（机械工程专业论文）提高锤头式破碎机刀齿使用寿命的研究.pdf

摘要 本文通过对堆焊焊条的焊接性和磨粒磨损性能的分析表明：含铬的堆焊焊条具有 较好的酎磨性。但焊接性较差，只要能在马氏体基体上得到适当形貌的碳化物，其硬 度和耐磨性均可达到中、高碳当量所能达到的性能，合金元素改善堆焊焊条的耐 磨性具有重要的作用通过硬度试验、冲击磨损试验及其显微分析，s e m 扫描电镜分 析、机械性能分析，确定了4 5 m n 钢的焊接工艺，可知a 3 0 2 和d 2 5 6 堆焊金属的硬化 机制是以形变强化和碳化物析出强化为主，堆焊层金属的磨损形式以凿削式为主，并 为4 5 m n 钢的焊接提供了实用可行的焊接工艺。 关键词：堆焊；合佥焊条；磨粒磨损；徽观；堆焊金属 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ew e l d a b i l i t ya n da b r a s i v er e s i s t a n c eo f s e v e r a ls u r r a c h 坞e l e c u o d e s h a v e b e e na n a l y s e d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t 翮碰咖e l e c t r o d e sw i t hc h r o m i u mh a v e b e t t e fa b l 置s i v er e s i s t a n c e , b u tw u f s ew e l d a b i l i t ya n dt h a tt h eh a r d n e s sa n da b r a s i v e r e s i s t a n c eo f e l e c t r o d e sw i t hm i d i u ma n dh i g hc a r b o ne q u a l i t yc 缸b ee g u i v a l e n tt ot h a to f t h ef o r m e rw h e no p p r o p r 锄et y p e so fc a r b i d em - eo b t a i n e do n 埔r t e n 蓟 km a t r i x t h e a n a l y s i sa l s oi d i c a t e st h a tm u ( m a n g a n e s e ) c o n t r i b u t e sal o to f t h ei m p r o v i n go f a b r a s i v e r e s i s t a n c eo fs u r f a c i n ge l e c t r o d e s s yt h eh a r d e n i n gt e 巩j n l p a c tw e a r i n gt e s ta n dt h e m i c z - o s t r u e t m ea n a l y s i s , s e ma n a l y s i s , m e c h a n i c a lp l o 删e sr e s p e c t i v e l y a n a l y s i so f w e l d e dj o i n t , t h ew e t u n gm e t h o do f4 5 m us t e e lw a sd e t e m i n e d i ti ss h o w nt h a tt h e d f f o m l a d o nt w m n g h a r d e n i n ga n dt h ed y n a m i cc a r b i d ea g e i n ga l em a i nf o r m so ft h e s e n m g t h e 啦go fa 3 0 2a n di ) 2 5 6w e l d e da l l o y , a n dt h ec h i s e l 伽晌喀i sm a i nf o r mo f w e a r i n go f f o f t h eh a z d f a c em e n t a l t h em d d l o ds u p p l i e sp a r f i c x t l a rw e l d i n gt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：s u m c i n g ，a l l e ye l e c t r o d e ，a b r m i v e - m j c r o m m c t u r e ，h s r d f a c em e n t s l 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 前言 1 1 本课题国内外研究现状 锤头式破碎机的刀齿承担着破碎矿石、煤炭等任务。使用在工作状 况十分恶劣的条件下刀齿与矿石之问具有强烈的冲击运动，齿面承受 冲蚀磨粒磨损非常严重，国内外制造业普遍采用冲击表面的堆焊方法提 高其抗冲击性能和耐磨性。日本大阪大学焊接工程研究所松田福久先生 提出的。