（材料加工工程专业论文）套磨铣工具强化材料及磨损机制研究.pdf

摘要 套磨铣工具强化材料及磨损机制研究 摘要 本文针对套磨铣工具强化材料、堆焊工艺以及磨损、磨耗机制，进行了理 论及实际工程应用等方面研究，成功研制出新型强化材料，并重点对金属陶瓷 与铜基合金成形性，金属陶瓷堆焊烧损、开裂行为，界面微观连接机制和冶金 行为，以及耐磨性等进行了深入系统地研究。f 取得了如下主要成果： 通过氧化增重、热震性以及座滴试验，分析了金属陶瓷和铜基合金组织性 能以及连接性能，在此基础上优化设计出新型的套磨铣工具强化材料和相应的 焊条成形工艺。试验结果表明：采用y t 7 6 9 型金属陶瓷与( 4 6 5 2 ) c u ( 8 - 1 1 ) n i z n r e 合金作为强化材料组分的复合耐磨堆焊焊条，具有良好的综合性能；采 用双级加热和炉中缓冷的焊条成形工艺，可以有效减少焊条中金属陶瓷开裂倾 向：复合堆焊焊条中金属陶瓷与铜基合金，通过扩散机制以固溶结晶形式连接， 界面上没有新相形成。 在堆焊过程中，金属陶瓷烧损的形式有熔化、溶解式烧损、溃散式烧损、 氧化式烧损以及非均质长大式烧损等类型。在界面形成w ：c 、c o ：w 。c 、n i 州，c 、c o 。w 等脆性相和氧化物夹杂，导致金属陶瓷边缘硬度降低，力学性能恶化及耐磨性 显著降低。烧损程度与金属陶瓷的类型、颗粒粒度以及热输入有关。y t 7 6 9 型 金属陶瓷氧化烧损程度比y g 8 型小；适当增加金属陶瓷的颗粒粒度，可以降低 金属陶瓷的烧损；严格控制热输入、正确焊接工艺是控制金属陶瓷烧损的主要 措施。铜基合金的烧损形式主要有氧化以及过热、过烧两种形式，烧损导致铜 基合金产生氧化物夹杂和力学性能降低。广丫 采用声发射和热循环相结合测试试验，对堆焊层金属陶瓷起裂温度进行了 测试，发现金属陶瓷在焊后6 0 0 4 0 0 温度区间最易产生裂纹。播4 用有限元对 堆焊层热应力进行了计算分析，表明堆焊层存在超过金属陶瓷抗拉强度的拉伸 残余应力，该应力是导致金属陶瓷产生裂纹的主要因素。适当增加金属陶瓷含 量，并采用焊前预热4 0 0 - 5 0 0 c 和焊后6 0 0 - 4 0 0 保温缓冷，可以有效地减小热 应力，减小金属陶瓷开裂倾向。 通过t e m 观察和分析，表明热应力的作用导致界面产生位错增殖、塞集形 成位错网络。f 位错的增殖和界面脆性相是界面产生微裂纹的裂纹源。通过对微 裂纹尖端的应力强度因子( k 。) 分析表明，k ，与温度梯度r 和线膨胀系数差口 山东大学博士学位论文 有关，而且金属陶瓷侧k 。大于铜基合金侧，裂纹更易向金属陶瓷侧扩展。 首次在金属陶瓷与铜基合金复合堆焊材料中添加稀土氧化物l a 。0 。，通过 s e m 观察与点阵错配度理论计算，表明堆焊焊条中加入少量的稀土氧化物作为 铜基合金非均质形核核心，细化铜基合金组织。根据热力学分析、冲击试验及 断口形貌观察表明，当稀土氧化物加入量1 o 1 5 时，能有效地消除铜基合金 缺陷，具有脱氧、净化堆焊熔池，提高冲击韧性的作用。 堆焊层中金属陶瓷与铜基合金，不仅通过w 、n i 、c o 等元素相互扩散形成 扩散型界面，还通过冶金反应生成t i n i 等化合物形成扩散型和化合物型混合界 面，增强了界面的结合强度。加入稀土氧化物后，稀土氧化物改善了界面结构， 促使界面形成w c 、t i c 、c u n i 多晶过渡区和微晶过渡区，提高了界面的结合强 度。在一定条件下，稀氧化物l 赴魄促使界面形成c u n i s i l a 非晶物相，进一 步强化了界面。 通过静载磨粒磨损、冲击磨粒磨损以及室温、高温摩擦磨损试验表明，堆 焊层的耐磨性与金属陶瓷类型、含量、颗粒粒度、载荷以及堆焊工艺等因素有 关。随着堆焊层金属陶瓷含量的增加，堆焊层耐磨性增加，当金属陶瓷含量为 5 5 6 0 w t 时，堆焊层具有最好耐磨性。在本研究条件下，采用火焰堆焊的耐磨 性比t i g 堆焊好。稀土氧化物可以减小堆焊层的摩擦系数，起到减摩耐磨作用。 s e m 磨痕形貌观察表明，铜基合金的磨损主要为犁沟和犁皱，而金属陶瓷的流 失形式主要是界面处碳化物显微断裂和脱落。随着温度的升高，金属陶瓷氧化 磨损量增加。加入稀土氧化物后，界面结构得到改善，磨损界面碳化物脱落现 象减轻。l 通过对磨鞋磨耗分析表明，胎体合金磨耗原因主要是受到摩擦及磨屑的冲 刷作用，形成犁沟和显微切削。而金属陶瓷的磨耗原因主要有摩擦磨损、磨粒 磨损、冲击疲劳、热疲劳和氧化磨损等。s e m 微观观察表明，碳化物晶粒的破 碎或脱落、粘结相的流失、冲击疲劳裂纹和熟疲劳龟裂纹以及氧化等是金属陶 瓷的主要失效形式。实际工程应用效果表明，采用本研究的强化材料，套磨铣 工具金属陶瓷的脱落率和断裂率大大降低，使用寿命显著提高。本研究成果已 广泛用于油田井下作业的套磨铣工具，并取得明显的经济效益和社会效益。 