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山东大学硕士学位论文 高碳合金钢质冷堆焊金属的第二相强化及其增韧 摘要 随着制造业的飞速发展，高碳合会钢工模具需求量越来越大。而高碳合 金钢的高制造成本和苛刻的工作条件，迫切需要采用低成本、高效率的焊接 方法延长其使用寿命。出于高碳合金钢的碳当量高达】5 2 5 ，硬度一 般为h r c 5 5 6 5 ，为了保证修复层的高硬度和耐磨性，焊接材料常选用高 碳合金钢质堆焊金属，目前最普遍采用为高碳c r m o w 系堆焊金属，但 必须采用3 5 0 5 0 0 。c 高温预热焊和焊后热处理工艺措施以保证其具有一定 的抗裂性。大量的研究分析发现：高碳c r m o w 系堆焊金属是由孪晶马 氏体和沿晶界呈网状分布的碳化物组成，这种依靠c 和合金元素过度固溶 强化固溶体获得高硬度的孪晶马氏体，脆性大，韧性和抗裂性差，必须采用 预热焊提高其抗裂性。 为保证高碳合金钢质堆焊金属高硬度的前提下，改善其微观组织，提 高其韧性，本文依靠弥散第二相强化、抑制过度固溶强化而设计新的合金系， 以获得“强韧化基体+ 呈弥散分布的颗粒碳化物”。为避免高碳孪晶马氏体 的出现，同时获得大量的碳化物，本文选择了能够形成高熔点碳化物的强碳 化物形成元素n b 、t i 和v 。 通过s e m 、t e m 和x 射线等试验手段对c n b 、c t i 、c v 、c t i v 、c n b t i v 系堆焊金属的大量试验证明：高碳n b t i v 系 堆焊金属中n b 、t i 、v 不仅焊接时可以稳定的过渡，形成大量弥散的碳化 物，而且调整n b 、t i 、v 和c 之间的比例可以有效地调整c 在碳化物和固 溶体中的含量，控制堆焊金属的“基体贫碳”，获得不同的基体组织；当高 碳n b t i v 系堆焊金属中的c 和合金元素满足某一定比规则时，堆焊金 属可获得“低碳马氏体+ 弥散分布的第二相+ 少量的薄膜残余奥氏体”组织。 通过对高碳n b t i v 系堆焊焊条的急冷熔滴和飞溅熔渣的研究，探 讨堆焊金属中碳化物形成及其特殊效应，结果表明碳化物的形成过程分为三 1 1 i 山东大学硕士学位论文 个阶段：焊条熔化形成熔滴过程中碳化物原位反应生成、熔滴过渡过程中碳 化物的聚集、熔池凝固过程中碳化物的反应析出：n b 、t i 、v 强碳化物形 成元素可优先和结合成高熔点的碳化物，这些碳化物一旦形成即可在高温熔 液中析出，从而降低熔池熔液中的含碳量，诱发基体贫碳。 堆焊金属的耐磨性和冲击试验分析表明：由“低碳马氏体+ 高硬度弥 散第二相+ 少量薄膜残余奥氏体”组成的堆焊金属具有良好的耐磨性和韧 性，这是n b 、t i 、v 强碳化物的第二相弥散强化、基体贫碳的综合效果。 总之，当c 和合金元素满足一定的定比碳规则时，高碳n b t i v 系 堆焊金属能有效调整碳在第二相和固溶体中的分配，实现基体贫碳，形成“强 韧化基体+ 呈弥散分布的颗粒碳化物”组织，实现弥散第二相强化，抑制过 度固溶强化，提高其韧性。该种微观组织从一定程度上可缓解由“硬脆的 孪晶马氏体+ 网状碳化物”组成的高碳c r m o w 系堆焊金属难以克服的 高硬度与高韧性之间的矛盾。 关键词：高碳合金钢，冷堆焊，第二相强化，基体贫碳 i v 山东大学硕士学位论文 s e c o n d p h a s es t r e n g t h e n l n ga n di t s t o u g h e n i n gf o rc o l ds u r f a c e dm e t a lo f h l g hc a r b o na l l o ys t e e l a b s tr a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eg l o b a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , t h eh i g h c a r b o n a l l o ys t e e lt o o l sa r eb e i n gd e m a n d e dm o r ea n dm o r e a n d w i t ht h eh i g hm a n u f a c t u r e dc o s t a n ds e r i o u sw o r k i n gc e n d i t i o n so ft h eh i g h c a r b o na l l o ys t e e lt o o l s ，i t i s u r g e n tt h a tt h e w e l d i n gp r o c e s so fl o w c o s ta n dh i g he f f i c i e n c yw a su s e dt oi n c r e a s et h e i rs e r v i c et i m e s i n c eh i g hc a r b o na l l o ys t e e l s i sh r c5 5 - 6 