（材料加工工程专业论文）feticrmo耐磨堆焊合金研究.pdf

摘硬 摘要 机械零部件的耐磨性低，不仅会造成设备精度下降，造成产品质量不稳定 和低劣，同时也会大大影响生产率的提高。更严重的是，磨损到一定程度后会导 致突然事故，造成不必要的人员伤亡和生产损失。而对于处于恶劣工况的零部件， 情况更是严重。例如用于矿石粉碎的锤式破碎机工作时受到矿石的强烈撞击和磨 损，磨损非常严重。若采用硬度较高的堆焊材料，堆焊金属在工作过程中会出现 脆性脱落现象，降低磨损寿命。这是由于堆焊金属随硬度的提高其脆性和产生裂 纹倾向一般会增大，韧性和耐冲击韧性能一般会下降。为此，进行了对此类抗冲 击磨损堆焊焊丝的研究。本研究通过在焊丝中添加碳化钛来改善堆焊层的性能，。 细小弥散的碳化钛颗粒均匀分布于奥氏体基体中，可提高堆焊金属的硬度和屈 服强度。碳化钛在结晶时作为外来核心，明显控制结晶过程中晶粒长大。同时，含 钛的碳化物硬度很高，可达h v 3 2 0 0 ，并弥散分布于基体中，对基体起到强韧化、 保护的作用，使堆焊层的抗裂性和耐磨性都得到了明显的改善。本文通过调整焊 丝中合金元素的加入量，研究了不同含钛的堆焊层。分析了焊缝组织和性能之间 的关系。 采用x 一射线衍射物相分析、光学显微镜和电子扫描电镜s e m 针对熔敷金 属的碳化物形貌、晶界形貌、磨损形貌的观察分析结合能谱测试结果和耐磨性 测试和显微硬度分析结果等方面的试验。本文作者对f e t i c r m o 系堆焊层进行 了深入的研究，随t i c 含量增加，基体硬度随之升高。 本文研究和总结了f e t i c r m o 耐磨合金的组织和性能，摸索出f e t i c r m o 耐磨合金的理想元素配比为f e t i c r m o 耐磨合金的进一步开发和使用提供了 一定依据一 关键词耐磨堆焊；磨粒磨损；硬度 a bs t r a c t t h ew e a ro fm e c h a n i c a le l e m e n t sw i t hr e s u l ti n t h ed e c l i n eo fp r e c i s i o n ，u n s t a b l e q u l i t y a n di n f e r i o rp r o d u c t s ，a n dt h ef a l l i n go fp r o d u c t i v i t ys i m u l t a n e o u s l y m o r e s e r i o u s l y , t h ea b r a s i o nt o c e r t a i ne x t e n tm a yc a s u s ea c c i d e n t s ，t h el e a d st oc a s u a l t i e s a n dp r o d u c t i o nl o s s t h ei n s t a n c ew i l lb e c o m ew o r s ef o r t h ee l e m e n t su n d e rr l g o 。o u s w o r kc o n d i t i o n 。f o re x a m p l e ，t h eh a m m e ro fh a m m e rc r u s h e rw i l lb eg r e a t e ra n d o p e r a t i n gl i f ew i l lb es h o r t e rw h e n i ti so v e r l a i dw i t hs u r f a c i n gm a t e r i a lw h o s ed e g r e e 0 fh a r d n e s si sh i g h e r , b e c a u s et h ed e p o s i t e dm e t a lb e c o m e sb r i t t l ea n d e a s e rt o f r a c t u r ea sh a r d n e s sg r o w s ，a n di t sr e s i s t a n c et oi m p a c td e c l i n ea t t h es a m et i m e t h e r e f o r e i m p a c ta b r a s i o nr e s i t a n ts u r f a c i n gw i r e o ft h i sk i n dw a ss t u d i e di nt h i s p a p e l i nt h i ss t u d yt h ep r o p e r t yo fh a r d f a c i n gi si m p r o v e db ya d d i n g t i t a n i u mc a r b i d e t i cp a r t i c l e sd i s t r i b u t ei nb a s em e t a ld i s p e r s e l y i nt h es a m e t i m et i cc a ni m p r o