表面改性”也是指把表面改变达到所需要的特性新材料的开 发是支持当今技术迅速发展的因素之一，使材料表面功能化、复合化， 改善化、高强度化等是新材料的创新研制、开发所最期待的为此，采 用等离子、电子柬、激光束、离子注入以及h i p 等新技术进行表面改性。 用于创造新型材料，其目的是为了获得：耐磨损、摩擦、硬化、润滑、 耐蚀性，耐热性、装饰性、电磁特性、光学特性，声特性除此之外， 在焊接领域里，还有为结合用的界面进行低熔点化处理；为特殊金属脆 化区的高韧性化的扩渗处理；为改善耐应力腐蚀和耐疲劳特性而进行的 降低残余应力的表面处理；厚膜涂敷法用于膜厚从几百微米到几毫米的 涂层( 在基体表面上形成) 是从焊接领域中发展起来的。应用气体火焰、 电弧、等离子、电渣、电子束、激光束、爆炸，摩擦、h i p 、c i p 等用 中性及反应性保护气体，进行合金化、蒸镀、热喷涂、烧结、堆焊等涂 层处理堆焊工艺在我国应用越来越广，堆焊合金百种以上，堆焊焊条 已形成了完整的产品系列，合金粉末、合金焊丝( 带) 等也迅速发展； 各种焊接方法、熟喷涂、喷熔等在堆焊工作中广为采用一些高效堆焊 方法，如带极堆焊、药芯焊丝堆焊、粉末会金堆焊、热丝等离子堆焊等 工艺已在生产中采用我国将进一步开发新的堆焊合金、堆焊材料和新 的堆焊方法，提高堆焊质量和堆焊效率，以适应工业的迅速发展 刀齿为了具有高强度，使用的母材为4 5 m n ，其c e q 0 。6 ，焊接性较 差，淬硬倾向严重，在堆焊层表面易产生裂纹，使用效果达不到产品设 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 计要求，国内对4 5 m n 材料的堆焊方面的研究尚无资辩可查因而选取 合理的堆焊材料与母材匹配，在采用适当的工艺措施后，获得刀齿表面 较高的抗冲击性能和耐磨性，保证堆焊层质量是非常重要的 根据日本j i s 及i i w 焊接学会确定的计算碳当量公式，得出 c e q 0 6 ，焊接性较差，且堆焊层易产生淬硬马氏体组织，从而导致裂纹 产生该堆焊材料承受冲蚀磨粒磨损，要求基体与堆焊层之间结合牢固， 既有耐磨性，又能承受冲击载荷，如果采用单一的堆焊材料难以同时满 足要求。在破碎矿石的过程中，刀齿雄焊面承受着复杂的交变载荷作用， 不仅受到静态载荷的作用，而且还受到动态载荷的作用，且其工况恶劣， 因此要求刀齿堆焊面具有较好的综合机械性能同时要求堆焊材料必须 在强度、塑性、韧性等方面具有最佳配合，若组织韧性不足时易产生表 层剪切应力作用下的裂纹和剥落，影响堆焊材料的抗磨性能。堆焊层商 锰钢的加工硬化的机理：曾普遍流行但已被实验否定的高锰钢表层塑变 形成8 或a 马氏体转变外，还有孪晶硬化、位错硬化、动态应变时效、 李晶+ h n - c 原子对造成强烈不对称畸变和f e m n - c 原子团偏聚区阻滞滑 移系启动和阻碍位错运动、碳化物沉淀强化等机制。但近年来大量的试 验报道使人们普遍接受高密度位错缠结和形变孪晶这两种加工硬化机 制 在现代机器制造中，新结构、新设备层出不穷，新材料、新工艺 的应用日益广泛，对各类工程机械构件的性能提出了更高的要求。在有 些情况下，任何一种金属材料都不可能完全满足使用要求，或者即使某 种金属比较理想，也常常由于十分稀贵，不能在工程中普遍应用。因此， 采用奥氏体金属隔离层堆焊法制造异种钢复合零部件得到了愈来愈广 泛的应用，如在建筑机械、挖掘机斗齿、破碎机锤、铁道道岔等领域， 被大量使用于高锰钢异种材料的焊接a 3 0 2 属于c r n i 合金系，在焊 接快速冷却过程中，c r ，n i 扩散作用使未完全熔化的母材金属，对晶 粒长大具有。钉扎”作用，使熔化区晶粒度较小，韧性好，再使用d 2 5 6 辽宁工程技术大学硕士学位论文 高锰钢焊条堆焊后形成的堆焊层结合强度好，形成。内韧外强”的优势， 应用这种焊接方法，不但能满足工作条件对材质提出的要求，如硬度、 耐磨性、耐蚀性、耐冲击等要求，还能对于复合材料方面的研究提供基 础性理论和数据 在破碎矿石、煤炭等任务中，锤头式破碎机是不可缺少的设备之一， 其刀齿工作时受到强烈的凿削式磨料磨损，为了提高其使用寿命，以及 刀齿磨损后的焊接修复工作方面，本课题都具有很大的应用价值，可以 为生产实际提供必要的参考和依据 因此，根据机械的工作条件，选择一种既能满足耐磨性、抗冲击性 要求的，又价格合理的堆焊焊条成为堆焊工艺中的一个主要问题在本 文中采用了小电流、短道、断续、锤击的方法进行奥氏体金属隔离层堆 焊，遁过焊后观察堆焊层情况、金相分析、冲击指标测试等方法研究了 在刀齿打击面上用a 3 0 2 焊条打底后再堆焊d 2 5 6 焊条的工艺方法予以 试验。试验结果表明：使用铬镍奥氏体钢焊条打底堆焊4 5 m n 钢时，由 于铬镍奥氏体金属对锰钢的h a z 液化裂纹的。治愈”作用，不但可以 得到没有液化裂纹的焊接接头，而且还具有耐磨性，又能承受冲击载荷， 堆焊材料能够满足使用要求 1 2课题的来源、实用价值与理论意义 1 2 1 课题的来源 在破碎矿石、井下破碎煤炭等任务中，其刀齿工作时受到强烈的凿 削式磨料磨损，对于整机而言，刀齿属于易损件，制造工艺比较复杂， 刀齿在使用过程中，经过与液体接触并有相对运动的情况下，在表面上 不断发生气穴，在气穴随后的破灭过程中液体对刀齿金属表面产生强烈 的冲击力，如此反复作用，使金属表面产生疲劳而脱落，形成许多小坑 ( 麻点) 小坑会成为液体介质的腐蚀源，当其表面保护膜追破坏后腐 蚀尤为严重。