碳含量对高铬堆焊合金性能影响

1、碳含量对Fe-Cr-V-B高铬堆焊合金性能的影响摘 要以Fe-Cr-V-B高铬合金系为研究对象，通过改变碳的含量，得到一种抗裂性好、耐磨性优良的高铬堆焊合金，对其进行硬度测试、耐磨粒磨损试验及金相试样显微组织和性能分析。结果表明，随着碳含量的增加，碳化物的数量和体积分数都增加，形态呈现杆状片状网状的转变。硬度也在碳含量的一定范围内先增加，后减少。当碳含量为2.17%时，抗裂性好，耐磨性好，硬度也较高。关键词：碳化物；堆焊；耐磨；硬度；显微组织The effect of carbon content on theproperty of high-chromium surfacing alloys

2、 Fe-Cr-V-B AbstractIn the subject of high-chromium alloys Fe-Cr-V-B investigated,carbon content is changed, in order to get a good crack resistance, abrasion resistance surfacing high-chromium alloy. In this experiment, the hardness is measured, grain-abrasion resistance is tested, and the macroscop

3、ic structure of metallographic sample is observed and mechanical property is analyzed .The results show that the number of carbide and volume of that also increase, and the shape displays rod-shaped，flake, mesh changes respectively, when the carbon content increases. In the mean time，hardness increa

4、ses at the beginning, and then decreases in a certain scope of the carbon content. Not only the crack resistance and wear resistance are good, but also hardness is higher in the carbon content of 2.17%.Key Words: carbide; surfacing; abrasion resistance; hardness; macroscopic structure目 录文献综述11 焊接材料1

5、2 堆焊的意义13 堆焊药芯焊丝14 本文耐磨材料研究的最基本的原理2第一章 实验材料、设备及成分设计51.1 试验材料51.2 试验设备51.3 实验的目的51.4 药芯焊丝配方设计5第二章 实验方法82.1 药粉称取82.2 焊丝轧制成型82.3试板表面堆焊92.4硬度测试92.5试样切割92.6金相试样制备及观察92.7耐磨实验10第三章 实验结果及分析113.1药芯焊丝包粉量113.2工艺性能比较113.3配方化学成分123.4堆焊合金的宏观硬度123.5金相图及分析133.5.1 碳化物形态变化及其作用153.5.2合金元素对堆焊合金的显微组织的影响163.6金属磨损实验结果及分析1

6、7第四章 总结和展望194.1总结194.2 展望19参考文献20致 谢211文献综述 文献综述1 焊接材料焊接材料是决定焊接接头质量的关键因素之一，焊接材料从光焊条到薄药皮焊条，厚药皮焊条，埋弧焊丝，气体保护焊丝直到今天的药芯焊丝，经过长期的发展，每种新材料的出现都使得焊接的发展产生一个新的飞跃。尤其是如今焊接材料的发展进入药芯焊丝时代，用药芯焊丝进行焊接自动化程度高，生产率高，因为焊接本来在熔合区进行的就是小型化的冶金反应，所以焊缝能够获得广泛的合金元素，可以获得各种优质的焊接接头，可满足各种使用性能，推动整个焊接事业的发展。 另外众所周知，机械零件大多数是用金属材料制造的，在使用过程中会

7、发生磨损，据估计，工业化国家能源的约30%消耗于摩擦。对于一个高度工业化的国家，每年因摩擦和磨损所造成的经济损失差不多占其国民经济产值的12%。在我国，由于磨损在汽车、拖拉机以及电力、采矿、建筑等行业造成的材料损耗，其数量也是很大的。 随着现代工业的发展，这种因磨损带来的损失更加明显。同时，各个产业和企业都在寻求资源的可重复利用以节减成本，这就要求在研制和改进耐磨材料配方，以更适应耐磨需要，且充分考虑到成本。而堆焊是提高机械零件表面性能的重要途径之一1。2 堆焊的意义堆焊是在设备零件上熔焊上耐磨、耐蚀等特殊性能的金属层的一种焊接工艺方法。为了提高机械零部件的耐磨性能，可以采用堆焊层金属的渗合金

8、方法。这种方法不仅能提高生产效率，节约大量贵重钢材，而且对易损零部件的基体和工作表面可以采用不同性能的金属材料，以分别满足设计对零部件的基体和工作表面的不同的技术要求。如果堆焊材料及加入的合金元素含量选择得适当，则堆焊后的零部件的使用寿命，一般比整体的零部件成倍地提高。不仅如此，现在许多制造部门，在设计上愈来愈多地采用堆焊层金属渗合金的方法来制造一些具有特殊要求的零部件。所以堆焊金属层渗合金的方法不限于修复已磨损的机械零部件，它还能用于制作新的耐磨损零件。在现代工业中，用堆焊方法将高耐磨材料堆焊用在廉价材料上，修复外形不合格的金属零部件及产品或制造双金属零部件，既提高耐磨性，延长零件使用寿命，