关键词：金属陶瓷；铜基合金；套磨铣强化材料；稀土氧化物；磨耗机制 耐磨性；组织结构 a b s t r a c t _ _ 一 s t u d y o nt h es t r e n g t h e n i n g m a t e r i a l so f m i l l i n g t o o l s a n dm e c h a n i s mo fw e a r r e s i s t a n c e a b s t r a c t b a s e do nt h ee x p e r i m e n t ，t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，t h e s t r e n g t h e n i n gm a t e r i a l so fm i l l i n gt o o l s ，h a r d f a c i n gt e c h n o l o g ya n dm e c h a n i s m o f w e a rh a v eb e e ni n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r 1 1 1 en e ws t r e n g t h e n i n gm a t e r i a lo f m i l l i n g t o o l sw a ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d t h ef o r m a b i l i t y , t h eh e a td a m a g ea n dc r a c k i n g b e h a v i o r t h em e t a l l u r g i c a lb e h a v i o r sa n dj o i n tm e c h a n i s m o fc e r m e v c u b a s e da l l o y a sw e l la st h ew e a r a b i l i t yo fh a r d f a c i n gl a y e rh a v eb e e nr e s e a r c h e di nas y s t e m a t i c w a y t h ef 0 1 1 0 w i n g m a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n tw e r eo b t a i n e d ： t h em i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n d w e l d a b i l i t y o fc e r m e tw i t h c u b a s e da l l o ya r ea n a l y z e db ym e a n so fo x i d a t i o nr e s i s t a n c et e s t ，h e a ts h o c kt e s t a n d d r o pe x p e r i m e n t o n t h i sf o u n d a t i o n ，t h en e w s t r e n g t h e n i n g m a t e r i a l so f m i l l i n g t o o l sa n dc o r r e s p o n d i n gf o r m i n gt e c h n o l o g ya r ed e s i g n e db yo p t i m i z a t i o n t h e r e s u l t ss h o wt h a t t h e c o m p o s i t eh a r d f a c i n g m a t e r i a l so fy t 7 6 9c e r m e t a n d f 4 6 5 2 ) c u ( 8 1 1 ) n i z n r eh a v eg o o dc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s t h e c r a c kr a t eo f c e r m e tc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e db yt h ed o u b l e s t a g eh e a t i n gt e c h n o l o g ya n dt h e m e a s u r e m e n t o f p o s t h e a t i n g t h ep r o l i f e r a t i o ni n t e r f a c eo f c e r m e t a n dc u b a e da l l o y i nt h ew e l d i n gr o di sf o r m e db ye l e m e n td i f f u s i o n t h eh e a t d a m a g eo fc o m p o s i t eh a r d f a c i n g m a t e r i a l sw i l lb e e m e r g e d ( b e i n f l u e n c e db yh i g ht e m p e r a t u r eo fh e a ts o u r c e ) b