨损堆焊合金，由于硬度 高，综合性能好，价格低廉而备受关注，广泛应用于矿山、煤矿等工业领域。在实 际运行中，用f e c r - c 耐磨堆焊合金制备的耐磨钢板有时不得不进行热矫形，有 的工况条件是长期工作在5 0 0 - - 6 5 0 c 的高温环境，如何提高耐磨堆焊合金热加工 后的综合性能，获得高性能的耐磨合金，减少因磨损造成的损失成为国内外关注 的问题。 本研究通过确定适当的热加工工艺，研究焊后高温加热以及中温长时间热加 工过程对f e c r - c 耐磨合金堆焊层组织和硬度的影响，考察了其耐磨性能是否仍 能满足使用要求，为高碳耐磨堆焊合金的应用提供参考依据。研究表明，焊后加 热过程使得堆焊层综合性能下降。以焊后高温加热9 0 0 为例，高温加热过程中 碳化物出现成团聚集，宏观硬度大幅降低，基体显微硬度明显降低，碳化物与基 体的匹配变差，耐磨性能下降。为此，本文采用合金强化方式优化焊缝熔敷金属 的碳化物和基体的匹配。分析了耐磨工件的中温长时间加热过程工艺条件下，确 定其主要的磨损机制仍为低应力磨粒磨损，由塑性变形和显微切削共同作用。由 此认为，堆焊层的表面组织以奥氏体+ 碳化物为宜。通过添加适量的合金元素， 使得焊层金属的组织在奥氏体基体的基础上，分布一定数量、尺寸、形状的碳化 物，使堆焊层的硬度达到h r ( 芝5 5 以上。 采用x 一射线衍射物相分析、光学显微镜和电子扫描电镜s e m 针对熔敷金属 的碳化物形貌、晶界形貌、磨损形貌的观察分析，结合能谱测试结果和耐磨性测 试和显微硬度分析结果等方面的试验。研究表明：在焊缝具有较高硬度显微组织 的前提下，为强化基体组织，加入适量的v 、m o 等合金元素可以细化组织晶粒和 改善其中奥氏体的存在，使焊后加热后的宏观硬度和基体组织硬度提高，基体与 碳化物的互保作用加强，最终提高堆焊层的耐磨性。适宜的添加含量m o 为l ， v 为0 4 ，中温长时间加热过程适宜的温度5 0 0 - - 6 0 0 。 本文分析了焊后加热对堆焊层的影响，并提出基体强化配方的优化，为高碳 耐磨堆焊的应用提供一条参考途径。 关键词：耐磨堆焊；初生碳化物；基体；合金强化 a b s t r a c t a b s t r a c t f e c r - ch a r d f a c i n ga l l o yi so n eo ft h ei m p o r t a n tl o ws t r e s sw e a r - r e s i s t i n ga l l o y , w h i c hi su s e di nm i n eo rc o l l i e r yi n d u s t r i a ls u r r o u n d i n g sb e c a u s eo fi t sh i 曲h a r d n e s s ， l o wp r i c ea n dg o o dc o m p l e xp r o p e r t y s o m e t i m ew e a r i n gp l a t en e e dh o tr e c o n d i t i o n ， a n dw o r k su n d e r5 0 0 6 5 0 。cf o rl o n gt i m e s t oe n h a n c et h ew e a r i n gp l a t ep r o p e r t yo f p o s t w e l d i n gh o tt r e a t m e n t ，g e th i g hp r o p e r t yw e a r i n ga l l o y , r e d u c et h el o s so fw e a r h a sb e e nt h em o s tc a r i n gq u e s t i o ni nd a i l yr e s e a r c h t h et e c h n o l o g yo fh e a tt r e a t m e n tw a sd e f i n e dt os t u d yo nt h ee f f e c to fp o s t w e l d h e a tt r e a t m e n to nw e a r i n gp l a t e t h ew o r kr e v i e w e dt h es a t i s f i e do fw e a r i n ga l l o y , p r o v i d i n gr e f e r e n c ef o ru t i l i t y t h ec o m p l i c a t e dp r o p e r t yo fa s w e l d f e l la f t e r p o s t w e l d i n gh e a tt r e a t m e n t t a k e9 0 0 。