9、减少更换磨损件的时间，又节省贵重材料，降低成本，改进产品设计，符合现代提出的建设节约型社会2。3 堆焊药芯焊丝近年来，随着焊接机械化、自动化程度的不断提高，焊接材料的产品结构和品种也发生了很大的变化。从整体上来说，手工电弧焊用焊条占整个焊接材料产量的比重正不断的下降。在日本、欧美等工业化国家，焊条所占比例已从原来的80%以下降到不足50%，日本则降到20%以下。与其相对应，焊丝的比重在不断上升，有力地推进了机械化、自动化焊接工艺的发展。特别是药芯焊丝的开发和生产，有了长足的进步，同时因为它具有生产效率高，焊接质量好，综合生产成本低等特点，成为当今焊接材料研究开发的主流，并将延续很长一段时间。自

10、20世纪80年代以来，药芯焊丝在日本、美国、欧洲得到了很快的发展，尤其是日本，从80年代初的年产几千吨，占焊材总量的1%左右，增至1995年的年产8.61万吨，占焊材总量的24%以上，15年猛增了20多倍，早已超过了焊条产量，并有直追实芯焊丝的趋势。国外药芯焊丝主要应用在造船业、石油、化工工业、建筑、桥梁工程及机械制造等，针对各类钢材和各种使用性能要求的起保护和自保护药芯焊丝的品种越来越多。在欧、美、日发展都很快，产品样本品种已超过50多种。目前国际上药芯焊丝产业已发展到一定规模，尤其事耐磨类药芯焊丝，约占药芯焊丝总量的6%15%，国内许多进口的大型破绽设备都随机带有焊机及相关保养用耐磨药芯焊

11、丝，以供设备备件维修用。我国药芯焊丝产品品种主要有钛型气保护、碱性气保护和耐磨堆焊三大系列。其中耐磨堆焊药芯焊丝是指为增加堆焊焊层耐磨性或使金属表面获得某些特殊性能而添加一些合金元素到药芯中制成的焊丝。现在国内耐磨药芯焊丝发展前景很好，主要是耐磨堆焊药芯焊丝对设备件进行预保护堆焊、再生性修复堆焊有以下好处：(1)节约设备维护成本，提高设备维护质量。(2)延长设备件使用寿命。(3)极大地减少设备故障时间及停机维修时间。现在国产药芯焊丝品种较少，较单一，专用性强，而且近几年许多金属特别是铌、镍、钼等价格逐年提高，使得药芯焊丝价格也随之逐年增加。研制低成本且性能较好的耐磨药芯焊丝成为一种趋势。国内的

12、药芯焊丝制造厂已有29家，共有生产线48条，其中从国外引进了24条生产线和部分配方，现有设备的生产能力预计可达2万余吨。但是无论在数量上还是在质量上，与国外相比还存在一定差距，不能满足市场需求。药芯焊丝大批量生产中涉及的诸多问题没有得到解决，因而一时还不能形成大批量生产能力。大部分企业尚处于年产1 000 吨以下的水平，并且各自的技术力量有限，形成了这种品种少、产量小、质量差、整体水平低的局面。近年来我国药芯焊丝市场的消费量每年以30的速度增长，目前消费量达1.2万吨左右，国产药芯焊丝的市场占有率只有35，大部分药芯焊丝仍然需要进口。这就迫切需要我们自己努力，加强研究开发，力争摆脱这种局面。这

13、为完善我国的焊材体系，全面发展我国的药芯焊丝产业，研究开发新品种焊丝具有重要意义，尤其是高效金属芯焊丝的研制。国内进行这方面研究的单位已有一些，比如国内专业生产耐磨堆焊药芯焊丝的企业主要有上海司太立焊业有限公司、漯河京漯焊业有限公司、郑州机械研究所。但真正将成果转化为产品，进行大面积推广应用的却1很少。同时由于生产制造技术的不完善及原材料方面原因，一些焊条品种还无法转化为焊丝品种进行使用3。4 本文耐磨材料研究的最基本的原理磨损机制中磨粒磨损占50%，大部分耐磨材料都是为了克服或减少磨粒磨损而制作的。本文的磨损机理也是讲磨粒磨损机理。研究磨损的目的在于控制磨损，使它的不利影响减至最小。磨损并不

14、是材料本身固有的特性，而是受整个系统影响的，它与设计参数及运转条件有关。从磨损机制，磨损与材料性能关系中可看出，组织因素对给定条件材料的磨损特性有重要影响。对于金属材料来说，组织因素包括夹杂物，第二相（包括碳化物）、晶粒间距、基体组织及内部缺口等。本文就是利用加入一些合金元素形成第二相，增加耐磨性。第二相的机理包括两个方面：（1） 对裂纹形核的影响 第二相质点越细小越分散，裂纹形核越困难，这对提高材料耐磨性是有利的。其中板状和长条状质点比等轴质点断裂所需应变更低。（2） 裂纹扩展影响在韧性基体上分布一些硬质点，间距越小越易扩展裂纹；第二相分布不均匀，裂纹就沿着一定路径进行，如第二相为不连续分布

15、的硬质点时，沿脆性相界面进行；第二相连续分布时，裂纹变得迟钝，不易扩展，当然基体为韧质相效果最好。碳化物是耐磨钢或铸铁中的主要第二相。为了提高这些材料的耐磨损能力，需从下面三个方向努力改进材料。一是提高碳化物的体积分数，焊层中含碳量越多，确切地说药粉配方中，碳化物的体积分数就会越大，硬度也会相应提高，同时耐磨性也会增加。需要说明的是，这个规律有一个范围，也就是说碳化物的体积分数达到一定程度时，耐磨性不会再随它的增加而增加，反而下降。例如以奥氏体为基体的组织在碳化物体积分数达到30%时就已达到峰值，尽管此时硬度还在增加。这也说明硬度和耐磨性没有必然的联系4。二是碳化物类型的影响。碳化物的形态包括