5i nh a r d n e s sa n d1 5 - 2 5 i nc a r b o n e q u i v a l e n t ，h i g h c a r b o n a l l o y s t e e l s u r f a c e dm e t a l sg e n e r a l l yw e r es e l e c t e d i no r d e rt o m a i n t a i nh i g hh a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c eo fw e l dr e p a i r e dl a y e r , o fw h i c hh i g h c a r b o n cr - m o ws u r f a c e dm e t a lh a db e e nm o s tw i d e l yu s e dw i t h3 0 0 - 5 0 0 * cp r e h e a to rh e a t - t r e a t a f t e rw e l d i n gt oi m p r o v ei t sc r a c kr e s i s t a n c e i tw a sd i s c o v e r e db yl o t so f r e s e a r c h e sa n d a n a l y s i s t h a t h i g h c a r b o n c r m o - ws u r f a c e dm e t a l w a s m a i n l yc o m p o s e d o f t w i n m a r t e n s i t ea n dl i k e n e t c a r b i d e s a l o n g t h e c r y s t a l b o u n d a r y , a n d t h eh a r d t w i n m a r t e n s i t eg a i n e db yt h es u p e r - s o l i ds o l u t i o no fca n do t h e ra l l o ye l e m e n t si n o f e s o l i ds o l u t i o nw a sh i g hi nb r i s t l ea n dl o wi nc r a c kr e s i s t a n c eo rt o u g h n e s s ，w h i c hm u s t r e q u i r ep r e h e a tw e l d i n g 1 no r d e rt o i m p r o v e t h em i c r o s t r u c t u r ea n d t o u g h n e s s o fs u r f a c e dm e t a lo f h i g h c a r b o na l l o y s t e e l ，t h i sp a p e r r e d e s i g n e d t h e a l l o ys y s t e m o ft h e h i g h c a r b o n a l l o y - s t e e ls u r f a c e dm e t a lw i t ht h eg u i d a n c eo f u s i n gd i s p e r s e ds e c o n d p h a s e s t r e n g t h e n i n ga n dr e s t r a i n i n ge x c e s s i v es o l i d - s t r e n g t h e n i n g t oo b t a i nt h em i c r o s t r u c t u r eo f “s t r o n ga n dt o u g hm a t r i x + d i s p e r s e dc a r b i d e si ng r a i n ”t h em a i na l l o ye l e m e n t so f t h e f l e wa l l o ys y s t e mw a sm a d eu po f n b ( n i o b i u m ) ，t i ( t i t a n i u m ) a n dv ( v a n a d i u m ) ，w h i c hh a d s t r o n g e ri n c l i n a t i o no ff o r m i n g c a r b i d ei nh i g ht e m p e r a t u r et h a nt h a to fc r , m o a n dwa n d v 山东大学硕士学位论文 w h o s ec a r b i d e sw e r ev e r yh i g hi nm e l t i n gp o i n ta n di nh a r d n e s s ，f o rt h es a k eo f a v o i d i n g t h ef o r m a t i o no ft w i n - m a r t e n s i t ea n dg a i n i n gal a r g en u m b e ro f d i s p e r s e dc a r b i d e s t h er e s u l t so fp l e n t i f u l e x p e r i m e n t so nc - n b ，c t i ，c vc - t i - va n dc - n b - t i - v s u r f a c e dm e t a l st h r o u g hs e m ，t e m ，x _ l a ya n ds oo np r o v e dt h a tn b ，t ia n dvi n h i g h c a r b o nn b t i vs u r f a c e dm e t a lc o u l dn o to n l ys t e a d i l yt r a n s i tb u ta l s of o r mam a s so f d i s p e r s e dc a r b i d e s ；a n dt h ea d j u s t m e n to f t h er a t i ob e t w e e nn b ，t i ，va n dcc o u l dc h a n g e t h ec o n t e n to fci ns e c o n dp h a s ec a r b i d e sa n dq - f es o l i ds o l u t i o n ，w h i c hw a sf a v o r a b l et o r e s u l ti nt h ed e c r e a s eo fcc o n t e n ti nt h em a t r i x a n do b t a i nd i f f e r e n tk i n d so fm a t r i x w h e n t h ec o m p o s i t i o no ft h eh i g h c a r b o nn b t i vs u r f a c e dm e t a lw a ss u i t a b l et ot h ec e r t a i nr a t i o t h el o wc a r b o nm a r t e n s i t ec o u l db ea c h i e v e dw i t hal i t t l e f i l m s h a p e dr e t a i n e da u s t e n i t e a n dd i s p e r s e ds e c o n dp h a s e s t h ef o r m a t i o na n ds p e c i a le f f e c to fc a r b i d e si nh i g hc a r b o nn b - t i - vs u r f a c e d m e t a lw e r ed i s c u s s e db yt h ee x p e r i m e n t s0 nt h ee x t r e m e l yq u i c k - c o o ld r o p l e ta n ds p l a s h e d s l a g o fh i g h c a r b o nn b t i vs u r f a c i n ge l e c t r o d e i tw a st e s t i f i e dt h a tt h ec a r b i d e si n h i g h - c a r b o nn b - t i - vs u r f a c e dm e t a lw e r ef o r m e db yt h ef o l l o w i n gt h r e ep h a s e s ：i n s i t u r e a c t i o ni nt h ec o u r s eo ft h ed r o p l e tf o r m i n g ；c o n g r e g a t i o nd u r i n gt h ed r o p l e t st r a n s i t i o n i n t om e l t i n gp o o l ；s e p a r a t i n go u ti nt h ep r o c e s so f t h es o l i d i f i c a t i o no f m e l t e dp o o l ；n b ，t i a n dvw e r ep r e f e r e n t i a l l yc o m b i n e dw i t hci n t oc a r b i d e st h a tc o u l db ep r e s e n ti nb i g b t e m p e r a t u