cf o re x a m p l e ，( c r ，f e ) p h a s em a d et h eh a r d n e s s f a l ld o w n ，c a r i d eg e tt o g e t h e r , t h em i c r o h a r d n e s so fm a t r i xd r o po u t ，t h em a t c h r e l a t i o ng e tw o r s e ，t h ew e a rr e s i s t a n c ed e s c e n d e d a l l o ys t r e n g t h e n i n gw a se m p l o y e d t oi m p r o v et h em a t c hr e l a t i o nb e t w e e nc a r b i d ea n dm a t r i x t h ew o r kc o n d i t i o nh a d b e e ns h o w n t h ec h i e fm e c h a n i c sw a ss t i l ll o ws t r e s sa b r a s i v ew e a r , w h i c hw a sa c t e d b yp l a s t i cd e f o r m a t i o na n dm i c r o r e m o t i o n t h eh a r d f a i n gs u r f a c em i c r o s t r u c t u r ei sa s g o o da sa a n dc a r b i d e a d d i n ga l l o ye l e m e n t s ，t h eh a r d f a i n gs u r f a c em i c r o s t r u c t u r e c a ng e tt h es a m em i c r o s t r u c t u r ea sb e f o r e ，d i s t r i b u t e dp l e n t yo fc a r b i d e ，c a t c h e da b o v e 5 5h r ch a r d n e s s s e v e r a lc o n c l u s i o n sc a nb eg o ti nt h i sp a p e rb yx r a yp h a s ea n a l y s i s ，s e m a n a l y s i s ，e l e c t r o ne n e r g ys 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 sa n a l y s i s a n d m e t a l l o g r a p h i eo b s e r v a t i o n ：a d d i n gv a n dm oc a nr e f i n em i c r o s t r u c t u r ea n di m p r o v e t h ea e x i s t e n c e ，m a d et h eh a r d n e s sa n dt h em a t i xm i c r o h a r d n e s si n c r e a s e d ，s oa st o i n c r e a s et h ew e a rr e s i s t a n c e t h eo p t i m a lc o n t e n ti s1 m oa n do 4 vc o m p a n i e d w i t ht h eo p t i m a l l y5 0 0 - - - 6 0 0 。c t e m p e r a t u r e t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h ep o s t w e l d i n gh e a tt r e a t m e n te f f e c to nt h eh a r d f a i n g w e l d ，g i v e dt h eo p t i m a l l ym a t r i xs t r e n g t h e n i n gr e c i p e ，s u r p p l i e da nr e f e r e n c ef o rt h e 北京工业大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o no fw e a rh a r d f a c i n g k e yw o r d s ：h a r d f a c i n g ，p r i m a r yc a r b i d e ，m a t r i x ，a l l o ys t r e n g t h e n i n g i v 独创性声明 本人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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：反墼函 b 甄：2 口舌雾j - z 