（材料加工工程专业论文）fecrnbc系耐磨堆焊层组织与性能研究.pdf

摘爱 摘要 f e c 卜c 耐磨堆焊合金是一种重要的耐低应力磨粒磨损堆焊合金，由于硬度 高，综合性能好，价格低廉而备受关注，广泛应用于矿山、煤矿等工业领域。但由 于其碳化物易于聚集于晶界，初生碳化物m 7 c 3 粗大，在应力较大的情况下易于 生成裂纹并从基体上剥落，韧性差，大大限制了f e c r - c 系耐磨堆焊合金的进一 步应用。 本研究通过添加强烈的碳化物形成元素铌改善堆焊层的性能，铌和碳不仅 能形成初生碳化物，而且形成二次碳化物，降低奥氏体中碳的浓度，使奥氏体不 稳定，提高马氏体转变温度m s 。极小的碳化铌颗粒分布于组织中，显著提高堆 焊金属性能，在结晶时作为外来核心，明显控制结晶过程中晶粒长大和碳化物晶 界的移动，从而细化组织，改善碳化物分布，减少粗大的柱状晶组织。同时，碳 化铌硬度很高，可达h v 2 4 0 0 ，分布于基体和初生碳化物中，不仅对基体起到强 韧化、保护的作用，还和m 7 c 3 一道成为堆焊层中的耐磨硬质相，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f e c r n b c 和f e - n b c 两个系列的堆焊层。分析了焊缝组织和性能之间的 关系。 采用x 射线衍射进行物相分析、光学显微镜和电子扫描电镜针对熔敷金属 的碳化物形貌、晶界形貌、磨损形貌进行观察分析，同时结合能谱测试结果和耐 磨性测试及显微硬度分析结果等进行综合分析。研究表明：焊接过程中n b 可以 稳定的过渡到焊缝中，在碳含量充足的情况下n b 全部以n b c 的形式存在其中 f e - n b c 型堆焊层未表现出良好的耐磨性能。本文通过调整c r 、n b 的含量对堆 焊层进行系统研究，对f e c r - n b c 耐磨合金，随铬含量增加，n b c 数量和形态 没有明显变化，初生m 7 c 3 碳化物颗粒单个体积增大，堆焊层硬度和耐磨性增高， 初生碳化物m 7 c 3 中的c r ( 2 ( 质量比) 影响m 7 c 3 的显微硬度。随着n b 合金的 加入堆焊层中出现n b c ，堆焊层的硬度和耐磨性明显增加，n b c 和m 7 c 3 共同保 护基体防止磨料的切入，具有良好的耐磨效果，但是随n b 含量的继续增加，大量 的碳被固定到n b c 当中，直接导致m 7 c 3 数量的减少直至消失，并且基体含碳降低， 堆焊层硬度和耐磨性下降。 关键词f e c r n b c 耐磨合金；初生碳化物；磨粒磨损； a b s t r a c t i a b s t r a c t f e c r - ch a r d f a c i n ga l l o yi so n eo ft h ei m p o r t a n tl o ws t r e s sw e a r - r e s i s t i n ga l l o y , w h i c hi su s e di nm i n eo rc o l l i e r yi n d u s t r i a ls u r r o u n d i n g sb e c a u s eo fi t sh i g hh a r d n e s s ， l o wp r i c ea n dg o o dc o m p l e xp r o p e r t y b u tp r i m a r yc a r b i d em 7 c 3c r a s s i t u d ea n da r e l i k e l yt oa s s e m b l ei ng r a i nb o u n d a r y ，u n d e rh i g hs t r e s sh a r d f a c i n gf o r m e dc r a c kt h e m 7 c 3s c a l eo f ff r o mb o d y , t o u g h n e s sb a d ，s of e c r - ch a r d f a c i n ga l l o yw a s c o n s t r a i n e d i nt h i ss t u d yb ya d d i n gc a r b i d ef o r m e r se l e m e n tn i o b i u mt oi m p r o v ep r o p e r t yo f h a r d f a c i n g ，n i o b i u ma n dc a r b o nn o to n l yf o r m e dp r i m a r yc a r b i d e ，b u ta l s oc a i lf o r m e d s e c o n dc a r b i d er e d u c et h ec a r b o nc o n t e n ti n c r e a s em a r t e n s i t ec o n v e r s i o nt e m p e r a t u r e n b c p a r t