气蚀往往不单纯是机械力所造成破坏，液体的化学及电化 辽宁工程技术大学硕士学位论文 学作用，渡体中含有磨辩等均可加剧这一破坏过程。气蚀成因复杂，既 有冲击磨损、磨料磨损又有腐蚀问题随着磨损的不断加尉，刀齿局部 残缺愈来愈恶化，如果此时予以修复便可继续使用，这对于我国建立“节 约型社会”具有深远的意义 1 2 2 本课题的实用价值 通过本课题的研究，向西北奔牛集团推荐破碎机刀齿的堆焊材料及 其合理的焊接工艺参数，焊前不需要预热、焊后不需要后热，简化工艺， 降低制造成本，节约了电能等社会资源，同时也解决了生产实际问题， 与此相类似焊接材料在今后也可以借鉴 1 2 3 本课题的理论意义 该堆焊材料的使用具有推广意义。在金属材料领域中，复合技术是 在各种表面技术发展的基础上，相互渗透，扬长避短，大多是为涂镀耐 磨层而开发的复合材料是现代材料发展的必然趋势。单一使用一种堆 焊材料，只能满足耐磨性而不能解决基体和堆焊材料结合强度问题，当 堆焊层受到冲击载荷时，易与基体剥落，液化裂纹也不能消除因此采 用a 3 0 2 与d 2 5 6 复合堆焊层后。其焊缝金属为奥氏体高锰钢，它具有 加工硬化、坚韧耐磨的特点既解决了基体结合强度，又满足了耐磨性要 求，为国内复合材料的深入研究提供了基础理论另外，随着我国改革 开放的深化和经济的飞速发展，对产品质量的提高和设备运行安全性的 保障都有了相关要求，“技术创新”工作已列人国家“十一五”规划 中，广大科技人员是。技术创新”主流，立足于各自岗位的创新，为了 提高国产化质量，参与国际竞争而贡献自己的力量 1 3 课题的研究方案 1 3 1 主要研究内容 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ) 堆焊材料的化学成分分析 2 ) 4 5 m n 钢的理论分析 a 化学成分分析 b 堆焊层机壤分析性能 3 ) 匹配的堆焊材料研究 1 3 2 试验方案 对堆焊材料进行焊条工艺性能及抗裂性对比试验、堆焊金属的抗冲 击磨损试验、断口s e m 扫描电镜的金相组织分析、基体结合拉伸试验、 断口堆焊材料硬度涌量 1 ) 焊条工艺性及抗裂性试验采用平板单道三层堆焊，直流反极性， 对不同焊接规范通过对比分析，修订合理的焊接参数 2 ) 堆焊金属抗磨性试验采用m l 1 0 销盘式磨料磨损试验机，加载 3 - 5 k g 。试件尺寸见图1 所示，试件表层为堆焊层、过渡层、基体试 验用磨料采用模拟工况的粒度不同的石英砂 h r d f t o ei o t al 纹 圈i - l 冲击磨损试样 3 ) 断口扫描金相组织分析 试样尺寸垂l o 1 0 ，观察基体与熔敷、堆焊层结合程度，观察有无裂 4 ) 基体结合拉伸试验 试棒尺寸见图2 ，检验母材与堆焊层结合强度 辽宁工程技术大学硕士学位论文 h l i j d a m i 一 圈1 - 2 拉仲试样 5 ) 断口堆焊材料硬度测量 对磨损试验后的试样进行失重测量、表面硬度测量，在实际工况条 件下验证材料的抗磨性及适用性 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 24 5 m n 钢的理论分析 母材为4 $ m n ，该材料属含锰中碳低合金调质钢，锰元素能降低钢 的临界点，增加淬透性；细化珠光体晶粒，能与铁形成固溶体，从而提 高钢的强度和硬度；还能与硫化合，从而减少钢的热脆性1 在破碎矿 石的过程中，刀齿堆焊面承受着复杂的交变载荷作用，不仅受到静态载 荷的作用，而且还受到动态载荷的作用，且其工况恶劣，使得冲击面局 部磨损过快，提高刀齿的使用寿命，有两种可行的途径：一是在锤头式 破碎机的刀齿冲击表面堆焊耐磨层；二是改变锤头式破碎机的刀齿的材 质“1 ，经过综合比较，4 5 m n 材科的锻造性能、加工性能及价格等方面 在实际生产中应用情况非常好，因此，选择上述途径一比较经济实用 这就要求刀齿堆焊面具有较好的综合机械性能，同时要求堆焊材料必须 在强度、塑性、韧性等方面具有最佳配合，如果采用单一的堆焊材料难 以同时满足要求若组织韧性不足时易产生表层剪切应力作用下的裂纹 和弱落，影响堆焊材料的抗磨性能 2 1母材的化学成分 表2 - i4 5 m n 的化学成分( 譬) 2 2 母材的机械性能 袭2 24 5 m n 的机辕性能 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 3 焊接性理论分析 影响钢材焊接性的主要因素有：钢材的化学成分、机械性能、焊接 线能量以及冷却速度等。根据日本j i s 及i i w 国际焊接学会确定的 计算碳当量c e q = c + m n 6 + ( c r + m o + v ) 5 + ( c u + n i ) 1 5 公式，得出 c e q = 0 6 9 0 7 7 5 0 6 ，焊接性较差，且堆焊层易产生淬硬马氏体组 织，从而导致裂纹产生1 该堆焊材料承受冲蚀磨粒磨损，要求基体与堆焊层之间结合牢固， 既有耐磨性，又能承受冲击载荷，4 5 m n 钢的碳当量c e q o 6 ，焊接性 较差，淬硬倾向严重，在堆焊层表面易产生裂纹，单一采用某种堆焊焊 条，其使用效果达不到产品设计要求。