16、确定相的量，形状，大小和分布。一般立方结构的铬碳化物的耐磨性要强于三角晶系铬碳化物。高温合金中可能出现的碳化物类型有：MC(MCN)、M7C3、M23C6、M6C。就其出现的条件来说，可分为初生碳化物和次生碳化物，即合金凝固时形成的和固态析出的两种。初生MC型碳化物呈质点状、条状和骨架状三种形态存在。凝固条件和合金元素都可以改变它的形态。次生碳化物一般呈小质点或小方块形态。M23C6是在较高含铬量的合金里形成的。它具有复杂的面心立方结构。次生形态在晶内可为小方块状，雪花状或者颗粒针状片状，晶界析出可为连续或不连续的M23C6膜，条状或不连续的条状。初生为骨架状和条状形。M6C比较稳定，也为复杂

17、面心立方结构。M7C3形态与M23C6类似，为斜方结构，它只出现在铬含量和碳含量之间比较低的合金或者有强烈形成碳化物元素少的合金中。它不是很稳定，高温有可能析出稳定M23C6碳化物。它的形态与M23C6相同，一般呈颗粒状5。3三是指碳化物的平均间距及相对硬度。由公式f1/2=c(d/)（f是指碳化物的体积分数，c为统计常数，d为硬质点的直径，指平均间距）可知，硬的碳化物质点分布在软基体上时，体积分数一定时，硬质点直径减少时，碳化物的平均间距也会随之减小，而耐磨性会提高。再据公式ACEB(其中A表示组织耐磨性，C为碳化物尺寸，E表示碳化物的体积分数，B为碳化物硬度)，随着碳化物尺寸或者碳化物体积

18、分数或者碳化物硬度增加，组织的耐磨性都会增加。可以这么解释，大片的碳化物尺寸相对磨粒较大，磨损划痕需许多次，而尺寸相对较小的，在磨粒磨擦时，易松动，几乎一次性就可磨损到基体4。此外，硼化物的作用也很大。虽然硼化物的类型很多，但是在高温合金中的硼化物主要是M3B2型。M3B2为四方晶体结构。初生硼化物一般呈骨架状或大块状形态，尺寸范围在几微米到十几微米。加工变形后它分布在晶界和晶内呈小颗粒状，具有强化晶界的作用。硼化物（Fe2B）与含硼碳化物（Fe3（C，B）、Fe23（C，B）6）的硬度与稳定性均普遍高于碳化物（Fe3C），因此在堆焊合金中添加一定的的硼形成硼化物大利于提高硬度和耐磨性5。 4

19、5第一章 实验材料、设备及成分设计第一章 实验材料、设备及成分设计1.1 试验材料本药芯焊丝的研制，外皮采用H08A钢带，所用的药粉主要由石墨、高碳铬铁、碳化钨、钛铁、钒铁、碳化硼、铝镁粉、铁粉，钨粉，还原钛铁，中碳锰铁，镍粉等组成，焊剂HJ260及A3钢试板等。1.2 试验设备主要有天津三英焊业有限公司生产的YHZ-1型药芯焊丝成型机、HR-150型洛氏硬度计、角磨平机、MZ-100埋弧焊机、MLS-23型湿砂橡胶轮式磨损试验机、DT150型光学天平、砂纸若干、M2型预磨机、P2型抛光机、普通药物天平、HFXA型金相显微镜。1.3 实验的目的经过一系列的实验，找到一个配方达到技术指标：硬度H

20、RC60；预热；表面无裂纹，气孔等缺陷，脱渣性良好。1.4 药芯焊丝配方设计从国内外已开发应用的合金系统有Cr-B-W-Mo-Nb-V、Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-W-V、Cr-Mo-W-V、Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Mn、Cr-W-Mo-Nb、Cr-Ni-W-Nb、Ni-Mo-Si-Mn-Ti、Cr-Mn-Ni-W-Mo-V、Cr-W-Ni-Mn-Si、Fe-Cr-Mo-B、Ni-Cr-Mo-W、Cr-B-W-V、Ni-Cr-B-Si、Cr-Mo-V-B、Cr-Mo-V-Ti-B和Cr-Ni-Mo-W-Co 等610。考虑到价格成本，实验室材料备用以及材料成分组织等问题，选择Cr-

21、B-W-V型的铁基金属粉末。铬是以高碳铬铁形式存在的，在焊缝中的作用：（1）渗合金.（2）氧化性强形成碳化铬铁等.（3）对脱渣和成型有良好的影响。同时也是钢获得不锈性和耐腐蚀性的重要元素。铬含量的增加，铁素体含量增多，有利于限制粗大奥氏体的长大，使奥氏体晶粒得到细化。另外，铬是CrB和Cr7C3的形成元素，随着硼的含量的增加，CrB和Cr7C3的数量增加，从而导致晶界的覆盖面积增大，这对提高硬度有利；再者，由于铬有固溶强化作用。因此适量的铬对堆焊层硬度和耐磨性的提高有利。再加以适量的钒，它是一种强碳化物形成元素，以钒铁形式存在，可以渗合金，脱氧，脱碳。其碳化物（VC）是堆焊层金属较为理想的强化

