（材料加工工程专业论文）石墨型双熔敷极耐磨堆焊焊条的研究.pdf

一 原创性声明 f i l ff l fi i iir l i rfi lli if 17 9 3 3 8 8 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 其他个人或集体己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 邃 勉丝日期 竺 里 幺一 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 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 之鱼拯勰师签名 目录 摘要 v i i 第一章绪论 1 1 1 引 言 1 1 2 双熔敷极焊条电弧焊 2 1 3 课题的国内外研究现状 3 1 3 1 耐磨堆焊焊条 3 1 3 2 双熔敷极焊条电弧焊研究现状 6 1 4 熔敷层增强相的选择 7 1 4 1 概述 7 1 4 2 碳化钛和碳化钒 8 1 4 3 碳化铌 1 0 1 5 课题研究的目的及主要内容 1 2 1 5 1 课题的研究目的 1 2 1 5 2 课题研究内容 1 2 第二章试验材料 设备及内容 1 4 2 1 试验材料 1 4 2 1 1 母材金属 1 4 2 1 2 焊芯及药皮组成 1 4 2 2 石墨型双熔敷极耐磨堆焊焊条的制作 1 6 2 3 试验设备与方法 1 9 2 3 12 5 吨双熔敷极焊条涂压机 1 9 2 3 2 焊接及击穿试验设备与方法 2 0 2 3 3 组织 性能测试设备及方法 2 0 第三章石墨型双熔敷极耐磨堆焊焊条绝缘性的研究 2 2 日录 3 1 概述 2 2 3 2 石墨型双熔敷极耐磨堆焊焊条绝缘性的影响因素 2 3 3 2 1 石墨型双熔敷极耐磨堆焊焊条药皮中导电颗粒粒度的确定 2 3 3 2 2 石墨型双熔敷极耐磨堆焊焊条焊芯间距的确定 2 4 3 2 3 石墨型双熔敷极耐磨堆焊焊条水玻璃种类及用量的确定 2 5 3 3 石墨型双熔敷极耐磨堆焊焊条的击穿机制 2 6 3 4 导电颗粒粒度 焊芯间距 水玻璃种类对焊条质量影响的综合分析2 8 3 5 本章小结 2 9 第四章t i c v c 石墨型双熔敷极耐磨熔敷层制备 3 0 4 1 熔敷层碳化物的热力学形成分析 3 0 4 2 焊条配方的选定 3 1 4 2 1 石墨加入量的质量百分比的影响 3 2 4 2 2 钛铁 f e t i 加入量的质量百分比的影响 3 3 4 2 3 钛铁 f e t i 与钒铁 f e v 加入量的质量百分比的影响 3 4 4 3 焊接工艺参数的选定 3 7 4 3 1 石墨型双熔敷极耐磨堆焊焊条电弧电压 3 7 4 3 2 石墨型双熔敷极堆焊焊条焊接电流的确定 3 7 4 4 本章小结 3 9 第五章石墨型双熔敷极耐磨熔敷层组织性能分析 4 0 5 1 单一t i c 颗粒增强石墨型双熔敷极耐磨熔敷层 4 0 5 1 1 熔敷层的组织形貌 4 0 5 1 2 结果分析 4 2 5 2 低药皮重量系数的t i c v c 颗粒增强石墨型双熔敷极耐磨熔敷层 4 3 5 2 1 熔敷层的组织形貌 4 3 5 2 2 熔敷层中碳化物形核机制的分析 4 5 5 3 高药皮重量系数的t i c v c 颗粒增强石墨型双熔敷极耐磨熔敷层 4 8 5 3 1 熔敷层的组织形貌 4 8 5 3 2 熔敷层的基体组织 5 1 l l i 东人学硕卜学化论史 5 3 3 熔敷层的表层硬度 5 2 5 4t i n b v 系石墨型双熔敷极耐磨熔敷层组织和性能 5 2 5 4 1t i n b v 系石墨型双熔敷极耐磨熔敷层组织及形核机制的分析5 3 5 4 2t i n b v 系石墨型双熔敷极耐磨熔敷层的表层硬度 5 6 5 5 本章小结 5 7 第六章结论 5 8 参考文献 6 0 致谢 6 5 攻读硕士期间发表的论文 6 6 l l l 东人学硕 f 学位论文 c o n t e n t a b s r a c t inc h i n e s e v i i a b s t r a c t i ne n g lis h i x c h a p t e r1 p r e f a c e 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2t w i ne l e c t r o d ea r cw e l d i n g 2 1 3t h eo v e r v ie wo fh o m ea n da b r o a d 3 1 3 1h a r d f a c in ge l e c t r o d e 3 1 3 2s i t u a t i o no fs t u d yo nt w i ne l e c t r o d e 6 1 4r e i n f o r c e dp h a s ei nc o a t i n g 6 1 4 1o v e r v i e w 8 1 4 1t i ca n dv c 8 1 4 2n b c 1 1 5p u r p o s ea n dc o n t e n to ft h isp r o j e c t 1 2 1 