因而选取合理的异种钢堆焊材料 与母材匹配，其化学成分和组织与填充浸蚀和母材的熔入量有关，即稀 释率有关一般用舍夫勒( s c h a e f f l e r ) 图来确定，舍夫勒图的横坐标 为c r 当量( c r e q ) ，纵坐标为n i 当量( n i e q ) ，其计算公式为“1 ： c r e q = c r + w o + 1 5 s i + o 5 n b ( )( 2 1 ) n i e q = n i + 3 0 c + 0 5 m n ( )( 2 2 ) 经过计算，4 5 m n 钢的c r e q = 0 5 0 5 ，n i e q = 1 3 2 综上所述，在采用适当的工艺措施后，获得刀齿表面较高的抗冲击性 能和耐磨性，保证堆焊层质量，显得尤为重要 2 4 焊后热处理理论分析 焊后热处理的目的是： ( 1 ) 消除焊接残余应力； ( 2 ) 降低应力腐蚀的敏感性 ( 3 ) 软化热影响区： ( 4 ) 提高焊缝金属的塑性； ( 5 ) 使氢逸出等： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 但是，对于异种钢焊接接头是否要进行焊后热处理，一些人认为应尽 可能避免进行焊后熟处理，其主要理由有： ( 1 ) 碳迁移会使焊接接头性能恶化所谓的碳迁移是指碳从母材金 属通过熔合线向焊缝金属的扩散，这种异种钢焊接接头在焊后热处理或 高温运行时所发生的碳迁移现象，是造成接头高温机械性能降低，高温 下失效断裂增加，影响高温安全使用及寿命的主要原因之一，其主要表 现在熔合线的两侧出现增碳层和脱碳层，在增碳层的韧性下降而脆性断 裂及脱碳层强度下降，导致接头断裂；碳迁移不是由于浓度差引起，而 是由化学势差引起的上坡扩散，国内一些最新研究表明，在高温运行过 程中碳迁移主要局限在熔合区的马氏体层中，很难向臭氏体焊缝中进行 长距离扩散，碳很难跨过奥氏体( a ) ，类马氏体( m l ) 焊接边界向焊 缝内作长程扩散；接头在焊后热处理或高温下运行时，由于碳迁移形成 了具有塑性变形能力的脱碳层和变形能力差的增碳层，当接头冷却时， 拘束应力在脱碳层可以得到松弛，导致拘柬力集中，在增碳层形成局部 应力集中 ( 2 ) 碳化物和6 相析出将导致焊缝金属脆化和耐腐蚀性能降低等不 利后果 ( 3 ) 再结晶导致h a z 中晶粒粗化 ( 4 ) 不能达到消除残余应力的目的，只能使其重新分布；奥氏体钢和 珠光体钢的膨胀系数不同，导致在焊接界面处产生很大的热应力工程 上为了减缓接头区的应力集中，常常采用熟膨胀系数介于二者之问的 n i 基合金作过渡层 ( 5 ) 在室温下，异种钢焊接接头区的机械性能一般优于被焊母材的 性能，但高温下或高温长期运彳亍后，接头区的组织和性能恶化，而劣于 母材 ( 6 ) 焊后热处理或高温运行过程中，在焊接边界两侧各产生一个富 碳区和一个贫碳区，它们是裂纹起源于焊接边界的主要原因之一 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l o 对流传质和扩散传质是液体混合达到均匀的两种机制1 。在焊接条 件下，熔化的焊条和母材金属的混合也要通过这两种机制实现只是由 于焊接熔池的不同部位所受到的作用力不同，金属流动性不同，处于焊 接高温的时间不同，因此，对流传质和扩敌传质的强弱就有差男l i 在熔池边缘，液态熔池金属的传熟，使得总有部分母材金属处于熔 融状态这一熔融状态的母材金属与熔池中心相比，其液态停留时间短， 而且因其远离电弧中心，所受到的力的作用远比熔池中心弱因此，熔 融状态的母材金属流动性差，其与焊缝金属的混合就不可能依靠对流传 质实现。 在焊接高温条件下，在母材金属化学成分与焊缝化学成分的特殊差 异下，母材部分熔融金属与焊缝金属间的不充分扩散传质，是马氏体带 化学成分分布特征的成因。 应用菲克扩散定律，以n i 元素的分布特征为例，可进一步说明不 充分扩散传质对马氏体带化学成分分布特征的贡献 在焊接高温区，焊缝金属中高含量的n i 元素将向熔融的母材金属 扩散设熔融态的母材金属边界( 与焊缝金属相接处) 为x = o ，向焊缝 方向为正，向母材方向为负，并假设： a 母材以外的熔池金属为均匀成分； b 只讨论沿x 方向一维传质； c 不考虑其它合金元素的影响 应用菲克第二定律的误差函数解： c ( x ，t ) = a + b e r f x ( 4 d t ) 1 n “( 2 - 3 ) 引进所讨论问题的边界条件 t = 0 ，x o ，c f c o ；t = o ，x 7 5 ) a 。点在下降后又会升高在4 5 m n 钢中铬含量较少，一般 不超过4 经水韧处理后铬在4 5 m n 钢中大部分都固溶于奥氏体之中 由于铬在铁内扩散速度慢，而且铬原子和碳原子的交互作用使碳的扩散 速度也较低，使奥氏体的稳定性提高这对含铬4 5 m n 钢的组织和熟处 理是有影响的 a 铬对4 5 m n 钢组织的影响 铬在4 5 m n 钢中使钢的铸态组织和钢的奥氏体等温转变曲线有所改 变通常随铬含量的增加使钢的铸态组织中碳化物量增加往往在晶界 上形成连续的网状碳化物，晶内碳化物数量也增多。这是由于铬使钢中 沿晶界析出碳化物的过程加快铬使高温区内碳化物的析出过程加快， 因而在凝固后的冷却过程中有大量的碳化物出现。