【正文】 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。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。因此魏氏組織通常伴有粗晶組織。奧氏體晶粒越細(xì)小，越容易形成網(wǎng)狀鐵素體，而不容易形成魏氏組織。當(dāng)亞共析鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?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。只有在較快冷卻速度和一定碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)才能形成魏氏組織。當(dāng)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。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。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。 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。 （ 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)），在拋光機上拋光，而后用鹽酸苦味酸酒精溶液腐蝕，用酒精洗凈，烘干。 實驗步 驟 （ 1）母材與合金粉末的準(zhǔn)備 以 Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 為母材，準(zhǔn)備 7個尺寸為 20mm10mm6mm試樣，同時準(zhǔn)備好 10 7份合金粉末，成分 質(zhì)量分?jǐn)?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。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。 試驗?zāi)康摹⒎椒安襟E 試驗?zāi)康募胺椒? 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。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。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。為了解決這個矛盾，采用硼砂和硼酐的混合物的熔劑。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(fù)合化合物，從而能更有效地清除氧化膜。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。 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。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，因此開始熔化的時間越短。 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。當(dāng)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(dǎo)通，然后整個粉末層幾乎同時熔化。 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 。 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]。鉻與碳的比值 Cr/C，影響鑄鐵中 73MC型碳化物的相對數(shù)量。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。但碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)過剩時使其脆化 ,易出現(xiàn)裂紋。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。應(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。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。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。此外，復(fù)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。目前，雙金屬復(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的零件中使用 [34]。選用金屬復(fù)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。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(fù)合層耐磨性。 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(zhǔn)確性產(chǎn)生重要的影響。 6 為了上述目標(biāo)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。這有利于指導(dǎo)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]。因此，合理的采用并推廣堆焊技術(shù)具有重大的經(jīng)濟意義。例如，一般熱鍛模采用 5CrMnMo 或 5CrNiMo 等合金鋼整體模制造，而我國有的單位已成功應(yīng)用 45Mn2 鑄鋼作為熱鍛?；w、采用電渣堆焊合金材料來制造，從而大量節(jié)約了貴重的 Ni、 Mo 等合金元素。因此，廣泛采用堆焊工藝修復(fù)舊零件，對節(jié)約材料、節(jié)省資金、彌補配件短缺、縮短制造周期等具有重要的意義。據(jù)統(tǒng)計，用于修復(fù)舊零件的堆焊合金占堆焊合金總量的 %。 隨著堆焊技術(shù)的進步和堆焊材料的開發(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；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。對使用溫度高、堆焊難度更大的模具，常采用鎳基過渡材料。