乡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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守此规定) 签名：氲坠亘导师签名：重颦丝f r 期： 垒呈：y 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 耐磨堆焊 耐磨堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一层金属的工艺过程，其目的不是为 了连接零件，而是为了使零件表面获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔敷 金属，或是为了恢复或增加零件的尺寸【卜2 】。堆焊技术的显著特点是堆焊层与母 材具有冶金结合，堆焊层在服役过程中的剥落倾向小，而且可以根据服役性能选 择或设计堆焊合金，使材料或零件表面具有良好的耐磨、耐高温等性能【3 】，在工 艺上有很大的灵活性。本文所涉及堆焊主要是应用其耐磨性能，起到提高工件表 层工作面性能的作用。 1 1 2 研制抗磨材料的必要性 随着我国工业的飞速发展，亟待开发多种新型堆焊材料以满足现行生产的需 要，我国目前仍然是一个发展中的大国，和西方工业发达国家相比，装备和加工 技术水平处在一个中级水平。就设备制造来讲( 如轧辊、拉丝滚筒、各种破碎机 等制造) 不是以堆焊材料方法赋予设备表面特殊的耐磨性能，而是以整体材料制 造，从考虑成本出发，不可能加入较多的贵重合金元素，其表面耐磨性往往难以 令人满意。就设备修复来讲，我国是一个材料消耗大国，光每年因磨损而失效的 工件就占到失效零件总数的8 0 f 4 1 。 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力- 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。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) 存在严重不足，不 能满足工业生产对耐磨材料的要求。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。 北京工业大学t 学硕十学位论文 1 1 3 研究现状 1 1 3 1 堆焊合金的发展堆焊合金可归纳为铁基、镍基、钴基和碳化钨堆焊材料 等几种类型【5 1 。铁基堆焊合金性能范围广，结构轻巧，工艺简单，韧性与耐磨性 配合好，能满足不同中温长时间加热过程的要求，价格低廉，品种多样，因而应 用最为广泛。镍基、钴基堆焊合金价格较高，由于高温性能好、耐腐蚀，主要用 于要求耐高温磨损、耐高温腐蚀等场合。碳化钨堆焊合金的耐磨料磨损性能最好， 虽然价格较高，但在耐严重磨料磨损部位堆焊和工具堆焊中占重要地位。 1 1 3 2 堆焊研究进展状况2 0 世纪5 0 年代前，在堆焊合金的耐磨性研究工作中， 人们仍只注重硬度和合金含量，直到d k t e c k i 和j s o g b o r n 做了大量的实 验得出碳对耐磨性的影响【6 】，才开始注重研究碳及内部显微组织的影响。在抵抗 磨损过程中，特别是低应力磨料磨损中，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。一般认为在f e c r o c 合金体系中微 观组织决定耐磨性，碳的含量大致上决定微观组织。在很多情况下，碳化物在铁 基系统中提供较高的耐磨性能。文献报道，由d a e m e n 提出，并由r e n s e ，e d w a r d s 和f r o s t 验证【6 】，碳含量提高可导致抗磨碳化物体积的增大，碳化物在抗磨损过 程中起骨架作用。图1 1 中在低碳区( 2 5 ，c 2 ，另外添加少量的以锰和硅为主的合金【3 2 1 。堆焊层的 显微组织主要是基体和六方碳化铬及极少量的其它碳化物。堆焊层的硬度主要由 合金体系中合金元素的数量决定。这些材料广泛应用于农业机械、矿井、采矿、 沙场、钢厂等。在高碳高铬合金系中，耐磨性主要取决于碳化物的成分、数量、 分布及硬质相的大小等。本课题以耐磨硬质相m 7 c 3 为主要耐磨骨架，添加其它 合金元素或生成硬质相或嵌入到基体中强化硬质相来提高表面堆焊层的耐磨性。 在抗磨损过程中堆焊层的硬度和耐磨性不成正比，加入贵重及稀有合金与提高耐 磨性及经济性也不成正比。与耐磨性直接有关的是碳的含量和内部显微组织。当 堆焊层中碳含量超过3 5 时，主要抗磨产物初生碳化物开始形成，所以本实验 所研制的堆焊层中c 的含量确定大于3 5 ，合金系亦采用f e c r - c 系，并加入 适当的钨、镍、钒和钼。采用高碳铬铁粉为主要合金，添加钒铁、钨铁、镍粉、 钼铁，组成以f e c r - c 为主的合金体系研制高碳耐磨堆焊层的性能。 粉丝重量比是指合金粉与整个焊丝的质量比。