v et h e p r o p e r t yo fh a r d f a c i n ga sc r y s t a l l i z a t i o nc o r ea n dc o n t r o lt h eg r o w t h o fc r y s t a l t h e h a r d n e s so ft i cr e a c h e st o3 2 0 0 h va n dd i s t r i b u t ei nb a s em e t a l t i cc a ni m p r o v e t h e r e s i s t a n c eo ff o r m i n gc r a c ka n dw e a rr e s i s t a n c e i nt h i sp a p e rt h ea u t h o rb ya d j u s t i n g t h ec o n t e n to fa l l o ye l e m e n ti nt h ef l u xc o r e d w i r et os t u d yt h et i c r m o i nt h es a m e t i m et h ea u t h o ra n a l y z et h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t y s e v e r a lc o n e l u s i o n sc a nb eg o ti nt h i sp a p e rb yx - r a yp h a s ea n a l y s i s ，s e ma n a l y s i s ， e l 咖le n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i s ，m i c r o h a r d n e s sa n a l y s i s a n dm e t a l l o g r a p h i c o b s e r v a t i o n t h eh a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c eo fh a r d f a c i n gi m p r o v e dw h e n t h et i c m a e a s e s n ep a p e rs t u d ya n ds u m m a r i z et h ep r o p e r t ya n dm i c r o s t r u c t u r e o fti c r m o h a r d f a c i n ga l l o y t h ea u t h o rf i n d so u t t h eo p t i m a lp r o p o r t i o no fe l e m e n tf o rt h e t i c r m oh a r d f a c i n ga l l o y t h ep a p e rp r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o r t h et i c r m o h a r d f a c i n ga l l o ym u c h m o r ee x p l o i t a t i o n sa n du s a g e k e y w o r d s ：h a r d f a c i n g ，p a b r a s i o n ，h a r d n e s s - l i l - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机 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。 繇工嬗嗍坐9 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 一 一 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：i 塾霪导师签名：堇塑茎日期：主竺2 ：丝争 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 耐磨堆焊 耐磨堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一层金属的工艺过程，其目的不是 为了连接零件，而是为了使零件表面获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔 敷金属，或是为了恢复或增加零件的尺寸f 1 。2 j 。堆焊技术的显著特点是堆焊层与母 材具有冶金结合，堆焊层在服役过程中的剥落倾向小，而且可以根据服役性能选 择或设计堆焊合金，使材料或零件表面具有良好的耐磨、耐高温等性能【引，在工 艺上有很大的灵活性。本文所涉及堆焊主要是应用其耐磨耐冲击的性能，起到提 高工件表层工作面性能的作用。 