22、相，尤其是高温稳定性。钒能以细小弥散碳化物析出，有效的阻止奥氏体晶粒的长大，降低过热的敏感性，钒的含量改变也会引起焊态的硬度的变化，它可以提高焊缝密度，使晶粒细化，提高机械强度。钒的含量在小范围内增加时，会引起焊态硬度增加，试验中还发现，钒含量增加到一定程度，又会使焊态的硬度下降。硼主要是以硼化物的形式在组织中起作用，虽然它能使硬度增加，但也是易造成开裂的元素，故还可加入钛，即钛铁。Ti和V一起作用，形成TiC-VC弥散分布，与基体结合力强而不易破碎，并能阻碍基体中微裂纹的扩展，从而使堆焊层金属具有良好的抗裂性能11。焊缝的抗裂性能与C当量有很大的关系，一般来讲，C当量越高，其淬硬倾向增大，冷

23、裂纹敏感性加大。同时，由于基体和堆焊层之间的成分差异较大，因而堆焊层对热裂纹的倾向也很大。C含量的多少直接影响显微组织的形态和体积分数，尤其是对碳化物，这也就影响到宏观硬度和耐磨性。本文着重这点，通过对石墨的量加入的把握，来寻找规律，找到耐磨性优良的药芯焊丝配方。查阅有关的文献资料12,13 得： 表1堆焊合金焊缝熔敷金属目标化学成分合金元素CMnCrWMoVTi其他含量1.5%8.0%15%8.0%4.5%2.0%适量余量加入金属粉芯配方中的合金元素的百分含量可用下述公式进行初略估算15： M粉（M焊M带）（KbKC ）式中：M粉为配方粉末中加入某纯金属粉末或铁合金粉末的百分含量；M焊为堆焊

24、焊道中该合金元素要求的百分含量；M带为钢带中该合金元素的百分含量；为合金元素过渡系数（见表2）； Kb为药芯焊丝的包粉量即粉芯占整个焊丝重量百分比；KC为某合金元素在该铁合金中的百分含量，如果元素是纯金属粉末则kC为100。合金过渡系数是指焊接材料中的合金元素过渡到焊缝金属中的数量与原始含量的百分比。合金元素在堆焊过程中不是全部都过渡到堆焊金属中而是有一部分损失。表2 合金元素的过渡系数合金元素CCrVBWTi过渡系数0.320.650.730.820.550.650.150.450.8 0.90.220.406表3 钢带化学成分(%)合金元素CMnSiSP百分比0.0120.220.11&l

25、t;0.011<0.008碳含量的计算：14为了满足合金元素与碳结合成合金化合物分子式中的定比关系，使韧性好的基体组织上弥散分布大量的合金碳化物，拟采用“平衡碳”原则对含碳量进行适当控制。由于本焊丝研制的另一个特点是没有专门的高温回火处理，只是利用焊后自然冷却，自由消除应力过程，而这个工艺制度已经基本确定（550580X10h），在这个温度范围内得到的碳化物具有良好的性能。其公式如下： C0.033W+0.063Mo+0.200V+0.036Cr+0.250Ti+0.112Nb+0.2% C0.033W+0.063Mo+0.200V+0.060Cr+0.250Ti+0.112Nb+0.2

26、% 式适用于Cr23C6型碳化物,而式适用于Cr7C3型碳化物。假设Cr含量为14%，Ti含量为0.36%，W含量为1.4%，V含量为2.4%。代入上面两式中，可得， C0.033×1.4%+0.200×2.4%+0.036×14%+0.250×0.36%+0.2%=1.3002%C0.033×1.4%+0.200×2.4%+0.060×14%+0.250×0.36%+0.2%=1.4362%熔敷金属中碳含量来源于焊剂以及药粉中的石墨和含碳合金粉或铁合金。含碳铁合金或合金粉末加入后使飞溅增大，本配方将石墨作为碳含量

27、的主要来源。石墨变化的范围也基本确定。为了改善焊接工艺性能，再加了一些铝镁粉（铝镁粉的作用是易与氧结合，可还原碳，使碳更多地与其它有用的合金元素结合形成碳化物，另一方面改善脱渣性）。并在定好主要元素的时候，进行实验，铝镁粉分别取2%和3%，看它的脱渣性；为了初步定好硼的量，称取2.5%，3.5%，2%的碳化硼，看它的开裂情况。 表4 实验配方工艺情况编号石墨（%）碳化硼（%）铝镁粉（%）开裂是否脱渣性122.52是一般223.52是一般3223不较好422.53是较好 由上表可知，选铝镁粉为3%，碳化硼为2%时，抗裂性好，脱渣性也较好。78第二章 试验方法第二章 实验方法2.1 药粉称取 取总