测试方法为：首先用天平称出 焊丝盘和合金粉的质量，然后消耗所有合会粉堆焊耐磨板，再称出焊后焊丝盘的 质量，最后根据公式( 2 一1 ) 计算出粉丝比系数： p2 南 ( 2 1 ) 其中：p 一粉丝重量比，本课题所研制的p 为1 6 ； m 卜合金粉的重拳a - l ；m l 一焊前焊丝的重量；m 2 l 一焊厉焊丝的重姑 根据各元素在焊层所占百分含量的参考范围，对合金粉的配制进行系统调 整，所谓系统调整就是指以初始堆焊配方为依据，将整个配方中的某项合会粉、 北京工业大学工学硕士学位论文 多项合金粉，按照序列数的增减，作单项、多项，甚至是混合式的系统调整，以 观察和探讨各项原材料的变换性能和定性定量规律。 本实验初步探讨固定堆焊层中铬百分含量，改变其他合金元素的百分含量， 由合金元素的百分含量反推配方中添加合金粉的含量公式如下： m 0 m ii - _ m 2 r ( 2 - 2 ) 1 | h k c 其中：m 仃一配方中加入某粉末的百分含量；m l 一焊缝要求的百分含量； m 厂钢带中百分含量；k b 粉丝重量比； k 广铁粉中某元素的百分含量 2 1 2 3 焊接方法与设备根据焊接实际情况，采用埋弧焊机、普通h o s a 焊丝、 焊剂h j 2 6 0 ，将配制好的合金粉预铺在基板上进行堆焊，获得实验所需耐磨焊层。 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2 - 6 。 表2 - 6 堆焊工艺参数 t a b l e2 - 6w e l d i n gp a r a m e t e r 焊接时要注意，试板要用夹具在焊接工具台上夹紧，这是为了防止试板变形。 试板厚度为8 m m 。在试板上堆焊尺寸为10 0 m m x 2 5 m m 6 m m 的焊层进行焊接实 验性能实验。焊接过程中每焊完一道都要先清理焊接表面，以免造成夹渣。堆焊 一层，主要是考虑实际中温长时间加热过程要求，为了减少母材对堆焊层的稀释 率的影响。 2 2 堆焊层焊后加热工艺 2 2 1 焊后高温加热保温温度和保持( 恒温) 时间 由于基材材质为q 2 3 5 低碳钢，所以f e c r - c 耐磨堆焊合金的校正温度按规范 应控制在8 5 0 1 0 0 0 c 以内。按d l 5 0 0 7 9 2 标准，根据焊接接头的最大厚度，确定其 恒温时间为3 0 m i n 。 第2 章实验设备与方法 2 2 2 焊后中温长时间热加工加热保温温度和保持( 恒温) 时间 根据f e c r - c 耐磨堆焊合金中温长时间加热过程。适用温度范围为 5 0 0 7 0 0 。c ，考察中温长时间热加工对堆焊层地影响，确定保温温度为 5 0 0 7 0 0 ，恒温时间为2 h ，4 h ，6 h ，8 h ，l o b 。 2 2 3 加热和冷却速度 为防止由于加热或冷却速度过快，造成接头区产生的附加温差应力、裂纹以 及温度不均，按d l 5 0 0 7 9 2 标准规定，升、降温速度可定为5 3 0 0 m 。 2 2 4 电阻炉 选择s x 一4 1 0 型号箱式电阻炉，k s y 可控硅温度控制器，此设备能按设 定的工艺程序自动控制升温速度、恒温温度及降温速度，控温精度可达- 4 - 1 0 。0 ， 能够满足要求。 2 3 堆焊层组织与性能测试 2 3 1 堆焊层取样 堆焊层制得后，用q g 1 金相试样切割机切割取样。切割时要避开起弧和收 弧的地方，两侧各去2 5 c m ，耿中间作为试样。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。 2 3 2 堆焊层的金相组织测试 堆焊层的组织测试首先采用金相切割机、金相镶样机、预磨机、抛光机等设 备进行金相试样的制备，取1 0 m m 1 0 m m x 5 m m 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 性强的三氯化铁盐酸溶液，浸蚀的堆焊层组织清晰。浸蚀时间大约5 0 秒【3 3 】。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。 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 l 利用m p e g 3 等型号显微镜进行组织观察与图像采集。 2 3 3 洛氏硬度测试 堆焊层表面和背面用2 0 0 号砂纸磨平，以保证平行度。利用h r 1 5 0 多功能 北京工业大学t 学硕上学位论文 数字硬度计对堆焊层进行洛氏硬度测试，根据g b 8 6 4 0 8 8 规定，每个试样测定 五个点，取平均值，实验采用金刚石压头，载荷为1 5 0 k g ，加载时间为5 s ，恢 复时间为3 s 。其中测定点之间的距离或任一测定点距试样边缘的距离不小于 3 m m 。 2 。3 4 显微硬度测试 采用h x d 1 0 0 0 数字式显微硬度计进行显微硬度测试，在要测定的组织中 ( 主要观察各试样显微组织中白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。实验载荷为 1 0 0 9 或2 0 0 9 ，加载时间为1 5 s ，试样测试前进行研磨和抛光。 