【正文】 專(zhuān) 業(yè)： 材料成型及控制工程 院（系） ： 材料科學(xué)與工程 學(xué)院 完成時(shí)間： 2021 年 5 月 30 日 ii 摘 要 在機(jī)械零件磨損中，磨料磨損占了很大比重。 關(guān)鍵詞 ： 高頻堆焊 ； 高鉻鑄鐵 ； 耐磨 ii Abstract In the mechanical parts wearing, Abrasion has been a large proportion. Wearingresisting lay of high chromium cast iron was pounded on the low carbon steel plate with Highfrequency pounding methods. At the same time that can have the advantage of two materials, meet the requirements of toughness and Wearability of parts. This article process metallographic analysis of the high chromium cast iron with different position, and measure the hardness of surfacing, analysis the relations between different position of high chromium cast iron and Wearability. The results show that the Hyperectectic high chromium cast iron have Excellent Wearability pare with thehypoeutectic and Eutectic high chromium cast iron. Keywords: Highfrequency pounding 。供給機(jī)器的能量大約 30%～ 50%消耗于摩擦和磨損過(guò)程中。磨損可導(dǎo)致設(shè)備構(gòu)件的壽命下降，嚴(yán)重的，還會(huì)引起 機(jī)械設(shè)備的事故，降低勞動(dòng)生產(chǎn)率，進(jìn)而造成社會(huì)資源的浪費(fèi)，限制了工業(yè)向現(xiàn)代化和自動(dòng)化的發(fā)展。還有一些易損件只要求特定的部位磨損到一定的尺寸后就失效報(bào)廢，整體采用高硬度的耐磨材料就顯得極不經(jīng)濟(jì)。因此凡是屬于熔焊的方法都可以用與堆焊。因此手工電弧堆焊是目前主要的堆焊方法之一。 由于手工電弧堆焊熔深較大，稀釋率較高，堆焊層硬度和耐磨性下降，所以一般需堆焊 2～ 3 層。獲得的堆焊層薄，表面平滑美觀(guān)、質(zhì)量良好。埋弧堆焊的實(shí)質(zhì)與一般埋弧焊接沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，自動(dòng)埋弧堆焊與一般的自動(dòng)埋弧焊大致相同，所采用的設(shè)備完全是自動(dòng)埋弧焊的設(shè)備。堆焊電弧使顆粒狀焊劑部分熔化，維持堆焊電弧在熔融焊劑所形成的彈性外殼的空間中燃燒。但自動(dòng)埋弧堆焊的熱量輸入較大，堆焊熔池大，稀釋率比其他電弧堆焊方法高。采用惰性氣體氬氣作為保護(hù)氣體，焊接過(guò)程中基體金屬與填充金屬中的合金元素不易氧化燒損。由于是惰性氣體保護(hù)，堆焊層質(zhì)量?jī)?yōu)良，適用于不銹鋼和有色金屬的堆焊。缺點(diǎn)是：堆焊時(shí)飛濺大、合金元素?zé)龘p嚴(yán)重。等離子弧與一般電 弧的最大區(qū)別是，等離子弧在噴嘴內(nèi)受到 ―壓縮 ‖，而一般電弧是自由電弧。 等離子弧堆焊具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 等離子弧溫度高、熱量集中 等離子弧具有壓縮作用，中心溫度可達(dá) 16000～ 32021K。等離子弧堆焊電流和電弧電壓相對(duì)于弧長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)的變化不敏感，即使在弧柱較長(zhǎng)時(shí)仍能保持穩(wěn)定燃燒，沒(méi)有自由電弧易飄動(dòng)的缺點(diǎn)。高頻感應(yīng)堆焊層的厚度為 ～ 3mm，并且具有操作簡(jiǎn)單、熔深淺，生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在機(jī)械零件的耐磨場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。 合金粉末中的熔劑造渣并覆蓋在平靜的熔池上，最后形成一層薄而均勻的合金焊層。當(dāng)前，高頻感應(yīng)堆焊合金粉末多為硬度高、耐磨性好的高鉻鑄鐵型抗磨材料，既可以采用國(guó)產(chǎn)定型堆焊粉末，也可以自行生產(chǎn)機(jī)械粉碎混合型堆焊合金粉末。