1 1 2 研制抗磨材料的必要性 随着我国工业的飞速发展，亟待开发多种新型堆焊材料以满足现行生产的需 要，我国目前仍然是一个发展中的大国，和西方工业发达国家相比，装备和加工 技术水平处在一个中级水平。就设备制造来讲( 如轧辊，拉丝滚筒、各种破碎机 等制造) 不是以堆焊材料方法赋予设备表面特殊的耐磨性能，而是以整体材料制 造，从考虑成本出发，不可能加入较多的贵重合金元素，其表面耐磨性往往难以 令人满意。就设备修复来讲，我国是一个材料消耗大国，光每年因磨损而失效的 工件就占到失效零件总数的8 0 【引。 仅对我国冶金、煤炭、电力、建材、农机等行业的不完全统计，作业环境为 泥沙、粉尘、矿石等介质的金属机件每年被磨掉的重量达百万吨以上，再考虑停 机、更换设备的损失，由于磨损造成的损失是相当严重的。传统的抗磨损材料一 般为整体铸造的抗磨铸造合金( 如高锰钢、铬系抗磨铸铁等) 存在严重不足，不 能满足工业生产对耐磨材料的要求。因此，研制高性能的抗磨材料、提高设备的 使用寿命，对减少停机和维修，提高产量，增加效益，都有重大意义。 1 1 3 堆焊合金的选择原则 ( 1 ) 满足零件堆焊的使用条件 零件堆焊的使用条件；包括受力特点、工作介质、润滑状况、运行状况等是 选择堆焊合金的最主要依据。由于零件的工作环境通常比较复杂，所以实际讨论 时应该通过零件的失效分析来确定其磨损类型和主要的影响因素，并以此来选 择堆焊合金类型。例如挖掘机斗齿属于凿削式磨料磨损，斗齿工作表面承受石 块、砂土的撞击，其冲击载荷较大，因此可选用高锰钢堆焊合金：而推土机铲刃 北京t 、i l ! 人学i ! i i 学f f 论+ 丈 虽然也与泥土接触，但冲击载荷较小，它的磨损类型为低应力擦伤式磨料磨损， 因此应选择合金铸铁或碳化钨等堆焊合金，而不能选择高锰钢堆焊合金。这是因 为后一种工况不具备撞击而使高锰钢表面层加工硬化的条件，在这种条件下高 锰钢的耐磨性很差。 ( 2 ) 从经济角度选择堆焊合金 当有几种堆焊合金都能满足使用要求时，应该综合比较它们的经济性。经济 的合理性不仅要综合考虑堆焊的成本，而且还要考虑零件投入使用后产生的经 济 效果以及其使用寿命等。 ( 3 ) 从堆焊合金的工艺性能来选择 在满足使用条件和经济指标的前提下，应该尽量选择焊接性较好、堆焊工艺 简单的堆焊材料。 本文主要为了研究一种具备良好抗冲击磨损性能的焊丝，主要应用在辊压 机的挤压辊和破碎机锤头等耐冲击磨损的领域。 1 1 5 破碎机锤头铸造研究现状 在冶金、矿山、水泥、建材、电力、化肥、煤炭、化工、水力及城市建设等 行业中，大量的物料需要破碎，每年消耗的用于破碎的抗磨工件数量很大，以四 川、重庆为例，据不完全统计，仅大小水泥厂就有6 0 0 多家，其中年产水泥1 0 0 万 吨以上的就有3 家。目前，破碎物料的常用设备有鄂式破碎机、锤式破碎机、单 辊破碎机、反击式破碎机和圆锥破碎机等，锤头是破碎机常用的易损、易耗件，它 在高速旋转状态下，与下落的物料发生剧烈的碰撞，从而破碎物料，因此，锤头 处于高冲击、高应力磨料磨损状态下，其工况条件十分恶劣。锤头所破碎的物料 一般是岩石、金属矿石等坚硬的物体，其磨损消耗十分迅速，有的十几天，甚至 几天就需更换，此外，在生产中还经常出现锤头破断的事故，造成停机停产i 引。单 辊破碎机由于其具有结构简单，破碎比大，耗能较低，出料均匀，对物料的种类 适应性强等特点，正获得日益广泛的应用，尤其是应用于各大钢铁企业烧结系 统。近十年来，国内外科技工作者针对现阶段所使用的锤头存在的问题，进行了 大量的研究，取得了一定的成效【铺l ，但尚有不少急待解决的问题，最突出的问题 是硬度和韧性两个关键力学性能指标无法同时达到较高水平，极大地限制了破 碎机破碎效率的提高。 1 1 5 1 高锰钢锤头高锰钢锤头受到高冲击后，具有良好的加工硬化性能，加工 硬化的原因早期的观点是形变诱发马氏体相变谢7 】，此后有位错硬化说【9 1 、孪晶硬 化说| l o 】、f e m n c 原子团硬化谢1 、微晶和非晶念硬化说1 1 2 】等。加工硬化后表面 硬度可由h b 2 0 0 左右上升到h b 5 0 0 以上，金属基本仍保持优良的韧性，使用可靠， 因此在高冲击工况下，应用较广。但是由于它屈服强度低，使用过程中易产生塑 筇1 帚绪论 性流变，同时锤头工作时如果冲击力不够大，不足以使其产生充分硬化时，它反 而容易被磨损，使用寿命较低；还有，高锰钢锤头在3 0 0 以下时，其内部组织的 晶界周围会产生碳化物的重新析出，结果是，一个比较完整致密的基体被碳化物 割裂开来，由于基体的硬度比碳化物低，基体先磨损，使碳化物凸现出来，凸现 出来的碳化物被划伤、击落或脱落，失去对基体的保护作用，基体进一步磨损， 如此循环往复，致使高锰钢锤头不耐磨，使用寿命短。因此在美国、西欧、日本 等国多加入2 以上的铬、铝、镍等元素进行合金化1 1 3 j 。国外具有代表性的厂家 有德国的o & k 公司的m a m m u t , 丹麦史密斯公司( f l s ) e v 破碎机h e s ，德国洪 堡公司( k h d ) 的h e s 和h d s 破碎机及同本粟米铁工所【1 4 】。