2 3 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：x 射线荧光光谱分析 2 3 6x 射线衍射试验 设备：d m a x 2 r b 型x 射线衍射仪 试样尺寸：1 5 m m x 6 m m 5 m m ，横断面处用4 硝酸酒精溶液轻微腐蚀。 2 3 7 场发射扫描电镜试验和能谱分析 试样尺寸：5 m m x 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，对试样进行扫描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。 2 3 8 磨粒磨损性能测试 采用m l s 2 2 5 型湿式橡胶轮磨粒磨损试验机对堆焊层进行磨粒磨损试验， 试样基体为4 5 淬火钢，尺寸5 7 m m x 2 5 5 m m 5 m m ，堆焊层厚度 5 m m 。橡胶轮 转速2 4 0 r p m ，橡胶轮直径l7 6 m m ，橡胶轮硬度6 0 ( 邵尔硬度) ，实验时加入1 0 0 0 克水，磨料选择为4 0 7 0 目石英砂1 5 0 0 克，载荷为4 0 n 、7 0 n 和1 0 0 n 。 ( 1 ) 预磨：预磨是为了获得一个预磨痕迹，避免试样表面粗糙度对磨粒磨损 结果的影响。每次实验前先将试样在丙酮溶液中浸洗，将试验腔体彻底清洗，然 第2 章实验设各与方法 后将试样紧固在试验槽内，向磨粒磨损机试验腔体中倒入1 0 0 0 克水和1 5 0 0 克石英 砂( 4 0 - 7 0 目) ，密封，然后施加选取的载荷，预磨1 0 0 0 转后停机。 ( 2 ) 正式磨：，将预磨损后的试样在丙酮溶液中浸洗，用吹风机吹干，在万分 之一精度的天平上称量，测得试样重量。然后将试样置于试验槽内，使磨损面与 预磨痕迹重合，其他操作步骤与预磨相同。正式磨损2 0 0 0 转后停机，取出试样并 放入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3 5 分钟，干燥后用万分之 一天平秤量重量，作为“磨后重量”。材料的耐磨性能用磨损的失重量来衡量。算 出正式磨损前后试件的重量差，即为失重量。每种堆焊层测三个试样，取平均值 来衡量配方的耐磨性。实验同时用4 5 淬火钢( h r c 5 1 5 ) 基体材料作为对比，对 比件失重量与测量件失重量之比作为该配方的相对耐磨性。 m l s 2 2 5 型磨粒磨损试验机工作示意图见图2 1 ，其工作原理：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。 图2 1m l s 一2 2 5 磨粒磨损机示意图 f i g 2 1s h e t c hm a po fm l s 2 2 5a b r a s i v ew e a rt e s t e r 2 3 9 试样磨损后表面形貌的观察 试样磨损后，制成5 m m 5 m m 6 m m 试样，保护好磨损表面。在扫描电镜下 北京t 业大学工学硕十学位论文 观察微观形貌。采用f e i 公司生产的s - - 4 3 0 0 n 电子显微镜( s e m ) 分析堆焊层 磨粒磨损后的形貌。 2 4 其它分析测试方法与设备 采用北京塞多利斯仪器公司生产的b s 2 2 4 s 电子天平对试样进行质量测量， 精确到0 0 0 0 1 9 。 2 5 本章小结 本章就实验中涉及的高碳耐磨堆焊层的获得、添加合金粉百分含量的测试以 及堆焊层的焊后加热工艺测试进行了说明，利用m l s 2 2 5 型湿式橡胶轮磨粒磨 损试验机对堆焊层进行一定载荷的磨粒磨损试验，并就堆焊层组织和性能测试的 实验方法和设备做了介绍。 第3 章焊后加热对耐磨堆焊合金组织性能的影响 第3 章焊后加热对f e - c r - c 堆焊合金组织性能的影响 3 1 前言 我国每年因机械零部件磨损而造成的损失十分巨大，寻求高性能的耐磨合金 成了人们普遍关心的问题。f e c r - c 耐磨堆焊合金是一种重要的耐低应力磨粒磨 损堆焊合金，由于硬度高，综合性能好，价格低廉而备受关注【3 4 1 。有关f e - c r - c 耐磨 堆焊合金系焊后加热过程对堆焊层组织及硬度影响的研究尚未见报道。本研究通 过确定适当的热加工工艺，研究焊后高温加热过程以及中温长时间加热过程温度 对堆焊层组织和硬度的影响，考察f e c r - c 耐磨合金的耐磨性能是否仍能满足使 用要求，为高碳耐磨堆焊合金的应用提供参考依据。 3 2 焊后高温加热过程 3 2 1 堆焊层金属成分 采用埋弧焊机、普通h 0 8 a 焊丝、焊剂h j 2 6 0 ，将配制好的合金粉预铺在 q 2 3 5 基板上进行堆焊，获得实验所需耐磨焊层，其堆焊层的化学成分( 质量分数) 见表3 1 。 表3 - 1 堆焊层金属的主要化学成分( 州) t a b l e3 - 1m a i nc o m p o s i t i o no f h a r d f a c i n gl a y e rm e t a l ( ) 3 2 2 试验结果 3 2 ，2 1 显微组织观察根据热加工温度的多少，试样的表面金相组织如图3 1 所示。 