5 1p u r p o s eo ft h isp r o j e c t 1 2 1 5 2c o n t e n to ft h i sp r o j e c t 1 2 c h a p t e r2m a t e r i a lsa n dm e t h o d su s e di ne x p e r i m e n t 1 4 2 1 e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s 1 4 2 1 1p a r e n tm e t a l 1 4 2 1 2c o r ew i r ea n dc o a t i n go ft w i ne l e c t r o d e 1 4 2 2f a b r i c a t i o no fh i g h c a r b o nh a r d f a c i n gt w i ne l e c t r o d e 1 6 2 3m e t h o d sa n de q u i p m e n t su s e di ne x p e r i m e n t 1 9 2 3 12 5t o nt w i ne l e c t r o d eb e p o w d e r e dm a c h i n e 1 9 2 3 2m e t h o d sa n de q u i p m e n t su s e di nb r e a k d o w nt e s t 2 0 2 3 3m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t ye x p e r i m e n t s 2 0 c h a p t e r3i n s u l a ti v it yo fh i g h c a r b o nh a r d f a c i n gt w i ne l e c t r o d e 2 2 3 1o v e r v i e w 2 2 i v c o n t e n t 3 2e f f e c tf a c t o r so fi n s u l a t i v i t y 2 3 3 2 1g r a n u l a r i t yo fc o n d u c t i n gp a r t i c l e s 2 3 3 2 2s p a c eb e t w e e nt h et w oc o r ew i r e s 2 4 3 2 3t y p e sa n da m o u n to fs o l u b l eg l a s s 2 5 3 3a n a l y s i so fb r e a k d o w nt e s t 2 6 3 4p r i n c i p l eo fe f f e c tf a c t o r s 2 8 3 5s u m m a r y 1 9 c h a p t e r4f a b r i c a t i o no ft i c v ch a r d f a c i n gl a y e r 3 0 4 1t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i so nt i c v ch a r d f a c i n gl a y e r 3 0 4 2i n g r e d i e n t so fe l e c t r o d e 7 sc o a t i n g 3 1 4 2 1g r a p h it ec o n t e n to fc o a t i n g 3 2 4 2 2f e t ic o n t e n to fc o a t i n g 3 3 4 2 3f e t ia n df e vc o n t e n t so fc o a t i n g 3 4 4 3w e l d i n gp a r a m e t e r s 3 7 4 3 1a r cv 0 1 t a g eo fw e l d i n g 3 7 4 3 2w e l d i n gc u r r e n t 3 7 4 4s u m m a r y 3 9 c h a p t e r5t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo fh a r d f a c i n gl a y e r 4 0 5 1s i n g l et i cr e i n f o r c e dh a r d f a c i n gl a y e r 4 0 5 1 1m i c r o s t r u c t u r eo fh a r d f a c i n gl a y e r 4 0 5 1 2o u t c o m ea n a l y s i s 4 5 2l o wt i c v cg r a v i t yc o e f f i c i e n to fc o a t i n g 4 3 5 2 1m i c r o s t r u c t u r eo fh a r d f a c i n gl a y e r 4 3 5 2 2n u c l e a t i o nm e c h