国内一般在设计改性高 锰钢锤头的化学成分时，有意识地加入了铬( c r ) 、铝( m o ) 、钛( t i ) 、钒( v ) 和稀土 元素，降低奥氏体的稳定性，使其基体上形成了大量微小的第二相质点，阻止位 错运动，从而强化基体，并且使其在奥氏体上弥散析出球状碳化物，净化晶界， 改善夹杂物的形态和分布，实现综合强化，使其具有高韧性、高强度和良好的抗 磨损性能，如合肥水泥研究设计院研制出了破碎机用高碳铬镍铜合金钢锤头，使 用效果较好i l 引， 1 1 5 2 高铬铸铁类锤头z u mg a h r i 搏2 l j 等人对高铬铸铁的研究表明：共晶碳化物 的体积分数是影响磨损和断裂的显著因素，随着c r c 的增大，碳化物提高韧性的 作用增大了，此外晶粒随着c r c 的增大变得细小了，碳化物的晶格类型也由m 3 c m 3 c + m 7 c 3 一m 7 c 3 过渡。m 7 c 3 的硬度比m 3 c 高很多，故增强了材料的耐磨一 性。碳化物的存在，是高铬铸铁磨损抗力高的主要原因。高铬铸铁以其良好的耐 磨性成为现在使用最广泛的锤头制造材料之一。2 0 世纪3 0 年代，几乎是在发展镍 硬马氏体白口铸铁的同时，主要在美国进行了含1 0 3 0 c r 的高铬铸铁的研究， 而后，英国、前苏联、德国等也相继进行了大量的生产性研究，6 0 年代以后，由于 电炉熔炼的广泛应用，使得这种铸铁的应用获得了相当大的发展。高铬自口铸铁 由于成分设计的特点，具有比镍硬白口铸铁更好的组织、性能和抗磨能力。铬的 加入改变了白口铸铁的碳化物结构类型，由普通白口铸铁中的网状m 3 c 型变为 断网状的m 7 c 3 型，这不仅提高了耐磨性，而且提高了韧性。高铬铸铁含铬量大于 1 1 ，铬、碳含量比值超过3 5 时，基体中主要是m 7 c 3 型碳化物，且大都呈孤立的 条状分布，与呈网状连续分布的m 3 c 型碳化物相比，大大增强了基体的连续性， 因而整体材料的韧性有显著提高，目前，高铬铸铁己经是公认的优良抗磨材料， 具有优良的抗磨料磨损能力，冲击韧性也优于其它合金自口铸铁。高铬铸铁含较 多的c 、c r 、w 、m 。、v 等元素，耐磨性较好，价格较高。国内外在提高高铬铸 铁性能方面做了不少研究工作，采取了一些措施，取得了一定的效果【2 2 岱】，但也 存在的问题。受制造工艺的限制，高铬铸铁材料的硬度一般共h r c 5 5 ，否则制造 过程中锤体易产生裂纹，若将带裂纹的锤体装机使用，则原有裂纹和使用过程中 北京t 、i p 人学硕h 位论文 曼曼曼! 曼曼鼍皇! 曼曼曼曼! 曼量曼! 曼! 曼曼! 曼曼曼! ! ! 曼! ! ! ! 曼曼! ! 曼曼曼曼i二 一i 一：i _ 1 1 1 曼曼蔓曼 形成的裂纹易扩展形成穿透性裂纹，导致锤体大块脱落，锤头寿命大幅下降，这 使锤头寿命在现有技术基础上很难进一步提高。 1 1 5 2 复合锤头对于1 0 k g 以_ 1 2 锤头，已有采用双金属复合铸造的报j 道 2 6 2 9 ， 锤柄可采用中、低碳钢，锤头磨损部分为高铬铸铁，可充分发挥碳钢韧性好，使 用安全，高铬铸铁硬度高，耐磨性好的特点，复合锤头以镶铸式和双金属同时浇 注熔合式为主。但目前，此类锤头存在的主要问题是，在使用中，容易沿结合面 发生脱落，危及设备安全，因此应用推广受到制约；此外，还在锤头的端部镶嵌硬 质合金，但研究起步时间不长，仅有极少的文献报道闭j 1 1 5 3 其它材质锤头近年来，科技工作者对其它类材质的锤头也进行了研究， 主要有：马氏体球铁锤头f 3 1 】、钢基s i c 颗粒增强复合材料耐磨锤头【3 2 1 、高铬合金耐 磨焊条堆焊锤头i3 3 l ，高铬合金耐磨金属利用高铬合金中的硬相质点提高锤头表 面硬度，锤头的心部仍然保持原来的奥氏体组织，具有高的塑性和韧性；为了提 高高铬铸铁的性能，还有在高铬铸铁中加钢筋网的锤头等【3 4 1 ，这些类型的锤头可 能具有某些方面的优点，但仍无法全面满足锤头的工况要求，因此应用很少。镍 硬铸铁国外研究及应用较多，但由于我国镍资源短缺，价格昂贵，国内很少将镍 用于锤头的制造。 t 1 1 6 破碎机锤头堆焊研究现状 锤头一般磨损l o 左右即因破碎出料粒度过大无法正常工作而报废。频繁更 换锤头将会降低破碎机生产效率、增加生产成本。堆焊是修复严重破损锤头的有 效方法之一。以某公司的生产为例【3 5 l ，该公司全年共破碎石灰石产量8 0 多万吨， 实行翻面和堆焊技术后，全年仅消耗锤头1 3 套。以修复后的锤头到厂价每套为3 8 万元计算，锤头消耗费用仅为5 0 万元，比2 0 0 5 年节约近3 4 费用，具有显著的经济 效益。国内所作的研究主要是在磨损后的高锰钢上进行堆焊修复。文献【3 6 - 3 7 1 主要 研究了不同焊条作为过渡层时锤头的掉块、剥落问题，说明过渡层的选择也是影 响锤头使用的重要因素。文献中提到对f e c r - c t 3 8 l 采用k 、n a 进行微合金处理，得 到了基体组织为奥氏体、碳化物为m 7 c 3 的合金。奥氏体的硬度可以达到h v 5 0 0 ， 接近于半条状马氏体的微观硬度，而碳化物非常细碎，呈孤立状弥散分布于基体 上，只有在2 0 0 0 0 倍的显微镜下才能清晰的看到。其特点是硬度高，耐冲击，在较 高冲击应力下也不断裂剥落。