b ) 8 5 0 c ) 9 0 0 d ) 9 5 0 e ) 1 0 0 0 圈3 一if e - c r - c 堆焊台金焊层表面水同温度的金相组织( 漫蚀剂：氯化铁溶液) f i g3 + 1 m i c r o s t r u c t u r e so f f e - c r - c h a r d f a c i n ga l l o y3 n e 。p o s th e a t i r e a n n e n i i nd i f f e r e n t “釉。啪t u 瑚 堆焊合金表层的光学金相组织见罔3 一l a 。根据以往的研究结果t 3 5 - 3 6 1 ，f e - c c 而j 磨堆焊层显微组织为在奥氏体的基体上分巾着大量硬质相初生碳化物m ，c ，和 共晶碳化物。图3 一l e 是高温加热后f e c r - c 堆焊台金堆焊层表面不同温度下的 会相组织。由圈3 1 可知，经过焊后高温加热的焊缝组织与原始焊层相比，硬质 帽的存在与焊悫相同，显微组织的形态略有变化，高温后显微组织出现碳化物聚 团增多的情况。 由焊接冶金过程自身的特点，焊层的原子扩散增加了母材向焊层的过渡带， 在焊层截面组织的熔台线附近出现树枝晶的亚共晶结构形态，图3 2 为堆焊层横 截面不同加热温度的金相组织，试验过程中观察发现，高温加热对熔台线附近的 亚共品结构没有产生明显的影响。 董i 茎耋呈：! 垫至墼星耋耋耋耋塞垒耋璧墼茎錾 d ) 9 5 0 e ) 1 0 0 0 幽3 - 2 焊后不同温度下f e c r - c 堆焊台金金相组织( 横截面，浸蚀剂：氯化铁溶液) f i g3 - 2 m i c m s t r a c m r e so ff e c r - ch a r d f a c i n ga l i o ya f t e r p o s t h e a t t r e b t m e n t i nd i f l 盯e a t t e m p 吖a t u r e s 3 222x r d 物相分析结果f e c c 堆焊台金不同热处理温度的x 射线分析图谱 见图5 ，从x 射线图谱上可见堆焊层焊态主要由c r c 3 、f e 5 c 2 、f e 2 c 、f e t c 3 等 相组成，经过高温加热后( c r - f e ) 、c r t c 3 增多，而铁元素的碳化物没有发生明显 变化。 i _ 匣 专分篓 j 篓羔兰 2 0b 01 2 - t h e b s c a k 幽3 - 3 焊态及不同热处理温度f ec - c 雌焊台金的x r d 酗谱 f i g33 x r d p u t t 日so ff e c r ch a r d f a c i n ga l l o y w i t hd i f f e r e n tp o s t w d dh e a t t r e a l m e n t 啪珊瑚唧啪啪枷枷啪啪瞄瑚珊。 北京工业大学亡学硕十学位论文 。 一t e m p e r a t u r e 3 2 2 3 硬度分析结果表3 2 为f e c r - c 堆焊合金焊后加热温度与硬度的关系。 该合金的焊态宏观硬度为5 7 7 h r c ，焊层经过焊后加热硬度明显下降，且随温度 升高硬度降低，焊后加热温度达到1 0 0 0 。c 时，硬度降低至4 3 2 h r c 。 f e - c r - c 堆焊合金焊层显微组织的显微硬度存在关系：六边形m 7 c 3 碳化 物 板条形m 7 c 3 碳化物 基体焊层表面 焊层中部 焊层底部，且此关系不 受温度的影响。在焊后加热过程中在焊层的底部出现亚共晶结构，其显微硬度明 显低于焊层表面以及中部。随着加热温度的升高，碳化物的显微硬度变化较小， 而基体组织的显微硬度却不断降低，由焊态的7 3 4 2 5 h v 降至4 5 7 1 0 h v 。 表3 2 加热温度对硬度的影响 t a b l e3 - 2e f f e c to f p o s t w e l dh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r eo nh a r d f a c i n ga l l o yl a y e rh a r d n e s s 3 2 2 4 磨损分析结果磨料磨损试验结果见表3 3 ，柱状图见图3 - 4 。以淬火态 4 5 钢为基准材料标样，定义其相对耐磨性为l ，相对耐磨性由下式给出。 相对耐磨性占= 基准材料的磨损量朋1 试验材料的磨损量- _ m 2 ( 3 1 ) 董：耋堡呈彗量彗呈量薹堡耋耋量量塞鐾竺篓塞 表3 - 3 磨粒磨损实验结果 t a b l e3 - 3e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f 印n d i n ga b r a s i o n 卫 幽3 4 磨粒磨损试验结果 f i g e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f 口n d i n ga b r a s i o n 试验结果表明，f e c r - c 耐磨合金原始焊层相对耐磨性为45 ，随着热加工温度 的升高，相对耐磨性降低，：鞫 1 0 0 0 c 降至07 ，仅为焊卷耐磨性的1 6 。 