a n is m so fc a r b i d e s 4 5 5 3h i g ht i c v cg r a v i t yc o e f f i c i e n t o fc o a t i n g 4 8 5 3 1m i c r o s t r u c t u r eo fh a r d f a c i n g1 a y e r 4 8 5 3 2m i c r o s t r u c t u r eo fb a s e dm e t a l 5 1 5 3 3h a r d n e s so fh a r d f a c i n gl a y e r 5 2 v 山东人学硕l j 学位论文 5 4t h em ic r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo ft i n b vh a r d f a cin g1a y e r5 2 5 4 1t h es t r u c t u r ea n dn u c le a t i o nm e c h a n i s m s 5 3 5 4 2h a r d n e s so fh a r d f a c in g1 a y e r 5 6 5 5 s u m m a r y 5 7 c h a p t e r6s u m m a r y 5 8 r e f e r e n c e 6 t h a n k s 5 p r e s s e da r t i c l el i s ti np e r i o do fs t u d yf o rm a s t e r 6 6 v l i l i 东人学硕i 学化论文 石墨型双熔敷极耐磨堆焊焊条的研究 摘要 双熔敷极焊条电弧焊是一种新型焊接方法 焊接时两个焊芯分别接电源的 两极 工件不接电源 电弧在焊条相互平行绝缘的两焊芯端部形成 利用熔滴携 带的热量熔化母材 因此这种新型的焊接方法具有熔敷效率高 稀释率低 工件 变形量较小和能源消耗少等优点 如果能把双熔敷极焊接技术应用于耐磨堆焊 中 将具有很大的现实意义 本文运用双熔敷极电弧焊原理 丌发了石墨型双熔 敷极耐磨堆焊焊条 利用石墨和铁合会在高温电弧中发生反应 在普通碳钢表面 上堆焊出具有t i c v c 增强相的耐磨熔敷层 通过对其微观组织的分析 研究了 这种新颖焊接方法的增强相形成特点及其合金元素对熔敷层的影响 同时对焊条 绝缘性 焊条药皮配方 药皮重量系数和堆焊参数等方面进行了研究 石墨型双熔敷极耐磨堆焊焊条的绝缘性好坏是其能否运用到耐磨堆焊中的 基本条件 本文首先研究了影响石墨型双熔敷极耐磨堆焊焊条绝缘性的主要因 素 试验研究表明 导电颗粒的粒度 两焊芯间距和水玻璃的种类及其质量是影 响石墨型双熔敷极耐磨堆焊焊条绝缘性的主要因素 在保证焊条焊接工艺的基础 上 当采用粒度为6 0 8 0 目导电颗粒 石墨采用电极石墨 1 6 m m 焊芯问距 药皮干粉同钠水玻璃质量配比适中所制成的双熔敷极焊条绝缘性较好 适当的药皮重量系数 4 5 5 0 条件下 石墨型双熔敷极焊条药皮中的石 墨 钛铁和钒铁的质量百分比在1 0 5 1 5 1 5 2 5 和1 8 2 0 焊芯间距为 1 6 m m 所制成的焊条 在焊接电流为1 8 0 一2 0 0 a 以及对应电弧电压为4 1 4 5 v 堆 焊时 可获得硬度较高 成形良好的熔敷层 文中在双熔敷极焊条药皮中加入石墨 钛铁和钒铁等作为焊接冶盒反应物 并对石墨型双熔敷极耐磨熔敷层中的增强相进行了分析 结果证明 石墨型双熔 敷极耐磨堆焊焊条的特殊结构严重影响到t i 元素的过渡系数 当药皮重量系数较 少 k b 为4 5 5 0 时 熔敷层中形成的t i c 很少 这主要是由于双熔敷极焊条 焊接过程中两焊芯之问的药皮在燃烧的电弧之中 而这部分药皮中又能够产生较 v i i 摘要 多的氧化性气体 增加弧柱区的氧化势 因此 药皮中的钛铁更容易参与氧化反 应 使大量的钛铁在堆焊过程中起到了脱氧作用而被氧化 在熔渣中生成了大量 的钛氧化物 以条状分布在熔渣中 少量的参与原位反应形成t i c 伴随着药皮 重量系数的增加 熔敷层中的t i c 数量增多 钒铁的加入 可以在熔敷层中促进v c 类碳化物粒子的形成 碳化物 主要 是v c 沿晶界分布 主要以块状 短棒状存在 且不同熔敷层中碳化物的数量 尺寸不同 药皮重量系数也是影响熔覆层中碳化物数量的重要因素 随药皮重量 系数的增加 t i c v c 等碳化物数量明显增多 熔敷层基体组织为低碳马氏体和 残余奥氏体 表层硬度超过h r c 5 5 远远大于基体硬度 但过高的药皮重量系数 使得焊条的焊接工艺性变差 较佳的石墨型双熔敷极耐磨堆焊焊条的药皮重量系 数应控制在7 0 为宜 铌铁加入的熔敷层中发现 碳化物主要是以块状存在 由于t i c n b c v c 的 形成温度 晶格结构以及n b t i v 原子的扩散能力和过渡系数的不同 导致了 n b c t i c 易先形核生成 而v c 更倾向于在共生晶粒的边缘生长 关键词 石墨型双熔敷极耐磨堆焊焊条 耐磨堆焊 绝缘性 微观组织 药 皮重量系数 v i i a b s t r a c t t w i ne l e c t r o d ea r cw e l d i n gi sa ni n