国外方面对锤头堆焊方面的文献公布出来的较少， 文献【3 9 j 对f e c r - m n 合金不同m n 含量强况下材料的磨损特性和抗冲击能力做了深 入的研究。其它文献1 4 0 - 4 2 1 所作的研究工作主要集中在堆焊f e c r - c 方面，只能用于 承受较低冲积应力的工况条件，仅具有一定的借鉴意义。 1 2 磨料磨损 材料的耐磨性【4 3 】是磨损条件和材料性能的综合反映。通常用堆焊层的硬度 赞1 审绪论 _ii_i_iiii。 ( h u ) 和磨料的硬度( h a ) 的比值( h u h a ) 未判断堆焊层的耐磨料磨损性能。如果磨料 硬度比堆焊层硬度高得多，则发生快速磨损；反之，则磨损率较低。然而，仅用硬 度的高低来评价材料的耐磨性是很不确切的f 删，也就是说，高硬度的堆焊层不一 定具有优良的耐磨性，还受其显微组织的影响。 1 2 1e r o b i n o w i c z 磨料磨损理论模型 在许多摩擦磨损著作中都应用e r o b i n o w i c z 在1 9 6 6 年提出的磨料磨损简化 模型( 图1 1 ) 和数学表达式。这种简单模型的基本假设： ( 1 ) 将经受磨损的材料简化成一种不产生任何塑性变形的绝对刚体； ( 2 ) 将硬质磨料颗粒简化成一个圆锥体； ( 3 ) 将磨损过程视为简单的滑动过程。 1 、) j 生 二 、。 7 ， 图1 2 磨料磨损的简单模型 f i g 1 - 2s i m p l em o d eo fg r i n d i n ga b r a s i o n 利用这个简单模型可以很容易计算出在一个圆锥体的磨粒颗粒作用下，滑动 一定距离所磨损掉的材料体积( 图1 2 阴影部分) 。 一v = 1 2 宰2 r 牢工幸z = r 木x 掌f ( 1 1 ) 式中：v _ 磨粒颗粒圆锥体体积；卜磨粒颗粒圆锥体体积； x 磨料压入材料内的深度；1 滑动距离。 磨料压入材料内深度决定于压力的大小和材料硬度的比值，所以 工= r 宰t g o a r2一ph(1-2) v l = p t g0( 1 - 3 ) 式中：o 磨粒圆锥体夹角；p 施加载荷；h 材料硬度。 上述表达式说明，在一定的磨料条件下，单位滑动距离内磨损的体积与施加 的载荷成j 下比，与材料的硬度成反比。而在实际磨料磨损过程中，大量磨粒作用 并伴随冲击、环境等地影响，磨损机理往往要比这种理想化地简单模型复杂得 多。 北京t 业人学硕f j 学化沦文 1 2 2 磨料磨损去除机制 磨料磨损的过程中材料的去除机制可分为以下_ - k 中t 4 别： ( 1 ) 微观切削机制：当磨粒的形状与运动方向合适，有利于切削时，磨粒在切 向力的作用下，在材料表面刮起一层薄片，形成一次切削，脱离材料表面。这种 切削沟的宽度和深度很小，切屑也非常小。 ( 2 ) 多次塑性变形( 微观犁皱或微观压入) 磨损机制：当磨粒滑过表面时，除切 屑外，大部分把材料推向两侧或前缘，形成犁沟。若金属材料全部被推到沟槽两 侧或前沿而不产生切削，则形成犁皱。犁沟和犁皱后堆积在两旁或前沿的材料以 及沟槽内的材料己受到严重的塑性损伤，在受到随后的磨粒作用时，容易被再次 辗平、变形，最终破碎断裂，被磨损掉，形成二次磨屑。 ( 3 ) 微观断裂机制：当磨粒在磨损面运动时，法向和切向力将通过接触面传递。磨 粒在软表面上施加的表面推辗力将使软表面及其附近产生塑性变形，当磨粒多 次通过一点时，它们产生的塑性变形将在软表面附近积累。随着表层附近塑性的 累积，将在表层及亚表层中产生裂纹源，这些裂纹扩展到某些薄弱位置会最终切 向表面，就形成一块磨屑从材料表而脱落下来。 磨料磨损很少是由一种单一的磨损机制引起的，而经常是多种磨损机制综 合作用的结果。铁基堆焊合金在磨料磨损过程中既有塑性变形导致的磨损，又有 断裂导致的磨损，因此提高堆焊层合金的抗塑性变形能力和抗断裂能力对改善 其耐磨性是有利的，而这些能力与堆焊合金的显微组织密切相关。堆焊材料的微 观组织与机械性能包括耐磨性能有着密切关系，微观组织是铁基耐磨合金抗低 应力磨损的关键因素。图1 3 表示了与合金微观组织和耐磨性有关的一些基本因 素。这些因素包括基体、弥散相、夹杂物和内部缺陷的特性等。 图1 。3 与合金微观组织有关的冈素 f i g 1 - 3c o r r e l a t i v ef a c t o r so fa l l o y i n gm i c r o s t r u c t u r e 不同的微观组织类型其耐磨性也不同。各种组织的耐磨性都随着硬度的增加 而增加，然而在相同硬度的条件下，奥氏体、贝氏体又将优于珠光体和马氏体 1 4 “7 】，这个结果己经被许多工程实践结果所证明。各种类型合金在不同含碳量和 柔1 帚绪沦 热处理条件下，由于获得不同的组织类型和含量使耐磨性有相当大的变化。对于 堆焊合金当其基体为奥氏体+ 初生碳化物或马氏体十初生碳化物时耐磨性最好。 本文所研究的堆焊合金的组织为前者，碳化物硬质相与基体形成良好的匹配保 证了堆焊层优良的耐磨性。 1 2 3 破碎机锤头冲击磨粒磨损 冲击磨料磨损是生产实际中的一种特殊磨损方式，它既不是纯冲击，也不是一 般的滑动磨料磨损，而是两个过程的复合。其过程是：在冲击瞬间，两对磨面相互碰 撞，在摩擦界面间有硬质磨粒存在，同时两界面有相对滑动；当冲击结束时，两对磨 面脱离接触，不摩擦不磨损。