加铬后由于铬的扩敌 特点和铬对碳扩散过程的影响，奥氏体稳定性提高，共析转变开始较晚， 因而奥氏体等温转变c 曲线右移铬的这些作用影响热处理过程，按一 般水韧处理规范进行处理时，含铬的碳化物难以溶解共析组织升温时 辽宁工程技术大学硕士学位论文 也难以转变因而碍到单相奥氏体难。为此必须将固溶处理的温度提高 3 0 5 0 才能得到所要求的组织 b 铬对机械性能的影响 铬固溶于臭氏体后，可以提高铜的屈服强度，但延伸率有所下降 在铬含量少时抗拉强度变化不大，含量高时有所降低常温下钢中铬含 量增加，冲击韧性降低当加铬的4 5 m n 钢用于非强冲击磨料磨损的工 况条件时，材料的耐磨性无明显变化；当用于强冲击磨料磨损的工况条 件时，材料的耐磨性有明显提高铬对4 5 m n 钢的加工硬化能力也有影 响，在相同变形条件下，含铬的4 5 m n 钢的硬度值提高较不含铬的钢的 数值高 由于铬对4 5 m n 钢的加工硬化能力有极大影响，为了不致使碳化物 增加过多，提高耐磨性，延长工件使用寿命。本课题4 5 m n 钢化学成分 中铬为：0 2 5 。 6 ) 合金化元素一镍 镰是面心立方结构，原子半径为1 2 4 x1 0 - l a i n ，而铁的原子半径是 1 2 7 x 1 0 - t o m ，通过比较，这两种金属为同一种类型结晶结构，故极易形 成连续的y 固溶体：镍元素加入对4 5 m n 钢性能的作用： a 镍固溶于4 5 m n 钢奥氏体中，在3 0 0 5 5 0 抑制针状碳化物析出， 提高脆化温度，使得材料对切割、电焊的工作温度的敏感性降低 b 镍能阻止奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒的作用。 c 镍含量增加对屈服强度影响较小，使抗拉强度略微下降，塑性 提高，延缓加工硬化速度，因此改善钢的热加工性能，可以简化生产工 艺。 d 常温下镍含量的增加可以降低4 5 m n 钢的冲击韧性，由于镍能减 少碳在奥氏体中的溶解度，促使碳化物的析出，导致4 5 m n 钢的冲击韧 性下降本课题的镰含量是0 2 5 ，碳含量是0 4 2 - 0 5 5 ，常温下镍含 量对4 5 m n 钢的冲击韧性影响不大 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 e 镍是扩大y 区的元素，其作用是m n 的2 倍，加入一定比例的镍， 不仅可以稳定臭氏体组织，而且还能适当地降低m n 的含量，减弱由于 m n 含量过高导致晶粒粗化等缺陷另外镍的加入，还能有效地改善焊 接性能 7 ) 合金化元素一硅 硅是我国的高产元素，且价格低廉，常与m n 配合使用，可获得较 好的性能硅是非碳化物形成元素，但对回火转变起阻碍作用，尤其在 低温阶段抗回火转交的作用较强，可显著地提高其强度，硅含量较低、 常温或低温时( 小于1 5 ) ，对韧性影响不太明显由于硅是形成铁素 体的元素，故其含量不宜太高，当钢中硅含量高于0 6 5 ，钢的裂纹倾 向增加，通常将钢中硅含量控制在0 6 以下，不作为合金元素加入硅 在4 5 m n 锶中可以固洛于奥氏体，起固溶强化作用。同时硅又改变碳在 奥氏体中的溶解度，促使碳脱溶，以碳化物的形式析出硅含量增加既 使碳化物沿晶界析出，又使晶内碳化物析出量增加，且硅有改变碳化物 形貌的作用，塑性有明显降低；当硅含量较少时，碳化物常呈针片状； 当硅含量增加到o 8 时，碳化物呈块状因此硅对钢的力学性能和耐 磨性的影响比较复杂本课题4 5 m n 钢化学成分中硅为：( 0 1 7 - - 0 3 7 ) i ，因此碳化物常呈针片状 2 6d 2 5 6 高锰钢焊条堆焊层的加工硬化n 2 】 加工硬化是高锰钢的重要特征锻态4 5 m n 钢基体组织硬度平均仅 为h r c 2 0 ，而经过形变后奥氏体高锰钢的形变层内表现出显著的加工硬 化现象，变形层的硬度可以达到h r c 2 8 ，下图是表面硬化层硬度的变化 曲线，从该图可以看出，硬化层的深度可达到1 0 - 2 0 m m ，这个深度急曲 线的形状与冲击载荷的大小和状态、组织状态、化学成分、塑性性能、 强度性能、形变速度等因素有关。硬化层具有很高的硬度和良好的韧性， 这种性能使硬化层具有高的抗冲击疲劳性能和高的抗磨科犁削磨损和 辽宁工程技术大学硕士学位论文 形变磨损在表层硬化层被磨耗的同时，外部冲击载荷又使硬化层连续 不断地向钢的内部发展当高锰钢组分和外部载荷条件确定后，钢表面 硬化层的硬度变化规律就确定，且这个规律不受表层磨损的影响而一直 延续下去高锰钢在外载荷作用下产生的这种形变强化，通常称之为加 图2 - - 2 表面硬化层硬度的变化 工硬化。该加工硬化的最大特点是在强冲击磨料磨损条件下，钢的表面 通过形变强化具有很高的耐磨性 从图2 - 2 所示的硬度分布还可以看出，越靠近表层，硬度分布急剧 升高；越靠近基体内部，硬度分布越趋于平缓硬化层下面仍是软韧的 奥氏体组织这种硬度分布反映了钢表层的塑性变形程度，钢表层塑性 变形量的分布与硬度分布有近似的规律变形程度愈高，硬度愈高。钢 的表面这种塑性变形能够较好地吸收外部冲击载荷产生的冲击功 从加工硬化后的显微组织看，硬化层最外层的显微组织发生了很大 变化晶粒成为扁平状，滑移线数量很多，且不同的晶粒滑移线有不同的 方向从表层向内部发展，随变形程度的降低，晶粒的变形程度减小， 滑移线也减少 ( 1 ) 高锰钢堆焊层的加工硬化的机理 高锰钢表层塑变形成8 或口马氏体转变( 曾普遍流行但已被实验否 定) 外，还有孪晶硬化、位错硬化、动态应变时效、孪晶+ m n - c 原子对 造成强烈不对称畸变和f e m n c 原子团偏聚区阻滞滑移系启动和阻碍 位错运动等机制。