n o v a t i v ew e l d i n gt e c h n o l o g y d u r i n g w e l d i n g 卅i l lc o r ew e l d i n g w i r e sl i n kd i f f e r e n tp o w e rp o l e sr e s p e c t i v e l y w h i c h m e a n st h a ti ti su n n e c e s s a r yf o rt h ew o r k p i e c et oc o n n e c tp o w e r i nt h i sc a s e e l e c t r i ca r cc a nb ef o r m e db e t w e e nt h et w op a r a l l e li n s u l a t e de n d so fc o r ew i r e s a n dt h ep a r e n tm a t e r i a li sm e l tb yf u s e dd r o p s t h i sn e ww e l d i n gm e t h o dh a s m a n yo b v i o u sa d v a n t a g e si n c l u d i n gh i g hc l a d d i n ge f f i c i e n c y l o wd i l u t i o nr a t e s e n e r g ys a v i n g a n ds m a l l e rd e f o r m a t i o nt ot h e w o r k p i e c e b a s e d o n a f o r e m e n t i o n e da d v a n t a g e so ft w i ne l e c t r o d ea r cw e l d i n g i ti so fg r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oa p p l y i to nh a r d f a c i n gw e l d i n g i nt h i sp a p e r i ti st h ef i r s tt i m et o s y n t h e s i z et i c v ch a r d f a c i n gc o a t i n go nq 2 3 5 s t e e l t h r o u g hm e t a l l u r g y i n t e r a c t i o ni ni n n o v a t i v et w i ne l e c t r o d ew e l d i n ga r c 1 n s u l a t i v i t yo ft w i n e l e c t r o d eh a db e e ni n v e s t i g a t e da n dt h em i c r o s t r u c t u r e so fh a r d f a c i n gc o a t i n g w a sa l s oc h a r a c t e r i z e di no r d e rt os t u d yt h ea p p l i c a t i o no ft j i i le l e c t r o d eo nt h e h a r d f a c i n gw e l d i n g t h ei n s u l a f i v i t yo fh i g h c a r b o nh a r d f a c i n gw e l d i n gt w i ne l e c t r o d er e l a t e dt o t h ea p p l i c a t i o no ft i l le l e c t r o d e so nt h eh a r d f a c i n gw e l d i n g t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h em a j o rf a c t o r sw h i c ha f f e c t e dt h ei n s u l a t i v i t yo fh i g h c a r b o nh a r d f a c i n g w e l d i n g 卅i l ie l e c t r o d ew e r et h es i z e so fc o n d u c t i n gp a r t i c l e s t h es p a c eb e t w e e n t h et w ow i r ec o r e s t h et y p e sa n dm a s so fw a t e rg l a s s a n dt h eg o o di n s u l a t i n g p a r a m e t e r sw e r et h a tt h es i z e so fe l e c t r o d eg r a p h i t ea n do t