r el i q u i ds o l u t i o nb e c a u s eo f t h e i rh i g hm e l t i n gp o i n t ，w h i c hc o u l dd e c r e a s et h e c o n t e n to fci nh i g ht e m p e r a t u r el i q u i ds o l u t i o na n dm a k et h er e d u c eo ft h ecc o n t e n ti n t h em a t r i x t h ew e a r - r e s i s t a n c et e s ta n di m p a c t t o u g h n e s st e s tr e v e a l e dt h a tt h es u r f a c e dm e t a l c o m p o s e do fl o w c a r b o nm a r t e n s i t e ，d i s p e r s e dh i g hs e c o n d - p h a s e a n dal i t t l el i k e f i l m r e m a i n e da u s t e n s i t ew a sb e t t e ri nw e a r - r e s i s t a n c ea n di m p a c t - t o u g h n e s st h a nh i g hc a r b o n c r m e - ws u r f a c e dm e t a l ，w h i c hw a st h eo v e r a l le f f e c t o fd i s p e r s e d s e c o n d - p h a s e s t r e n g t h e n i n ga n dr e d u c t i o no f t h ecc o n t e n ti nt h em a t r i x i nc o n c l u s i o n ，t h es u i t a b l er a t i oo fca n ds t r o n gc a r b i d e - f o r m i n ge l e m e n t si nh i g h c a r b o nn b t i vs u r f a c e dm e t a lc o u l dr e s u l ti nt h ef o l l o w i n ge f f e c t s ：a v a i l a b l ym o d i f y i n g t h ec o n t e n to fc a r b o ni ns e c o n dp h a s ea n ds o l i ds o l u t i o n ，r e d u c i n gt h ec o n t e n to fc a r b o ni n v i 山东大学硕士学位论文 t h em a t r x a c h i e v i n gt h em i c r o s t r u c t u r eo fs t r o n ga n dt o u g h m a t r i xw i g d i s p e r s e dc a r b i d e s l i k e g r a i n ；r e a l i z i n g s e c o n d p h a s e s t r e n g t h e n i n g a n d r e s t r a i n i n g 。x c e s s l v e s o l i d s t r e n g t h e n i n g ；i m p r o v i n gt h et o u g h n e s so f t h es u r f a c e dm e t a l - t h em i c r o s t r u c t “。o f s t r o n ga n dt o u g hm a t r i xw i t hd i s p e r s e dh a r ds e c o n dp h a s e c o u l da l l e v i a t et h ec o ”t r a d i 。t l o “ o fh i 叠hh a r d n e s sa n dg o o dt o u g h n e s s ，w h i c h h a sn o tb e e nc o n q u e r e di nh i g h c a r b o “ c r m o ws u r f a c e dm e t a lw i t ht h em i c r o s t r u c t u r eo f t w i n - m a r t e n s i t ea n dl i k e 。n e tc a r b i d e s k e yw o r d s ：h i g h c a r b o na l l o y s t e e l c o l d s u r f a c e dw e l d i n g ，s e c o n d 。