【文章內(nèi)容簡介】 專家系統(tǒng)，如德國建立的堆焊專家系統(tǒng)，可根據(jù)零件磨損程度和磨損形式及母材成分來確定母材是否適宜堆焊、是否需要過渡 層，并能夠選擇堆焊材料和確定堆焊工藝。這有利于指導操作人員制定較佳的堆焊工藝參數(shù)，促進堆焊技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展與堆焊質(zhì)量的不斷提高，進而擴大堆焊工藝的應(yīng)用范圍 [12],[14]。 研究目標和研究內(nèi)容 本文 主要 研究高頻堆焊情況下高鉻鑄鐵 /Q235復合中 的 亞共晶、共晶、過共晶組織高鉻鑄鐵的耐磨性能 。 6 為了上述目標的完成，本課題將進行如下的研究內(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?？疾於押笇有阅苤饕菧y試其硬度 ，通過不同的組織狀態(tài) :亞共晶、共晶和過共晶的耐磨性比較，分析 化學成分，組織狀態(tài)，機械性能 (主要指硬度 、 耐磨性 )之間的關(guān)系。 7 2 實驗過程 高頻堆焊工藝的選擇是制備出良好試樣的關(guān)鍵，在某種程度上直接對試驗的準確性產(chǎn)生重要的影響。本章介紹了高鉻鑄鐵和碳鋼不同質(zhì)量比的實驗過程。試樣制備后將通過金相顯微鏡觀察界面組織，并通過硬度測試實驗的研究來檢測復合層耐磨性。 實驗材料的選取 實驗材料的選取依據(jù) 任何雙金屬復合材料，只有當它和單一材料結(jié)構(gòu)相比成本顯得更低，某些性能或者綜合性能有所改進時才是有用的。選用金屬復合時需要考慮的性能包括彈性、強度、延展性和斷裂 韌性等機械性能，以及抗磨損性、抗腐蝕性或者抗高溫等物化性能。另外，制作的雙金屬復合材料不僅要其整體具有良好的綜合性能，同時還需要保持兩種金屬自身的特點。目前，雙金屬復合材料一般在磨損嚴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的零件中使用 [34]。因此，為了保證雙金屬復合材料具有良好的工作狀態(tài)，理想的復合材料表面應(yīng)具備高的耐磨損、耐腐蝕性能，而基體材料必須具有良好的韌性和塑性。此外，復合材料整體需要有優(yōu)良的焊接、鉚接及沖壓等工藝性能，并有不易被氧化、腐蝕和難以生成有害表面膜等特點。 母材的選取 本文中所研究的是高鉻鑄鐵的高頻堆焊（篩板），高鉻鑄鐵為耐磨材料，脆性高，廣泛應(yīng)用與礦山機械等很多場合，因此母材不僅要能與高鉻鑄鐵有良好的冶金結(jié)合，而且能降低復合后工件的脆性，避免零件在工作過程中的脆性斷裂。如果為了保證零件的韌性而采用低碳鋼，則由于其強度、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，且價格便宜。綜上所述，利用高鉻鑄鐵的優(yōu)異抗磨能力和碳鋼的優(yōu)良韌性的特點，采用高鉻鑄鐵 /碳鋼復合的辦法制造篩板。 高鉻鑄鐵成分的選取 高鉻鑄鐵的優(yōu)良抗磨能力主要 決定于其特有的組織，由于含有較多的鉻和其它的合金元素，可獲得抗磨能力優(yōu)良的組織。為了制備具有優(yōu)良抗磨能力的篩板，首先需要了解高鉻鑄鐵中各種元素的作用和組織的形成條件。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。高 8 鉻鑄鐵中碳、鉻是決定組織中碳化物數(shù)量和形態(tài)的最主要因素，同時其含量對基體組織也有相當?shù)挠绊?。?yīng)用的高鉻鑄鐵含碳量一般為 2% ~ 4%，含鉻量為 15% ~ 40%，如此高的含鉻量是因為碳、鉻原子間鍵結(jié)合強度高于碳、鐵原子鍵結(jié)合強 度。隨著鉻溶入量增加，碳化物的硬度相應(yīng)提高，抗磨性能也提高。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。 高鉻鑄鐵堆焊合金中含碳質(zhì)量分數(shù)越高 ,碳化物越多 ,硬度越高 ,抗磨性越好。但碳質(zhì)量分數(shù)過剩時使其脆化 ,易出現(xiàn)裂紋。 隨合金中鉻含量的增加，碳化物的形式由 3Fe Cr C（ ， ）型 ? 3Fe Cr C7（ ， ） 型 ? 6Fe Cr C23（ ， ）型（即 3 7 3 23 6M C M C M C??） ,一般 3MC型碳化物為連續(xù)網(wǎng)狀或板狀形貌，而 73MC和 23 6MC型碳化物為條狀或條塊狀形貌，即 73MC和 23 6MC型碳化物較 3MC型碳化物的連續(xù)性低，故含有 73MC和 23 6MC型碳化物白口鑄鐵的韌性比含有 3MC型碳化物白口鑄鐵的要好。