h e rc o n d u c t i n g p a r t i c l e sw e r e6 0 8 0m e s h t h es p a c eb e t w e e nt h et w ow i r ec o r e sw a s1 6m m t h er i g h tm a s sr a t i oo fe l e c t r o d ec o v e r i n ga n ds o d i u ms i l i c a t e w h e nt h ec o n t e n t so fg r a p h i t e f e r r o v a n a d i u ma n df e r r o t i t a n i u mw e r e 1 0 1 5 1 5 2 5 a n d1 8 2 0 i nt w i ne l e c t r o d ec o a t i n gu n d e r4 5 i x a b s t r a t 5 0 g r a v i t yc o e f f i c i e n to fc o a t i n g t h ew e l d i n gc u r r e n ta n da r cv o l t a g ew e r e 1 8 0 2 0 0 aa n d4 1 4 5 v t h ew e l d i n gl i n ee x h i b i t e dg o o da p p e a r a n c e t h em i c r o s t r u c t u r e sa n da b r a s i o nr e s i s t a n c e so fh a r d f a c i n gc o a t i n gw e r e a l s oa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a td u et ot h eu n i q u es t r u c t u r eo ft h et w i n e l e c t r o d e s t h ef e r r o t i t a n i u mi nc o a t i n g st e n d e dt oo x i d a t i o n w h i c hi m p a c t e d s e r i o u s l yo nt h et r a n s i t i o no ft ie l e m e n tt oh a r d f a c i n gc o a t i n g b e c a u s et h e c o a t i n gb e t w e e nt h et w ow e l d i n gc o r ew i r eg e n e r a t e dg a sw h i c hd e c r e a s e dt h e t r a n s f e rc o e f f i c i e n to fs o m ea c t i v ee l e m e n ts u c ha st id u et oi t ss t r o n go x i d a t i o n a c t i v i t y a sar e s u l t m o r et i t a n i u mo x i d ec o u l db ef o u n di nt h es l a g i na d d i t i o n t h ea m o u n to ft i ci n c r e a s e d w h e nt h ec o e f f i c i e n to f c o a t i n g si n c l i n e d s o m ev cp a r t i c l e sw e r ef o r m e dw i t ht h ea d d i t i o no ff e r r o v a n a d i u m a n d t h e r eb u l ka n dr o d l i k ev cp a r t i c l e sd i s t r i b u t e da l o n gt h eg r a i nb o u n d a r i e s t h e q u a n t i t yo rs i z eo fc a r b i d e sc h a n g e di nd i f f e r e n tl a y e r s g r a v i t yc o e f f i c i e n to f c o a t i n ga f f e c t e dt h ef o r m a t i o no fc a b i d e s t r a n s f e re f f i c i e n c yo ff e r r o a i l o ya n d q u a n t i t yo fc a r b i d e si n c r e a s e di nh i g hg r a v i t yc o e f f i c i e n to fc o a t i n go ft v i i l e l e c t r o d e t h em i c r o s t r u c t u r eo