yd i f f e r e n td e g r e ed u r i n gw e l d i n g t h e r ea r em a i n l yf o u rk i n d so fh e a td a m a g ef o rc e r m e t ，t h a ti s ，t h ed i s s o l u t i o n ， s c o r i f i c a t i o na n ds c a t t e rd i s p e r s i o nf a s h i o nh e a td a m a g e ，o x i d a t i o nh e a td a m a g ea n d a b n o r m a lg r o w t ho fc a r b i d ef a s h i o n t h eb r i t t l ep h a s e ，s u c ha sw e c ，c 0 2 w 4 c ， n i 3 w 3 c c 0 6 w 6 ca n do x i d a t i o ni n c l u s i o na r ef o r m e do nt h ei n t e r f a c ed u et o t h e h e a t d a m a g e t h eh a r d n e s s ，i m p a c tt o u g h n e s s a n dw e a rr e s i s t a n c eo fc e r m e t d e c r e a s ea n dt h eb r i t t l e n e s so fc e r m e ti n c r e a s e t h eh e a td a m a g el e v e lo fc e r m e ti s o b v i o u s l ya f f e c t e db y t h ek i n da n dp a r t i c l es i z eo fc e r m e t ，a sw e l la st h eh e a ti n p u t t h eh e a td a m a g el e v e lo fc e r m e tc a nb ed e c r e a s e db yi n c r e a s i n gp a r t i c l es i z eo f 山东大学博士学位论文 c e r m e t ，t h er e s t r a i n tc o n t r o l l i n gh e a ti n p u ta n ds t r e n g t h e np r o t e c t i na d d i t i o n ，t h e h e a td a m a g eo fm a t r i xm e t a li so x i d a t i o na n do v e r h e a t sw h i c hl e a d st of o r mt h e o x i d a t i o ni n c l u s i o na n dd e c r e a s ei m p a c tt o u g h n e s s t h ei n i t i a t i o nt e m p e r a t u r eo fc r a c ki sd e t e c t e db ym e a n so fa c o u s t i ce m i s s i o n t e s tw i t ht h e r m a lc y c l i n gt e s t t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec r a c ko fc e r m e ti sm o s t e a s yt oa c c r u ea tt h et e m p e r a t u r e6 0 0 4 0 0 t h er e s i d u a ls t r e s si ss i m u l a t e db y t h e f e ma n da d v a n c e ds o f t w a r eo fa n s y s t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h e r e e x i s t sh i g ht e n s i l er e s i d u a ls t r e s s ，w h i c hh a se x c e e d e dt h et e n s i l es t r e n g t ho fc e r m e t b yi n c r e a s i n gc o n t e n to fc e r m e tp r o p e r l y ，p r e h e a t i n g4 0 0 5 0 0 c a n dp o s t h e a t i n g m e a s u r e m e n t ，t h er e s i d u a ls t r e s sc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e