但近年来大量的试验报道使人们普遍接受高密度位错 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 9 缠结和形变孪晶这两种加工硬化机制。 1 ) 层错 塑性变形的本质是在应力作用下晶格间发生位错运动高锰钢臭氏 体是面心立方结构，当受到外力时，在形变过程中很容易出现层错高 锰钢中出现层错对进一步的塑性变形成为一种阻力，这是因为层错能愈 低，扩展位错宽度愈大，位错的束集也越困难高锰钢奥氏体中碳原子 作为溶质原子和层错之间有作用力存在当溶质原子和层错作用，使层 错能降低时，将发生溶质原子向层错的富集，形成“铃木气团”，使扩 展位错运动的阻力增加，扩展位错的运动更加困难，溶质原子对位错的 作用叫。钉扎”作用，它在一定温度范围之内对钢的加工硬化是起作用 的 2 ) 高密度位错缠结 高密度位错缠结是许多学者在高倍显微镜下直接观察到的由c - m n 晶胞模型可知，碳原子位于晶胞中八面体问隙的中心位置，并同时位于 两个相邻的滑移面之间；置换铁原子的锰原子位于六面体面的中心位 置，并同时位于两个滑移面上当发生滑移时需拆散若干强c - m n 键和 次强c f e 键，因此f e m n c 原子团会表现出对滑移系启动的强烈阻滞 效应在变形过程中，当运动的位错与敖乱分布在奥氏体基体中的 f e m n c 原子团偏聚相遇时c 原子会陷入位错中心区，由于m n - f e 原子 对c 原子的强烈牵制作用，将有效地限制c 原子随位错的运动，从而对 运动位错产生强烈的拖曳作用；当运动位错切过f e i n - c 原子团偏聚区 时，在拆散许多强c - m n 键的同时，还会使滑移面两侧最近邻的原子发 生改组，降低短程有序程度，这必然要消耗能量，产生强化效应高锰 钢具有较低的层错能，扩展位错较宽，难以束集交滑移，阻碍了位错的 运动和形成，限制了滑移的进行，因此导致高锰钢不得不采取孪生方式 进行塑性变形孪生使高锰钢具有高的形变硬化性能，不仅在于它本身 需要在较大的作用力下才能发生，而且它产生了孪晶，孪晶界与晶界一 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 0 样，也是位错运动的障碍。大量细小的孪晶将晶粒分为许多部分，这就 将位错限制在很狭小的范围内运动，从而引起硬化。可见孪生强化也是 与位错密切相关的 3 ) 形变李晶 孪晶是塑性变形的基本方式之一对面心立方结构，恰好每一个 晶面上都有一个同类型不全位错的机会很少，一般只在低温条件下出 现，但对奥氏体高锰钢，在每一个( 1 1 1 ) 面上恰好都有不全位错，并 且它们依次从晶粒一靖扫到另一端，这时原子堆垛出现了a b c a c b a c b d 顺序，形成沿滑移面两侧原子堆垛镜面对称的状况，即滑移面两侧晶体 出现取向差，这就形成了面心立方的孪晶孪晶具有两个特征： a 产生孪晶时的切应力较滑移大，孪晶形变较滑移要困难一些， 往往出现在滑移之后。如果滑移系少就会在形变初始阶段出现挛晶。 b 在孪晶生成时应力应变曲线上出现锯齿状 大量孪晶的出现将金属基体切割成许多块，这种作用类似于晶粒的 细化( 或碎化) ，使位错被封锁，难以运动，使金属得到较高程度的强 化每组孪晶形成时和母相之间有一定的取向关系。常常成为一组平行 的李晶各组孪晶之何在晶内接触构成相互障碍。挛晶界面的存在使位 错运动的阻力增加位错运动只有增加能量才能克服界面的这种障碍， 孪晶愈细则孪晶界面所构成的阻力愈大孪晶愈细愈多则切割晶体的作 用愈显著，金属基体的强化程度也就愈高例如，孪晶间距为2 1 0 - m 时，钢的硬度为h v 4 0 0 ，因孪晶数量的增加，孪晶间距为5xl o m 时， 钢的硬度提高到h v 6 0 0 影响孪晶形成的因素： 8 钢的化学成分。当碳含量在0 3 5 时，钢的加工硬化指数高，主 要形成c 相：当碳含量在1 0 时，钢的变形应力值高，主要形成形变孪 晶，孪晶的产生和形成需要高的应变能，即高的应力下才能实现 b 应力分布的不均匀性。孪晶首先在应力集中处形成 c 温度钢的层错能随温度变化而变化，低温时易出现孪晶，且 辽宁工程技术大学硕士学位论文 孪晶数量多，挛晶带簿。 ( 2 ) 本课题中，为在中、低冲击载荷条件下工作的高锰钢堆焊层工 件，钢的耐磨性随冲击能量的增加而增大，其使用性能优于4 5 m n 钢， 堆焊层高锰钢的组织应为奥氏体加索氏体和少量的碳化物。钢中索氏体 力学性能的显著特点是具有高强度和高硬度，而奥氏体基体则是能够保 证高锰钢具有一定的韧性即使在较强的冲击载荷条件下工作，也具有 高锰钢的性能。