28、量为200克，用研钵磨细，拌匀。其中，高碳铬铁，钒铁，钛铁，碳化硼，碳化钨，铝镁粉不变，石墨分别取0%，0.5%，1.0%，2%，2.5%，3%。余下用铁粉补足。2.2 焊丝轧制成型药芯焊丝从制造方法上可以分为有缝药芯焊丝和无缝药芯焊丝两种。其中，有缝药芯焊丝因为制造成本低而获得了广泛应用，它的制造方法是有薄钢带通过成型轧棍加工成U型槽，填入药粉轧成管状，最终尺寸是由拔丝加工而成。目前药芯焊丝的截面其形状有很多种，其中管状焊丝（即O形焊丝）由于形状简单，易于加工生产，且具有价格低的优势，是药芯焊丝采用的主要截面形状，因此我们所轧制的焊丝截面全部为O形截面。本药芯焊丝全部是在YHZ-1焊丝成型机

29、上轧制而成。本设备采用轧-拔法生产工艺生产，药芯焊丝的成型、上粉和合口工序在轧丝机上完成，而将减径工序全部或大部分移至拉丝机上来完成。首先用药物天平称取药粉配方，充分均匀混和、烘干，然后将粉末倒入轧丝机的料斗中，进行轧制。钢带采用规格为14mm×0.3mm的H08A钢带。为保证轧丝的顺利进行，对材料、设备和工艺有一定的要求以免影响粉的均匀及焊接质量。药粉要充分研磨混合均匀，颗粒太粗容易使焊丝拉断，且焊接时易引起大的飞溅，影响电弧的稳定。成型轧棍机有3个主要参数，拉丝速度，成型速度，先将拉丝速度调节到300，然后再将成型速度调节到225，即可轧制成型。另外一个重要的参数就是料斗出料口的

30、大小，若口大粉层就厚单位时间内送粉就多，焊丝包粉量大；若口小粉层就薄，单位时间内送粉就少，焊丝包粉量就小。因此可以先少许拉一段，然后用天平称其重量计算包粉量，然后调节参数使其稳定，这样便于以后做试验进行对比。轧丝机的轧辊应尽量处于同一条直线，成型轧辊侧面应处于竖直面上，以免焊丝扭转影响焊丝的平稳顺利的轧制及药粉的均匀性甚至焊丝裂开以至漏粉。焊丝轧制完后， 应逐步减径拉拔，达到所需要的直径，本焊丝全部拉拔为直径3.6mm。拉拔过程不能太快，应该避免出现拉断、漏粉等问题。焊丝轧拉后，应保证焊丝表面应光洁，成型规则，无毛刺、凹坑、划痕、锈皮和油垢，也不应有其他对焊接性能或操作性能有不良影响的夹杂物1

31、。另外焊丝的两端要封口，避免漏粉。焊丝的包粉量（即单位长度焊丝药粉占总重量的比例）是药芯焊丝性能的一个重要的指标，它不仅影响焊缝的的化学成分，而且对焊丝的轧制和焊接性能都有很大的影响。本焊丝的包粉量一般在51%左右。在焊丝的轧拉过程中，包粉量过高焊丝容易爆粉，使轧制不成功；包粉量过低，药粉容易流动，粉末不均匀，药粉中含有空气，焊接时易压扁焊丝，不利于送丝，易漏粉，焊丝中的气体有可能增大飞溅，增加裂纹气孔的倾向。2.3试板表面堆焊这里我们选择A3钢作为试验用的焊接试板，规格为150mm×80mm×16mm。焊剂选用熔炼型低锰高硅中氟焊剂HJ260。表5 焊剂HJ260的主要化

32、学成分（%）SiO2MgOCaF2Al2O3MnOCaO283215172025192424<4首先将焊接试板的两表面在砂轮机上打磨平整光亮，除掉表面油污和氧化膜。试板两端用手工点焊规格为50mm×50mm×16mm的引弧板和熄弧板（也需要打磨，抛光）。按照表4所示的焊接工艺参数用埋弧焊沿着试板的中线连续纵向堆焊两层（第一层母材稀释率比较大），如果要取耐磨试样，要焊三道以上。表6 药芯焊丝埋弧堆焊焊接工艺参数焊接部位焊接电流（A）电弧电压（V）焊丝干伸长（mm）焊接速度（m/h）层间温度（）焊后状态底层450480283525302530100200空冷面层43046

33、02530253025302.4硬度测试待焊接试样空冷至室温后，将焊接试板的两表面在砂轮机上打磨平整，光亮，除掉表面油污和氧化膜。在洛氏硬度计HR-150测硬度时, 试板必须放平整，操作时试板不能有跳动。一般取焊缝的中间部位打间隔均匀的七点，取其平均值,如果碰到硬度特殊高点或低点都不计。2.5试样切割金相试样为焊道表面为12×10 mm2的方柱，耐磨试样为57×22.5×6mm3立方体。92.6金相试样制备及观察（1）首先在砂轮机上磨平焊道表面，最好四周倒角。（2）用砂纸磨平，要按100，200，400，500，W(50), W(40), W(28), W(14)

34、, W(10), W(5)顺序，并且每一道砂纸只磨一个方向，要平磨，直到磨掉上道砂纸磨留下来的印痕，每换一道砂纸必须旋转90度。（3）用抛光机抛光，直到表面没有划痕。（4）腐蚀表面，如果不是立即在抛光后腐蚀试样，就必须再磨一次，去掉表面的氧化膜。把试样浸入硝酸浓度为4%的酒精溶液10分钟左右，再放到复合试剂中大约1分钟（复合试剂由硫酸5ml，盐酸15 ml，重铬酸钾23g，酒精30 ml，苦味酸1 g组成）。用水冲洗干净后，酒精腐蚀表面并用吹风机吹干。（5）观察金相并拍照。2.7耐磨实验（1）预磨，先将试样放入实验机放入试验机MLS23的专用夹具中，一定要装紧。装上试验机的底盖和外罩，旋紧螺丝