因其具有很多優(yōu)點(diǎn)如熔深淺、稀釋率低、生產(chǎn)效率高、易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、經(jīng)濟(jì)效益顯著等是其他堆焊方法難以相比的 [5],[14]。僅現(xiàn)有的用于軋輥堆焊的材料就有幾十種。目前常用的過(guò)渡層材料有 00Cr24Ni13,該材料適用于 400℃ 以下作業(yè)的淬火敏感性鋼種。 隨著堆焊技術(shù)的進(jìn)步和堆焊材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，采用馬氏體鋼堆焊絲材、 CrNiWMoNb 堆焊合金作為表面工作層，修復(fù)壓鑄模，可以大大提高其耐熱疲勞性，使用壽命延長(zhǎng)；修復(fù)斷裂模具，可保證足夠的力學(xué)性能；在塑料成型模具上進(jìn)行堆焊，可 以獲得具有良好耐蝕、耐磨和優(yōu)異的鏡面加工性能。因此，廣泛采用堆焊工藝修復(fù)舊零件，對(duì)節(jié)約材料、節(jié)省資金、彌補(bǔ)配件短缺、縮短制造周期等具有重要的意義。因此，合理的采用并推廣堆焊技術(shù)具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。 6 為了上述目標(biāo)的完成，本課題將進(jìn)行如下的研究?jī)?nèi)容： 本文系統(tǒng)研究了高鉻鑄鐵高頻堆焊下不同組織 、 成分的 高鉻鑄鐵 堆焊層的 耐磨性能。試樣制備后將通過(guò)金相顯微鏡觀(guān)察界面組織，并通過(guò)硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)的研究來(lái)檢測(cè)復(fù)合層耐磨性。目前，雙金屬?gòu)?fù)合材料一般在磨損嚴(yán)重或者腐蝕性的條件下工作以及在一些承受高周疲勞的齒輪和軸類(lèi)的零件中使用 [34]。如果為了保證零件的韌性而采用低碳鋼，則由于其強(qiáng)度、硬度太低而使得其使用壽命非常短，但其韌性特別好，用作母材是完全合適的，且價(jià)格便宜。高鉻鑄鐵是一種以鐵碳鉻為基本成分的多元合金，其碳化物主要是 M7C3型，這種碳化物的硬度高 ,并呈不連續(xù)的條塊狀、顆粒狀。凝固后組織中高硬度碳化物基本上是以孤立的條塊狀形態(tài)存在，使得基體的連續(xù)性增加，因而整體材料的韌性顯著提高。在 3MC， 73MC， 23 6MC 型碳化物中 3Fe Cr C7（ ， ） 型碳化物的硬度最高，這對(duì)提高鑄鐵的耐磨性是有利的【 3Fe Cr C（ ， ） 型硬度為 1000～ 1230HV, 3Fe Cr C7（ ， ） 為 1300～ 1800HV, 6Fe Cr C23（ ， ） 約為 1140HV】隨著鉻元素的增加，硬質(zhì)相73CrC , 23 6CrC 的數(shù)量也逐漸增加，所以堆焊層的硬度也就隨著增加，堆焊層耐磨性也隨之迅速提高。 高硬度的碳化物要與硬的基體相配合才能表現(xiàn)出高的耐磨性 .軟基體不能給碳化物提供支撐 ,碳化物在磨損時(shí)易受剪力而折斷 ,難以發(fā)揮抵抗磨損的作用 .高鉻白口鑄鐵中各基體的顯微硬度為 :鐵素體 70～200HV ，珠光體 300～ 460HV，奧氏體 300～ 600HV,馬氏體 500～ 件下，基體不同時(shí)的磨損情況不同，馬氏體的硬度最高，其磨料磨損抗力也最好，所以一般希望得到馬氏體基體 [4],[7],[8]。當(dāng)加入一定量高活性焊劑，合金層粉末未完全熔化時(shí)，首先發(fā)生的是粉末顆粒間的局部 ―搭橋 ‖導(dǎo)通，然后整個(gè)粉末層幾乎同時(shí)熔化。焊劑 9 活性溫度越低，則粉末層導(dǎo)通越早，加熱和升溫速度也越高，因此開(kāi)始熔化的時(shí)間越短。生成的硼酸鹽以渣的形式 浮在覆層表面，既能達(dá)到除去 氧化膜的目的，又能起到機(jī)械保護(hù)作用。為了解決這個(gè)矛盾，采用硼砂和硼酐的混合物的熔劑。氟化鈣不但能起到除去合金顆粒表面氧化膜及改善合金粉末與鐵液浸潤(rùn)性的作用，它還是造渣劑，能溶解并吸收高熔點(diǎn)氧化物，同時(shí)又是一種表面活性劑，能減小鐵液的表面張力，而且造渣后上浮，改善覆層質(zhì)量。用于堆焊層合金化的合金粉末有鉻鐵粉、鐵粉，焊后對(duì)試樣組織進(jìn)行分析。 （ 3） 打磨試樣 分別將 試樣 的堆焊 表面和含復(fù)合層的面 在砂輪機(jī)上打磨較小平面，打磨平為止，再依次在 100、 200、 400、 600、 800、 1000砂紙上 打磨，磨好后（以產(chǎn)生鏡面為準(zhǔn)），在拋光機(jī)上拋光，而后用鹽酸苦味酸酒精溶液腐蝕，用酒精洗凈，烘干。因?yàn)槟覆募訜釡囟雀撸瑹嵊绊憛^(qū)奧氏體晶粒粗大，且焊后空冷、冷卻速度大，所以容易出現(xiàn)魏氏組織。當(dāng)魏氏組織中的鐵素體形成時(shí)，鐵素體中的碳擴(kuò)散到兩側(cè)母材奧氏體中，從而使鐵素體中的奧氏體碳濃度不斷增加，最終轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。當(dāng)亞共析鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò) %時(shí)，由于碳含量高，形成微碳區(qū)的幾率很小，故魏氏組織難以形成。