为了在冲击磨损条件下，使钢的表层形成大量形变的口 马氏体或占马氏体，得到强化的马氏体组织，而高锰钢在固溶处理后得 到的奥氏体组织，且其奥氏体稳定性较低，即固溶处理后其奥氏体组织 处于a 和a + 口相区的临界处，由下图可以看出以9 5 0 1 2 0 0 锻造为 例，将4 5 m n 钢中碳和锰的含量选择在图中a + o 相区的位置，经堆焊后 缛到单相奥氏体组织，其稳定性低，有利于a 体向口或a 体匈转变， 4 5 m n 钢的成分含量为： m n ：0 7 0 1 0 ： c ：0 4 2 o 5 0 c ( 薯) 蛋2 - 3f e m n c 相图( 室沮下) ( 9 5 0 c 1 2 0 0 锻造试徉) 该高锰钢堆焊层中的锰主要作用是为了获得奥氏体组织，增大钢的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 加工硬化率和提高钢的韧性和强度。而碳是为了使钢具有足够的强度和 硬度当奥氏体堆焊材科受到冲击形变后，表层组织产生大量位错缠结、 形变孪晶及碳化物沉淀强化，形变孪晶界及碳化物对位错运动的阻碍均 是材料形变后宏观硬度增大的原因，而碳化物数量、形态及其分布的变 化又对材料的抗磨性有着重要贡献。试验证明，堆焊层受到冲击后，奥 氏体强烈的塑性变形导致位错密度大量增加，其晶界及与碳化物和渗碳 体界面处的位错塞积会产生局部区域内的高应力和强化效应，若组织韧 性不足时易产生表层剪切应力作用下的裂纹和剥落从而影响材料的抗 磨性能“”而铬固溶在奥氏体中，不仅可以提高基体硬度，而且可以 改善奥氏体高锰钢堆焊层的加工硬化能力和稳定性，提高堆焊层的屈服 强度试验证明，耐磨性随着c r 含量的提高而增加，为了适应冲击载 荷下钢的耐磨性的要求，铬含量为：0 2 5 。 ( 3 ) 加工硬化性能的影响因素： a 压缩应变的影响随压缩率的增加。高锰钢堆焊层的硬度和压缩 变形抗力也随之增大 b 拉伸应变的影响。 硬度也随之增大 c 反复冲击的影响。 随之增大 随拉伸时钢的伸长率的增加，高锰钢堆焊层的 随着冲击次数的增加，高锰钢堆焊层的硬度也 d 采用锤击的预硬化的方法比采用多次冲击方法所获得的表面硬 度更高。 e 高锰钢堆焊层在使用过程中，随着表面层的磨损，其加工硬化层 能够连续保持下去。其实际使用硬度是表层的加工硬化硬度，对高锰钢 堆焊层的耐磨性很重要。 2 7 4 5 m n 钢的力学性能 1 ) 水韧处理后的性能 辽宁工程技术大学硬士学位论文 经水韧处理后的力学性能能得到很大提高。水韧处理：将镪加热到 高温，使铸态组织中的碳化物完全溶入奥氏体中，然后水淬激冷，使碳 化物不能析出，从而获得单相奥氏体组织 2 ) 硬度：主要指表层的加工硬化硬度，本课题所研究的4 5 m n 钢经 过实验测定为h r c 2 4 - 3 0 3 ) 塑性：伸长率很高，无缩颈现象，断裂发生在局部缺陷部位或 由成分偏祈所引起的组织不均匀部位。 4 ) 强度：4 5 m n 钢的强度与加载方式有关钢在拉伸过程中出现形 变强化，使得加载速度快慢影响到钢的性能快速加载时，钢的抗拉强 度较高4 5 m n 钢的形变强化能力比珠光体、铁索体钢要高的多另外， 其抗拉强度和伸长率可以同时升高，即在塑性提高的同时强度也提高， 这是4 5 1 d n 钢不同于一般结构材料的特点。 5 ) 韧性：4 5 1 n 钢的冲击韧性较高，在低温时变脆，此时由韧性破 坏变为脆性破坏，沿晶脆性破坏与化学成分偏析、晶界缺陷及夹杂物等 因素有关，这些因素导致晶界上出现磷共晶、锰铁氧化物和碳化物；同 时晶界附近奥氏体出现贫锰和贫碳，使低温下发生相变析出脆性租。以 上诸因素的联合作用使钢发生脆性破坏。另外，化学成分相同时，4 5 m n 钢的冲击韧性冶炼方法有关，碱性平炉冶炼的4 5 1 1 n 钢的冲击韧性较电 炉冶炼的低，这是由于采用不同的冶炼方法得到的钢中夹杂物的成分、 数量和性质不同，对晶界的玷污不同所造成的，这样说明钢的冶金质量 对晶界状况和低温下的冲击韧性具有重要影响。 6 )疲劳强度：化学成分、组织、钢的冶金质量( 如夹杂物、磷共 晶的数量、碳化物及其它沿晶分别臆性相在多次冲击载荷的作用下可以 成为裂纹源，使钢发生晶间脆断，在裂纹已经形成时晶界存在这些缺陷 会促使裂纹沿晶界扩展，使疲劳强度明显降低) 对疲劳寿命有重大影响 7 ) 耐磨性：化学成分、致密度、热处理，加工硬化、工况条件对 钢的耐磨性都有很大影响。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 ) 再热性能：与温度有关，当温度升高时，强度急剧下降，塑性 性能在升温初期急剧下降，当温度较高时又有所回升一方面温度较高 时材料塑性较低温时高，另一方面析出的碳化物开始溶解因此，4 5 m n 铜的强度、塑性、韧性、硬度这几方面的性能随温度的升高而发生变化 是互相关联的 9 ) 4 5 m n 钢的切割性能：切割性能应根据组织形态、磷共晶的数量、 碳化物及再加热温度和持续时问的关系，采取不同措施。 1 0 ) 4 5 m n 钢的锻造性能：用以提高钢的力学性能和耐磨性，热状 态下的锻压可以在9 5 0 - 1 2 0 0 进行，在此温度范围内锻造的4 5 m n 钢的 内在质量提高，塑性性能、内部组织、力学性能，耐磨性均较好 2 8 4 5 m n 试件的工艺制作过程 锻造一调质一堆焊一加工一机械性能测试一金相分析一扫描电镜 分析一试验数据处理 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 试验过程 3 1 试件的制备工艺 3 1 1锻造工艺 1 ) 加热：9 5 0 1 2 0 0 ，在此温度范围内锻造的4 5 m n 钢的塑性性能、 内部组织、力学性能、耐磨性均较好试件进行锻造时，起始温度在 1 1 5 0 - 1 2 0 0 2 ) 锻成：尺寸3 3 0 1 2 5 x62 5 ( 1 件) ；尺寸03 0 1 2 5 ( 3 件) ； o 3 0 7 5 ( 6 件) ，不允许有折痕、夹渣、裂纹等锻造缺陷 3 ) 正火：8 2 0 8 6 0 ，保温时问3 小时。 