3 23 热加工温度对显微组织的影响 3 231 热加工温度对初生碳化物的影响高碳耐磨合金中古碳量一般为3 - 5 ， 含铬量为3 0 - 3 5 。凝固组织中可能出现的初生碳化物和共品碳化物主要有 m 2 3 c 6 ，m 7 c 3 ，m 3 c 这些碳化物都是硬质相，对台会的抗磨能力起主要作用。 图3 - 5 为堆焊台会堆焊层的余相组织。由图可知，在以奥氏体为主的基体上 分布着一些初生碳化物和共晶碳化物。仞生碳化物是指过共品组织平衡凝固叫， 最早形成的初生相，在图中主要特征是颗粒较人且孤立的白色碳化物。共晶碳化 物指在f e c r - c 系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。 m ，c ，这些碳化物为柱状，横截面大致呈六角形，是f e c r - c 系耐磨堆焊合 金的最主要耐磨硬质相。当金相观察面与棱柱垂直时，碳化物大多表现为六边形 如图3 - 5 a ) ；当金相观察面与棱柱平行时，碳化物多为长条片状，如图3 5 b 1 ：当金 相观察面与棱柱成一定角度时，看到的碳化物为不规则形状( 陡条多边形或条状 多边形) ，如图3 - 5 a ) 。为更好的观察初生碳化物的形态特征将其放大到如图3 - 5 e ) 。 可见，初生碳化物外形完整，呈六方形，内部有许多空洞，据文献i ” 介绍，这可能是初 生碳化物在较高的应力场中成簇生长的结果，并导致很多晶体缺陷，在空洞内充满 基体金属。这是典型的m ，c 3 型碳化物。 a ) s u r f a c eb 1 5 s e c t i o nc ) s u r f a c e 幽3 - 5f e _ c r - c 堆焊台金的金相组织( 浸蚀剂：氯化铁溶液) f i g3 - 5m i c r o s t r u c t u r e so f f e - c r - ch a r d f a c i n ga l l o y 结合图3 - 1 、图3 - 6 不同温度堆焊台金的显微组织分析，随着焊后加热温度 的升高，与原始焊态相比，初生碳化物的数量和大小相差不大，形状尺寸没有发 生明显变化，生长方向的零乱性也未发生改变。但在焊后加热过程中出现了碳化 物聚集成团增多的现象，这 要是由于f e c r - c 相图醣合金的结晶温度范围在 1 1 5 0 1 3 8 0 ，本试验的热加工温度区间对组织组成的影响很小，但在焊后加 热过程中存在非常缓慢的原予远程扩散1 3 83 9 】。由于堆焊层中含有大于3 0 的铬元 素，随温度的刀高，初生碳化物饱和状态受到影响，高温加热形成( c r - f e ) 等硬质 相缩小了碳化物颗粒的间距。 对本试验m ，c ，碳化物的显微硬度视4 试( 见表3 2 ) 表明：棱柱体横截面硬 度为h v | 5 0 0 1 7 0 0 ，棱柱纵截面硬度一般只有h v l l 0 0 1 3 0 0 与文献 4 0 4 1 1 结论趋 于一致。 e ) 】0 0 0 a 麈rf e c r - c 堆焊仃垒 g3 - 7 m i c r o s tr i 】c t u r c so f f c rch a r d p a c i n ga l l o ya f t c rp 。h e a l e l n p e r a t u r e s b 图片可知：共品碳化物主要呈孤立的棱4 化物叫距小。堆焊过稃中合金凝圈时川“ 粤嘲霆 n 京t 业大学工学硕士学位论文 面容易发生颈缩，从而呈棱拄状，不易形成网状 有利于强韧性的提高。焊后加 热温度低于合金结晶温度范围，共晶碳化物有着良好的高温稳定性，但在焊后加 热过程中出现聚团的现象。 a ) a s w e l db ) 9 0 0 图3 - 8 焊后不同温度下f e - c r - c 堆焊台金共品组织( s e m15 k ) f i g3 - 8 m i c r o s t r u c t u r c so f f e c r - c h a r d f a c i n ga l l o ya f t e r p o s t h e a t m l e n t i nd i f f e r e n t t e a l a p e r 酊u r e s 从图3 - 8 中可以清楚的看出，在过共晶组织中，共晶组织在六方棱柱型的初 生碳化物周围以胞状凝固界面向四周辐射长大。初生碳化物周围碳古量较低，共 品碳化物较少，生长比较凌乱；离初生碳化物越远，共晶碳化物越密集、越均匀。 3233 热加工温度对基体组织的影响所谓堆焊层组织是指共晶加初生析出相 碳化物或固溶体。基体指除碳化物之外的部分。但在高碳耐磨堆焊层显微组织中 基体偏少，韧生碳化物和共晶碳化物较多。文献报道，高碳高铬堆焊层中含有残 余奥氏体是难免的h 2 4 ”，基体主要以奥氏体加板状或针状马氏体，但本文试验显 微组织中未发现针状或片状马氏体，故判定基体组织主要为奥氏体。 由表3 2 知，在焊后加热过程中，随着加热温度的升高，碳化物的显微硬度 变化较小，而基体组织的显微硬度却不断降低，由焊态的7 3 42 5 h v 降至 4 5 71 0 h v 。