i c l ed i s t r i b u t e di nb a s em e t a ls y m m e t r i c a l i nt h es a m et i m ei 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 ec o n t r o lt h eg r o w t ho fc r y s t a la n dc a r b i d e ， r e d u c et h ec r a s s i t u d em i c r o s t r u c t u r e t h eh a r d n e s so fn b cr e a c h e st o2 2 0 0 h va n d d i s t r i b u t ei nb a s em e t a l n b ca n dm 7 c 3p r o t e c tb a s em e t a li m p r o v et h er e s i s t a n c eo f f o r m i n gc r a c ka n dw e a rr e s i s t a n c ei nt h es a m et i m e i nt h i sp a p e rt h ea u t h o rb y a d j u s t i n gt 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 dw i r et h e ns t u d yt h ef e - - c r - c a n df e - c r - n b ct w o t y p e sh a r d f a c i n gm e t a l i nt h es a m et i m ea n a l y z et h ec o n n e c t i o n b 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 c 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 m a n a l y s i s ， e l e c t r o n e 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 s a n a l y s i s a n d m e t a l l o g r a p h i co b s e r v a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tn i o b i u mc a nt r a n s i t i o nt ow e l d s t e a d i l yi nt h ew e l d i n gp r o c e d u r e n i o b i u me n t i r e l ye x i s t sa ss h a p eo fn b cw h e nt h e c o n t e n to fc a r b o ni sa m p l e f e c r - ch a r d f a c i n gw e a rr e s i s t a n c ei sb a d t h ea u t h o r s t u d i e st h ef e c r - n b c h a r d f a c i n ga l l o yd e e p l y 。t h ec o m p o s i t i o nc o n t r o l s t h e p r o p e r t yo fh a r d f a c i n gs ot h ea u t h o rb ya d j u s t i n gt h ec o n t e n to fc h r o m i u ma n d n i o b i u mt h e na n a l y z et h er e s u l t f o rt h ef e c r - n b - ch a r d f a c i n ga l l o yw i t ht h e c h r o m i u mc o n t e n di n c r e a s et h eq u a n t i t ya n dc o n f i g u r a t i o no fn b ch a v en oc h a n g e p r i m a r yc a r b i d em 7 c 3c o a r s e n i n g 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 g i n c r e a s e t h eh a r d n e s so fp r i m a r yc a r b i d em 7 c 3d e p e n d so nt h er a t i o no fc h r o m i u m a n dc a r b o n t h en b ca p