3 1 2 熟处理工艺 调质处理4 5 1 i n 试件，调质硬度h b 2 8 0 - 3 2 0 ，熟处理规范如图 圈3 - 1热处理工艺( 淬火) 圈 由上图所示：加热8 5 0 ，保温3 小时。 冷却介质：水、空气 辽宁工程技术大学硕士学位论文 田3 - 2热处理工艺( 圄火) 圉 由上图所示：加热5 3 0 ，保温3 小时 冷却介质：空气 3 1 3焊接工艺 3 1 3 1 堆焊方法及分析 ( 1 ) 堆焊：堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一层具有特定性能材 料的工艺过程。其目的不是为了连接零件，而是在于使零件表面获得具 有耐磨、耐热、耐蚀等特定性能的熔敷金属，或是为了增大或恢复焊件 尺寸而进行的焊接过程它是焊接技术领域的一个重要分支，又是表面 工程中的一个主要技术手段。它的最大优点是充分发挥金属材科的优越 性能，达到节约用材和延长机件使用寿命等目的在矿山机械、冶金、 石油化工、交通运输，农业机械、电站等工业部门的零件制造和修复中 应用广泛 ( 2 ) 应用堆焊技术，必须解决好两个主要问题： 1 ) 正确选用堆焊金属( 或合金) ，为此，必须弄清被焊机件的材质、 工作条件及对堆焊金属使用性能的要求，同时又要熟悉现有的堆焊金属 的种类、性能及其适用范围 2 ) 选定合适的堆焊方法及相应的堆焊工艺，为此，须掌握所选堆 焊方法的工艺特点及其在堆焊时可能出现的技术问题，尤其要解决好堆 辽宁工程技术大学硕士学位论文 焊金属母材之间异种金属焊接的问题。 ( 3 ) 堆焊的主要用途： 1 ) 零件的修复选择合适的堆焊合金材料对已磨损的零件进行堆 焊，可恢复尺寸或局时进一步提高工作面的使用性能，这对降低生产成 本、节约材料、提高使用寿命、减少配件消耗等意义很大如堆焊旧轧 辊的费用仅是新轧辊的3 0 左右，而轧制金属量可比新轧辊成倍提高。 2 ) 零件的制造用堆焊工艺制成双金属零件，可以采用不同于基 体的堆焊材料使表层性能优化，获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特定性能 的工作表面这样，不仅保证了零件有很长使用寿命，而且大大减少了 贵重合金消耗，使设备的成本降低 ( 4 ) 堆焊金属的耐磨性及其磨损类型； 堆焊金属的耐磨性是指堆j 旱金属表面抵抗各种磨损的能力。磨损是 材料在使用过程中，由于表面被固体、液体或气体的机械作用引起的材 料脱离或转移而造成的损伤 磨损主要有四种类型：粘着磨损、磨科磨损、冲击浸蚀和徽动磨损。 了解各种磨损的过程、本质和特点，可以正确地选择堆焊材料 本课题研究的锤头式刮板输送机的刀齿在工作状态所受到的磨损 类型属于上述磨损中的凿削式磨料磨损和冲击浸蚀两种磨损交互作用 因此，本课题侧重于磨料磨损、冲击浸蚀方面的深入研究 1 ) 磨料磨损：是由于外来的金属或非金属磨料粒子的切削造成的 磨损根据作用应力大小可分为低应力磨料磨损、高应力磨料磨损、凿 削式磨料磨损等类型当磨料较粗大，对材料表面产生高应力碰撞，使 磨料切入工件表面，而凿削下大颗粒的金属，形成肉眼可见的深誊槽， 这就是凿削式磨科磨损。对这种磨损宜采用硬度高而韧性好的堆焊合 金对于磨料磨损，堆焊层的耐磨性能决定于该层经磨损一段时间后的 硬度和磨科硬度的比值。如果磨科硬度远高于堆焊层硬度，则发生快速 磨损，反之，则磨损率很低实践表明，当两者硬度相当时，适当提高 辽宁工程技术大学硕士学位论文 嚣 堆焊层硬度，对提高耐磨性最有意义。 2 ) 冲击漫蚀；含有硬颗粒的流体对固体表面高速冲击，使固体表 面产生的磨损称为冲击浸蚀其破坏程度取决于质点的大小、形状、浓 度、速度和冲击角等在小冲击角时，冲击浸蚀是由质点的切削作用产 生，其浸蚀速度取决予工作表面的硬度采用含有大量硬质合金相的过 共晶合金，能有效减缓这种冲击浸蚀；在大冲击角时。质点的冲撞使工 作表面发生变形，从而导致剥离或凹痕因此，宣采用能吸收较多冲击 能而不产生变形或开裂的材料作堆焊金属。 ( 5 ) 堆焊金属的耐蚀性： 金属受周围介质作用而引起的损坏称腐蚀。按腐蚀机理可分化学腐 蚀和电化学腐蚀化学腐蚀是金属与介质发生化学反应而引起的损坏 腐蚀产物在金属表面形成表面膜如果该表面膜致密、完整，强度和塑 性好，线肜胀系数与金属相近，膜与金属的粘结力强等，则表面膜就能 对金属提供有效的保护铝、铬、锌、硅等能生成这样的氧化膜，因而 能减缓金属的腐蚀 电化学腐蚀是金属与电解质溶液相接触时，由于形成原电池而使其 中电位低的部分遭受的腐蚀如金属在潮湿大气中的大气腐蚀、不同金 属接触处的电偶腐蚀等均属电化学腐蚀常用的耐腐蚀堆焊合金有铜 基、镍基、钴基合金和奥氏体不锈钢等 ( 6 ) 堆焊金属的耐冲击性： 金属表面由于外来物体的连续高速度地冲击而引起的磨损称冲击磨 损一般表现为表面变形、开裂和凿削剥离常和磨料磨损同时出现 按金属表亟所受应力大小及造成损坏情况分为三类： 1 ) 轻度冲击：动能被吸收，金属表面的弹性变形可恢复 2