p h a s e s t r e n g t h e n i n g ，r e d u c t i o no f t h ecc o n t e n ti nt h em a t r i x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：乐拯鲎 日期：2 0 0 争弓2 石 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：痊经茔导师签名： 敝日期：一 山东大学硕士学位论文 本文主要创新点 1 本文依靠焊接冶金手段抑制碳和合金元素在固溶体中过度固溶，以 弥散第二相强化代替传统的孪晶马氏体强化，设计出由“强韧性基 体+ 弥散分布的碳化物第二相”组成的高碳n b t i v 系堆焊金属， 并首次采用修正后的高合金药皮焊条的过渡系数公式研究n b 、t i 、 v 共存时的过渡系数。 2 经大量试验而优化设计的高碳n b t i v 系堆焊金属通过强碳化物形 成元素n b 、t i 、v 与c 形成大量弥教分布的第二相，可调整c 在第 = 相与固溶体中的分配，实现“基体贫碳”和弥散第二相强化，抑 制孪晶马氏体强化，改善高碳合金钢质堆焊金属的基体组织，达到 增韧目的。 v 1 1 1 山东大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 课题背景、目的及意义 随着科学技术的飞速发展，焊接技术发展也日新月异。堆焊作为焊接领 域的一个重要分支，作为一种低成本、高效率的快速成型技术【l 】、表面强化 技术1 2 j ，更加广泛地应用于冶金、矿山、农业、原子能工程、航天等工业部 门的零件制造和修复。用堆焊工艺制成双金属零部件，它可采用不同于基体 的堆焊材料使表层性能优化，获得具有耐磨、耐热、耐蚀等性能的工作表面； 选择合适的堆焊合金材料对已磨损的零件进行堆焊，可恢复尺寸或进一步提 高工作表面的使用性能。这对降低生产成本、节约材料、提高使用寿命、减 少配件消耗，降低设备成本等意义很大。据统计，用于修复旧零部件的堆焊 金属占堆焊总量的7 2 以上1 。 由于新材料、新技术在工程实际中不断地产生和应用，堆焊材料和堆焊 工艺的开发和应用领域日益扩大。我国堆焊焊条己形成完整的产品系列：合 金粉末、合金焊丝等也迅速发展；各种焊接方法、热喷涂等在堆焊工作中广 为采用。新开发的高效堆焊方法如药芯焊丝堆焊、粉末合金堆焊、热丝等离 子堆焊、激光堆焊等工艺已在生产中采用。然而由于高碳合金钢为脆硬材料， 其堆焊金属高硬度与高韧性之间的矛盾长期以来未得到解决，所以高碳合金 钢质堆焊金属一直没有得到普遍推广。 高碳合金钢是在轧辊、工模具、采掘机等制造中应用最为广泛的工具用 钢，热处理后其硬度达h r c 5 5 6 5 ，并具有较高的耐磨性和一定的韧性。 随着汽车、家用电器以及其他制造业的蓬勃发展，各种轧辊、工模具、采掘 机等需求量越来越大；同时这些工具是工业生产的关键部件，不仅消耗量大， 费用高，而且其材质的好坏直接影响着生产的产量。这对工具材料的性能要 求越来越高，为降低成本，提高生产效率，利用焊接技术提高工具表面的性 能、延长其使用寿命引起广泛关注【4 川】。但是众所周知高碳合金钢具有碳当 量高、脆硬性大、塑性韧性差、裂纹倾向大、可焊性差等特点，长期以来一 直被认为不可冷焊。美国最权威的焊接手册【9 】明确指出：高碳合金钢必须采 取预热和焊后热处理等工艺措施来改善其抗裂性。高碳合金钢的碳当量可达 山东大学硕士学位论文 1 5 一2 5 ，可焊性更差，所以长期以来高碳合金钢一直被认为是不可冷焊 的。这主要有两个方面原因：焊接工艺和与高碳合金钢等强匹配的焊接材料 未能很好的解决，其中关键是缺乏提高焊态堆焊金属的韧性的手段。 焊接技术及其冶金理论水平迅速发展和提高为解决高碳合金钢冷焊提 供有利条件。曾获得国家发明三等奖的“高碳合金钢轧辊冷焊技术【1 0 】”证 实了高碳合金钢的冷焊可行性，填补了高碳合金钢冷焊技术的国内外空白， 并在工程实践中得到应用。但它主要从焊接工艺方面取得突破，全面的推广 和应用空间的扩展还需要系统的理论指导，研究与高碳合金钢等强匹配的堆 焊金属的增韧机制，提高焊态堆焊金属的韧性十分迫切。 高碳合金钢被焊接时，由于其碳当量高、抗裂性差以及受热不均匀，其 内部产生更大的内应力，导致其抗裂性更差。除了采用消应力工艺措施外， 必需提高焊态高碳合金钢质堆焊金属的韧性。高碳合金钢轧辊冷焊技术采用 特殊工艺，很大程度上避免内应力的集中。但是冷焊免除了附加的工艺措施， 只能通过焊接冶金过程控制高碳合金钢质堆焊金属的成分及组织。目前高碳 合余钢质堆焊金属的室温组织一般为过度固溶强化的孪晶马氏体，该组织硬 而脆，韧性非常差，而且碳化物沿晶界呈网状分布，不仅很大程度上割裂了 基体，容易引起应力集中。因此提高焊态高碳合金钢质堆焊金属的韧性关键 就是避免其内产生孪晶马氏体，抑制碳化物的网状分布。 