p e a r a n c ei nt h ew e l d i n gw h e nt h en i o b i u mw a sa d d i n gt of l u x c o r e dw i r e 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 m e n t n b ca n d m 7 c 3p r o t e c tt h eb a s em e t a lt o g e t h e ra g a i n s tt h ea b r a s i v e ss ot h eh a r d f a c i n gh a v e i 北京t 业人学t 学硕l j 学位论文 g o o da b r a s i o nw e a rr e s i s t a n c e b e c a u s et h em o s tc a r b o nw a si m m o b i l i t yi nt h en b c t h eq u a n t i t yo fm 7 c 3d e c r e a s e ds ot 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 g d e t e r i o r a t e k e yw o r d s ：f e c r - n b - ch a r d f a c i n ga l l o y ，p r i m a r yc a r b i d e ，a b r a s i o n i v 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。 签名：至建扯日期：墨鲤丑到 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 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) 日期： 第l 带绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 金属材料失效的三种方式为：断裂、腐蚀和磨损，在全球范围内每年的钢材 消耗达到7 亿吨以上，其中最为严重的损失发生在材料的磨损方面，大概有将近 5 0 的材料被磨损消耗掉了【l 埘。与其他先进国家相比我国耐磨件的耐磨性明显 偏低。以水泥行业为例，目前我国耐磨材料的整体消耗水平在5 0 0 9 t 水泥左右， 虽然比以前的8 0 0 1 0 0 0 9 t 水泥有了大幅度的降低但是与发达国家的2 0 0 9 t 相比 还有很大的差距【3 j 。磨损是一种伴随着摩擦而产生的表层材料微量损失现象，磨 损会降低机械设备的运动精度，磨损会缩短机器的使用寿命，甚至会使机器完全 的丧失工作能力。虽然我们没有办法消除磨损现象但是我们可以想办法将磨损降 至最低。要降低材料的磨损损失首先应该具有一定的针对性，就是根据不同的磨 损类型来选择不同的耐磨材料和耐磨的修复技术【4 】。在冶金、发电、矿山、建材、 煤碳等行业中，许多工况条件都存在设备的严重磨损问题，造成设备过早地损坏， 需停机检修或更换。如焦碳的筛分，由于物料的磨削作用，碳钢板制成的料斗使 用一个月就磨损报废；炼铁厂的高炉排渣管道不断受到水渣的冲刷，磨损也相 当严重，l o m m 厚的碳钢板制成的管道使用寿命仅为2 3 个月。还有风机叶片、 振动给料机、管道弯头、洗煤设备、破碎设备等，这些也都是较为典型的易磨损 设备【5 】o 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。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【6 】。所以对于耐磨材料的研究对于国民经济的发展具有相当重要的意 义。当前用于抵抗磨损而采用的表面强化技术多种多样，其中耐磨堆焊技术是广 泛应用的方法，在实际的应用中取得了良好的耐磨效果和广泛的经济效益，越来 越多的被各行业所采用。 1 2 耐磨堆焊药芯焊丝的发展概况 耐磨堆焊焊接技术作为专门学科的重要组成部分开始于6 0 年代，研究的重 要内容是利用焊接方法赋予设备以耐磨、防腐、防蚀等的熔敷堆焊层。其技术基 础与传统的焊接没有本质区别，目的是使磨损失效的零部件采用堆焊的方法重 新恢复其尺寸，但耐磨堆焊焊接技术又区别于其他焊接，首先是焊接的对象不 同，它是针对损坏、失效后的机械零件，要根据不同的对象来选定不同的焊接材 北京t q p 人节t 学硕l 导：1 t 论文 料、方法及工艺。其次，在耐磨堆焊焊接技术中还应考虑零件本身焊接维修的经 济性。所以，耐磨堆焊焊接技术要求不断揭示其机理或技术基础的实质，以便掌 握一般规律，收到举一反三的效果，即要能将新材料、新工艺、新技术较快地应 用到机械维修中来，还应能根据各种修理办法的特点，创造出新的修复方法。