这主要是由于加热过程使得基体组织舆氏体含量的增加降低了其硬 度 删。 32 4 热加工温度对熔台线附近碳迁移的影响 在焊后进行高温加热时，出现了碳迁移现象，由于焊层中碳的原子尺寸较小， 扩散能力比其他元素大1 0 4 1 0 5 倍扩散过程中遇到铬等碱化物形成元素时， 兰二尘：型：尘尘尘坚窒! 形成了铬的碳化物，在焊层高铬区形成碱化物层，在低锦区出现了脱碳层。图39 为焊层熔合线不同温度的组织观察，可见焊缝熔合线附近有明显的差异，焊缝金 属侧形成了黑色增碳层，母材匹侧出现了白也脱碳层，随着温度的升高碳迁移 增力增碳层和脱碳层的厚度也相应增加。对比图3 9 a 、b 增碳层厚度增加约3 5 9 m ， 脱碳层厚度增加约1 0 0 9 m 。为进步考察焊后加热过 ；对碳迁移的影响，4 i 同高 温加热温度刘堆焊层熔台线附近显微硬度的影响见固3 1 0 。圈中0 线表示熔台 线，左侧为母材，右删为焊缝。山圈中显微硬度的变化，可以观察到焊态熔合线 w 十近显微硬度差别不明显，热加工后母材侧至熔合线显微硬度直呈降低趋势， 而熔台线至焊缝删显微硬度升高趋势明显，由此啦证脱碳层增碳层的存在。试验 表明，热加j 二后脱碳层的硬度最低，与母材硬度相比，下降约】5 ，增碳层的 硬度峰值随温度鲋高不断向远离熔台线移动， a ) 8 5 0 c b ) 】0 0 0 c 酣3 - 9f e - c p c 堆焊台金焊层熔台线不同温度帕金相r 织( 浸蚀剂氯化铁溶液 f i g3 - 9 m i c m s t 邝c t u r e so f f e c r ch a r d f a c i n ga l l o y w e l db o n da n “p o s th e a t t r e a t m e n t i n d l f f e r e n tt m s w e l d i n g l a y e r 一 庐e 矽 = = = 专 ； _ 08 64 _ o2 0 00 2o4口b0b 图3 - l o 器茗曩嚣盎显微硬度的变化 f i g3 - 1 0 m i c r o h a r d n e 8 s o f f e - c r x 2h a r d f a c l n ga l l o y w e l db o n d w i t hd i f f e r e n tc e m d e r a h m 325 热加工温度对耐磨性能的影响 3 2 51 磨损形貌观察 幽3 - 1 1 磨损试样表面形貌 a ) 宏观照片b ) 焊态磨损形虢c ) 8 5 0 c 磨损形莸 d ) 9 0 0 c 磨损形貌c ) 9 5 0 c 磨损形貌f ) 1 0 0 0 _ ( 2 磨损形貌 f i g3 - 1 ls u r f a c e t o p o g r a p h y o f a b r a s i o ns a m p l e s a ) m a c r o p h o t o g r a n hb ) a b r a s i o n p a t t e r o f w e l d i n gc ) a b r a s i o np a l t 盯o f8 5 0 ( 2 d ) a b r a s i o np a t l e r o f 9 0 0 e ) a b r a s i o n p a t t 目o f 9 5 0 ( f ) a b r a s i o np a t t e r o f l 0 8 0 c w ，三l!ce2= 第3 $ 焊后加热对耐磨堆焊台金组织性能髟自 图3 - 1 1 为磨损试样表面磨痕的形貌，从上述六匿可见，五个试样磨损后， 表面都有微观划痕和剥落的小凹坑。图b 为堆焊层焊态的微观磨损形貌，表面的 划痕较浅且细，只能观察到较浅的犁沟。图p f 为热加工后焊层的微观磨损形貌， 可阻看到与焊态相比 这四个试样的磨损表面变得不平整，微观沟槽深且宽，堆焊 舍金的耐磨性明显下降，微观沟槽深度宽度随着热处理温度的升高而增加。因磨 损后形貌几乎相同，故可判断这五个试样具有相同的磨损机制。磨损表面即有犁 沟，也有剥落的凹坑，通过文献 4 6 - s o 蛔材料的去除机制既有塑性变形引起的材料 磨损机制，也有脆性材料的剥落形成凹坑而导致的材料去除机制，是两种机制的 共同作用结果。 豳豳 b ) 9 0 0 幽3 - 1 2 磨损试样表面形貌 f 强3 1 2s u r 妇c e p a t t e r n sc f a b r a s i o ns a m p l e s 试验中发现热, 自n 3 - 对磨损过程中产生的剥落凹坑有一定影响。图3 1 2 为焊态 与热加工忐的磨损形貌对比，由图中可见高温加热后磨损表面的凹坑数量略有增 加这主要是由于高温加热使基体变软，难咀更好地支撑硬质相，硬脆的碳化物更 易从表面剥落。 碳化物是形成显微裂纹的起点。只有当碳化物颗粒比摩擦负荷所造成的划痕 还大时刊能使自 磨性提高。而经过热加工的堆焊台余相比于焊惫，基体过软， 原有的良好支撑作用下降，碳化物颗粒过多且细小不能阻止磨粒的切削，由