（材料加工工程专业论文）超高硬度堆敷金属强韧化的组织设计.pdf

摘要 本文以冶金行业冷轧工作辊堆焊修复为背景，开发一种强韧化性 能较高的超高硬度抗裂堆焊材料。由于冷轧工作辊要求硬度高( 大于 6 0 h r c ) ，抗疲劳剥落能力强，因此要求堆焊材料不仅硬度高，而且 要具有优良的抗裂性及强韧性。本文在前期工作对堆焊材料合金系统 进行优化的基础上，采用电磁搅拌和微合金化变质处理这两种方法来 进一步提高堆敷金属的韧性。 在焊接工艺方面，本文利用外加电磁搅拌产生的洛仑兹力对焊接 熔池进行搅拌。电磁搅拌使堆敷金属组织细化、打碎网状碳化物，减 小夹杂物粒度大小，提高堆敷金属组织的化学成分均匀性，最终改善 了堆敷金属的韧性，使堆敷金属的冲击功提高2 7 7 。 在焊接冶金方面，本文在优化基础合金系统c c 卜m o w v 的基 础上，分别或复合添加t i 、n b 、t a 三种变质剂，通过微合金化变质 处理来促进异质形核，使基体组织得到细化，改善碳化物的形态、分 布，从而达到提高堆敷金属韧性的目的。 研究证明，采用电磁搅拌技术和微合金化变质处理可有效地改善 堆敷金属中的组织和强韧性。 关键词：超高硬度堆焊材料碳化物电磁搅拌变质处理 韧性 a b s t r a c t b a s e do n r e p a i r i n gt h ec o l dw o r k i n g r o l li nt h ef i e l do f m e t a l l u r g y , t h i sa r t i c l ei s t od e v e l o pak i n do fm a t e r i a lw i t hs u p e rh a r d n e s sa n db e t t e rt o u g h n e s s d u et ot h e s t r i c td e m a n df o rt h es u p e rh a r d n e s so v e r6 0h r ca n dc r a c kr e s i s t a n c ef o rt h ec o l d m i l lw o r k i n gr o l l ，t h ep i l e dm a t e r i a lm u s tb ep r o v i d e dw i t hn o to n l ys u p e rh a r d n e s s b u ta l s oc r a c kr e s i s t a n c ea n db e t t e rt o u g h n e s s b a s e do i lt h ef o r m e r l yr e s e a r c ha b o u t t h eo p t i m i z a t i o nf o rt h ep i l e dm a t e r i a l ，t h i sa r t i c l ew i l ld i s c u s sh o w t oi n c r e a s et h e t o u g h n e s s o ft h ep i l e dm e t a lo nt h ec o n d i t i o no fh a v i n g s u p e rh a r d n e s st h r o u g h e l e c t r o m a g n e t i s ms t i r r i n ga n d m o d i f i c a t i o n o nt h ew e l d i n gt e c h n o l o g ya s p e c t ，i no r d e rt oi n c r e a s et h et o u g h n e s s ，t h ea r t i c l e d i s c u s e st h ee f f e c to f t h el o r e n t zf o r c ew h i c hw i l ls t i rt h ew e l dm o l t e n p 0 0 1 t h i sk i n d o fe l e c t r o m a g n e t i s m s t i r r i n ge a r lr e f i n et h ec r y s t a l g r a i na n dm a k et h ec a