耐 磨堆焊焊接技术主要应用于水泥工业、钢铁厂、电力工业、采矿及挖泥业，其中 水泥工业主要修复的备件有辊压机挤压辊、风机叶片及衬板、溜槽及漏斗衬板、 破碎机锤头、锤盘、立磨磨辊及磨盘、挖掘机斗齿、颗板、破碎机板锤、立窑塔 蓖齿及搅拌机叶片等钢铁厂主要修复的备件有溜槽及漏斗衬板、风机叶轮、推进 器齿板、布料溜槽、阀门、漏斗、回收铲斗、防磨板、高炉料钟、导位板、高温 模及刃具等电力工业主要修复的备件有溜槽衬板、破碎机衬板、破碎机锤、粉碎 机辊的衬板、排气风机叶片、排气风机衬板及磨煤辊采矿及挖泥业主要修复的备 件有溜槽及漏斗衬板、制砖机绞刀、风机叶片衬板、轮斗挖掘机铲斗、推土机铲 斗磨损部件、球磨机衬板、轮斗挖掘机轮斗及铲斗铲齿掣6 圳。 目f i i 国内市场许多部件的维修主要靠耐磨焊条来完成，但是焊条因断续工 作，每根需丢下2 0 3 0 毫米的焊条头，造成焊材的浪费，焊机的空载损失大，焊 条药皮的重量系数为3 0 一3 5 ，同时采用焊条焊接费时费事，一方面修复工期长， 另一方面维修质量不如焊丝，许多维修工艺无法实现或实现起来较困难。与焊条 相比药芯焊丝充分显示出其优越性一高效、节能、优质【1 0 l 。而药芯焊丝的药芯重 量系数仅为1 5 左右，药皮焊条的热量大量损耗于加热熔化药皮，而药芯焊丝的 熔化效率高，焊接相同板厚及相同长度的焊缝比手工焊条所需的时间短，因此， 消耗的电能也少。所以发展药芯焊丝是国际趋势，药芯焊丝的雏形早在1 9 2 7 年就 已出现但直到近几十年才推出商品化的药芯焊丝药芯焊丝飞速发展是7 0 年代以 后的事，由于各国大力发展造船、石化、汽车和大型金属结构等需要大量的高效 焊材。 国内药芯焊丝生产及应用起步较晚，但近十年来发展很快。1 9 9 7 年我国药芯 焊丝只占焊接材料总量的0 6 ( 日本已占2 0 ) ，2 0 0 6 年我国的药芯焊丝产销量已 达1 2 万t 以上，已达到焊材用量的1 2 ，数量上已超过了美、日、韩等药芯焊丝生 产大国，但质量和品种都与一些先进国家有较大差距【1 1 1 。我国药芯焊丝的发展大 致经历了四个阶段，第一阶段：早期尝试阶段，5 0 年代至6 0 年代末，第二阶段： 探索与试制阶段，6 0 年代术至8 0 年代中，第三阶段：产业创建阶段，1 9 8 7 至1 9 9 9 年，第四阶段：进入2 0 0 0 年后药芯焊丝产业进入高速增长阶段【1 2 l 。 药芯焊丝作为高科技材料科学的结晶，它的出现和发展适应了焊接生产向高 效率、低成本、高质量、自动化和智能化方向发展的趋势。目f j 我国较成熟的药 芯焊丝有：钛型气保护、碱性气保护和耐磨堆焊类( 主要是埋弧堆焊类) ：三大 系列，基本上可以满足一般工程结构焊接需求，但有待于进一步完善和提高。通 第l 节绪论 过这几年对国内外几种常用药芯焊丝的试验研究与生产应用，一般国产药芯焊丝 的力学性能虽然比国外同类焊丝差，但还是能满足产品技术要求的 1 3 - 1 4 1 。目前国 产药芯焊丝在焊接飞溅、挺度、送丝稳定性、烟尘、熔渣覆盖及脱渣性等方面与 国外同类焊丝相比有相当大的差距，远不能满足焊接生产发展的要求。 药芯焊丝的生产过程中每一个环节都应严格控制，需要注意很多方面，如其 中哪个环节出现问题都会严重影响焊丝的质量和实际应用中的效果。第一，设备 的状态，药芯焊丝成形机的设备状态( 主要是成形轧辊的相对位置) 对顺利生产 尤为重要，故必须做好设备调试准备工作，尽量使所有轧辊处于一条直线，轧辊 侧面都处于竖直面上，以确保成形接口成直线；合理的调节轧棍的相对高度，以 确保轧辊逐步、适量的减径。第二，轧前合金粉末要经过充分烘干，否则即使轧 制成形以后提高烘干温度也不易完全烘干，金属粉末的粒度需要严格控制不能太 粗。第三，包粉量要适当。第四，生产中必须保证焊丝有足够的刚度。第五，减 径量要适当，在配置拉丝模路线时，要按拉拔道次的顺序逐步降低焊丝的直径， 以与焊丝拉拔过程的不断硬化相适应。第六，注意拔丝粉的使用，拉丝过程中拔 丝粉是必要的润滑剂，但是在焊丝成型后需要清洗干净。第七，拉拔过程中控制 好力量的大小适当。第八，控制好拉拔速度，速度不易过快和过慢 1 5 - 1 6 j 。 药芯焊丝在堆焊领域被广泛适用也取得了很好的实际效果，堆焊金属的选用 原则一是能满足零件工作时的性能要求。二是具有良好的焊接性，在现场条件下 应易于施焊并获得与基体结合良好而无缺陷的堆焊层【l7 1 。须注意堆焊金属与基体 的相溶性，充分估计到基体稀释对堆焊层性能的影响当基体碳当量较高时，为 防止裂纹，可考虑预热、保温缓冲的工艺，若不可行时，再考虑利用过渡层解决。 三是考虑堆焊的经济性，所选堆焊合金应是使用性能相同的多种合金中价格最 低廉的一种，同时还应是焊接工艺最简单、加工费用最少的一种。堆焊技术在我 国近5 0 年的发展历程中，为基础工业的崛起和发展做出了重要贡献，其应用遍及 机械、能源、交通、电力和冶金工业等领域，现以钢铁工业的轧辊、能源领域的 各类阀门、交通领域的机车和汽车发动机磨擦副零件等为例简述堆焊技术的应用 现状。轧辊是轧钢生产的关键设备，轧辊质量直接影响轧机的工作效率、轧制产 品的质量和产量、轧辊的消耗等，到2 0 世纪9 0 年代，绝大多数大中型钢铁企业均 具有了轧辊堆焊修复的能力，并为企业节能降耗奠定了技术基础，也取得了显著 的经济效益。