d ，a n dt h et e n d e n c yo f c r a c kc a nb ec u td o w no ra v o i d e d t h e r ee m e r g e st h eh i g h - d e n s i t yd i s l o c a t i o n ， s t a c k i n gf a u l t s a n dt w i n so nt h ei n t e r f a c eo fc e r m e t c u b a s e da l l o y d i s l o c a t i o n m u l t i p l i c a t i o n a n dd i s l o c a t i o n p i l eu pw i l l l e a dt of o r mt h em i c r o c r a c k t h e d i s l o c a t i o nc r a c ka n db r i r l ei n c l u s i o na r et h ec r a c ks o u r c eo fc e r m e t u s i n gt h e t h e o r yo f d i s l o c a t i o nc l i m b ，t h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ( k i ) o fc r a c k t i pi sp u tf o r w a r d i ti n d i c a t e st h a tk ir e l a t e st ot h et e m p e r a t u r eg r a d i e n t t a n dm i s m a t c ho f t h ei i n e a r c o e 衔c i e n to ft h e r m a l e x p a n s i o na a a c c o r d i n g t ot h e a n a l y s i s o fk 1 t h e m i c r o c r a c ki se a s yt op r o r o g a t et o w a r d st h ec e r m e t i ti sf i r s tt i m et oa d dr e a re a r t h ( r e ) o x i d el a 2 0 3i n t ot h ec e r m e t c u b a s e d a l l o yc o m p o s i t es t r e n g t h e n i n g m a t e r i a l s i ti ss h o w nt h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo f c u b a s e da l l o yc a nb er e f i n e db yt h er eo x i d e t h ee f f e c to fr eo x i d ec a nb e c o n f o r m e df r o ms e mo b s e r v a t i o na n dc a l c u l a t i o na b o u tt h ee f f e c t i v e n e s so ft h er e o x i d ea ss u b s t r a t e sf o rn u c l e a t i o no fc u - b a s e da l l o ya c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fm i s f i t d e g r e e a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so fi m p a c tt o u g h n e s st e s t ，t h e t h e r m o d y n a m i c s c a l c u l a t i o na n do b s e r v a t i o no ff r a c t g r a p h ，t h ed e o x i d i z a t i o nc a nb ec a r r i e do u t ， l i q u i dm e t a lc a nb ep u r i f i e da n dt h eh a r m f u le f f e c to fm i c r o p o r o u sd e f e c tc a l lb e r e d u c e db yr eo x i d e t h ed i f f u s i o ni n t e r f a c ea n dc o m p o u n d t y p ei n t e r f a c ea r ef o r m e db yd i f f u s i o no f w , y i c oe l e m e n t sa n d r e a c t i o