r b i d en e t b r o k e n ，d e c r e a s et h es i z eo ft h et r a p p e do x i d ea n di m p r o v et h eh o m o g e n e o u so ft h e c h e m i c a lc o m p o n e n t ；s ot h a tt h et o u g h n e s sw i l lb ei n c r e a s e d ，t h et o u g h n e s sh a sb e e n i n c r e a s e d2 7 7 o nt h ew e l dm e t a l l u r g ya s p e c t , a f t e rt h eo p t i m i z a t i o no ft h eb a s i ca l l o ys y s t e m i n c l u d i n gc ，c r , m o ，w ，v ，s o m em o d i f i c a t o r ss u c ha st i ，n b ，t aa r ea d d e di n t ot h e w e l d i n gw i r e t h r o u g hm o d i f i c a t i o nt h es i z eo ft h eg r a i nw i l ld e c r e a s e ；t h es h a p ea n d d i s t r i b u t i o no f t h ec a r b i d ew i l lb ec h a n g e d ；s ot h a tt h e t o u g h n e s sc a nb ei m p r o v e d k e y w o r d ： s u p e r h a r d n e s s p i l e d - w e l d m a t e r i a l c a r b i d e e l e c t r o m a g n e t i s m s t i r r i n g m o d i f i c a t i o n t o u g h n e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茎或其他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。 一“- 、 学位论文作者签名；二。二、a 、吁、 签字日期：& 。； 年f2 月z6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 、 无小曾、 导师签名印 签字日期：z 。哆年j 王月29 日 签字日期：努字年z 月卯日 第一章绪论 1 。1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 中国钢铁现状和冷轧板带生产及市场分析 2 0 0 2 年，中国钢铁产量达到1 8 1 0 s t ，表观消费量达到2 1 1 0 s t ，遥 居世界首位，也是我国历史上钢铁材料生产和消费的最高历史纪录。这 是中国经济及市场高需求的反映，说明钢铁材料对经济发展和社会需求的 重要性。我国加入w t o 后，极大地促进我国钢铁企业全面与国际市场接 轨，以市场为导向，搞好钢铁行业的组织结构优化、产业结构优化；另外还 通过引进世界先进的工艺技术和设备等带动生产工艺和技术装备结构的 工艺。 但是我国钢铁生产及供求中一个突出的问题是，在一些高附加值钢材 品种中国内企业缺乏竞争力，市场占有率低。冷轧板是目前我国钢材供需 矛盾最为突出的品种之一，许多关键品种难以解决，主要表现在力学性能 和表面质量上有差距。普通精度的钢带表面，除允许有深度或高度不大于 钢带厚度允许偏差的个别凹面、凸块、压痕、结痕、纵向刮伤或划伤、以 及轻微的锈痕、粉粒的氧化皮薄层外，不得有其他缺陷。较高精度的钢带 表面，除允许有深度或高度不大于钢带厚度允许偏差之半的个别凹面、凸 块、压痕、结痕、纵向刮伤或划伤，不得有其他缺陷。高附加值钢材中有 关冷轧板带材品种的市场占有率问题尤为明显。根据1 9 9 9 年我国钢铁生 产的统计数据，我国冷轧薄板生产6 8 8 1 0 8 t ，其中冷连轧生产量5 4 6 1 0 。