在 3MC， 73MC， 23 6MC 型碳化物中 3Fe Cr C7（ ， ） 型碳化物的硬度最高，這對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。但 Cr 元素的加入量不是越多越好，它應(yīng)與 C 元素有適當?shù)谋壤P(guān)系才能明顯地改善堆焊層的耐磨性，而超過適當?shù)姆秶阅懿粫黠@提高，有時反而下降。鉻與碳的比值 Cr/C，影響鑄鐵中 73MC型碳化物的相對數(shù)量。一般 Cr/C 大于 5 就能獲得大部分的73MC型碳化物；同時鉻碳比越高，鑄鐵的淬透性也增加。 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]。 綜上所述，為更好的研 究亞共晶、共晶和過共晶高鉻鑄鐵的性能，因此確定高鉻鑄鐵C、 Cr 含量如下： C： %～ %， Cr： 16%～ 41%。 焊劑的選 用 熔劑的主要作用是清除合金粉末和基體表面的氧化膜，并起造渣作用，保護液態(tài)金屬不被氧化 。當不加焊劑或只加少量低活性焊劑時，粉末層的熔化是從粉末層 /基體的界面開始逐漸向兩側(cè)推進的。當加入一定量高活性焊劑，合金層粉末未完全熔化時，首先發(fā)生的是粉末顆粒間的局部 ―搭橋 ‖導通，然后整個粉末層幾乎同時熔化。可見、焊劑對合金粉末層的熔化過程有著顯著的影響。 在焊劑加入量相同的情況下 ，焊劑活性溫度越低，強活性組分含量越高，則堆焊速度越快，稀釋度越低。焊劑性質(zhì)對熔焊過程的這種影響，主要是由其脫氧能力決定的。焊劑 9 活性溫度越低，則粉末層導通越早，加熱和升溫速度也越高，因此開始熔化的時間越短。另外，由于粉末層較早導通，使最高溫度區(qū)較快的移到粉末層中，因而堆焊層界面和基體處的溫度也就相應(yīng)低一些，加上加熱時間短，因而基體熔化的程度也就較低。 高頻堆焊時采用硼化物為主的熔劑，其主要成分為：硼酐、脫水硼砂、硅鈣、氟化鈣。硼酐的熔點為 580℃ ，能與鐵、銅等的氧化物形成易熔的硼酸鹽。生成的硼酸鹽以渣的形式 浮在覆層表面，既能達到除去 氧化膜的目的，又能起到機械保護作用。硼砂在 741℃ 熔化，在液態(tài)下分解成硼酐和偏硼酸鈉。硼砂去除氧化膜的作用仍是基于硼酐與金屬氧化物形成易熔的硼酸鹽，但分解形成的偏硼酸鈉 能與硼酸鹽形成熔點更低的復合化合物，從而能更有效地清除氧化膜。因此硼砂 除去氧化膜的能力比硼酐強，但硼砂的熔點比較高，且在 800℃ 以下粘度較大，流動性不好。為了解決這個矛盾，采用硼砂和硼酐的混合物的熔劑。熔劑中硼酐含量多時，可以降低熔劑的熔點，另外硼酐能減小硼砂的表面張力，改善其流動性，促進硼砂熔劑的鋪展。硼砂和硼 酐熔劑有一個缺點：不能除去鉻、硅、鈦等的氧化物，因此在熔劑中加人氟化鈣。氟化鈣能夠有效去除鉻、硅等的氧化物，但氟化鈣熔點很高 (1403℃ )，對降低熔劑熔點不起作用，故只加少量。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性的作用，它還是造渣劑，能溶解并吸收高熔點氧化物，同時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。熔劑中加人少量硅鈣的目的是進一步增加脫氧效果 [2],[6]。 試驗目的、方法及步驟 試驗目的及方法 本實驗主要是采用高頻堆焊的方 法，在 Q235 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼母材上堆焊不同成分的合金粉末，對焊后形成的亞共晶、共晶、過共晶組織進行金相分析，并測量堆焊層的硬度，由于硬度與耐磨性成正比，故可用其硬度來評價不同組織高鉻鑄鐵堆焊層的耐磨性能。 本實驗過程需要 7 種試樣，分別堆焊 7 種不同成分的合金粉末，堆焊試驗在 Q235 基體上進行，焊前清理試件，去除基體表面的鐵銹、油脂等污染物。用于堆焊層合金化的合金粉末有鉻鐵粉、鐵粉，焊后對試樣組織進行分析。 實驗設(shè)備 及材料 GP100C3 高頻感應(yīng)加熱爐， OLYMPUS BH2 金相 顯微鏡 采集系統(tǒng) ， HR150 型 洛氏硬度 計， 砂輪打磨機，砂紙（ 100、 200、 400、 600、 800、 1000）， 拋光機，Q235 鋼板，合金粉末。 