我国阀门密封面堆焊技术的研究工作始于6 0 年代初，历经4 0 年的发 展历程，阀门堆焊方法从以手工电弧堆焊和氧一乙炔火焰堆焊等非自动化、低效 率的堆焊方法为主，发展到广泛采用高效、自动化的堆焊方法，如埋弧堆焊、钨 极氩弧堆焊、等离子弧粉末堆焊乃至激光堆焊。在高温、强腐蚀及频繁冲击条件 下工作的各类发动机进、排气门，经常因盘锥面的破坏而早期失效，采用合理的 堆焊方法和堆焊材料修复发动机气门盘锥面可有效延长气门的服役寿命。举几个 北京t q k 人学t 硕i 掌1 、z 论文 应用的实际例子，辊压机工作的主要特点是物料通过5 0 - 3 0 0 m p 的高压在辊后呈 粉状或碎裂状态，在达到粉碎的目的的同时显著提高后续磨机的生产效率。统计 表明，应用辊压机分级打散的水泥生产流程与传统生产相比可节电3 0 - 5 0 。由 于辊压机挤压辊承受高应力下的磨粒磨损和应力疲劳破坏，要求辊面有较高的韧 性和硬度，一般要求大于h r c 5 5 ，而且限制裂纹的发生，以免裂纹在高应力反复 作用下扩展、连网。选用合适的药芯焊丝进行堆焊修复后辊面抗磨性及结合性良 好，辊体运行中整体磨损，未出现局部剥落、掉块现象。辊子运行周期在5 0 0 0 - 6 0 0 0 小时，极大地提高了生产线的粉磨效率。 堆焊方法有很多，如气焊、手工电弧焊、气体保护焊、埋弧焊、明弧焊等。 近年来采用的堆焊再制造方法主要有两种，一是使用直径3 2 毫米一5 毫米的药芯 焊丝在焊剂层下进行自动埋弧堆焊，另一种是使用1 2 毫米一3 2 毫米自保护药芯 焊丝进行明弧堆焊。其他的焊接手段多用于零部件的修复过程。与埋弧堆焊相比 明弧自保护堆焊有许多优点：从成本上说，埋弧焊比较费工、费时，一般要3 4 人 进行添加焊剂、除焊剂、焊接操作等，并且焊前要对焊剂进行烘干，焊接过程中要 不断添加焊剂，并需专人去除焊渣，因而堆焊过程人力、物力投人很大，且环境恶 劣。相反，明弧自保护焊只要一个人就够了，不仅实现了生产的自动化，减小了焊 工手工操作时因长期焊接引起的疲劳及堆焊质量下降，且有人工操作不可及的高 效率，因此能够适应高质量、高效率的堆焊再制造要求 1 8 - 2 2 i 。 从耐磨性能上说，埋弧焊因为有焊剂、焊渣的影响，一些强迫冷却措施、温控 措施都很难加上去，因此无法对工件进行强迫冷却以保持正常焊层问温度，致使 工件可焊性受到限制。而明弧自保护堆焊就比较容易实现温控，从而使工件能获 得更好的耐磨性能。从整体对部件的影响来说，埋弧焊因温控受限，铸件的尺寸变 形较大，而明弧自保护焊可以将变形控制到很小范围内，因此不易引起母材的变 形开裂。原来有一个概念，一个铸件或辊体的堆焊最多不超过三次，这是建立在埋 弧堆焊的基础上的，作为明弧自保护焊来说，应该说远远不止三次。因此自保护金 属芯焊丝堆焊是目前堆焊方法中最有前景、更经济，能实现无人工干预，全自动 化生产的绿色焊接技术，也是2 1 世纪再制造工程中最有前景的表面强化技术之 一。 金属芯药芯焊丝是近年来国际发展的新趋势，目前同本和美国已把少渣型金 属芯药药焊丝作为研究和开发的重点之一。金属芯药芯焊丝是相对于熔渣型药芯 焊丝而言的，它的药芯大部分是金属粉( 铁粉、脱氧剂) ，只有少量的稳弧剂和 造渣剂。之所以被评价为“代替实芯焊丝的焊材，是因为它既有渣量少的实芯 焊丝的长处，又兼备高熔敷速度、低飞溅型药芯焊丝的长处，而且氢含量可以很 容易地限制在很低的水平，使抗裂性能得到提高。金属芯药芯焊丝与实芯焊丝或 普通的药芯焊丝相比，生产率提高，焊缝质量好，填充金属的费用低，减少了清 蔸1 幸绪论 理费用。金属芯药芯焊丝特点包括：1 产生的渣量少，2 熔敷速度快，3 品种多、 性能好、价格低。图卜1 为几种类型焊丝的对比【1 3 j 。 表1 - 1 几种类型焊丝 t a b l e1 - 1s o m et y p e sc o r e dw i r e s 焊缝外观 焊缝形状 电弧稳定性 熔滴过渡 操作性飞溅发生量 渣的覆盖性 烟尘发生量 美观 近于平坦 良好 喷射过渡 小粒 良好 普通 酱通 普通 良好 粒状过渡 小粒稍多 良好 很多 很不好 凸起 稍莘些 粒状过度 大颗粒 较好 多 焊接性抗裂性普通良好优秀 效率纂萋鍪茎7 0 大- 9 。7 0 大- 8 57 0 中- 8 5 普通 普通 良好 喷射过度 小粒极少 极少 普通 优秀 9 0 9 5 最大 很不好 稍差些 稍差些 粒状过渡 大颗粒多 极少 普通 优秀 9 0 9 5 由 世界各国都再大力开发新型的金属芯药芯焊丝，美国也很重视金属芯的开发 和利用，霍伯特和林肯电气两大公司就开发出了多种系列的金属芯焊丝。韩国现 代焊接有限公司的金属芯药芯焊丝s u p e rc o r e d7 0 n s ，可应用于造船、机器和桥 梁建设的自动焊接或机器人作业中。瑞典伊萨公司针对金属芯焊丝也开展大量的 研究工作。 1 3f e c r - c 系耐磨堆焊材料的发展 据统计，能源的1 3 1 2 消耗于磨损，材料的8 0 失效于磨损。随着冶金、矿 山、建材及电力等工业的迅速发展，耐磨材料的开发显得尤为重要，我国每年消 耗的耐磨材料非常巨大，以球磨机用磨球为例，每年消耗一百多万吨；欧共体每 年消耗二十亿美元：美国则高达6 0 亿美元【2 3 1 。 