t 吨，可逆冷轧带钢轧机生产冷轧钢带8 2 4 1 0 5 t ，1 9 9 9 年我国进口冷 轧板4 6 0 1 0 6 t ，镀层板2 3 0 x1 0 s t ，冷轧不锈板5 2 3 x1 0 5 t ，迸口带钢6 7 0 x 1o s t 。我国冷轧板1 9 9 9 年表观消费1 3 5 1 0 7 t 吨，其中国产6 8 7 1 0 6 t ， 进口6 9 0 x1 0 6 t ，出口2 5 x1 0 5 t ；我国冷轧板生产能力8 1 0 x 1 0 6 t ，其中 有竞争力的只有5 4 4 1 0 6 t 。由此可见我国目前市场上最紧缺、进口量最 大的钢材品种基本上都是高质量、高附加值、高技术的扁平材品种，这也 是我国钢铁工业今后5 一l o 年结构调整的重点，主要品种有冷轧薄板、镀锌 板、不锈钢、冷轧硅钢片等。 目前我国已建成的冷连轧带钢机8 套，总生产能力7 1 2 1 0 6 t v ，已 建成的一米以上宽的可逆冷轧带钢轧机1 3 套，总生产能力1 8 0 1 0 6 t v 。 今后几年拟建冷轧带钢轧机的包括4 套冷连轧带钢机设计能力6 8 0 1 0 6 t 第一章绪论 v ，可逆冷轧带钢轧机9 套设计能力5 1 2 10 6 t y 。不断地扩建、增减冷 轧带钢轧机这个高投入的传统工业项目，也可以促进我国钢铁市场对冷轧 带钢的巨大需求。今后五年，我国的钢铁工业将进一步进行结构调整，建 设一批新的项目和生产线，加快企业的技术改造。目前加快对武钢、邯钢、 首钢和珠江新的冷轧机组建设，使我国的冷轧薄板的生产能力在2 0 0 5 年 将达到1 9 0 x 1 07 t 吨，冷轧薄板的国内市场占有率可达到9 0 以上。 1 - 1 2 冷轧板带技术发展对轧辊提出的新要求 为了满足如此庞大的冷轧板市场需求，这对我国轧钢行业的轧制技术 提出了巨大的挑战。而轧辊是钢材轧制的一个关键的部件，它的好坏直接 影响了轧制板材的质量。轧机对轧辊的要求的基本指标是，轧辊的耐磨性 好、强韧性高、尺寸精度高、表面粗糙度始终以及各种性能的均匀分布等。 为提高轧材的质量、精度，以带钢轧制为例交叉轧制( p c 轧机) 、多辊轧 机技术、低温及高压力下轧制技术等以及更加苛刻的工作条件对轧辊的耐 磨性、强度及韧性等性能都提出了更高的要求，因此轧钢技术进步对轧辊负 载能力提出了更高的要求。 轧辊作为轧机的主要消耗备件，其使用效果是轧辊材质与制造质量、 轧制条件与轧辊服役过程以及轧辊管理等诸多因素的综合体现，因而提高 轧辊综合使用效果是生产者和科研人员的责任和目标。 1 1 3 轧辊消耗情况及破坏形式分析 在冶金行业t 轧辊在轧机上的使用条件是非常苛刻的，轧辊的使用环 境也是非常恶劣的。条件苛刻是指轧机对轧辊的材质、尺寸精度、位置精 度、表面粗糙度以及轧辊整体的力学性能、热处理性能等都有很高的要求， 以保证轧材的横向和纵向的尺寸精度的要求；由于产品板形需要，轧辊的 辊面形状调整使得轧辊结构愈加复杂，同时轧辊还要与不断增长的轧机效 率相匹配，满足生产企业降低成本，增加效率的要求。轧辊使用条件恶劣 是指轧辊在高温、高负荷、高冲击、高速度的条件下运行：轧辊消耗是指 轧辊在轧制过程中因磨损、变形、断裂等因素失去使用功能而造成轧辊报 废。轧辊的消耗与轧辊的制造因素有关，包括轧辊选材、热处理不当或存 在缺陷；也与轧辊的使用有关，如操作不当、严重过载、轧制温度过高以 及轧机状况不良等，也可能是两者的综合。 常见的几种轧辊破坏形式 2 1 ： ( a ) 断裂 第一章绪论 断裂前有塑性变形和变形能的消耗称为韧性断裂，断裂无宏观塑性变 形称脆性断裂。断裂的发生与轧辊材料的韧性以及强度有关，目前轧辊材 判的强度在不断提高，但韧性却往往被降低了，因而导致低应力破坏；另 一方面轧辊在制造时，不管冶炼过程控制多么严密，材料内部还难免带着 一些氧化物或其它杂质；铸锻过程中内部有裂纹或空隙：焊接或热处理过 程中产生的内应力也可能形成裂纹；加工过程中的擦伤、划伤以及毛刺或 缺口。轧辊在外载荷作用下，或是从某一缺陷处开始，或是从受力最大处 开始形成微小裂纹，这些裂纹在外力的作用下逐渐扩大，直到最后断裂。 对于轧辊来说，工作辊表面疲劳断裂是导致轧辊消耗的主要形式。 ( b ) 过量变形 轧辊在受载工作时，必然发生弹性变形，当发生严重过载时，将发生 塑性变形。塑性变形会造成轧辊尺寸的变形和形状的改变，这会影响到轧 辊的正确位置，破坏轧辊或部件之间的互相位置或配合关系，使轧辊或设 备不能正常工作；过量的弹性变形还会造成振动使轧辊损坏。