實驗步 驟 （ 1）母材與合金粉末的準備 以 Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 為母材，準備 7個尺寸為 20mm10mm6mm試樣，同時準備好 10 7份合金粉末，成分 質(zhì)量分數(shù) 如表 ： 表 試樣成分 (wt%) Chemical position of the experiment material(wt%) 試樣 1 2 3 4 5 6 7 C Cr Fe 其它 —— —— —— —— —— —— —— 將 7種合金粉末分別最大限度鋪在 7個試樣表面。 （ 2）高頻堆焊 啟動 GP100C3高頻感應(yīng)加熱爐，待運行穩(wěn)定后，將試樣以 過高頻感應(yīng)線圈進行復合，堆焊完成后，空冷至室溫。 （ 3） 打磨試樣 分別將 試樣 的堆焊 表面和含復合層的面 在砂輪機上打磨較小平面，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），在拋光機上拋光，而后用鹽酸苦味酸酒精溶液腐蝕，用酒精洗凈，烘干。 （ 4） 觀察 金相和硬度測試 試樣 烘干后 ，在 OLYMPUS BH2金相顯微鏡采集系統(tǒng) 上，分別以 100倍、 200倍、 500倍 分別 對試樣 母材、 復合界面和堆焊表面進行 觀察并拍照。 用 洛氏 硬度計測試 堆焊層 硬度，每個試樣打 5次，讀數(shù)，去掉差別大 的數(shù)據(jù) 后，取平均值。 11 3. 實驗結(jié)果與 討論 母 材組織分析 從 圖 中可以看到 ，常用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q235（含碳量為 ～ %）母材在高頻感應(yīng)加熱后空冷情況下，母材中出現(xiàn)魏氏組織。因為母材加熱溫度高，熱影響區(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。 在實際生產(chǎn)中 ，含碳量小于 %的亞共析鋼和含碳量大于 %的過共析鋼在鑄造、熱扎、鍛造后的空冷，焊縫或熱影響區(qū)的空冷，或當加熱溫度過高并以較快速度冷卻時，先共析鐵素體或先共析滲碳體從奧氏體晶界沿奧氏體一定晶面往晶內(nèi)生長并呈針片狀析出。在金相顯微鏡下可以觀察到 從奧氏體晶 界生長出來的近于平行的或其它規(guī)則排列的針狀鐵素體或滲碳體加珠光體組織，這種組織稱為魏氏組織。針狀鐵素體可以從奧氏體中直接析出，也可以沿奧氏體晶界首先析出網(wǎng)狀鐵素體，然后再從網(wǎng)狀鐵素體平行的向晶內(nèi)生長。當魏氏組織中的鐵素體形成時，鐵素體中的碳擴散到兩側(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。 魏氏組織的形成與鋼中含碳量、奧氏體晶粒大小、及冷卻速度有關(guān)。只有在較快冷卻速度和一定碳的質(zhì)量分數(shù)范圍內(nèi)才能形成魏氏組織。對于亞共析鋼，碳的質(zhì)量分數(shù)越高，奧氏體晶粒越細，形成魏氏組織的上限溫度 越低，即在較大過冷度下才能形成魏氏組織。當亞共析鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)超過 %時，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。 研究表明，對于亞共析鋼，當奧氏體晶粒細小時，只有含碳量在 ～%的狹窄范圍內(nèi)，冷卻速度較快時才能形成魏氏組織。奧氏體晶粒越細小，越容易形成網(wǎng)狀鐵素體，而不容易形成魏氏組織。奧氏體晶粒越粗大，越容易形成魏氏組織，形成魏氏組織的含碳量范圍變寬。因此魏氏組織通常伴有粗晶組織。 魏氏組織是鋼的一種過熱缺陷組織。它使鋼的機械性能 ，特別是沖擊韌性和塑性有顯著降低，并提高鋼的 脆性轉(zhuǎn)折溫度，因而容易使鋼發(fā)生脆性斷裂。 12 圖 魏氏組織 widmanstaten structure 復合層化學成分和硬度關(guān)系的分析 測量 1～ 7 號試樣的硬度，結(jié)果如表 所示 表 試樣硬度值 Hardness of samples 試樣序號 1 2 3 4 5 6 7 化學成分 （ wc%） C Cr 硬度（ HRC） 針對 表 1中復合層的化學成分和硬度 ，進行如下的分析 : 1號試樣合金復合層碳當量 CE=w(C)+0． 05［ w(Cr)］ =%+*16%=%， 為亞共晶高鉻鑄鐵，組織為 亞共晶組織 。 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。 碳化物含量（ %） =（ %C） +（ %Cr）=%,由于試樣在高頻 堆焊 后直接空冷，因此其基體組織主要為奧氏體。由于碳化物的數(shù)量較少且基體為奧氏體組織 。 因此試樣的硬度較底， HRC為 ,耐磨性相對較差 [1]。 13