no f m e t a l l u r g y 1 1 1 i sm i x e dt y p ei n t e r f a c es t r u c t u r eo f c e r m e t c u b a s e da l l o yw i l le n h a r l c et h ea d h e s i o ns t r e n g t h b ya d d i n gt h er eo x i d e t h ec o n j o i n ts t r e n g t ho fi n t e r f a c ea n dm i c r o s t r u c t u r ea r ei m p r o v e d t h e r ee m e r g e s t h e s u r r o u n d i n gn a n o c r y s t a l l i n e a n d m i c r o c r y s t a l l i n e i n t e r m e d i a t ez o n eo nt h e i n t e r f a c e ，w h i c hc o m p o s e db yt h ep h a s eo fw c ，t i ca n dc u n i r eo x i d ea l s ol e a d s t of o r i l lt h ea m o r p h o u s p h a s eo f n i - s i - l a c uu n d e r t h ec e r t a i nc o n d i t i o n i v a b s t r a c t t h er e s u l t so fs t a t i cl o a da b r a s i v ew e a rt e s t ，d y n a m i c sl o a da b r a s i v ew e a rt e s t ， a n df r i c t i o na n dw e a rt e s ts h o wt h a tt h ek i n d ，c o n t e n ta n dp a r t i c l es i z eo fc e r m e t ， l o a da n dw e l d i n gt e c h n i q u e se f f e c to b v i o u s l yt h ew e a r a b i l i t yo fh a r d f a c i n g w e a r r e s i s t a n c eo f h a r d f a c i n gi n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s eo f t h ec o n t e n to f c e r m e t t h e b e s t w e a rr e s i s t a n to fs p e c i m e ni so b t a i n e da tt h ef r a c t i o no fc e r m e t5 5 - 6 0 t h e w e a r i n g c h a r a c t e ro fm a t r i xm e t a li st h em i c r o c u t t i n ga n dp l o u g h i n g h o w e v e r ，t h e f a l l i n go f f a n db r e a k i n go f c a r b i d e o nt h ei n t e r f a c ea r et h em a i nw e a r i n gc h a r a c t e ro f c r e m e t t h el e v e lo f f a l l i n g0 f f c a r b i d ei sd e d u c e db y a d d i n g t h er eo x i d e n l ew e a r i n gr e a s o no fm a t r i xi sm a i n l ym i c r o c u t t i n ga n dp l o u g h n i n gd u et o t h ef r i c t i o na n ds c o u r i n go fl e f t o v e r sb e t w e e nt h ef i s ha n dm i l l i n gt o o l s h o w e v er ， t h ew e a r i n gc a u s e so fc e r m e ta r et h ef r i c t i o na n dw e a r a b r a s i v ew e a r , i m p a c ta n d t h e r m a l f a t i g u e a n do x i d a t i o nw e a r t h e r ee x i t sf r a g m e n t a t i o na n ds h e d d i n go f c