此外，轧辊 在高温下工作会发生热变形和热应力，变形将随时间延长而加剧。 ( c ) 表面失效 表面疲劳 由于在轧制过程中，因滑动而产生的压缩应力和剪切应力，重复地作 用在轧辊表层上，就会造成轧辊的表面疲劳。因轧辊的表面疲劳而造成的 损坏过程，有一个时间较长的潜伏期，在此期间，材料承受最大压缩应力 和最大剪切应力区内的重复局部塑性变形，这将导致轧辊表面或内部裂 纹、针孔和剥落。 剥落 剥落是轧辊中经常出现的问题，可以出现在任何轧机和轧辊上，当最 大剪切应力正好作用在轧辊表面下，超过轧辊外壳材料的机械强度时，则 会出现剥落。剥落通常在与轧辊面成3 0 。到4 5 0 角处，在周期载荷作用下扩 散。轧辊表面冷作硬化层使轧辊材质变得更脆，从而形成剥落的可能性越 大。 磨损 磨损是轧辊最主要的消耗形式，磨损损坏了轧辊的工作表面，影响轧 辊的机械功能。磨损的形式很多，这是因为一种现象往往是几种机理的综 合作用，同时由于材质和工作条件不同，使表现出的现象更为复杂。铸铁 的冷轧工作辊和支撑辊倾向于粘着磨损，高温下还伴有氧化磨损；冷却和 润滑介质也可能引起不同的化学磨损( 腐蚀磨损) ， 第一章绪论 粘辊 粘辊是轧材和辊面因局部过烧而粘结在一起时所引起的缺陷，在轧材 与轧辊脱离后，辊面呈现薄层剥落或热冲击裂纹。粘辊多在轧制带材时发 生，在冷轧带钢生产中最为常见。如发生短带、缠辊、折叠等事故时，局 部压力过大，温度急剧上升。在此高温、高压条件下轧材与轧辊很容易粘 焊在一起，粘辊属于表层损伤，经磨削可以除去。在发生粘辊事故较多的 机架上，可考虑用高铬铸铁轧辊代替半钢轧辊。 压痕 压痕是辊面在一定范围内的凹陷变形，常在冷轧工作辊和热轧轧辊上 出现的。造成压痕的原因多在轧制操作方面，如异物进入辊缝及冷轧带岗 尾部褶皱或焊缝不良等，轧辊在使用后期最易发生压痕，此时辊面硬度随 辊径减小而下降，抗变形能力减弱，因此当冷轧带钢工作辊低于规定硬度 值( 如8 5 h s ) 时即应重新淬火，辊面局部产生软区，也可能在此处出现压 痕。因压痕常被当作轻微损伤而忽视，从而造成带材的辊印等缺陷，当发 现这种情况时，应及时换辊并经磨削清除，以免造成更大的损失。 1 i 4 轧辊修复技术 随着我国钢产量不断提高，轧辊消耗不断加快，轧辊需求日益增加、 而辊耗作为产品生产成本和效率的一个重要因素，又是大家非常关注的问 题，如果轧辊使用寿命低，造成了消耗量大，设备鼓涨率高，对冷轧带钢 生产会有很大影响。因此随着冷轧板带生产的发展，冷轧辊市场的需求也 会大大增大，在轧辊等备件的修复、强化和预保护方面的深入研究是值得 更多地开展。 轧辊堆焊修复技术是选用理想的堆焊材料( 药芯焊丝、药芯焊带、实 心焊丝、焊条、焊剂) 在车削过的旧轧辊上或韧性较好辊芯上用各种堆焊 方法制造或修复轧辊，通过堆焊，可修复轧辊使其重复利用，从而延长轧 辊寿命，提高轧机作业率；还可改善其综合使用性能，提高轧辊耐磨性和 热疲劳性，提高轧材产品的质量。此技术属于成本低、设备简单的修复方 法，又具有很高的实用性。 该技术同样也是复合轧辊的生产手段之一，可用于新型复合轧辊的制 造，使其轧辊基体和工作表面分别满足轧制时的各项性能，达到提高轧辊 使用寿命、降低成本的目的，还可减少轧辊的热处理工序，提高成品率， 降低轧辊消耗。 轧辊的可焊接性取决于轧辊的材质，c o 8 的轧辊最容易堆焊； 4 第一章绪论 o 8 6 0 h r c ) 和耐磨性，另一 方面要具有一定的冲击韧性。为了获得合乎要求的堆敷金属，本课题组通 过大量的优化试验，已经研究出具有超高硬度的药芯焊丝，但是韧性仍然 不是很理想。通过认真分析发现，在轧辊堆焊层中由于c 及碳化物形成w 、 m o 、c r 、v 等的偏析，在堆敷金属组织晶界上形成大量的粗大网状碳化物。 网状碳化物严重割裂集体，可作为轧辊堆敷金属断裂时的裂纹源和裂纹扩 展的途径，从而导致晶界脆化，大大降低了敷层金属韧性和耐磨性能。 第一章绪论 因此以本课题组己研制出的药芯焊丝为基础，以提高堆敷金属韧性为 目的，本文分别从工艺和冶金两个方面着手，通过电磁搅拌和微合金化变 质处理两个途径，其共同的目的都是通过细化晶粒，减少网状碳化物，在 保证堆敷金属超高硬度的前提下，提高堆敷金属的韧性，使堆敷金属实现 超高硬度、强韧化、均匀化、堆敷金属不产生裂纹。