35、。用台秤称量1.5Kg的石英砂放入罩内，用量筒盛1000 ml水放入罩镍。盖上玻璃罩，接通电源，将自控仪表中的预置开关拨到100的位置，启动电机，试验机旋转100转后将自动停下来，这个过程主要是将石英砂和水搅拌均匀。然后装上选用的砝码，放下砝码，将预置开关拨到1000的位置，启动电机。实验机转1000转后电机自动停下来。先打开试验机的底盖，将石英砂和水放出，取出外罩，清洗工作空间，取出试样。（2）用酒精清洗试样，再用电吹风吹干，在天平上称量其初始质量：E1（3） 重复步骤（1），在天平上称量其最终质量：E2 得出磨损量为E= E1 -E2 （4）重复上述3个步骤，得出E1，E2，En （5）取

36、E的平均值，即E=（E1+E2+En）/n表7 磨损实验技术参数施加正压力（N）24.5橡胶轮转速（r/min）240橡胶轮直径（mm）170橡胶轮转向逆时针橡胶轮硬度（邵尔硬度）80砂、水重量（Kg）石英砂1.5、水1石英砂粒度（目）6040 10第三章 试验结果及分析第三章 实验结果及分析3.1药芯焊丝包粉量表8 药芯焊丝包粉量 编号 总 重(g )净 重(g )粉 重(g )包粉量1 #10.045.644.4043.82%2 #11.96.566.3444.87%3 #9.835.644.1942.62%4 #13.057.145.9145.29%5 #7.644.183.4645.2

37、9%5 #169.36.741.9%6 #10.395.724.5744.94%本实验中几乎所有的配方的包粉量都很小，没有达到50%的要求，这除了与机器本身有关外，就是配粉末时研细和研匀工作未做好。这样，包粉量低，可能增大飞溅，同时增加裂纹和气孔的倾向。所以后面的焊接工艺受它的影响。除此以外，堆焊合金最终的化学成分含量也变小了，近而影响组织的形态，宏观的硬度和耐磨性。3.2工艺性能比较 表9 各个配方的工艺性能 工艺性能编号成型裂纹飞溅稳定性脱渣性1 #一般开裂较少一般良好2 #开裂较少一般较差较差3 #开裂较少一般一般较差4 #不开裂较少一般良好良好5 #开裂较少一般良好较差5#开裂较少一般

38、一般较差6 #开裂较少一般良好较差11有气孔的原因是HJ260受潮，还有就是包粉量过低，另一种可能是试板表面未清理干净，表面还有锈和氧化膜15。开裂主要与显微组织形态和数量有关，下面金相分析中会做解释。其次拘束应力的影响很大，在试板上的两道中间焊时，开裂较容易（也称为焊后冷却过程中出现的应力释放裂纹）。1 #，5 #，都是焊第二层才开裂。还有可能就是焊接工艺的影响，确切地说是焊接线能量的影响：线能量过大，会引起晶粒粗大，降低抗裂性能，过小，又会使堆焊层淬硬，不利于氢的逸出，故而也增大冷裂纹倾向。如5 #，在电流减小的情况下，不但成型差，出现很明显的裂纹16。稳定性和飞溅都可以，这主要因为焊接工

39、艺参数选用得当（包括焊接电流，焊接电压，焊接速度）。脱渣性不好有气孔的原因。在此次实验中一般脱渣性都优良。本焊剂为HJ260焊剂，为熔炼型低锰高硅中氟焊剂，可以使焊缝金属的低温韧性有一定提高，焊剂过程中合金元素烧损较少，具有良好的脱渣性（另外要注意2点；（1）在使用前一个将焊剂进行烘干，通常在250300摄氏度焙烧2小时；（2）当反复使用焊剂时，焊剂中可能混入氧化铁皮和粉尘，焊剂的粒度分布也会改变，为保持焊剂的良好特性，应随时补加新的焊剂，且注意清楚焊剂者的混入的渣壳等杂物），除此之外，还因为在药粉中加了铝镁粉，它与氧的结合力强于其它的金属元素，就可以避免其它的金属元素V，Cr的氧化物与渣中的

40、CaO等结合形成体心立方晶格的尖晶石型MeO，Me2O3 使脱渣性恶化17。3.3配方化学成分表10 各元素在堆焊层中所占的百分比合金元素CCrVTiBWFe百分含量1.58%2.4%14.2%14.8%2.0%2.4%0.2%0.4%0.180.23%1.0%1.5%余量注：其中由于石墨的量在变化，故碳含量是一个范围，具体对应关系后面会列出来。由表格中成分并查阅资料可知27，本实验得到的堆焊合金为20Cr15V2W Ti B。3.4堆焊合金的宏观硬度影响焊缝的硬度的主要因素是碳含量，由表11可知随着碳含量的增加，硬度也随着上升，到达一定的时候，硬度达到一个最大值，碳再增加时，硬度反而下降。图