本课题为山东省自然科学基金项目“高碳合金钢冷焊焊缝无孪晶化增韧 机制”的一部分，其主要目的就是通过焊接冶金手段，调整焊态高碳合金钢 质堆焊金属的成分，在保证高硬度、高耐磨性的前提下，通过其它强化机制 方式，抑制过度固溶强化，改善其焊态微观组织，从而提高其韧性。这种通 过冶金手段控制焊态堆焊金属的组织，研究其改善组织的转变机理，不仅有 利于丰富冷焊理论，而且有利于指导高硬度堆焊金属的合金设计和扩大高碳 合金钢冷焊的应用范围。 1 2 高碳合金钢质堆焊金属的应用及研究现状 1 2 1 高碳合金钢质堆焊金属的应用概况 高碳合金钢工模具在工作过程中受到巨大冲击力、剧烈的磨损作用，其 表面温度骤然升高及下降，其内部产生反复的交替应力作用。在这样苛刻的 山东大学硕士学位论文 工作条件下，硬脆性大的高碳合金钢工模具工作表面经常发生两种主要失效 形式：一种是表面正常磨损及疲劳破坏，即由于工作表面发生的粘着磨损和 磨粒磨损，其整个工作表面发生尺寸磨损；另一种是非正常局部破坏，即工 作表面的局部剥落1 1 1 ”】，这主要是工具表面材料中存在显微缺陷和组织不 均匀性而诱发裂纹源产生的。若将非正常局部破坏的工模具视为报废，势必 造成很大的经济损失，因为这些工模具的其余工作表面部分仍然完好，还具 有很大的工作潜力。在工程实践中，由于焊接技术成本低、操作灵活、效率 高、质量可靠等特点，并在修复工具的局部缺陷时还可提高其工作表面的性 能，常被用于修复这些局部破坏的工具，使之再生利用。这对缩短生产周期、 降低生产成本、节约材料及提高使用寿命具有很大的意义1 6 “3 1 。 为实现高碳合金钢工具堆焊修复，国内外许多专业人士对高碳台金钢工 具焊补材料和堆焊工艺进行了大量的研究。但这些堆焊材料和堆焊工艺开发 研究必须首先考虑高碳合金钢焊接性，并与之相适应。众所周知，高碳合金 钢的碳当量一般在1 5 2 5 左右，其硬度一般在h r c 5 5 6 5 ，其高硬度与 高韧性之间的矛盾长期以来一直未能很好的解决，在利用堆焊方法修复高碳 合金钢工具时，由于高碳合金钢的高淬透性，高的脆硬性，抗裂能力差，因 此在设计堆焊材料和堆焊工艺时考虑采取措施防止高碳合金钢母材产生裂 纹。目前用于高碳合金钢工具修复的堆焊金属主要有：镍基合金、钴基合金 以及铁基合金。虽然钴基合金和镍基合金在抗磨损、抗冲蚀及热稳定性等方 面有较突出的优点，但钴和镍成本都很高，难以广泛推广。铁基合金由于比 较经济，得到广泛的应用。由于工模具具有高硬度、高耐磨性要求，在堆焊 修复时必需采用与母材等强匹配的焊接材料。这就决定了f e 基堆焊金属合 金系必为高碳合金系，因为碳是固溶强化作用最为显著的元素，高含碳量不 仅可以保证淬火后获得高硬度的高碳马氏体，而且保证获得足够的碳化物以 便保证高的耐磨性，高的含碳量是获得高硬度、高耐磨性的基础。具有碳当 量高及裂纹倾向大等特点的该合金的堆焊金属和具有温度高、反应速度快、 冷却速度快等特点的焊接技术，使得高硬度与高韧性之间的矛盾更加突出。 因此开发出具有良好韧性且兼有高硬度高耐磨性的堆焊金属，提高其抗裂 性，成为高碳合金钢质堆焊金属研究的难点和重点。 近年来国外各技术先进国家和国内一些主要钢铁生产企业已经建立并 在逐渐推广大型工模具的堆焊再利用工作1 8 _ 4 叫6 】；但为缓解高碳合金钢质 山东大学硕士学位论文 堆焊金属的高硬度和高韧性之间的矛盾，以保证高碳合金钢质堆焊金属具有 一定的抗裂性，国内外对工模具的修复主要为预热堆焊法【1 7 “”。国外从2 0 世纪7 0 年代即盛行预热后整体电弧堆焊，最普通的是埋孤单极或多极自动 堆焊，当前我国一些大中型钢铁企业已较多的开展了这一工作。这种方法的 工艺特点是：焊前将局部缺陷探伤清理，经6 5 0 度回火后，整体车去疲劳层， 用合金焊丝配合烧结焊剂在预热4 0 0 5 0 0 度下，连续堆焊多层多道合金层，然 后缓冷至室温，粗加工后重新热处理：退火、调质、淬火回火、最后精磨。另 外，美国2 0 世纪8 0 年代发展了金属喷涂法和熔化极气体保护堆焊法。但所 有这些方法，都是在预热条件下整体堆焊。该方法焊补后虽然可以满足使用 要求，但焊前必需将被焊工件进行整体预热3 0 0 5 0 0 ，焊后热处理。若 不预热，焊接时母材将产生更大的应力集中，高碳合金钢母材很容易产生裂 纹，破坏了原来完好的工作表面【1 。这些预热方法不仅破坏其他未损坏部 分的性能，而且提高了焊接成本，恶化了工作条件，严重限制其在生产实际 中的应用。 为了减少堆焊的成本和实现直接进行冷焊，许多专家对取消焊前预热或 焊后热处理堆焊进行了大量的研究。2 0 世纪8 0 年代k a l y b n o v 就设计了焊 前不用预热含高n i c r m o 的堆焊金属的工业试验品，以防止裂纹在熔合区 和热影响区的产生【2 0 】；但由于高碳合金钢碳当量高，硬度高，焊后裂纹倾 向极大：工模具工作条件苛刻，堆焊金属必须具有很高的耐抗冲击性、耐磨 性、抗疲劳性：冷焊的内应力要比整体预热焊大得多，加剧了裂纹的产生： 高碳合金钢冷焊均因不是焊接产生裂纹导致整个工具或模具整体报废，就是 因其他条件所限而无法冷焊修补，最终都以失败而告终。直到2 0 世纪9 0 年代中期“高碳合金钢轧辊局部冷焊焊补”新工艺的出现，许多专业人士更 加关注高硬度耐磨堆焊材料的研究1 2 卜2 4 1 ，以便开发出与冷焊相匹配的高碳 合金钢质堆焊金属。