a r b i d ei n c e r m e t ，s p i l l a g eo fb i n dp h a s e ，i m p a c tf a t i g u ec r a c k ，d i f f r a c tc r a c ko f t h e r m a l f a t i g u e ，p l a s t i cd e f o r m a t i o na n do x i d a t i o nf r o ms e mm i c r o - m o r p h o l o g y d e t e r m i n a t i o ni n h a r d f a c i n gl a y e r t h i ss t r e n g t h e nm a t e d a l sh a sb e e na p p l i e di n a c t u a l e n g i n e e r i n g a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so fa p p l i c a t i o n ，t h e f a l l i n g o f fm a d f r a c t u r er a t eo fc e r m e to fn e ws t r e n g t h e n i n gm a t e r i a l sa r el e s st h a nt h a to fy d w e l d i n g r o da n dh a sa c h i e v e do b v i o u ss o c i a le c o n o m i c a lb e n e f i t k e y w o r d s ：c e r m e t ，c u - b a s e da l l o y , s t r e n g t h e nm a t e r i a l so fm i l l i n gt o o l s ，r e a r e a r t ho x i d e ，m e c h a n i s m o f w e a r , w e a rr e s i s t a n c e ，m i c r o s t r u c t u r e v 一 第一章绪论 l - l _ _ - _ _ - 一 1 1 本课题选题的背景 第一章绪论 在钻井和采油作业过程中，常发生落物现象，如掉入井下的钻头牙轮、硬 质合金牙轮、石油钻杆以及其它d , i 具等。这些落物如不及时打捞上来将大大 影响钻井效率，甚至无法继续钻进，还将导致卡钻、钻杆折断或压扁、或井眼 塌陷等事故的发生。因此需要采用套磨铣工具解卡，排除井下故障，继续正常 作业。落物一般距离地面很深，有的在深达3 4 千米的地下，工矿条件十分复 杂。落物的种类、形式多样。工作过程中，套磨铣工具不仅受到井下落物的摩 擦作用、磨屑强烈的冲刷作用，而且还承受高温、高压( 达3 0 - 5 0 k n ) 、剪切和 冲击载荷的作用。因此，套磨铣工具在恶劣的工作环境中，表面层磨损十分严 重。为了提高套磨铣工具的使用寿命，需要在套磨铣工具的工作面堆焊一层强 化材料。 目前强化井下套磨铣工具主要应用金属陶瓷复合堆焊材料，其中最有效、 最经济的是采用各种类型的w c 基金属陶瓷复合堆焊材料”。”。该材料由具有高 耐磨性的w c 基金属陶瓷颗粒和良好塑韧性的铁基合金、镍基合金、钻基合金或 铜基合金胎体金属组成，具有较好的综合性能。采用强化材料不仅可以提高套 磨铣工具使用寿命，节省贵重金属、改进产品的设计、提高生产效率，而且可 以降低材料的消耗和成本。套磨铣工具工作原理是，当其对落物进行旋转磨铣 时，堆焊材料中硬质颗粒嵌入被铣削的落物中，每颗硬质颗粒相当于一个小刀 刃，利用小刀刃切削落物，清除井下落物。当硬质颗粒的切削刃被磨钝时， 方面堆焊层的胎体金属受到强烈的刮磨、冲刷作用而流失，使硬质颗粒逐渐露 出；另一方面，硬质颗粒内的压力和应变增加，使其产生裂纹，沿裂纹面又造 成一个新的切削刃。这一过程周而复始，直至全部硬质颗粒耗尽为止。因此， 套磨铣工具表面要求的强化材料不仅要具有很高的耐磨性，而且还要承受一定 冲击载荷和耐冲蚀磨损能力。 国内外对金属陶瓷复合材料的性能以及堆焊工艺进行了研究与探讨。在工 业上应用较多，且历史较久的金属陶瓷复合堆焊材料是管状铸造碳化钨焊条 。铸造碳化钨由w c 和w , c 的共晶所组成，硬质颗粒的硬度为h v 2 5 0 0 3 0 0 0 ， 焊条中铸造碳化钨与胎体金属的重量比约为6 ：4 。该种堆焊材料具有较高的耐 磨性能，但由于铸造碳化钨的脆性大，在使用过程中，硬质颗粒的断裂和脱落 山东大学博士学位论文 率高达1 6 以上m 1 。而且在堆焊过程中，w c 硬质颗粒容易分解烧损，导致金 属陶瓷颗粒的成分、组织性能的变化，降低金属陶瓷颗粒的耐磨性能。图1 1 是平底庭壮堆焊层金属陶瓷的断裂和脱落宏观形貌，由图可见，由于硬质颗粒 的过早失效，大大影响了套磨铣工具的使用寿命。 据胜利油田统计，每年因发生井下落物事故而影响正常采油或钻井，导致 直接经济损失几百万。在磨铣落物过程中，如果套磨铣工具使用寿命短，仅更 换失效的套磨铣工具费用高达l 一2 万元次，而造成间接经济效益损失更大。