这两个过程周而复始地交替进行。冲击磨料磨损是 一种极恶劣的磨损工况，在该工况下工作的零件都表现出极短的寿命。 分析冲击磨料磨损的进行过程，可以看出与一般的滑动磨料磨损相比，具有如 下特点： 法向载荷为能量载荷，不同于一般的静载荷和交变载荷，加载和卸载过程是 瞬间完成的。能量在载荷作用下，力、应力和应变往往以弹性波的形式传播，当遇 到界面时会发生波的反射和干涉现象。 磨粒对摩擦副的作用具有凿i i ( 冲击力大) 和碾碎( 应力超过磨粒压溃强度) 式磨料磨损的双重特点，工况更为恶劣。 在冲击瞬间，伴随有快速能量转换，从能量角度看，冲击动能e d 可能转变为 如下几部分：幻塑性变形能e s ；b ) 弹性波动能e b ；c ) 磨粒破碎所能消耗的能e k ；d ) 热 能e r ；e ) 其它能e o ，如声能等。即： e d = e s + e b + e k + e r + e o 在相同的试验条件下，e k 、e o 相对稳定，不随摩擦副材料而变化。冲击动能 e d 将主要在e s 、e b 、e r 中分配。对于塑性好、硬度低的材料，e s 很大，e b 则相对 较小，这时主要表现为材料表面的塑性破坏；对于硬度高，脆性大的材料，e s 较小，e b 则相对较大，这时弹性波动能将主要促使材料内部裂纹的萌生和发展，宏观上表现 为疲劳剥落和脆性脱落。冲击磨料磨损的上述特点将会对材料的损伤机理产生重 要的影响。 1 3 研究目标及研究任务 目前国内已广泛采用堆焊方法来修复各类基建和矿山工程机械在生产中因 磨损而失效零部件，以及考虑到现有的试验设备条件，笔者将本课题的研究方向 确定为开发出具有良好耐磨性能的堆焊用药芯焊丝，能应用到推土机铲斗、履带， 破碎机锤头等中低应力磨料磨损工作件的修复中。从目前的报道来看药芯焊丝在 焊接质量，环保指标和焊丝成本等方面与应用于其它工艺的药芯焊丝相比存在 一定的不足。因此为了使所开发的自保护药芯焊丝研究符合国际研究趋势，满足 北牙i t q p 人7 7 ：j i 贝i 。字：1 z 论文 鼍舅曼皇曼曼曼鼍量曩墨日童曼舅| 皇曼皇量曼曼勇曼曼舅罡皇曼鼍曼鼍曼曼曼曼曼舅舅曼曼曼曼曼皇曼皇曼! ! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼舅舅曼曼舅一 市场未来的需求，在本课题的研究中，笔者希望在高性能药芯焊丝的研究方面进 行一些有益探索，笔者认为高性能的定义应有三个方面的内容： 1 所研制的药芯焊丝所得到的堆焊层金属工作性能要达到设计要求，具体来 说就是要有合适的硬度和足够的耐磨性能。 2 所研制的自保护药芯焊丝要能满足高效率的生产要求，在工艺性能方面要 求尽可能的减少飞溅，降低气孔与裂纹倾向。 4 所研制的自保护药芯焊丝在环保方面，要求尽可能减少粉尘与烟雾的产生 量，并降低所产生烟雾的毒性。 鉴于时间的原因，作者主要对要求1 作深入的研究。 因此，作者认为主要研究一下内容 1 探讨符合设计要求的高肿1 2 1 7 厶匕b 匕堆焊用药芯焊丝的可行性方案，并确定相应的 合金系统。 2 开发出符合设计要求的药芯焊丝，测试并评估其各项性能指标，并在理论 上给出一个较为合理的解释。 本论文针对高锰钢在中低能量冲击工况下，由于不能获得充分的加工硬化而 耐磨性不突出等弱点，研究一种抗冲击耐磨损堆焊合金。所研究的堆焊合金属于 铁基含碳化钛耐磨材料，合金系为t i c r - m o 。其中主要元素是t i 、c r 、m o ，同时 加入一些其他合金元素。 ， 采用药芯焊丝可以降低成本、缩短工期、提高效率。焊丝是以普通碳钢带配 以各种合金粉拉拔而成。研究内容主要包括堆焊的工艺性能，堆焊层成分对组 织、硬度、耐磨性的影响规律。由于此类合金主要应用在冲击载荷的工况下，所 以着重试验分析堆焊层的冲击前后硬度变化规律及其耐磨性。 ( 1 ) 调整基础配方，获得较佳工艺性后，调节t i c 的含量，从堆焊层组织变 一化、焊态硬度、冲击后硬度、冲击前后硬度差即加工硬化效果、焊态及冲击后磨 损情况等几方面研究冶金因素对堆焊层组织与性能的影响规律。 ( 2 ) 对最优配方的堆焊焊丝与同等试验条件下的高锰钢、中锰钢进行对比 试验，评价并验证试验结果。 8 第2 中孑j 验材f ： 、方注j 设备 曼皇曼曼皇曼! ! ! 曼兰! 曼! ! 曼曼曼笪! 皇皇曼曼! ! 曼蔓鼍曼曼曼皇! ! 曼! 鼍苎! 鼍|i = i = i l = li = ii = il ! ! 曼蔓曼曼皇曼 第2 章实验材料、方法与设备 2 1 耐磨堆焊层的制备 2 1 1 耐磨堆焊层的性能要求 从锤式破碎机锤头和滚压机挤压辊等零部件的使用上看，主要用在建筑、矿 山、农机等行业上，堆焊层主要承受冲击磨料磨损。耐磨层应满足以下性能要求： 堆焊层与母材间要有良好的冶金结合。 堆焊层要保证一定的硬度。 堆焊层要有良好的耐磨性。 2 1 2 耐磨堆焊层的制备 试验所采用的材料如下： 试验钢板：钢板材料为0 2 3 5 ，其化学成分见表2 - 1 。 