为此人们对高碳合金钢质堆焊金属的微观组织和强韧化 机理进行了大量的研究，以便找到改善其微观组织和提高其韧性的新的途 径。 1 2 2 高碳合金钢质堆焊金属微观组织研究 目前于轧辊、工模具等工具表面的制造和修复工程实践中，国内外预热 堆焊法采用最为普遍的高碳合金钢质堆焊金属一般硬度都在h r c 5 5 以上， 山东大学硕士学位论文 其成分为：高碳( 0 6 1 3 ) + 中高合金( c r 、m o 、w 、m n 、s i 等) ， 主要是由于c r 、m o 、w 在焊接时过渡系数高，并且c r 、m o 、w 不仅对堆 焊金属起固溶强化作用，还可形成大量的碳化物，提高堆焊金属的耐磨性， 另外w 有利于提高堆焊金属的回火稳定性及保证高温硬度。国内外对高碳 c r m o w 系铁基合金的微观组织、强化机理及耐磨机制做了大量研究2 5 叫9 1 。 此类高碳合金钢质堆焊金属比较成熟并已市售的堆焊材料有美国m g 公司 的m g 7 0 0 堆焊焊条，国内的d 3 1 7 堆焊焊条以及日本的t h 一8 0 等。 高碳合金钢质堆焊金属主要有两大类型：第一类是为了追求堆焊金属的 高硬度、高耐磨性，堆焊金属合金系采用高碳c r - - m o w 系，其焊态基体 组织为孪晶马氏体，内含微裂纹，c r 、m o 、w 的碳化物呈聚集态或网状沿 晶界分布，因为高碳的孪晶马氏体可保证其基体足够的强度，c r 、m o 、w 的碳化物可提高它的硬度和耐磨性，但堆焊金属的韧性和抗裂性很差，必须 采用3 0 0 4 0 0 。c 的高温预热。为降低预热温度和提高堆焊金属的韧性，该 合金系堆焊金属虽然通过添加v 、n i 等元素，细化晶粒，发挥其二次析出 强化作用，实现焊态马氏体组织的隐晶化，获得了很高的硬度和耐磨性，但 由于隐晶马氏体晶粒内部含有大量的显微裂纹，碳化物的沿晶界呈网状分布 并没有改变堆焊金属的韧性有所改善，但仍然必须采用3 0 0 3 5 0 预热焊， 防止堆焊金属产生裂纹，m g 7 0 0 堆焊金属就是这类堆焊金属的典型代表； 第二类是为了追求堆焊金属的韧性，提高堆焊金属的抗裂性，堆焊金属合金 系甚至采用中碳c r m o w 系，其焊态微观组织为沿晶界呈网状分布的碳 化物、孪晶马氏体和块状残余奥氏体，堆焊金属时可以低温预热焊，但该堆 焊金属的硬度低，耐磨性较差，仍没有从根本上解决堆焊金属高硬度和高韧 性之间的矛盾，国内著名产品d 3 1 7 a 为该类堆焊金属的典型代表。 总之，目前高碳合金钢质堆焊金属依靠高硬度高耐磨性的孪晶马氏体基 体获得高硬度和良好的耐磨性，通过获得块状残余奥氏体从一定程度上提高 其韧性；但由于孪晶马氏体是一种脆硬相，内含许多微观裂纹，而且沿晶界 呈网状分布的碳化物对孪晶马氏体基体的割裂作用，导致该类型堆焊金属裂 纹倾向大，抗裂性差；另外，块状残余奥氏体容易引起高碳合金钢质堆焊金 属发生疲劳破坏；因此为缓解高硬度和高韧性之间的矛盾，只能通过预热焊， 以便保证该类型堆焊金属在焊态条件下具有一定的抗裂性【5 ”】。 山东大学硕士学位论文 1 2 3 高碳合金钢质堆焊金属韧性研究 焊态高碳c r m o w 系堆焊金属的基体组织为孪晶马氏体组织，该组织 韧性非常差。该类型堆焊金属的韧性改善主要通过改变其某些相的形态、数 量及分布和细化微观组织等手段实现的。 长期以来残余奥氏体一直被认为是高碳合金钢质堆焊金属的韧性相，因 为残余奥氏体塑韧性好、有较强的变形能力，可缓解应力集中。许多专业人 士通过提高堆焊金属中的含c 和n i 等合金元素的含量增加残余奥氏体的含 量，但过多的残余奥氏体会降低其整体硬度和耐磨性 2 5 - 2 8 5 2 ；而且残余奥 氏体的不稳定性和块状残余奥氏体降低抗疲劳性易降低工作表面的使用寿 命。但是残余奥氏体里薄膜或聚集态存在碳化物周围，有利于延迟马氏体 碳化物界面处裂纹的形核及扩张，有利于提高高碳钢的韧性1 5 3 】；束状板条 马氏体中薄膜状残余奥氏体，有较高的稳定性、抗疲劳性及止裂纹效果1 5 “。 虽然薄膜状残余奥氏体有利于提高高碳合金钢质堆焊金属的韧性，但这种薄 膜状残余奥氏体在焊接极不平衡的条件下难以获得，通过残余奥氏体提高堆 焊金属的韧性受到很大的局限。 细化高碳合金钢质堆焊金属的晶粒有利于提高其韧性。稀土元素一直作 为变质剂加入到焊接材料中，对焊缝起到细化晶粒的作用。许多专家学者对 稀土在中高碳堆焊金属中晶粒细化做了大量的研究工作：用热力学证明了稀 土氧化物在焊缝中脱氧、脱硫、净化焊缝的热力学可能性，认为稀土可以细 化品粒、提高焊缝的塑韧性及热疲劳性能【5 ”】：提出了稀土有利于细化晶 粒、改善韧性、提高耐磨性的机理为稀土使堆焊金属的熔池呈现比较剧烈的 翻腾现象，这在结晶过程中防止优先结晶的奥氏体晶粒过于粗大，使之颗粒 细小【6 0 】；另外，稀土具有很高的熔点，弥散分布在熔池中，可以作为早期 形核核心，有利于碳化物早期析出，减少网状共晶偏析，同时也利于基体组 织晶粒的细化1 6 1 - 6 2 1 。 碳化物的数量、大小、形态及分布对高碳合金钢质堆焊金属的韧性改善 有至关重要的影响【6 3 6 6 。