由于耐磨材料具有广泛的市场前景，因此耐磨材料的研究和研发一直是材料 工作者关注的热点课题。高铬铸铁是国内外公认的优异的抗磨料磨损的耐磨材 料，它具有硬度较高；耐磨性良好；断裂时挠度小等特点，与其他白口铸铁相比 显示了良好的综合性能，在水泥、矿山、冶金等行业广泛应用。当铸铁的含铬量 超过1 0 时，形成m 7 c 3 型碳化物，而不是在低铬时形成的m 3 c 型碳化物。高铬铸 铁形成的m 7 c 3 型碳化物被奥氏体或是它的转变产物所包围，分布形态转变为断 北京t 业人学t 学硕卜掌1 t 论文 续的杆状、块状和颗粒状，而不是一般白口铸铁中的连续状基体或是严重影响材 料韧性的网状。随着c r c l 卜, 的增加，共晶碳化物的形貌经历了由连续网状一片状 一杆状连续程度减小的过程，共晶碳化物晶体类型经历由m 3 c m 3 c + m 7 c 3 一 m 7 c 3 的变化过程。在高铬铸铁中加入稀土，能使a s 、b i 、p b 、z n 、s n 、s b 等低熔 点杂质生成熔点较高的二元或多元化合物，不溶于铁液中而被除去，减少或消除 这些夹杂物的有害影响；可以改变铸铁中碳化物的形状、影响铸铁基体中渗碳体 的数量、细化铸铁的晶粒度，提高铸铁的强韧性。不同的热处理工艺可以产生不 同的组织，进而影响合金的力学性能。c r c 为4 - - - 8 时能得到呈不连续的块状、棒 状分布的m 7 c 3 ，合金组织和性能较好。在实际的应用过程当中可以通过调整铬、 碳含量，进行变质处理和热处理来改善共晶碳化物的形态和分布从而改善耐磨性 能，按照实际的应用要求来选择合适的工艺手段1 2 4 - 2 6 1 。 高铬铸铁在磨料磨损场合具有优良耐磨性的原因主要是由于其显微组织中 高硬度m 7 c 3 型碳化物的存在，有关碳化物对高铬铸铁磨料磨损耐磨性影响的研 究工作以往主要集中在碳化物的数量。相同碳化物数量时，碳化物尺寸对耐磨性 能的影响也是显著的。在较大尺寸的硬磨料二体磨损系统中，高铬铸铁中尺寸过 小的碳化物因不能发挥碳化物相抵抗磨料显微切削的作用，使高铬铸铁的耐磨性 大幅度下降。这时增加碳化物的尺寸可提高高铬铸铁的耐磨性。在较大尺寸及较 高应力的硬磨料二体磨损系统中，尺寸过大的碳化物会因易剥落而降低高铬铸铁 的耐磨性。这时应控制合适的碳化物尺寸以提高高铬铸铁的耐磨性【2 7 】。近二十年 来，国内外已经逐渐广泛将高铬铸铁用于矿山、机械、电力、及冶金等行业的备 件上，如破碎机滚筒、衬板、锤头、磨煤机辊套、磨球、料斗、立磨磨辊及磨盘 等均取得相当成效，耐磨性较高。但是整体铸造的高铬铸铁由于制造工艺上以及 使用性能上的要求一般使用的都是高铬铸铁亚共晶组织，不会将高铬铸铁的碳含 量和铬含量提高到很高的水平，而在运用高铬铸铁焊材进行堆焊修复及制造过程 中由于只需要满足部件表面使用性能上的特殊要求：抵抗低应力磨粒磨损，所以 可以将碳含量提高从而使硬度增加。这是高铬铸铁堆焊比高铬铸铁铸造优越的地 方。高铬铸铁堆焊合金一般用过共晶组织较为合适，这是因为组织中的高硬度 ( c r ，f e ) t c 3 初生碳化物显微硬度非常高，达銎j h v l 3 0 0 1 8 0 0 ，初生碳化物呈细长杆 状，细长的杆状纤维可增强基体与碳化物的结合作用，使堆焊合金的韧性与耐磨 性增强。随着c r c 增加，初生碳化物( c r ，f e ) t c 3 越来越规则；共晶碳化物围绕着 初生碳化物生长；初生碳化物为小晶面生长，表面较为光滑；c r c 增加时，纤 维杆状初生碳化物( c r ，f e ) 7 c 3 变长而使韧性增加，初生碳化物微区c r 元素含量增 加使初生碳化物( o r ，f e ) t c 3 显微硬度增加。c r c 增加初生碳化物形状越来越规则， 初生碳化物的杆状纤维增长，增加堆焊层的韧性。初生碳化物微区c r 含量增加， 增加初生碳化物显微硬度。c r c 与初生碳化物面积分数对耐磨性的影响比较明显， 第l 章绪论 _|mm mj_mu 其中初生碳化物面积分数与耐磨性呈线性关系。高铬铸铁堆焊层的耐磨性受到基 体组织影响较大，研究指出奥氏体及其分解产物构成的混合基体的堆焊层耐磨性 最大 2 8 - 3 0 1 。 f e c 卜c 系堆焊合金是在高铬铸铁的基础上开发出来的耐磨合金系统，可 以灵活的调整合金元素的含量进一步改善耐磨合金的性能，具有相当大的灵活 性，f e c 卜c 系堆焊合金由于硬度高，综合性能好，价格低廉而广泛应用于工业 生产领域耐低应力磨料磨损的环境中1 3 1 1 。f e c r c 系耐磨堆焊合金的耐磨粒磨 损机制主要是利用f e c 卜c 系过共晶组织中硬度很高的初生碳化物m 7 c 3 作为主 要的硬质相和耐磨相，配合具有较高硬度的过共晶基体以达到良好的耐磨性能。 但不同的c r 元素以及c 元素含量都会对初生碳化物的形貌、分布、数量以及初 生碳化物微区c r ，c 元素成分造成一定的影响，从而影响合金性能。c 元素含量较 高，初生碳化物的生长位向基本上都是垂直于耐磨表面的，初生碳化物的这种位 向有助于耐磨性的提高，主要的原因是初生碳化物( c r ，f e ) 7 c 3 的横截面比纵向 截面的显微硬度要高出很多。