因此本文研究的内容 包括： 1 埋弧堆焊工艺方面，通过外加电磁搅拌来提高堆敷金属性能，主要 有以下几个方面内容： a 确保堆敷金属应具有超高硬度、抗裂性以及硬度均匀性； b 研究出外加纵向磁场对焊缝组织、性能以及夹杂的影响规律； c 优化出与焊接工艺匹配的最佳纵向磁场参数： 2 在埋弧堆焊冶金材料方面，通过在堆焊药芯焊丝中添加变质剂的 方法来提高堆敷金属的性能。 为了改善堆敷金属韧性，主要向药芯焊丝中添加微合金元素作为变质 剂进行变质处理，改变其含量来控制变质效果，研究变质剂对堆敷金属的 组织和性能的影响。 综合上述研究内容，结合生产实际，冷轧辊堆敷金属的技术指标确定 为： ( 1 ) 具有超高硬度，大于6 0 h r c ： ( 2 ) 具有较高的韧性，大于9c r 3 m o 辊材基体的韧性 ( 3 ) 堆敷金属不能产生任何裂纹 第二章试验材料与方法 2 1 试验材料 2 1 i 焊丝 第二章试验材料与方法 ( 一) 焊丝的选择 由于对堆焊金属的硬度、耐磨性、强韧性的要求相当苛刻，本课题组 早期研制的用于修复冷轧工作辊的g 1 0 焊丝，这种焊丝以c c r m o w v 为 合金系统，进行埋弧堆焊试验堆敷硬度能够达到5 9 5 h r c ，冲击功为6 3 j 。 因此本文根据前期的合金系统g i 0 焊丝的配方为出发点，通过添加变质剂 而得到新的焊丝；在电磁搅拌埋弧堆焊试验中，直接采用g 1 0 焊丝作为试 验用焊丝。 ( 二) 轧制工艺 i 工艺方法的选择 目前国际上药芯焊丝的生产主要有三种： ( 1 ) 用线材轧制成型药芯焊丝 ( 2 ) 无缝药芯焊丝 ( 3 ) 用钢带直接进行轧制成型 本文选择第3 种药芯焊丝的轧制方式。 2 药芯焊丝的制造 本文设计的药芯焊丝是在引进美国的药芯焊丝生产线上进行制造的， 该生产线是用钢带直接进行轧制成型的，其生产工艺流程图如图2 - i 所示： 图2 一l 药芯焊丝生产工艺流程图 为了保证药芯焊丝的质量，在药芯焊丝的生产过程中要解决以下几个 问题： 9 第二章试验材料与方法 ( 1 ) 钢带去油污； ( 2 ) 药粉的均匀性； ( 3 ) 保证填充系数； ( 4 ) 药芯焊丝的密封性； ( 5 ) 药粉的窜动问题； ( 6 ) 焊丝表面质量； ( 7 ) 拔丝速度的控制问题； ( 8 ) 焊丝减径的控制。 解决了上面的技术问题后，用药芯焊丝配方可制造出高质量的药芯焊 丝。焊丝挺度好、密封性好、表面光洁，根据配方称取原料。轧制的工艺 参数为：钢带厚6 = 0 5 m m ；钢带宽w = 1 0 o m m ：卷丝模直径d d - 3 5 m m ；焊丝 直径d = 3 o m m 。 2 1 2 试板 本试验采用9 c r 3 m o 钢作为堆焊试板，将9 c r 3 m o 板材制成2 0 0 m m 1 0 0 m m 3 0 m m 试板。试验时，沿试板长度方向( 2 0 0 m m ) 堆焊，每道堆焊长 度不少于1 9 0 m m 。焊5 层，共1 9 道：第l 层5 道；第2 层4 道；第3 、4 、 5 层，每层3 道。在保证堆敷金属有足够层高的同时，还应保证堆敷金属 的有效宽度在5 0 m m 左右。热处理完成后，用砂轮将焊道打磨干净，然后 在线切割机上加工。为了避免焊接时起弧、收弧造成的焊接缺陷，切割时 应使切割试件处在起弧、收弧处之间的中间段，距离收弧端4 0 m m 以上。 2 1 3 焊剂的选择 当焊丝确定以后，配套用的焊剂则成为关键材料，它直接影响焊缝金 属的力学性能( 特别是塑性和韧性) 、抗裂性、焊接缺陷发生率及焊接生 产率等。焊剂碱度是标志焊剂冶金性能、工艺性能的关键技术指标。焊剂 碱度过低或过高，其冶金和焊接工艺性能都会恶化。采用碱度小的焊剂焊 接时所得到焊缝金属的韧性抗裂性差，但脱渣及抗气孔等工艺性能良好。 碱度高的焊接冶金性能好，但工艺性能不良，在多层焊时容易造成夹渣。 在合适的范围内，碱度的提高有利于焊缝金属的脱硫、脱磷和脱氧，使有 害杂质含量下降，从而使焊缝金属的韧性提高。 针对本文研究药芯焊丝体系中高合金含量特点，配套埋弧焊剂必须具 备下面三点要求： l _ 氧化性小，金属过渡系数高； 第二章试验材料与方法 2 低氢、低硫磷，抗冷裂、热裂能力强； 3 工艺稳定，易脱渣，成形好。 因此本文选择型号h j l 0 7 焊剂，h j l 0 7 是熔炼型焊剂，为兰灰色至深灰 色浮石块颗粒，粒度为1 0 一6 0 目，属于碱性焊剂，合金过渡系数高，h j l 0 7 焊剂参考成分如表2 - 1 。