表2 - 1 母材( q 2 3 5 ) 主要化学成分 t a b l e2 - 1m a i nc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fq 2 3 5 一 一 选取q 2 3 5 低碳钢为母材，其组织为铁素体和珠光体，堆焊合金采用t i c r - m o 和中锰钢、高锰钢合金系统。合金元素的选择依据是【鸫】： 具有固溶强化效果的合金元素，它们可以强化基体，有利于耐磨性。 能形成碳化物的合金元素，它们对耐磨性的影响取决于碳化物的晶体结构 类型，碳化物的体积分数，及形成碳化物的某元素的含量。 根据以上基本要求及焊丝工艺性要求，采用宽度为l o m m ，厚度为0 3 m m 的 低碳钢带作为外皮，采用碳化钛、中碳锰铁，高碳铬铁，7 5 样硅铁，钼铁，钛酸钾、 铝粉、萤石作为药芯。其化学成分见表2 1 。 北京t q p 人学硕f 学他论文 一 表2 - 2 合金粉化学成分 t a b l e2 - 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fa l l o yp o w d e r 2 2药芯焊丝的制备 2 2 1 制备方法与设备 研制堆焊药芯焊丝的设备采用本校多功能粉芯线材成型机，具体的制作过 程如下： 1 合金粉及矿物粉的配制：将粉料按配方设计的比例混合，烘干后置于混粉 机中混合均匀，然后倒入送粉器中。 2 药芯焊丝轧制成型：选定的钢带经过几道轧辊的轧制后成槽形，合金粉由 送粉器均匀送入金属槽内，再经过若干道轧辊的轧制后钢带搭接闭合成圆形。轧 制过程见图2 1 。 3 拉拔减径：轧制成型的丝材，在拔丝机上使其分别通过直径为：2 8 m m 、 2 6 m m 、2 4 m m 、2 2 m m 、2 0 m m 、1 8 m m 、1 7 m m 、1 6 m m 的拉丝模，逐道拉 拔、减径，最后直径达到1 6 m m 。 4 药芯焊丝制备过程中的参数：本文所涉及的药芯焊丝研制均选用宽度为 l o m m ，厚度为0 3 r a m 的低碳冷轧钢带。 第2 章9 j 验f 4 ： 、方f 土j 设舞 鼍一必一罗一 、：= ， 、o 。 城谤擎l 黝纷 匀：一：t f 簧门辫：纷 f 嘻二- 1p r o , ：h t c m 譬p r o c e o f 矗u x - c o = e c lw r e 2 2 2 加粉系数的测定 - ? | | ? 援玉 药芯焊丝的加粉系数是指粉芯与整个焊丝的质量比。测试方法为：首先用天 平称出一段焊丝的质量，然后把该段焊丝内部的合金粉去掉，再称出外皮的质 旦 里， p = ( m o - m 1 ) m o( 2 1 ) 最后根据公式( 2 1 ) 计算出焊丝的加粉系数： 式q h p 为力i i 粉系数；m o 为药芯焊丝的质量；m l 为焊丝钢皮的质量。本课题所 研制药芯焊丝的加粉系数为2 3 - 2 5 。 2 3药芯焊丝焊接工艺性能测试方法与设备 药芯焊丝焊接工艺性能测试主要是通过对研制的堆焊药芯焊丝的配方调整 及焊接电流、电压等工艺参数的选择，就飞溅、焊缝成形、裂纹、熔渣覆盖及脱 渣等内容进行研究测试。焊接设备选用k e m p p i 公司生产的p s s 5 0 0 0 型多功能焊 机，焊接方法为手工电弧或者半自动二氧化碳气体保护焊。 堆焊层制得后，用q g 1 金相试样切割机切割取样。切割时要避开起弧和收 弧的地方，两侧各去2 5 c m ，取中间作为试样。取出后用砂轮机粗打磨堆焊表面， 但要保证打磨量大致相等，这样的目的是为了便于观察和比较相同情况下各实 验性能。后根据各实验的具体要求制成不同的试样，进行组织和性能分析。 堆焊层的组织测试首先采用金相切割机、金相镶样机、预磨机、抛光机等设 备进行金相试样的制备，取l o m m x l o m m x 5 m m 制成金相试样，先磨后抛，最后 进行浸蚀浸蚀：堆焊层组织中含有大量的碳、铬等元素，耐腐蚀性好。采用腐蚀 性强的三氯化铁盐酸溶液，浸蚀的堆焊层组织清晰。浸蚀时间大约3 5 秒【3 3 j 。试 样浸蚀好后，选取典型的内部显微组织，合适的放大倍数，拍摄成金相照片。 浸蚀液的配制：三氯化铁5 盐酸5 0 m l ，蒸馏水1 0 0 m l 利用m p e g 3 等型号显微镜进行组织观察与图像采集。 北京t 业夫学预l j 学位论文 2 4堆焊层组织与性能测试 2 4 1 堆焊层的组织测试 堆焊层的组织测试首先采用金相切割机、金相镶样机、预磨机、抛光机等设 备进行金相试样的制备，然后利用4 x 1 、o l s 3 0 0 0 及m p e g 3 等型号显微镜进行 组织观察与图像采集。 2 4 2 堆焊层硬度测试 利用h r 1 5 0 多功能数字硬度计对堆焊层进行洛氏硬度测试，根据 g b 8 6 4 0 8 8 规定，每个试样测定五个点，取平均值，实验采用金刚石压头，载 荷为1 5 0 k g ，加载时间为5 s ，恢复时间为3 s 。其中测定点之间的距离或任- - n 定 点距试样边缘的距离不小于3 m m 。采用h x d 一1 0 0 0 数字式显微硬度计进行显微镜 度测试，每个试样测试五个点，取平均值，实验载荷为1 0 0 9 或2 0 0 9 ，加载时间 为1 5 s ，试样测试前进行研磨和抛光i 3 x 3 c 。 钐刃一1 、。 罩 。 戆貉 ； 酬。 