fm a t i xw a sl o wc a r b o nm a r t e n s i t ea n d r e s i d u a l a u s t e n i t e a n dt h eh a r d n e s so fl a y e rw a so v e rh r c 5 5 m o r e o v e r w e l d i n g t e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e sw e n tb a di nt o om u c hh i g hg r a v i t yc o e f f i c i e n to fc o a t i n g o ft w i ne l e c t r o d e t h er e s u l ts h o w e dt h a t7 0 w a st h ep r o p e rg r a v i t yc o e f f i c i e n t o fc o a t i n gf o rt i ne l e c t r o d e w h e nf e r r o n i o b i u mw a sa d d e di nt h ee l e c t r o d ec o a t i n g t h eh a r d f a c i n g c o a t i n gc o n s i s t e do fc a r b i d e s a n dt h ec e n t e ro fc a r b i d ep a r t i c l e sm a i n l y c o n t a i n e dn b t ia n dce l e m e n t sw h i l em o s to fve l e m e n te x i t e do nt h ee d g eo f c a r b i d e p a r t i c l e s k e yw o r d s h i g h c a r b o nh a r d f a c i n gw e l d i n gt w i ne l e c t r o d e h a r d f a c i n gw e l d i n g x i n s u l a t i v i t y m i c r o s t r u c t u r e s g r a v i t yc o e f f i c i e n to fc o a t i n g 1 1 引言 第一章绪论 随着工业技术的迅速发展和机械化 自动化程度的不断提高 机械设备和零 件磨损引起的危害越来越被人们重视 提高机械零件耐磨性具有很大的经济意 义 德国v o g e l p o h l 教授和英国h p j o s t 教授 1 2 1 指出 全世界生产能源的3 0 4 0 以至更多消耗在磨损上 在各种磨损类型中 磨料磨损占据了最大的比例 据统计 磨料磨损所造成的经济损失占磨损造成总损失的5 0 以上 各种机械 及零部件的使用几乎都存在磨料磨损 特别是矿山机械 农业机械 建筑机械 工程机械 冶会机械和铸造机械等磨损更为严重 设备的磨损失效给企业带来了 重大的经济损失 所以目前对磨损与耐磨材料的研究 特别在工业发达国家 越 来越引起人们的注意 因此 研究提高零部件表面耐磨性是当前表面工程重要研 究课题之一p j 目前 用于提高材料耐磨性的表面改性方法主要有以下几种 4 习l 1 表面 化学热处理 它主要包括渗碳 渗氮 渗硼等表面硬化技术 渗硫 氧化 磷化 等表面润化技术 以及这两种技术有机结合的复合化学热处理工艺 2 镀层技 术 电镀 电刷镀 复合镀和化学镀 3 堆焊 热喷涂 火焰喷涂及等离子喷 涂等 4 激光表面处理 激光相变硬化 激光表面熔凝 激光合金化 激光表 面熔敷等 5 气相沉积技术 化学气相沉积 物理气相沉积等 在上述表面改 性方法中 堆焊技术是最传统也是应用较普遍的方法之一 它主要是用焊接的方 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 耐蚀等性能的熔敷金属 1 0 1 堆焊 技术的主要机理就是熔敷层的合金化 通过具有特殊组分的焊接材料如焊芯 药 皮 宽带极等在电弧堆焊熔化过程中焊接材料中的合金元素过渡到熔敷金属中 使熔敷层的性能得到明显的改善 许多焊接方法可用于堆焊 如焊条电弧堆焊 氧一乙炔焰堆焊 埋弧堆焊 气体保护和自保护明弧堆焊 等离子堆焊 电渣堆 焊 钎焊等 在众多的堆焊方法中 焊条电弧堆焊技术因其工艺简单 使用灵活 适应多种现场操作的场合等优点 在零部件修复 轧辊焊补 耐磨部件堆焊强化 第一辛绪论 等方面得到广泛应用 1 1 1 2 1 但迄今为止所用的焊条电弧堆焊技术 都是焊条接电 源一极 工件接电源另一极 焊接时 电弧在焊条与工件之问燃烧 如图1 1 所 示 被焊工件从电弧中吸收能量熔化局部母材 与熔敷极熔化金属共同形成熔池 由于工件作为电源的一极 工件上必然存在活性斑点区 热量集中 局部温度很 高 使工件局部熔化形成熔池 这样母材局部熔化不仅量大而且过热度高 不但 熔敷系数低 堆焊熔敷层稀释率高 消耗电能多 而且冷却后接头中形成焊接应 力大 变形大 晶粒易粗化 焊接接头性能降低 使得大幅度提高堆焊生产效率 