c r 元素含量越高初生碳化物的分布越呈现定向分 布。增加c 元素含量以及增j j n c r 元素含量都能减小碳化物间的距离。但c 元素含量 增加对初生碳化物距离的减小的作用要比c r 元素含量增加大很多。作为衡量耐磨 性的主要条件硬度是至关重要的决定因素，为了追求优良的耐磨性且降低贵重合 金的应用，一个主要措施是增加碳( 高碳铬铁) 的含量，但碳含量的不同会对堆焊 金属的合金组织和力学性能产生巨大影响，近而影响堆焊层的使用寿命及工作效 率。堆焊层中含碳量的多少直接影响初生碳化物的数量、性质、尺寸、分布状态 及基体组织性能。堆焊层中随碳含量的增加，堆焊层的韧性、塑性变差，从而导致 了堆焊合金经石英砂磨料的连续磨损后发生大片碳化物的脆性折断，而使耐磨性 急剧降低。碳化物与基体金属之间的保护作用是双向的。当碳化物过高时，磨损 后的基体易发生裂纹，而使耐磨性能变得更差。随含碳量的增加或铬碳比的降低， 初生碳化物数量越来越多，且共晶碳化物体积增加，生长密度减少。柱状初生碳化 物的横截面与纵截面硬度不同，横截面平均硬度为1 6 1 6 0 h v ，纵截面的硬度为 11 8 6 1 h v 。为了获得高的耐磨及综合性能往往在这些合金中加人较多的贵重金 属，如钨、镍、铌、钴、钼等，但元素的加人量与材料的性能价格比并不成正比1 3 2 - 3 3 】。 碳含量及冷却条件对耐磨堆焊层的金相组织起决定性的作用，提高含碳量或 降低铬一碳比会使f e c r c 系耐磨堆焊合金中初生碳化物趋向垂直于耐磨堆焊 层表面生长，并且初生碳化物的密度显著提高。冷却条件和散热方向可以有效地 控制初生碳化物的生长方向，采用基板背面水冷却的方法可以使初生碳化物趋向 垂直于耐磨堆焊层表面生长。当改变冷却条件降低冷却速度时，初生碳化物会随 机地沿任何方向生长。碳含量及铬一碳比不同将直接影响初生碳化物的数量、性 质、尺寸、分布状态及基体组织性能。强迫水冷的条件下棱柱状初生碳化物几乎 北京t 业人学t 硕t j 学位论丈 全部与外表面垂直，而在与其相垂直的横向截面上，柱状初生碳化物显现出棱柱 的侧面即白色的长条提高碳含量或降低铬一碳比会使f e c r c 系耐磨堆焊合金 中的初生碳化物趋向于垂直于耐磨层表面生长，并且初生碳化物的密度显著增 加。冷却条件和散热方向可以有效地控制初生碳化物的生长方向，采用基板背面 水冷却的方法可以使初生碳化物向垂直于耐磨层表面生长。当改变冷却条件降低 冷却速度时，初生碳化物会随机地沿任何方向生长碳含量的提高及冷却方式对碳 化物的生长影响很大。随碳含量的增加，初生碳化物生长方向逐渐垂直于表面， 而随过冷度的增加，碳化物颗粒变得均匀、细小。此时，碳化物垂直于母材定向 生长。两种方法均可以使得碳化物定向生长。相关的研究表明在切削型磨损的情 况下，与碳化物纤维相垂直的面为磨损面时，工件的耐磨性最高：并预计减小碳化 物之间的距离将使耐磨性能提高。增加碳含量和提高冷却速度都能减小碳化物之 间的距离。这为进一步提高f e c r c 耐磨堆焊合金的性能开辟了新的方向1 3 4 - 3 5 l 。 1 4 含n b 堆焊材料的发展 f e c r - c 系耐磨合金虽然拥有大量的优点，比如价格低耐磨效果好( 尤其在 应力较低的情况下) ，但是在受到一定的冲击或者应力较大的情况下往往不能保 证很好的耐磨效果，在f e c r - c 堆焊耐磨材料在焊接过程中容易形成裂纹，宏观 裂纹成不规则集合形状并且伴随大量的微裂纹，初生碳化物容易在受到严重的磨 损情况下从基体剥落从而使基体直接面对磨料的磨损。基于此f e c 卜c 系耐磨合 金的进一步应用受到很大的限制。通过添加合金元素能够明显的改善其抗裂型， 大量的碳化物强化相配合具有良好韧性的基体是获得优良的耐磨性能的先决条 件。而一般来说多相体系往往具有最好的效果，所以在实际的研究过程中多元合 金强化是被广泛采用的强化手段，比如加入铌，镍，钼等元素来改变基体的韧性 可以明显改善抗裂效果。通过合金元素的加入获得大量的合金碳化物对堆焊层进 行强化，同时可以改变基体的相组织。以高铬合金铸铁的耐磨性能为例，如图卜2 所示f 3 6 1 ，经过多元合金强化的铸铁表现出最好的效果 3 6 - 3 7 】。 以f e c r - c 耐磨合金系统系为基础，加入其它合金元素，可形成许多分支合 金。加入的合金元素除增加稳定性、改善淬透性、获得马氏体，改善基体相外，对 改善硬质相的效果更为明显。堆焊焊缝中，v 形成碳化物倾向较弱，主要固溶于基 体，可明显提高焊缝硬度；n b 、t i 形成碳化物的倾向大，且有利于使碳化物均匀 分布，但含量过高时，由于形成大量的碳化物，会降低焊缝的硬度。t i 、n b 是强 碳化物元素，其碳化物熔点高( n b c ：3 5 0 0 ，t i c ：3 0 6 5 ) ，形成温度也高，含量 较高时能自液相中析出块状初生碳化物，液相析出的n b c 、t i c 分布均匀，能成为 二次碳化物形核核心，细化晶粒，避免网状碳化物的形成【3 8 1 。