叫 n l - e r e 杉钐圆 t - - 1 l 一 一一名猿 m l d - i o 试验 藏栉 韩舒璎域藕：4 5 镪摩帮- 1 5 0 两次 茬翻糍嚼窿，v 7 图2 - 2 动载磨粒磨损下式梓 f i g2 - 2 n e t h e rs a m p l ei na l t e r a b l el o a da b r a s i v ew e a rt e s t i n g 2 4 3 堆焊层耐磨粒磨损性能测试 采用m l s 2 2 5 型湿式橡胶轮磨粒磨损试验机对堆焊层进行磨粒磨损试验， 试样基体为q 2 3 5 钢，尺寸5 7 m mx2 5 5 m m 5 m m ，堆焊层厚度 5 m m 。橡胶轮 转速2 4 0 r p m ，橡胶轮直径1 7 6 m m ，橡胶轮硬度6 0 ( 邵尔硬度) ，实验时j n ) k 1 0 0 0 克水，磨料选择为4 0 - - - - 7 0 目石英砂1 5 0 0 克，载荷为4 0 n 、7 0 n 和1 0 0 n 。 ( 1 ) 预磨：预磨是为了获得一个预磨痕迹，避免试样表面粗糙度对磨粒磨损 结果的影响。每次实验前先将试样在丙酮溶液中浸洗，将试验腔体彻底清洗，然 弼2 哥矽j 验f ”：l 、方法- j i 几g - 后将试样紧固在试验槽内，向磨粒磨损机试验腔体中倒入1 0 0 0 克水和1 5 0 0 克石 英砂( 4 0 - 7 0 目) ，密封，然后施加选取的载荷，预磨1 0 0 0 转后停机。 ( 2 ) 正式磨：将预磨损后的试样在丙酮溶液中浸洗，用吹风机吹干，在万分 之一精度的天平上称量，测得试样重量。然后将试样置于试验槽内，使磨损面与 预磨痕迹重合，其他操作步骤与预磨相同。j 下式磨损2 0 0 0 转后停机，取出试样并 放入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3 5 分钟，干燥后用万分 之一天平秤量重量，作为“磨后重量”。材料的耐磨性能用磨损的失重量来衡量。 算出正式磨损前后试件的重量差，即为失重量。每种堆焊层测三个试样，取平均 值来衡量配方的耐磨性。实验同时用q 2 3 5 钢基体材料作为对比，对比件失重量 与测量件失重量之比作为该配方的相对耐磨性。 采用m l d 1 0 型动载磨粒磨损试验机对堆焊层进行不同冲击功下的动载磨 粒磨损试验。动载磨粒磨损试验参数设置如下：磨料流量为3 0 9 m i n ( 1 8 k g h ) ； 磨损时间为3 0 分钟；冲击锤的冲击频率为1 5 0 次分；下主轴转动频率为2 0 0 转 分；冲击功选择为2 j 、3 j 和4 j ( 动载磨粒磨损试验) 。m l s 2 2 5 型磨粒磨损试 验机和m l d 1 0 型动载磨粒磨损机工作示意图分别见图2 3 “ 载荷一 i 一饫4 吣等- 1 - ：蛸，。蒯 饥仟佰 ；十碰l w 一一呓买尹，：，芦一 一：y 一一一 一 一一 图2 - 3m l s 2 2 5 磨粒磨损机示意图 f i g 2 - 3s h e t c hm a po fm l s 一2 2 5a b r a s i v ew e a rt e s t e r 2 5其它分析方法测试与设备 采用北京塞多利斯仪器公司生产的b s 2 2 4 s 电子天平对试样进行质量测量， 精确n o 0 0 0 1 9 。采用f e i 公司生产i 拘q u a n t a 2 0 0 电子显微镜( s e m ) 分析堆 焊层磨粒磨损后的形貌。 2 5 1 显微硬度测试 采用h x d 1 0 0 0 数字式显微硬度计进行显微硬度测试，在要测定的组织中 1 3 北京1 - 、【p 人掌 l 贝i 字i 仑义 ( 主要观察各试样显微组织中白色组织和黑色组织及黑白相间组织) ，取五点打 显微硬度，其中任何两点的距离大于三倍的压痕，取五点的平均值。实验载荷为 l o o g 或2 0 0 9 ，加载时间为1 5 s ，试样测试前进行研磨和抛光。 2 5 2 堆焊层成分分析 根据显微组织，初生碳化物的多少，粗略估计出堆焊层含碳量的多少，后测 定化学成分。 实验方法：x 射线荧光光谱分析 2 5 3x 射线衍射试验 设备：d m a x 2 r b 型x 射线衍射仪 试样尺寸：1 5 m m x 6 m m x 5 m m ，横断面处用4 硝酸酒精溶液轻微腐蚀。 试样尺寸：5 m m x 5 m m x 6 m m ，横断面用氯化铁溶液深腐蚀，腐蚀时间大约9 0 秒，后用超声波清洗表面，对试样进行扫描电镜分析和能谱分析。能谱分析是半定 量的，并不准确，但能定性的说明元素的相对含量的多少。 第3 带3 种婀铭堆焊合金f 1 | 。n 忡能分析 第3 章耐冲击堆焊合金的设计及其性能评价 3 1 前言 为提高耐磨合金材料的系统耐磨性能，即在一定工况条件下的最佳适应性，要 求材料不仅具备表面硬度，且要具备较高的强度和韧性，以提高抵抗高应力脆性断 裂的能力。目前广泛使用的高锰钢材料具有较强的加工硬化性能，但由于其铸态 组织为单相奥氏体，堆焊金属的柱状晶界易产生网状碳化物，抗裂性较差。高锰钢 材料焊接时的锰烟尘大，而高铬合金铸铁堆焊材料抗冷裂性能较差，加工工艺复杂， 均不利于工