试验发现，采用h j l 0 7 焊剂，同时启用直流电源， 焊丝接正极，h j l 0 7 配套堆焊工作层时，脱渣容易，成形好，无气孔裂纹 等缺陷发生，广泛用于轧辊堆焊中。 表2 1h j l 0 7 焊剂参考成分( ) ls i o ：c a f 2c a o + m g c i i sp l4 2 5 4 3h z 时，组织细化程度不明 显，甚至会变得粗大，堆敷金属性能反而不如不加电磁搅拌。其主要原因是当频 率f 值过大时，由于熔池液态金属的机械惯性，电磁搅拌力受到的阻力增大，甚 至不能产生节奏一致的搅拌运动，因此搅拌效果变差，一次结晶组织反而变得粗 大；当f 值过小时，每一周期内洛仑兹力单向摆动的时间过长，熔池液态金属虽 然能产生一致的运动，但不能产生有效摆动，搅拌效果不明显。综上所述，对于 第三章电磁搅拌对堆敷金属层组织和性能的影响 超高硬度埋孤堆焊，外加磁场的最佳匹配磁场频率是3 h z 。资料表明1 1 5 】，对于不 同的焊接工艺、焊接材料，外加磁场的最佳交变频率各不相同，对于电磁搅拌铝 合金焊接，最佳频率为5 h z ：对于管线钢的埋弧堆焊，其最佳频率为6h z ；埋弧 自动焊2 0 9 钢时，其最佳磁场频率值为2 h z 。 3 4 2 磁感应强度的影响 磁感应强度决定了磁搅拌力的大小，它也会影响堆敷金属的成形以及其组织 的细化程度。磁场交变频率为f = 6 h z ，磁感应强度分别为8 0 m t 、1 1 5 m t 、1 5 5 m t ， 所得到的堆敷金属显微组织，见图3 - 9 。当b = 8 0 m t 时，堆敷金属的一次结晶组 织有所细化；当b = 1 1 5 r o t 时，枝状晶变得杂散，方向性变弱，一次结晶组织的 细化效果显著；当b = 1 5 5 m t ，由于搅拌力过大，在晶界上堆积许多碳化物，晶 界强度减弱而产生裂纹。 a ) j 4 ( f = 6 h z ，b 2 8 0 m t )b ) , j 3 ( f = 6 h z , b 2 1 1 5 m t ) c ) j 2 ( f = 6 h z , b 2 1 5 5 m t ) 图3 - 9 磁感应强度对堆敷金属结晶组织细化效果的影响5 0 0 研究表明，在一定范围内较高的磁感应强度有助于晶粒细化，但若磁感应强 度过高，熔池和电弧运动激烈，焊缝成形也会变差，严重者还会形成起皱焊道， 所以磁感应强度应有上限。 试验发现，只要b 1 3 0 m t 焊缝成形就不会明显变差。磁感应强度也不能过 低，否则产生的磁搅拌力较小，熔池液态金属的间歇性运动较弱，导致细化效果 不明显。磁感应强度值也应根据被焊材料的性质、焊接方法、热输入和其他磁场 参数来确定，一般在8 0 1 2 0 m t 范围内。针对本文而言，当b = 1 1 5 m t 细化效果 最为明显。 3 4 3 磁场参数的匹配 磁场参数，即磁感应强度b 和磁场交变频率f ，对电磁搅拌效果影响很大， 而这两个参数不能单独选择，两者之间必须有一个恰当的匹配，才能获得最佳细 化效果。一般说来，当所选用的f 较高时，b 值应适当加大，反之当b 值较小 时，f 适当降低，才能达到同样的搅拌效果：磁感应强度不能过小，太小磁搅拌 第三章电磁搅拌对堆敷金属层组织和性能的影响 力不明显，也不能太大，否则焊缝成形较差，而且容易产生裂纹。另一方面，磁 场参数还必须与焊接工艺参数( 如焊接电压、电流、焊接速度) 、焊接材料有关， 因为热输入决定了熔池尺寸的大小；当焊接速度较快时，搅拌频率应适当提高， 以便“波纹”间距较小。当然这些参数均有一定的调节范围，即有一定的最佳参 数范围。本课题发现对于超高硬度堆焊的电磁搅拌，最佳匹配参数为：频率为 3 h z 、强度为1 1 5 m t 。 3 5 小结 本章研究了将电磁搅拌应用于超高硬度埋弧堆焊中，首先论述了电磁搅拌使 堆敷金属层组织形态发生了明显的变化，打碎了碳化物网，使碳化物弥散分布， 同时使基体组织得到细化；然后描述了电磁搅拌对熔池里非金属夹杂物所起的作 用，对夹杂产生了非常强烈的搅拌作用，打碎了大尺寸的非金属夹杂物，使其数 量减少，而尺寸小于0 5um 的夹杂物数量增加；同时电磁搅拌能够提高堆敷金 属组织中晶界、晶内成分均匀性；电磁搅拌能明显改善堆敷金属的硬度、韧性； 最后分别讨论了磁场参数b 和f 对电磁搅拌效果的影响规律，并得到了与焊接工 艺相匹配的最佳电磁搅拌参数，仁3 h z 、b = 1 1 5 m t 时电磁搅拌效果最好。 