41、1可清晰地看出它们的关系，此外，其它合金元素的影响也不可忽略，具体的金相分析时会做解释。12表11 宏观硬度测定 硬度（HRC）编号和含碳量1234567平均1 # (1.58%C)58.559586160.558.558592 # (1.74%C)5960.560606059.56560.573 # (1.80%C)64.259636161.5606061.24 # (2.10%C)6158616262616661.575# (2.20%C)6362626164636362.66 # (2.44%C)5959626162606060.4注：硬度的最高和最低值在测定时已排除，5#的硬度值没有测

42、出。 图1 碳含量和硬度的关系3.5金相图及分析 由图13可知，白色组织为铁素体和奥氏体，灰色为碳化物、硼化物，少量黑色部分为马氏体组织。根据碳化物的一些特征，根据文献18以及堆焊合金的化学成分，可知本堆焊合金的硬质相主要有（Cr，Fe）23C6、碳化硼、碳化钨和碳化钒，还有少量的（Cr，Fe）7C3。13图2 1 # 堆焊合金的显微组织（1.58%C） 图3 4 # 堆焊合金的显微组织（2.10%C） 图4 6 # 堆焊合金的显微组织（2.44%C）143.5.1 碳化物形态变化及其作用 当C含量从1.58%增加到2.10%时，可见图24中的碳化物数量随之增多，单个碳化物的体积也增大。C含量

43、为1.58%时，铁素体长大呈树枝状，树枝晶内和晶间合金元素偏析大，所以易开裂，-Fe基体集中分布，故硬度较低。碳含量增加为2.10%时，二次碳化物从晶界或晶内析出（Cr富于晶界，Fe富于晶内）21，弥散分布在铁素体上，强化晶界，强度提高，硬度也增加。碳化物体积增大，数量也增多了。碳化物的间距变小，磨粒很少或无法对基体进行切削磨损，此时铁素体基体就能为碳化物提供有效的支撑。这种碳化物形态，使得组织开裂可能性很小23。石墨再增加，到碳含量为2.44%时，组织中可能含有少量的马氏体。碳化物的数量和体积进一步增多和增大。相对来说铁素体减少，且不均匀。在磨粒的损压和剥蚀作用下，碳化物易发生破碎，甚至剥离

44、。此时，碳化物呈网状分布，消弱了金属间的结合力，使韧性下降，脆性增加，它易引起沿晶界的开裂26，并降低合金的耐磨性。碳化物细化不够，分布不均匀，硬度和强度也降低。碳化物及其它相晶体结构显微硬度（50g）(kg/mm2)熔点（）密度（g/mm2）类型点阵常数(Aº)-Fe体心立方a=2.8664-Fe面心立方a=3.6468Fe3C正交a=4.524 b=5.089c=6.743134016507.67Cr7C3斜方a=4.523 b=6.99 c=12.10714501680(分解)Cr23C6复杂面心立方a=10.63813001500(分解)6.75W2C密排六方a=2.96 b

45、=4.713200275017.2WC简单六方a=2.9 b=2.83117302600(分解)15.5315.7VC面心立方a=4.182209428305.36TiC面心立方a=4.3132850320032004.39表12 碳化物及其相的性能 19, 2015碳化物体积分数高，裂纹扩展速率相对就快，这也是高碳堆焊合金裂纹易出现，易扩展的原因。在C含量为2.20%，2.44%时，基体中除了铁素体，还有残余奥氏体（很少量的），一部分马氏体。因为碳含量增加，Ms点、Mf点降低，C曲线左移，马氏体转变更容易，更彻底，故奥氏体残余很少，甚至不存在。基体有一部分为马氏体时，基体硬度增加，所以在碳含

46、量为2.20%时，硬度可达到一个巅峰。但是它抗裂性差，随着碳含量增加，变得更差。3.5.2合金元素对堆焊合金的显微组织的影响1 碳在耐磨堆焊金属中成分中，碳是最主要的元素。本试验中碳主要是以片状石墨和高碳铬铁中的碳形式存在的。碳是强烈脱氧剂，用量过多因熔点很高，故使焊接速度减慢，另外有可能严重开裂。传统观念中，堆焊金属中不能有太多的碳，否则脆性极大。但是试验证明，硬度要上一个台阶，碳和合金元素必须上个台阶。但是碳和合金元素上了台阶并不见得硬度一定会提高，有的甚至会降低，也不见得堆焊金属的脆性就增加了多少。本文研究的焊丝加入一定的石墨，保证碳的供应，它是提高硬度和耐磨性的关键元素，它与Cr、W、

47、V、Ti、B 结合，使堆焊金属生成特殊的碳化物，则耐磨性提高很多。但是同时一定要保证裂纹不能够过大，要满足韧性要求。2 铬铬是以高碳铬铁形式存在的，在焊缝中的作用：（1）对脱渣和成型有良好的影响；（2）铬也是形成（Cr，Fe）7C3，（Cr，Fe）23C6的主要元素因此适量的铬对堆焊层硬度和耐磨性的提高有利22；（3）铬含量的增加，铁素体含量增多，有利于限制粗大奥氏体的发展，使奥氏体晶粒得到细化；（4）另外，铬有固溶强化作用。3 钒钒是一种强碳化物形成元素，以钒铁形式存在。与C形成VC, 细小弥散析出，阻止晶粒的长大，增大强度，提高机械性能。4 硼硼是提高堆焊层硬度的有效元素，这是由于其与碳相