其 它油田以及地质钻探部门，也同样存在因井下落物事故，同样将导致巨大的经 济损失。目前采用国产的强化材料，使用寿命短、磨铣效率低，单个磨鞋总进 尺少于6 米。国外进口的套磨铣工具，虽然使用寿命长，生产效率高，单个磨 鞋的总进尺达到1 0 米以上，但价格昂贵，是国产套磨铣工具的5 1 0 倍，而且 处于技术保密中。胜利油田曾尝试采用p d c 复合片作为复合强化材料的硬质相， 但效果很差、使用寿命很短，其失效形式主要是p d c 复合片上的聚晶化含物被 碳化，表明磨损过程温度很高达到7 0 0 以上。因此，胜利油田提出研制新型 的套磨铣工具强化材料，降低成本，提高使用寿命，以替代进口产品。 因此，研制新型套磨铣工具强化材料，分析影响堆焊材料耐磨性因素和耐 磨机理，提高堆焊材料的使用寿命，不仅具有十分巨大的经济意义，而且具有 重要的理论研究意义和实用价值。 1 2 本课题研究现状及发展 1 2 1 金属基陶瓷复合耐磨堆焊材料研究的进展 国外欧美、日本等国家在套磨铣工具强化材料进行较为深入研究与开发， 一2 一 第一苹绪论 并取得了许多成果“”1 ，研制的强化材料具有较长的使用寿命和生产效率，但 价格昂贵。 早在6 0 年代，美国专利。“率先以低合金钢管皮配合粒状铸造碳化钨颗粒 作为强化材料，并采用氧一乙炔火焰作为热源进行堆焊，使其使用寿命比采用 h 0 8 低碳钢管皮铸造碳化钨作为强化材料的使用寿命提高3 - 8 倍。但堆焊层中 存在大量的气孔，甚至经常会出现蜂窝状密集气孔。由于高温热源的作用，铸 造碳化钨被溶入钢中，熔融的铁水与铸造碳化钨颗粒表面的w 。c 作用生成了一 层 相，同时f e 元素沿晶界向铸造碳化钨颗粒内部扩散，使内部的w ：c 也与f e 作用生成t 1 相，堆焊冷却后，使堆焊层脆性增加、塑性降低，内应力增加，在 铸造碳化钨中产生显微的龟裂纹，降低了堆焊材料的抗冲击性能，在使用过程 中，常出现碳化钨破碎和剥落现象。 前苏联专利。”则通过往管中加入镍基合金粉末的办法，使堆焊层中胎体金 属的成分和性能得到改善。该堆焊材料仍采用火焰进行堆焊，但由于采用金属 粉末与铸造碳化钨以一定比例装入管中，并将管的两端压扁密封，这很难保证 在运输和使用过程中管内填充材料之间比例的稳定性。 为了克服多棱角状的铸造碳化钨抗碎裂、抗剥落和抗冲击性能较差的弱 点。7 0 年代开始“2 ”，美国专利采用烧结w c - c o 金属陶瓷和铸造碳化钨混合作 为硬质相，并在焊条中加入镍基粉末或3 0 c r m n s i 等合金，来进一步提高堆焊层 的韧性和抗冲击性，减少和防止金属陶瓷的脱落。 这种管式复合焊条的芯粉由粗颗粒烧结碳化钨和细颗粒铸造碳化钨组成。 而焊接方法主要采用氧一乙炔火焰和钨极氩弧焊两种热源进行堆焊，取得了具有 不同综合性能的堆焊层( 见表1 ) 。 表1含烧结碳化钨堆焊材料的性能 t a b l e 】t h ep r o l e r t i e so f h a r d f a c i n gm a t e r i a l sw i t hs i n t e rw c 但由于堆焊层硬度高，堆焊层的抗裂性能较差，并且堆焊层存在大量的气 - - 3 山东大学博士学位论文 孔。 8 0 年代初，为了提高地质取芯钻头及井下套磨铣工具强化材料的耐磨性， 瑞士的c a s t o l i n 公司对强化材料进行了改进，研制了“8 8 0 0 ”型气焊条。该焊 条采用y g 型烧结金属陶瓷，经过机械破碎成不规则形状颗粒，用铜基钎料作为 胎体金属将金属陶瓷粘结成复合堆焊焊条。这种堆焊焊条主要采用氧乙炔作为 热源进行堆焊，堆焊层的金属陶瓷颗粒具有很高的耐磨性和良好的焊接性。随 后t r i s t a t e 公司研制出的超硬合金复合材料焊条，b o w e n 公司生产的 “i t c l o y ”焊条，何姆柯公司开发的k l u s t r i t e 型金属陶瓷焊条，均被用来套 磨铣工具的强化材料。这些强化材料能经受高速磨削和严重的冲击，铣掉各种 落物，其中b o w e n 公司研制的强化材料居领先地位。8 0 年代后期，美国的休斯、 史密司及瑞德公司，又推出了w c - c o 球粒合金，并在其中加入少量t i c t a c n b c 固溶体以提高硬度。 9 0 年代后，b o w e n m 3 公司和c a s t o l i n 0 7 公司加大科研力度，所研制的堆焊 材料具有较长的使用寿命。8 0 w e n 公司研制出金属陶瓷颗粒硬度高达h r a 9 1 9 3 ， 与胎体金属的最大抗剪强度达6 8 6 4 m p a 。c a s t o l i n 公司改进后“8 8 0 0 ”型焊条 中金属陶瓷颗粒的显微硬度达h v 。2 5 0 0 3 0 0 0 ，胎体金属采用a g c u n i z n 合金， 显微硬度为h v 。1 6 5 1 8 4 ，胎体金属的熔点仅为7 6 0 7 8 0 0 c ，因此可以采用较小 焊接线能量，减小堆焊过程金属陶瓷的烧损，提高堆焊层金属陶瓷的质量。 国内对套磨铣工具强化材料的研究起步较晚，初期的研究工作是通过引进 消化国外堆焊材料的基础上研制国产焊条。 