受到制约 长期以来 人们从严格控制焊接参数 改变坡口形式及焊后热处理等 工艺措施来减少应力和变形以提高焊接质量 但由于工件接电源 难以从根本上 减少工件的输入热 而在双熔敷极焊条电弧堆焊中 堆焊工件不接电源 阴 阳 极活性斑点区移至双焊芯端部 从而提高了焊条的熔敷系数 降低了堆焊熔敷层 稀释率 比较适合应用于堆焊之中 图1 1 单熔敷极焊条电弧焊示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i n g l ee l e c t r o d ea r cw e l d i n g 1 2 双熔敷极焊条电弧焊 双熔敷极焊条电弧焊也是一种新型焊接方法 焊接时 用特制的焊钳央持双 电极焊条的尾部 使两个焊芯分别接电源的两极 工件不接电源 电弧在焊条相 互平行绝缘的两焊芯端部形成 电弧可在离工件不同距离的空间引弧和燃烧 两 极性斑点分别在两焊芯端部 主要利用熔滴携带的热量熔化母材 改变了被焊工 件的热循环 1 3 基于其能够提高熔敷效率 节省能源 稀释率较低和工件变形量 2 药皮 焊芯 电弧 焊件 图1 2 舣熔敷极焊条电弧焊i 艺示意图 f i g 1 2s c h e m a t i co ft w i ne l e c t r o d e sa r cw e l d i n g 双熔敷极焊条与传统的单芯焊条在很多方面有所不同 1 4 6 1 1 双熔敷极焊 条的一根焊条中有两根焊芯 引燃和焊接时双焊芯为电弧的两极 被焊工件不接 电源 2 引燃电弧要首先使双焊芯端部短路 断弧时要关断电源 3 电弧电 压 弧长 由双焊芯的间距而定 双熔敷极焊条与工件之问的距离对电弧电压的 影响很小 随焊接电流增大 电弧电压略有升高 4 电弧静特性 双熔敷极电 弧焊具有上升的电弧静特性 并随两焊芯间距的增大而上移 5 熔化特性 在 两焊芯间距合适的情况下 双熔敷极焊条可以保持阴 阳极熔化速度一致 在同 一焊接电流下 双熔敷极焊条的熔化速度比单芯焊条的熔化速度大 并随焊接电 流和两焊芯间距的增大而增大 6 焊条熔滴过渡特点及形式 双熔敷极电弧焊 熔滴过渡方向与焊接电流方向不同 在两焊芯问电弧作用下 熔滴一般从电弧两 边沿滞熔药皮过渡 有利于熔滴形成渣壁过渡 1 3 课题的国内外研究现状 1 3 1 耐磨堆焊焊条 耐磨堆焊可以分为焊条电弧堆焊 埋弧堆焊 药芯焊丝堆焊等 耐磨焊条堆焊国内外焊接工作者已进行过大量的研究 其主要是通过在焊条 药皮中直接加入高硬度质点 女n c r c w c 等 或在药皮中添加合会元素c 与c r t i v 等 通过电弧冶金反应生成c r c t i c v c 等硬质点来强化铁基熔敷层 使得熔敷层具有较高的硬度和耐磨性 利用上述原理 国内外已有大量的高碳耐 磨堆焊产品 如表1 1 所示 值得注意的是 在所有的利用c 与其他合金元素反应 来提高耐磨性的高碳堆焊焊条中 c 主要是以石墨的形式加入的 而石墨的作用 除了为生成碳化物提供必要的c 元素之外 还可以促使基体形成马氏体 增加熔 敷层硬度 表1 1 国内及国外主要高碳耐磨堆焊焊材的类型 t a b l e 1 1d i f f e r e n tt y p e so fh i g h c a r b o nh a r d f a c i n gw e l d i n ge l e c t r o d e sa th o m ea n da b r o a d 4 山东人学硕i 学位论文 1 w c 增强耐磨堆焊 w c 具有高的硬度 强度和韧性而成为制备高耐磨熔敷层重要的增强相 w c 硬度高达h v 2 0 8 0 特别是高温硬度高 w c 能很好的被c o f e n i 等金属 熔体涧湿 尤其c o 对w c 的润湿性最好 这些优异的性能 使它能用c o 和n i 等金属作粘结相会属 形成耐磨性很高的硬质耐磨剧1 9 但w c 致命的缺点是 抗高温氧化能力差 钴基碳化钨在5 0 0 8 0 0 空气中遭受严重氧化 在氧化气 氛中分解为w 2 c w 和脆性相c o w c 2 0 武宏等人采用堆焊工艺在高锰钢的 基体表面复合上一层w c 硬质合会材料 获得了一种具有高耐磨性和高韧性的复 合材料 对w c m n l 3 堆焊复合材料的微观组织 力学性能以及耐磨料磨损性能 进行了研究分析 结果表明 高锰钢堆焊复合材料与传统耐磨材料相比表现出了 优越的耐磨料磨损性能 并保持了高锰钢高韧性的特点 综合性能得到极大的提 高1 2 索进平等人研究了w c n i 3 a 1 表面强化功能复合材料的制备及w c 颗粒在 堆焊过程中溶解机理 认为当w c 含量较高时 溶解碳可保护其他元素不被氧化 冷却过程中析出w 2 c 当w c 含量低时 溶解碳只有部分保护作用 形成碳化 物包裹氧化物的复合析出物 2 2 1 2 f e c r c 系耐磨堆焊 f e c r c 系耐磨堆焊合金由于硬度高 综合性能好 价格低廉而被广泛应用 于耐低应力磨料磨损的工作环境 目前 国内铁基耐磨堆焊焊条o t l d 6 4 2 d 6 4 6 d 6 6 7 属于高铬铸铁堆焊焊条 熔敷会属的含碳量为1 5 5 o 铬含量为2 2 一 3 2 近年来又研制了f e c c r w 系耐磨堆焊焊条 c c r w 系耐磨堆焊焊条等 这些耐磨堆焊焊条中基本上都含c