目前常用的過渡層材料有 00Cr24Ni13,該材料適用于 400℃ 以下作業(yè)的淬火敏感性鋼種。 模具作為機械制造業(yè)的重要裝備，采用堆焊技術(shù)進行模具修復(fù)及預(yù)保護在國內(nèi)外取得了顯著的經(jīng)濟效益。僅現(xiàn)有的用于軋輥堆焊的材料就有幾十種。 目前，軋輥堆焊在堆焊領(lǐng)域中已占有很大比重，幾乎所有的大、中型鋼廠都有軋輥堆焊能力。因其具有很多優(yōu)點如熔深淺、稀釋率低、生產(chǎn)效率高、易實現(xiàn)機械化、經(jīng)濟效益顯著等是其他堆焊方法難以相比的 [5],[14]。采用這種合金粉末堆焊的零件，增加的成本不超過原工藝的 20～ 25%，但使用壽命可以提高一倍以上。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，既可以采用國產(chǎn)定型堆焊粉末，也可以自行生產(chǎn)機械粉碎混合型堆焊合金粉末。高頻感應(yīng)堆焊加熱集中，生產(chǎn)效率高，每小時可堆焊金屬 6kg 以上，并可實現(xiàn)一次堆焊單道、雙道、多道焊層，這是其他堆焊工藝所不可能相比的。 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。高頻感應(yīng)堆焊設(shè)備與一般高頻淬火設(shè)備一樣由高頻發(fā)生器和感應(yīng)器組成。高頻感應(yīng)堆焊層的厚度為 ～ 3mm，并且具有操作簡單、熔深淺，生產(chǎn)率高等優(yōu)點，因此在機械零件的耐磨場合得到廣泛的應(yīng)用。高頻堆焊時，加熱溫度略高于堆焊材料的熔化溫度，略低于基體金屬的熔化溫度。等離子弧堆焊電流和電弧電壓相對于弧長在一定范圍內(nèi)的變化不敏感，即使在弧柱較長時仍能保持穩(wěn)定燃燒，沒有自由電弧易飄動的缺點。由于等離子弧溫度高、熱量集中，被加工材料不受其熔點高低的限制。 等離子弧堆焊具有以下幾方面的優(yōu)點： （ 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 16000～ 32021K。這三種壓縮效應(yīng)對電弧的作用，使電弧受到強制壓縮而產(chǎn)生等離子弧。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。設(shè)備簡單、操作方便，并可以獲得多種成分的堆焊合金 [5]。缺點是：堆焊時飛濺大、合金元素?zé)龘p嚴(yán)重。 CO 2 氣體保護電弧堆焊成本低，但堆焊質(zhì)量差，只適合對堆焊性能要求不高的零件。由于是惰性氣體保護，堆焊層質(zhì)量優(yōu)良，適用于不銹鋼和有色金屬的堆焊。非 熔化極（鎢極）惰性氣體保護氬弧堆焊的特點是保護效果好、可見度好、電弧穩(wěn)定、飛濺少。采用惰性氣體氬氣作為保護氣體，焊接過程中基體金屬與填充金屬中的合金元素不易氧化燒損。 3 氣體保護電弧堆焊 氣體保護電弧堆焊可分為很多種，主要包括鎢極氬弧堆焊、熔化極氣體保護電弧堆焊和自保護電弧堆焊。但自動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。 自動埋弧堆焊比手工電弧堆焊能更有效地保護熔融金屬不受空氣影響，提高堆焊金屬的質(zhì)量，并且生產(chǎn)率比手工電弧堆焊高得多。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。 在自動埋弧堆焊過程中，堆焊工件和焊絲在堆焊電弧的高溫作用下被局部和全部熔化。埋弧堆焊的實質(zhì)與一般埋弧焊接沒有本質(zhì)的區(qū)別，自動埋弧堆焊與一般的自動埋弧焊大致相同，所采用的設(shè)備完全是自動埋弧焊的設(shè)備。 自動埋弧堆焊 自動埋弧堆焊是利用埋弧焊的方法在零件表面堆敷一層有特殊性能的金屬材料的工藝過程。獲得的堆焊層薄，表面平滑美觀、質(zhì)量良好。 氧 乙炔焰堆焊 氧 乙炔火焰是一種多用途的堆焊熱源，火焰溫度較低（ 3050～ 3100℃ ），而且可以調(diào)整火焰能率，能獲得非常小的稀釋率（ 1%～ 10%）。 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。當(dāng)工藝參數(shù)不穩(wěn)定時，易造成堆焊層合金的化學(xué)成分和性能波動，同時不易獲得薄而均勻的堆 焊層。因此手工電弧堆焊是目前主要的堆焊方法之一。目前應(yīng)用最為廣泛的是手工電弧堆焊和氧 乙炔焰堆焊。因此凡是屬于熔焊的方法都可以用與堆焊。 而堆焊正是解決這些問題提高機械零部件表面性能的一種重要方法 [5],[12]。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廢，整體采用高硬度的耐磨材料就顯得極不經(jīng)濟。 另外，對于 篩板、襯板、鄂板等這些采用高硬度材料制造的耐磨件，不僅生產(chǎn)成本高，而且脆性大，因而在強烈沖擊載荷條件下使用時受到限制。磨損可導(dǎo)致設(shè)備構(gòu)件的壽命下降，嚴(yán)重的，還會引起 機械設(shè)備的事故，降低勞動生產(chǎn)率，進而造成社會資源的浪費，限制了工業(yè)向現(xiàn)代化和自動化的發(fā)展。 目前，由磨料磨損所造成的經(jīng)濟損失占全部磨損的 50%以上。供給機器的能量大約 30%～ 50%消耗于摩擦和磨損過程中。 wearresist I 目錄 摘 要 ............................................................................................................................................. i Abstract ..........................................................................................................................................ii 1 概述 ............................................................................................................................................ 1 研究的目的及意義 ............................................................................................................. 1 各種堆焊方法的比較 ............