n b ，m o 作为常见合金 元素被广泛应用，在焊缝中随着n b ，m o 含量的增多，n b ，m o 的初生碳化物数量增 多，熔敷金属硬度和耐磨性均增加：在堆焊熔敷金属中，n b 仅生成初生n b c ，沉淀 8 刃l 币绪论 强化熔敷金属，强化效果明显，m o 不仅生成初生m 0 2 c ，而且还固溶强化初生c r 7 c 3 和基体，通过沉淀和固溶两种形式强化熔敷金属，但强化效果不明显。在高铬铸铁 中为得到良好的耐磨性及经济效益须优化合金成分，应同步强化基体和碳化物。 随铌含量的增多，初生碳化物数量多，密度大，彼此相距较近，使得分布在碳化物 之间面积较小的基体金属在抵抗石英砂磨损过程中能得到碳化物的有效保护，从 而有效抵御了磨料侵入，基体得到保护；在堆焊熔敷金属中，铌直接生成碳化物， 沉淀强化熔敷金属；钼不仅生成初生m 0 2 c ，而且固溶强化初生c r 7 c 3 和基体，通过 沉淀和固溶两种形式强化熔敷金属 3 9 - 4 0 1 。 高合金碱性焊条利用n b 、t i 、v ( 均为强碳化物元素) 的碳化物第二相强化 作用，既保证焊缝高硬度，也改善焊缝的韧性。由于合金元素过渡系数受多方面的 影响，n b 、v 的氧化产物呈现不同酸碱性，在合金体系相同情况下，渣系的酸碱 性对它们的过渡系数影响很大，设计焊条时应根据渣的酸碱性调整药皮中n b 、v 的含量。在碱性焊条中，n b 、t i 、v 共存时，t i 的过渡系数受到药皮中含碳量 的多少和是否含强脱氧剂的影响很大。强碳化物元素n b 、t i 、v 与碳形成碳化物， 有利于它们的合金过渡【4 1 1 。 在工业生产中，开发新型的高速工具钢以及新型的高硬度、耐磨、韧性好的 堆焊材料过程中，碳化物的形成、类型及分布对其基体组织起着非常重要的作用， 决定着这些高速工具钢和堆焊材料的宏观性能高碳n b t i v 堆焊层中碳化物在熔 滴阶段早期形成，把基体中大部分碳优先固定到碳化物中，使得熔池金属熔液变 为低碳合金钢熔液，从而导致板条马氏体基体组织的产生：高碳n b t i v 系的第二 相强化和高碳c r m o w 系的固溶强化均可使堆焊层达到较高的硬度，但前者的基 体属低硬度高塑性，故前者的抗裂性大大高于后者，这也是n b 、t i 和v 的碳化物特 殊作用效应的结果 4 2 - 4 3 j 。 用适量的n b 和m n 的配合，可以代替高铬铸铁中钼的作用】。铌是高熔点金 属，与钒、钽同属v b 族金属。原子序数4 1 ，密度为8 5 5 9 c m 3 ，熔点2 7 4 0 ，沸点 5 0 1 7 ，地壳中铌的含量为6 5 9 t ，与铅相近。铌矿石的年产量为4 0 0 0 0 t ，但只 有5 精炼成铌或铌合金，大部分则以铌铁形式在钢铁行业中用做合金元素，或以 铌氧化物的形式用在催化和特殊玻璃制品行业中。铌具有常温延展性，不需中间 热处理就可达到大变形，其加工性能与不锈钢和铜相似。铌的市场主要在钢铁工 业，绝大部分铌以铌铁作为钢铁的添加剂，铌作为合金元素来提高热加工钢的热 强度和抗热氧化性。铌和铌合金以其独特的综合性能被用在航天工业的极端热条 件下，要求有很高的延展性和高温强度，以适应大的温度变化。铌的另一特殊性 能是超导性。这一特性要求铌要有极高的纯度，铌的抗腐蚀性依赖于非常致密、 坚固的氧化层的形成。除氢氟酸、浓缩热硫酸和热碱液外，铌表现出良好的耐蚀 性。铌的耐蚀性虽比不上钽，但远好于不锈钢和镍基合金。铌在无非金属的液体 北京t 业人学t 导：硕f 学1 t 论文 金属中的耐腐蚀性优异，故可用铌制作冷却器。铌仅在液态锌或铝中，由于形成 合金而受腐蚀 4 5 - 4 6 1 。 铌在钢中具有阻止晶粒长大、抑制形变奥氏体再结晶及产生显著沉淀强化等 作用，是低合金高强钢中十分重要的微合金化元素，在工具钢、不锈钢、耐热钢等 大量钢种中也广泛采用铌进行合金化。在大部分含铌钢中，铌元素主要以碳氮化 物的形式存在。由于铌的碳化物十分稳定、硬度高( h v 2 4 0 0 ) ，是十分理想的耐 磨颗粒，同时，焊接时n b 的过渡系数高，能实现可靠过渡，所以n b 在耐磨堆焊金属 中具有广阔的应用前景。n b 可以可靠地过渡到堆焊金属中，形成大量碳化物硬质 点，但含量过高易产生大量共晶碳化物，得到软质铁素体基体【4 7 1 。韧性基体+ 颗粒 碳化物与固溶体基体间界面( c s 界面) 的结构对堆焊层性能影响极大，堆焊层 耐磨性、抗疲劳性的高低很大程度上取决于c s 界面状态。冷堆焊条件下，高碳 n b 2 t i 2 v 系堆焊层中的颗粒碳化物经历了熔渣、熔滴、熔池阶段的冶金反应，形 成的c s 界面既非机械夹杂物界面，也不是完全典型的共格界面，而是具有特定晶 面平行关系的洁净、平直界面“韧性基体+ 颗粒碳化物”组织的n b 2 t i 2 v 系堆 焊层在保证高的抗裂性的同时，良好的c s 界面结合防止了碳化物的脱落，显著提 高了堆焊层的耐磨性、抗疲劳性。通过添加铌焊接过程中可以获得与基体结合良 好的碳化物1 4 8 - 4 9 】。 n b c 的微观组织结构和化合反应过程相关文献有详细的说明，以及n b c l 为部 原子的结合方式及其对性能的影响。