由于c r 、m o 、w 元素就形成碳化物的倾向来讲 为中等碳化物形成元素，其碳化物为共晶碳化物，在凝固过程中容易在晶界 偏聚或共晶网状析出，在堆焊金属中分布很不均匀，不利于提高堆焊金属的 韧性。为改善高碳c r m o w 系高碳合金钢质堆焊金属碳化物的分布形态， 通过添加少量的n b 、t i 、v 等合金元素，研制出了熔炼焊剂、陶质焊剂复 山东大学硕士学位论文 合堆焊合金及堆焊焊条【4 4 4 6 6 7 。6 9 i ， 的改善，但其基体仍为隐晶马氏体， 韧化机制未作深入的理论研究。 其堆焊金属的碳化物的网状分布有一定 抗裂性和韧性改善并不显著，并且对其 国内外许多研究人员通过改善碳化物分布、改善残余奥氏体的形态及分 布、细化晶粒等手段对高碳c r m o w 系高碳合金钢质堆焊金属的韧性有一 定的提高，但是硬而脆的孪晶马氏体基体组织严重限制其焊态韧性的提高， 在工程实际应用中必须采用成本高的热焊工艺。为堆焊修复降低成本，提高 生产效率，提高焊态高碳合金钢质堆焊金属的韧性，使其适应冷焊技术需要 以十分迫切。 1 3 本章小结 根据以上对国内外高碳合金钢质堆焊金属的理论研究分析，其主要问 题为：高碳合金钢质堆焊金属的微观组织由高碳的孪晶马氏体、沿晶界呈网 状分布的碳化物和块状残余奥氏体组成，其原因为由于大量的碳和合金元素 固溶于基体中，很容易形成硬而脆的高碳马氏体和块状残余奥氏体，由于采 用c r 、m o 、w 的碳化物强化增加耐磨性，在极度不平衡的焊接条件下，这 些碳化物往往沿晶界偏析、形成网状的共晶碳化物。这种焊态组织导致其焊 态韧性和抗裂性非常差，必须采用热堆焊工艺。 为使高碳合金钢质堆焊金属适应冷焊，扩大其应用范围，必须在免预 热冷焊条件下，研究高碳合金钢质堆焊金属的微观组织及韧性。前面分析可 知：提高高碳合金钢质堆焊金属的韧性，必须避免高碳孪晶马氏体基体组织 的产生，这就要求抑制大量的碳和合金元素在基体中过度固溶，获得一种韧 性较好的基体组织，同时为保证高碳合金钢质堆焊金属的高硬度和高耐磨 性，必须利用其它新的强化方式弥补对基体减少的固溶强化作用以及有足够 的碳化物保证其高耐磨性。高碳合金钢工具都是通过反复的热处理及锻造获 得良好的组织形态和良好的综合性能，而焊态高碳合金钢质堆焊金属只能通 过焊接冶金理论控制其成成分及组织。在其它条件相同的条件下，材料的成 分决定着材料的微观组织和性能。在铁基合盒微观组织中，板条马氏体兼有 较高的韧性和硬度，并且其基体上存在弥散分布细小的碳化物时具有更高的 耐磨性。因此改善高碳合金钢质堆焊金属组织及提高其韧性关键在于如何获 山东大学硕士学位论文 得“强韧性的基体+ 大量弥散分布的碳化物”。 1 4 本文主要研究内容 由于高碳c r m o w 合金系通过合金元素对固溶体过度固溶强化，片 面追求高硬度，导致高硬度和高韧性之间矛盾更加突出，因此必须改变高碳 c r m o w 合金系，设计新的强化方式和合金体系，以便获得“强韧性的 基体+ 大量弥散分布的碳化物”的堆焊金属组织。本文从以下几个方面进行 了研究： ( 1 ) 高碳合金钢质堆焊金属新合金系的确定 为抑制过度固溶强化，充分发挥第二相强化作用，本文借鉴高碳合 金钢的增韧设计思想，研究了n b 、t i 和v 对堆焊金属中c 在第二相碳 化物和固溶体中分配影响以及n b 、t i 、v 共存时过渡系数，通过大量的 试验确定出高碳n b t i v 合金系有利于堆焊金属获得大量的弥散分 布的颗粒状碳化物，同时通过调整n b 、t i 、v 和c 的比例可以控制基 体组织。 ( 2 ) 堆焊金属中相的分析和碳化物的形成机理及其影响 通过x 射线、s e m 、t e m 对堆焊金属的相分析、急冷熔滴和飞溅 熔渣研究，探讨了堆焊金属中相的组成以及碳化物的形成机理及影响。 ( 3 ) 堆焊金属合金元素的分配和微观组织精细结构 通过能谱分析研究堆焊金属中合金元索的分配规律；通过t e m 研 究了高碳n b t i v 合金系堆焊金属中第二相和基体组织的精细结构。 ( 4 ) 堆焊金属的力学性能试验 通过对高碳n b t i v 系堆焊金属和目前比较成熟的堆焊金属的 耐磨性试验，分析基体和碳化物的分布、形状和类型对耐磨性的影响。 通过断口和冲击试验，分析探讨了高碳n b t i v 系堆焊金属的增韧机 理。 8 山东大学硕士学位论文 第二章高碳合金钢质堆焊金属新合金系的确定 2 1 引言 为改善高碳合金钢质堆焊金属的微观组织及韧性，采用新的合金系必须 能够通过焊接冶金手段有利于抑制碳和合金元素在基体中的过度固溶强化， 避免高碳马氏体产生，能够获得“强韧性的基体+ 大量弥散分布的碳化物”。 由于冷焊态堆焊金属中平均含碳量必须达到高碳范围即0 6 1 3 ，足够 的碳一方面可以保证基体中含有一定量的碳，保证基体的强度；另一方面可 提供形成大量碳化物所必需的碳，以保证堆焊金属的耐磨性。如何降低基体 中含碳量即“基体贫碳”，也是选择新合金系必须解决的关键问题，因为只 有“基体贫碳”才有利于获得强韧性的基体。要使含高碳的堆焊金属的基体 贫碳，即大量的碳被固定到碳化物中，而且碳化物要在焊接冶金的条件下形 成，这就要求所选择的合金元素必须具有与碳很强的结合倾向，同时这些合