因此魏氏組織通常伴有粗晶組織。 由于 Cr/C為 8大于 7且含鉻量大于 15%，因此 大 部分 共晶碳化物形態(tài)為斷續(xù)網(wǎng)狀的 73MC型共晶碳化 物。 13 圖 1號(hào)試樣的金相組織 Metallographic structure of sample 2號(hào)試樣合金復(fù)合層碳當(dāng)量 CE=w(C)+0． 05［ w(Cr)］ =%+*%=%， 為亞共晶 高鉻鑄鐵，組織為亞共晶組織。由于碳化物數(shù)量增加后，高硬抗磨骨架相增多，基體軟相奧氏體相的數(shù)量減少，且基體中有一定數(shù)量的馬氏體。由于除共晶組織外，組織中出現(xiàn)了部分粗大六方柱狀初生 73MC型碳化物，因此復(fù)合層硬度大大提高，達(dá)到 。與 4號(hào)試樣相比， 其初生柱狀 73MC型碳化物 增 加。由于其六方柱狀型碳化物 73MC增加，提高了組織的致密度，使硬度增加，試樣的耐磨性能有所提高 約為 。 因此從宏觀(guān)上提高復(fù)合層的韌性，降低復(fù)合層的硬度。 （ 2）與亞共晶和共晶成分的高鉻鑄鐵相比，過(guò)共晶高鉻鑄鐵耐磨復(fù)合層具有較好的耐磨料磨損和較好的工藝性能。高鉻鑄鐵中的硬質(zhì)相是碳化物 ( ) 7C3 ,其晶體呈粗大六角長(zhǎng)棒狀立體形態(tài) ,碳化物晶體存在不同生長(zhǎng)缺陷而不能結(jié)晶成規(guī)則的六角晶體外形。 目 標(biāo) 和 要 求 通過(guò)比較亞共晶、共晶、過(guò)共晶組織高鉻鑄鐵的耐磨料磨損能力，找出耐磨料磨損性能最好的高鉻鑄鐵組織。 成果 形式 論文 成果 價(jià)值 科 室 審 題 意 見(jiàn) 負(fù)責(zé)人簽字 : 年 月 日 學(xué) 院 審 批 意 見(jiàn) 主管院長(zhǎng)簽字 : 年 月 日 20 附件 2 鄭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )開(kāi)題報(bào)告表 院（系）： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 類(lèi)別：論文 課題名稱(chēng) 高鉻鑄鐵高頻堆焊工藝及性能的研究 導(dǎo)師姓名 吳振卿 職 稱(chēng) 教授 學(xué)生姓名 楊麒 學(xué) 號(hào) 20210850226 專(zhuān)業(yè) 材料成型與控制工程 開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容： 1 選題依據(jù)及目的 目前 ,機(jī)械零件大多數(shù)是用金屬材料制造的 ,在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生磨損。 為了上述目標(biāo)的完成，本課題將進(jìn)行如下的研究?jī)?nèi)容：本文系統(tǒng)研究了高鉻鑄鐵高頻堆焊下不同組織、成分的高鉻鑄鐵堆焊層的耐磨性能。解決辦法：自己配制合適的腐蝕劑 。結(jié)果表面，由于armacor M 具有更高的硬度和更多的硼化物顆粒，因此在各種 磨損測(cè)試研究中表現(xiàn)出比armacor C 更好的耐磨性。用 X 光衍 和表面磨損方法對(duì)堆焊層進(jìn)行分析沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大量的 非晶相 表明在磨損過(guò)程中 結(jié)晶 非晶 轉(zhuǎn)化階段沒(méi)有發(fā)生。 鐵基涂層 1 導(dǎo)言 采用高密度能源 的 堆焊技術(shù)，如電弧和激光，為了提高材料表面 的 耐磨性和耐腐蝕性已得到了廣泛的應(yīng)用 。 最近一段時(shí)間， 用 變質(zhì)改造 技術(shù)生產(chǎn)的非晶表面 層產(chǎn)品已經(jīng) 商業(yè)化。最近利用電子顯微鏡分析方法證實(shí)這種馬氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生在最初的磨損表 面。 這篇文章報(bào)告 了 所謂的經(jīng)過(guò)等離子弧焊加工的變質(zhì)合金層的性能，磨料磨損， 針 磁盤(pán)干滑動(dòng)磨損性能 。其最基本的特征如表 1 所示。經(jīng)過(guò)加工用于磨損實(shí)驗(yàn)的涂層厚度約為 3mm. 26 表 2 等離子轉(zhuǎn)移弧焊實(shí)驗(yàn)參數(shù) 參數(shù) 條件 間隙（ mm） 15 初始?xì)饬鳎?1/min） 載氣流（ 1/min） 4 保護(hù)氣體（ 1/min） 25 粉末供給速率（ rpm） 15 電弧電流 (A) 180 移動(dòng)速率 (cm/min) 8 擺動(dòng)速率 (cm/min) 90 擺動(dòng)寬度（ mm） 20 預(yù)熱溫度（℃） 300 磨料磨損試驗(yàn) 用 Sugaru 磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行兩體磨料磨損試驗(yàn)