管装堆焊焊条系列主要采用0 8 钢管皮包复粒度为2 0 3 0 目的y g 8 型烧结 碳化钨“”。胎体金属的成分为f e 8 6 m n 2 6 s i i 9 b o 4 c r l 5 8 n i 7 5 ，胎体金属与 硬质颗粒的重量比约为3 ：4 。为了进一步提高脱氧效果，胎体金属中增加了s i 、 m n 的含量。但该类焊条的熔点偏高，堆焊后烧结碳化钨颗粒有明显的熔蚀现象， 并且堆焊层组织以鱼骨状莱氏体共晶和少量的初生碳化物为主，硬度较高，抗 裂性较差。 金属陶瓷与铜基胎体( 合金) 复合形成的堆焊焊条主要有哈尔滨焊接研究 所研制生产的y d 系列，自贡金属陶瓷厂生产的y m 系列焊条和株洲金属陶瓷厂 生产的金属陶瓷堆焊焊条。 y d 型金属陶瓷复合材料堆焊焊条，采用烧结碳化钨型金属陶瓷颗粒与“镍 银”合金胎体金属组成汹“1 。焊条外涂一层特制溶剂( y d - r ) 并着色，以标识 金属陶瓷颗粒的分级尺寸，金属陶瓷的硬度范围为h r a 8 8 9 0 。采用氧一乙炔火 焰作为堆焊热源，同时与专用打底焊条( y d d ) 和专用溶剂配合使用。堆焊层 具有较高的耐磨性，通过台架试验，铣削3 5 c r m o 石油钻杆，工作效率是h 0 8 4 第一章绪论 钢管装粒状铸造碳化钨焊条的3 6 倍，达到c a s t o l i n 公司8 0 年代生产的“8 8 0 0 ” 型堆焊焊条的水平。 自贡金属陶瓷厂研制的y m 系列金属陶瓷堆焊焊条，也是采用烧结碳化钨金 属陶瓷颗粒与铜基合金复合形成的堆焊焊条。“。其中金属陶瓷颗粒主要采用 w c t i c c o 和w c c o 两类混合组成的复合合金，具有很高的耐磨性和抗冲击性。 李力军、高峰等。“3 ”研制的w c t i c 金属陶瓷颗粒复合堆焊焊条，是将堆焊 材料按一定的比例预制成管状焊丝，采用火焰或t i g 焊方法进行堆焊。该堆焊 焊条的硬质颗粒较细( i 0 3 0 目) ，胎体金属主要是采用c r n i b f e 等元素a 堆焊 后堆焊层胎体金属的组织主要是莱氏体，具有较高的耐磨性，但冲击韧性较差。 目前国内研制的套磨铣强化材料与国外的焊条还存在一定差距，金属陶瓷 的耐磨性相对偏低。1 9 9 9 年山东工业大学与胜利油田联合研制开发出新型的y h 系列金属陶瓷堆焊焊条o “。该焊条主要采用w c t i c t a ( n b ) c - c o 及微量c r z c a 烧结而成的金属陶瓷与铜基合金形成复合强化材料，金属陶瓷的硬度达到 h r a 9 2 - 9 3 ，不仅具有很高的耐磨性，而且具有相当高的抗冲击性能。 i 2 2 堆焊层组织性能研究现状 i 金属陶瓷烧损研究 ( 1 ) 金属陶瓷烧损特征及机理的研究 所谓的烧损是指堆焊过程中，陶瓷相因与周围环境( 含胎体金属及各种气 体介质) 发生作用，使其自身的成分、组织及性能发生变化而丧失其原有的硬 质相特性的行为。金属陶瓷颗粒在堆焊过程中的烧损是一种普遍现象，一般认 为金属陶瓷的烧损主要是由于堆焊时，金属陶瓷受到高温电弧作用，w c 产生相 变、分解、溶解甚至熔化，从而散失耐磨性能”“3 。国内外的学者对此开展了 大量的研究，探讨了烧损的形式、并对堆焊层组织性能的影响进行了分析。 f u r ill o 。7 1 的研究表明，铸造碳化钨颗粒的烧损主要是由于铸造碳化钨颗粒 中碳的逸失和共晶组织的粗化而造成的。c o o p e r m l 、c a r t i e r 。”等认为铸造w c 颗粒的烧损实际上是它的分解，即： 2 w c w 。c + c 2 w z c + 0 2 2 w 2 ( c o ) w ：( c 0 ) 一2 w + c of 这一过程的产物也被许多文献所证实“。但上述烧损只是针对喷焊、喷 涂，复合粉末在撞击工件表面前的飞行过程中发生的烧损行为。而对于处于熔 池中的铸造碳化钨的烧损形式和机理，t e n g l e r “2 1 等认为主要是m 6 c 的形成及 碳化钨颗粒中碳的逸失。 山东大学博士学位论文 关于各种碳化物的形成过程，目前较为人们所接受的是碳化钨的溶解扩 散理论“3 。该理论基于分析激光熔覆层中铸造碳化钨颗粒的烧损行为提出的， 认为w c 由表至里存在一成分梯度，其烧损过程是：1 ) 碳化钨中粘结相c o 溶入 熔池，胎体金属中的c r 、f e 等元素由向碳化钨颗粒扩散，形成扩散层；2 ) 碳 化钨颗粒外沿高浓度的c r 、f e 发生组织转变，并形成化合物：3 ) 这些化合物 在熔中游离或溶解于胎体金属后重新析出。 上述理论在解释不同碳化钨颗粒大小及胎体金属成分对铸造碳化钨的烧损 情况时与实际符合较好。而在碳化钨含量改变时，碳化钨的烧损情况有新的变 化规律，即当复合粉中碳化钨量增加时，单个碳化钨颗粒周围胎体金属相对量 减少，根据该理论，其溶解扩散烧损率也应降低。而实际上碳化钨金属陶瓷激 光熔敷涂层的熔化烧损规律是随着复合粉中碳化钨含量增加，烧损率先是增加， 随后减少，并在w c 含量为3 5 时烧损率达到最大值“。此外，v i l l i e r “”的研 究表明在热喷涂过程由于电弧的高温，w c 颗粒溶解、分解，造成c 的扩散流失， 促使w c 转变成w 。c ，导致w c 金属陶瓷烧损，并形成非晶和多晶物相。 杨瑞林等”对基体中含碳量对硬质颗粒