48、比，在堆焊合金中硼与铁更容易形成化合物，而且硼化物（Fe2B）与含硼碳化物（Fe3（C，B）、Fe23（C，B）6）的硬度与稳定性均普遍高于碳化物（Fe3C）14，因此在堆焊合金中添加一定的的硼大利于提高硬度和耐磨性，减少Cr、W、Mo、V、等稀缺贵重元素的加入量，对降低成本有重要意义。但是硼在焊接时容易产生裂纹，导致抗裂性能下降，我们在试验中也发现了硼含量的变化引起的裂纹问题。我们在试验中发现，在药粉中加入适量的钛铁，一方面钛保护硼不在电弧中氧化，同时也防止硼形成氮化物，因为B只有固溶在奥氏体中才能够提高奥氏体的淬透性，过多的硼致使硼化物的形成，对韧性不利。但是这也只能够减小裂纹，并不能够防

49、止裂纹的产生。165 钨钨的影响类似于钼，钨的含量增加可提高焊缝的硬度，与碳形成坚固稳定的碳化物，其硬度仅次于金刚石，但是过量容易是焊缝抗裂性能下降，容易产生裂纹。6 钛钛是一种强碳化物形成元素，与碳的亲和力大，生成热稳定性好的间隙相TiC，它具有很高的熔点且硬度是在MC系碳化物中为最高的，是耐磨堆焊材料中极为理想的强化相。细小的弥散分布的TiC相对阻碍晶粒的长大起到良好的作用。同时，钛可以与溶解于焊接熔池中的氮形成TiN或Ti(NC)，这类氮化物具有高熔点高硬度和易于弥散分布的特点，可以在堆焊层中起着耐磨质点的作用，且由于钛和氮的亲和力比铁和氮的大，可抑制Fe4N的生成。Fe4N是一种硬脆的

50、化合物，从过饱和的固溶体中析出，并以针状分布在晶粒上或贯穿晶界，尽管使焊缝的硬度升高，但使堆焊层金属的塑性和韧性急剧下降，因而，钛可在一定程度上增强焊缝熔敷金属的韧性。由于钛和氧的亲和力很大，氧化损失大，其过渡系数小。本实验中采用钛铁作为主脱氧剂并充分利用其碳化物来提高堆焊合金的耐磨性。3.6金属磨损实验结果及分析 金属材料的硬度、强韧性及耐磨性等与其微观组织有密切的关系。就堆焊而言，材料的耐磨性是磨损条件和材料性能的综合反映，其耐磨性主要取决于硬质相的形态、分布、数量、大小、基体的性质、以及基体与硬质相的匹配关系。尽管如此，材料的耐磨性和硬度之间的关系并非一一对应，高硬度的堆焊金属并不一定具

51、有优良的耐磨性。此外，磨料的硬度和性能也决定了硬度和耐磨的对应关系。一般，软磨料时，随碳化物的增加和硬度的提高，耐磨性增加；硬磨料时，碳化物的存在和增加只是限制了擦痕的沟槽宽度，碳化物增加，对耐磨性影响不大，碳化物再增加，还有可能耐磨性出现下降的现象23。此实验的标准试样为H25Cr3Mo2MnV堆焊金属试样（堆焊工艺参数在表13中），试样尺寸和实验条件均相同。表13实心焊丝H25Cr3Mo2MnV埋弧堆焊工艺参数焊接电流I电弧电压V焊丝干伸长mm焊接速度m/h层温焊后状态420460303440502225100150空冷相对耐磨性是指标准试样的磨损量和实验试样磨损量的比值。=标准试样磨损量

52、/实验试样磨损量2417表14 堆焊合金的耐磨练磨损性能试样磨损前重量（g）磨损后重量（g）绝对失重量（g） 平均绝对失重量（g）相对磨损系数硬度（HRC） H25Cr3Mo2MnV66.343265.29311.05011.050214365.293164.24291.05032# 试样64.638464.56660.07180.07214.5962.664.566664.49450.072164.494564.42260.071964.422664.35040.0722本实验的试样的硬度高，耐磨性也很好。焊丝的耐磨性能的提高重要依赖于配方中的合金元素的影响，C，B，Cr的存在使其堆焊层亚共

53、晶组织中的晶界覆盖面积增加，晶粒变得细小，耐磨性随之提高，它们之间生成的硼化物和碳化物具有较高的硬度，在磨损过程中起骨架作用，使得堆焊层耐磨性较高。W的存在对提高耐磨性也有好处。18第四章 总结和展望第四章 总结和展望4.1总结 本文通过大量的试验，研究碳含量对组织硬度和耐磨性的影响，分析讨论了合金元素CCrBTiWV对显微组织碳化物形成和形态的影响。 1）碳含量改变直接影响显微组织碳化物的形态和数量。碳化物M23C6在晶界和晶内析出对合金性能有强烈的影响。2）当碳化物对基体能够提供保护时，碳化物的数量，体积分数和基本状态对耐磨性有显著影响；但当碳化物对基体不能提供保护时，耐磨性会下降许多。在一定范围内，碳化物体积分数越大，碳化物在基体上分布越弥散，硬度越高且改善韧性，耐磨性增强。3）在Fe-Cr-V-B合金系中，钒和钛是必不可少的元素，碳化钒