r c r 在熔敷盒属中的作用是固溶强化及形成合 金碳化物 c r f e 7 c 3 2 3 甜l 但c r 的碳化物易形成网状分布于基体晶界上 降低 了熔敷层的抗裂性斛2 5 1 杨威等人研究了c 元素含量为6 o 左右时改变c r 元素含 量和c r 元素含量4 0 左右时改变c 元素含量二种情况下c r 及c 元素各自对f e c r c 合金熔敷层组织的影响 结果表明 c 和c r 元素增加时 初生碳化物的量增加 初生碳化物随着c 元素和c r 元素的增加 形态越来越规则 分布越来越密集 初 生碳化物颗粒的单个尺寸增大 c 元素含量6 0 左右 随着c r 元素含量增大 初 生碳化物微区c r 元素含量增加 而当c r 元素含量4 0 左右 随着c 元素含量增加 初生碳化物微区c r 元素含量反而降低 2 6 5 第一帝绪论 3 t i c 增强耐磨堆焊 t i c 在基体组织中呈弥散分御的特点 使其在耐磨损和高温应用方面引人注 目 此外 世界上钛铁矿的储量极为丰富 我国的钛铁矿储量又居世界前列 所 以原料价格较为低廉 可以使生产成本大幅降低 具有广泛的应用前景 a r i k a n 等人研究发现当在1 5 c r 3 m o 白口铸铁中加入0 3 8 的t i 时 基体的磨损性能增加 3 0 2 7 1 而j o h n j c o r o n d o 等人利用自保护药芯焊丝电弧焊对不同t i 含量的药芯焊 丝进行堆焊 研究发现 t i 含量高的熔敷层的显微组织中 t i c 量多且分布在马 氏体基体上 具有更高的耐磨性 2 8 1 宋思利等人采用廉价的钛铁 石墨 人造金 红石作为堆焊材料的组分 通过电弧冶金反应形成t i c 颗粒增强体 弥散分布在 低碳马氏体的基体上 钛铁和石墨的加入量对熔敷层的组织性能影响很大 当钛 铁和石墨加入量分别为2 5 3 0 8 1 2 时 所制得的熔敷层具有良好的 综合性能 2 9 此外 还利用氩弧熔敷技术制备了原位形成t i c 颗粒增强f e 基合金 复合层 并发现原位形成的t i c 颗粒尺寸细小 并弥散分布在f e 基体中 t i c 颗粒 在熔敷层呈密度梯度分制3 0 钟定铭等人对堆焊金属中t i 的过渡效率进行了试验 研究 发现当含c 量一定时 堆焊金属中t i 的过渡效率系数可提高4 0 5 0 如果利用稀土作脱氧剂 当含c 量满足合金元素形成碳化物的前提下 则堆焊金 属中t i 的过渡效率系数可提高6 0 7 0 3 1 1 可见 在结晶过程中形成的t i c 提 高了堆焊会属的硬度 耐磨性 耐热性和高温强度 可大大地降低堆焊焊条的成 本 1 3 2 双熔敷极焊条电弧焊研究现状 目前 邹增大教授领导的课题组已对钛钙型双熔敷极焊条电弧焊进行了研 究 与传统的单芯焊条相比 双熔敷极焊条除在电弧静特性 熔化特性 焊条熔 滴过渡特点及电弧电压方面有所不同之外 在电弧形态及稳定性上也有特点 钛 钙型双熔敷极焊条电弧焊电弧具有不同的形态 且电弧集中与分散程度随时间发 生周期性变化 相应的电弧电压也发生周期性变化 电弧形态主要受两芯间距 焊接电流和焊条类型影响 随两芯间距的增大 电弧趋向分散 随焊接电流的增 大 电弧挺度增大 电弧集中明亮 电弧形态周期性变化的频率变快 另外 双 熔敷极焊条电弧焊电弧稳定性与单熔敷极焊条电弧焊明显不同 在双熔敷极焊条 电弧焊中 电弧电压虽然存在波动 但波动主要是在某一电压值的上方波动 且 6 山东人学颂h 学位论文 电弧燃烧过程中不存在短路现象 即双熔敷极焊条电弧焊比单熔敷极焊条电弧焊 的电弧更稳定 1 4 1 5 1 6 3 2 1 4 熔敷层增强相的选择 1 4 1 概述 用于会属基复合材料熔敷层的增强相 通常都选择具有高强度 高熔点 高 抗磨损 耐高温 耐腐蚀性能的增强颗粒 并在性能上与基体金属能够形成良好 的冶会结合 获得优异的综合力学性能 因此 理想增强相的选择原则有三条 1 刚性 强度 硬度等物理力学性能优良 2 工作条件下增强相不溶于基体 内 不发生增强相的溶解或溃散 组织形态不发生变化 3 与基体金属的热膨 胀系数差别小 不会由于工作温度或苛刻的工作条件而产生裂纹或形成较大的应 力集中 3 3 川 根据上述原则 目前可应用的增强相主要有碳化物 硼化物 氧化物 氮化 物等以及会属问化合物 目前常用的增强相有s i c t i b t i b 2 t i c a 1 2 0 3 v c n b c 以及w c 掣3 5 3 6 1 碳化物颗粒增强f e 基耐磨熔敷层的指导思想是抑制基体的 过度固溶强化 避免高碳马氏体的形成 通过冶金处理获得强而韧的基体组织及 弥散的高硬度第二相 合会系统的选择必须有利于实现这一目标 碳化物的形成 对于控制熔敷会属的组织转变至关重型3 7 碳化物属于间隙相 是过渡族金属与 碳作用而生成的 过渡族金属按其与碳的亲和力以及形成的碳化物的稳定性由高 到低扫 列h f z r t i t a n b v w m o c r m n f e 弼 v 族金属 按其与碳的亲和力以及形成的碳化物的稳定性由高到低排列 h f z r t i t a n b 形成的碳化物具有n a c l 型的面心立方点阵 金属原子 以面心立方结构的方式排列 较小的c 原子占据所有可以利用的八面体间隙位 置 这种结构的特殊性在于不是所有的