第四章变质处理对堆敷金属组织和性能的影响 第四章变质处理对堆敷金属组织和性能的影响 4 1 前言 4 1 1 变质处理现状 近几十年来，在钢铁冶金行业中，为提高各种钢材的性能，尤其是韧性，人 们进行了多种尝试，其中变质处理是改善韧性的一个有效方法。最明显的莫过于 在铸造合金中加入稀土、镁、钙、钛、锆、硼、铌、钽等元素，对其进行变质处 理，通过变质处理来改善铸造合金的微观结构，而不同的变质剂具有不同的作用 效果： ( 1 ) 钾、钠 钾、钠非常活泼，极易氧化和挥发，和氧的亲和力强，比重小、易直接加入 金属液中，具有很强的脱氧、脱硫能力，使得低熔点的硫、氧化物不能在晶界聚 集，晶界大大净化，有效减小杂质的数量，使结晶核心周围过冷度均匀。碱金属 的熔点低，原子半径大，是表面活性元素，吸附在碳化物与奥氏体的界面上，造 成较大的成分过冷，有利于离异共晶的形成，改变碳化物的结晶惯习面，从而使 得基体及碳化物晶粒各个方向生长的几率相等，使得碳化物生长形状趋于团球 状。近年来发现钾、钠在改善铸铁性能方面效果明显，同时又开发了以钾、钠为 主要变质元素复合变质剂用于高速钢的变质处理。 ( 2 ) 铝、硅 a l 、s i 在铁液中均有提高碳元素活度的作用，促进碳化物的形核和断网，硅 促进碳化物的形成，随着硅量的增加，钢液相线温度、包晶反应温度均降低，当 硅量超过3 时，奥氏体从铁素体中析出与共晶反应几乎同时发生。硅在 c r l 2 m o v 钢中进入m 7 c 3 晶格，并使m 7 c 3 晶格常数降低。 ( 3 ) 稀土【1 7 】 稀土在钢中主要偏聚在晶界上，具有减轻碳及其他合金元素向晶界的偏析， 净化晶界，减少加杂物的数量，从而改善加杂物得形貌和分布的作用，在凝固过 程中，强烈吸附在碳化物的某些生长表面上，阻碍共晶碳化物的生长，有利于共 晶碳化物的断网和孤立化。将稀土加入高速钢中，具有脱硫、除气的作用，同时 稀土和液态金属反应生成的细小粒子，加速凝固的形核作用，表面活性稀土元素 在流动的晶体表面形成吸附原子薄膜，降低流动粒子的速度，稀土元素的这些特 性能细化高速钢的晶粒，限制树枝晶偏析，提高力学性能和耐磨性，因此变质剂 中还加入适量稀土。但加稀土的副作用是带来夹杂，为了既能充分发挥稀土的有 第四章变质处理对堆敷金属组织和性能的影响 益作用，又能克服其副作用，我们用钇基重稀土取代常用的铈基轻稀土。采用钇 基重稀土可获得比重较小的脱氧、脱硫产物，以利于其上浮，铈基轻稀土的脱氧、 脱硫产物以c e 2 0 2 s 计，密度为4 2 5 9 c m 。可见，后者的上浮速度较前者增加一 倍，这是使用钇稀土减少对钢污染、获得洁净组织的重要原因。研究发现，稀土 能降低m c 碳化物的共晶温度，促进m 6 c 的形成。 ( 4 ) 钛 t i 可以改善共晶碳化物的形态和分布，使高速钢的枝晶组织得到细化。高速 钢在凝固时，共晶碳化物呈网状分布，严重恶化性能，为了改善高速钢的铸态组 织，通常采用反复锻造法破坏共晶体，改善碳化物分布，提高材料的性能，锻造 法会使原来的网状碳化物转变为带状组织，但碳化物偏析仍不同程度存在，尤其 当锻造比较小时，钢材心部共晶碳化物不易被完全打碎。对于铸态高速钢刀具共 晶碳化物偏析将直接影响其使用性能，随着t i 加入量的增加高速钢凝固组织中 莱氏体量减少，块状碳化物增加，当t i 含量继续增加，可基本消除高速钢中的 网状共晶莱氏体，碳化物呈块状弥散分布。但是过量的t i 的加入将使高速钢中 碳化物增加，基体中碳量降低，使高速钢的红硬性和硬度降低【1 8 ” 。例如m 2 高 速钢( w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ) 中加入t i 可以增加等轴晶，减少共晶量，当w ( t i ) 大于 1 2 时，可以显著地改善碳化物分布【2 ”。 ( 5 ) 铌 用适量的n b 变质处理m 7 高速钢刀具的切削寿命达到锻造m 7 高速钢的 9 5 ，但生产成本比锻造状态下显著降低 2 1 。p r b e e l e y 向t 3 和m 2 铸造高速钢 中加入4 o 左右的v 、n b ，并同时向高速钢中加入相应的平衡碳量，对高速钢 进行变质处理可以使高速钢铸态组织中块状m c 碳化物大量增加，经淬火处理后 碳化物呈粒状弥散分布，变质处理后，过量碳化物的引入可能会引起韧性的降低 阻j 。离心铸造高速钢轧辊偏析的碳化物，严重影响轧辊耐磨性，在给定的工艺 条件下加入最佳比例的n b 和v ，可以改善碳化物的形态。在高碳高钒系高速钢 中加入n b 和v 进行复合变质处理，促进了新型过共晶高速钢中弥散分布的颗粒 状碳化物组织的形成，从而改善其组织形态和耐磨性能。 ( 6 ) 钽 钽和铌在稀有金属元素周期表中属于同族元素，它们的物理和化学性质很 相似，常被人们称为金属中的“孪生兄弟”，因而同样可以作为变质剂。它们的 熔点分别为2 4 6 8 c 和2 9 9 6 c 。钽与碳在一定条件下形成碳化钽，呈金黄色、其 熔点为3 9 0 0 。c ，是最难熔的化合物之一。在冶金工业中，钽主要用于制造耐高 温的合金钢以提高钢的强度】。在冶炼碳素钢时，只需添加万分之几的钽作为 变质剂，便可以使钢的强度提高三分之一以上。 第四章变质处理对堆放金属组织和性能的影响 4 1 2g 1 0 焊丝的堆敷金属组织分析 钢轧辊制造和使用过程中出现的局部缺陷修复，经济意义颇大。为了满足冷 轧工作轧辊苛刻的工况要求，整体堆敷金属硬度一般要求大于6 0 h r c ，同时具 备一定的抗冲击韧性，从而使堆焊修复难度显著增大。本课题组通过计算机优化 设计得到以c c r m o w v 合金系统的焊丝g 1 0 ，硬度虽然能够满足需求，同时 也具有一定的抗裂性，但是由于其抗冲击韧性偏低，因此如何提高堆敷金属的韧 性是埋弧堆焊修复的一个重要环节。强韧化机理是一个范围很广的范畴，在堆敷 金属中存在各种各样的相，每一个相都会对强韧性做出贡献，有的正面影响，有 的负面影响【圳。尽管人们对强韧化机理做出了大量研究，但由于其复杂性，至 今尚有许多问题还不清楚，下面就针对本系列堆焊修复冷轧工作辊做具体分析。 本系列试验采用g 1 0 焊丝，含碳量虽然只有o 4 o 7 ，但由于含有大量的 合金元素，所以在埋弧堆焊过程中形成的非平衡组织类型来看，这些组织属于高 速钢的组织类型。g 1 0 药芯焊丝经过埋弧堆焊和焊后高温回火处理，最后的到回 火马氏体+ 淬火马氏体+ 合金碳化物。其组织中的碳化物类型主要是m 、m 。c 、m c 等7 2 ，其中m 。e 数量最多；这些类型碳化物中，地c 碳化物呈鱼骨状，地c 碳化物 呈块状或长条状，m c 碳化物呈点状“1 。本系列药芯焊丝利用多种强碳化物形成 元素和碳作用生成碳化物，淬火得到马氏体和残余奥氏体，回火时利用二次硬化 效应提高硬度。堆敷金属的性能取决于其微观组织特征：( 1 ) 碳化物的种类、形 态、体积分数和分布；( 2 ) 基体马氏体的形态( 3 ) 晶粒尺寸大小。堆敷金属的 韧性决定于基体组织马氏体形态和碳化物形态。显然，基体组织韧性差和碳化物 对晶界的脆化是导致现有超高硬度堆敷金属低韧性的主要原因，其中分布在晶界 上的碳化物形态、大小是影响堆敷金属韧性的关键【2 ”。这些碳化物成鱼骨状( ( 如 图4 1b ) 所示) ) ，分布在晶界上呈网状( 如图4 1a ) 所示) ，严重割裂基体， 易造成基体的脆化，从而降低堆敷金属韧性，容易形成裂纹，因此，w 、m o 、 c r 、v 等元素，虽然可以保证堆敷金属硬度，但同时也造成了韧性损失较大。 为了提高堆敷金属力学性能，主要为了提高堆敷金属韧性，因此本文在对药 芯焊丝化学成分配方优化的基础上，针对堆敷金属凝固组织常出现的粗大网状碳 化物会严重损害堆敷金属的性能，研究了向药芯焊丝中添加变质剂进行变质处理 来改变敷金属组织中碳化物形态、大小以及分布，使堆敷金属在保持超高硬度的 条件下韧性得到改善，为超高硬度堆敷金属强韧化处理提供一个新的途径。 变质剂的选择是围绕如何获得大量均匀、弥散分布的m c 型碳化物而展开， 通过前文对以c c r - w m o v 为合金系统药芯焊丝所得到的堆敷金属组织中碳化 物形成特点以及形态的分析，根据该合金系统药芯焊丝的焊接工艺条件和热处理 情况，本文选择钛、铌、钽作为变质剂，通过变质处理来达到细化晶粒和改变碳 箱列章变质处理对堆敷金属组织和性能的影响 化物的大小、形态、体积分数、分布，最终改善堆敷金属的性能。 曲晶界网状碳化物 b ) 鱼骨状碳化物 图4 1g 1 0 丝焊缝的碳化物组织形态 4 2 变质处理 4 2 2 试验方案与数据 本系列试验以g 1 0 药芯焊丝的配 方为基础，在其他含量不变的情况下，选定 t i 、n b 、t a 三种微合金元素作为变质剂进行 试验。在具体的试验操作过