多元合金强化高铬堆焊合金微观组织及其耐磨性的研究

摘要

现在使用的耐磨材料大部分是采用碳化物作为耐磨硬质相，碳含量越高，耐磨性越好，但是碳含量高会造成焊接缺陷。由于氮原子半径（92pm）与碳原子半径（91.4pm）相近，而且氮原子在高温下比较活泼，因此能和碳同时与钢铁中的合金元素结合，沉淀析出碳氮化物明显改善钢的力学性能。为此，通过对堆焊层的氮合金化改性，析出的碳氮化物起到细化一次结晶组织、钉扎位错、阻碍晶粒长大和沉淀强化作用，既可弥补碳含量减少所造成的堆焊层硬度的降低，又能获得较高强度、良好的热稳定性和耐磨性等优异性能，为提高堆焊合金综合性能提供新途径。本文研究了堆焊工艺对高铬合金粉末电弧堆焊层微观组织及耐磨性的影响。研究表明，利用焊丝粉末堆焊和焊丝粉块堆焊两种工艺都能实现堆焊层与母材冶金结合，焊缝成形良好。而焊丝粉块堆焊不仅飞溅少，可焊性好、焊缝美观、碳化物析出量较多，且焊丝粉块堆焊试样洛氏硬度和耐磨性分别是焊丝粉末堆焊试样的1.25倍和1.52倍。
　　本研究主要内容包括：⑴研究了氮气保护下明弧硬面焊丝粉块堆焊工艺，采用焊丝和由钒铁粉、钛铁粉、铝粉、纯锆粉、高碳铬铁粉和氮化铬粉压制而成的合金粉块在Q235钢表面堆焊。探讨了单一微合金元素钛、钒、铝、锆和960℃正火热处理对堆焊层组织和性能的影响。研究表明，单一微合金元素Ti、V、Zr的加入均可使合金堆焊层金属的晶粒得以细化，堆焊层硬度和耐磨性都随着堆焊层合金元素的增加而提高。其中钛元素表现出较高的淬透性，Fe-Cr-C-Ti堆焊合金基体为α-Fe和γ-Fe，同时 Ti与碳、氮析出的细小氮化物、碳化物和Tix(N,C)y碳氮化物弥散分布于基体上。Fe-Cr-C-Ti堆焊层硬度值最高达到60HRC，其耐磨性是标准试样DH621的0.86倍。正火热处理后所有合金堆焊层组织板条状和针状马氏体含量明显提高，并在马氏体基体上弥散分布着第二相质点，因此合金堆焊层硬度能提高10％~100%，磨损量明显降低。⑵采用焊丝和合金粉块氮气保护明弧堆焊方法制备了不同钒含量的Fe-Cr-C-Ti-Zr-V多元合金堆焊层，其组织主要由板条状马氏体、针状马氏体，残余奥氏体和M7C3型碳化物组成，并在马氏体组织间均匀分布着大量钛钒锆的碳氮复合物颗粒。随着堆焊层中钒含量的增加，Fe-Cr-C-Ti-Zr-V多元合金堆焊层洛氏硬度在53HRC~56HRC之间变化。含钒量为1.0%~1.5%的Fe-Cr-C-V-Ti-Zr多元合金堆焊层焊态洛氏硬度值比标准试样DH621堆焊层硬度值低11%，但是其相对耐磨性是标准试样DH621的1.34倍。表明Fe-Cr-C-V-Ti-Zr多元合金堆焊层中碳化物、碳氮化物硬质颗粒在磨损过程中能起到耐磨骨架的作用，硬质颗粒和基体的良好匹配有效阻碍磨粒对堆焊层的显微切削磨损，从而提高堆焊层的耐磨性。

目录

第1章 绪论

1.1概述

1.2氮合金的研究

1.3氮合金化堆焊层的开发

1.4堆焊过程中氮含量的变化

1.5堆焊层中碳氮化物的析出行为、形态及作用

1.6论文的主要研究内容

第2章 试验方法

2.1焊接设备和试验材料

2.2试验方法

2.3相对耐磨性分析

第3章 堆焊工艺对堆焊层微观组织及耐磨性的影响

3.1堆焊层合金成分及宏观形貌

3.2显微组织分析

3.3堆焊层硬度分析

3.4堆焊层的耐磨性

3.5本章小结

第4章 合金元素对高铬合金堆焊层硬度和耐磨性的影响

4.1堆焊层中各合金元素的作用

4.2 Fe-Cr-C-V堆焊合金组织性能分析

4.3 Fe-Cr-C-Zr堆焊合金组织性能分析

4.4 Fe-Cr-C-Ti堆焊合金组织性能分析

4.5 Fe-Cr-C-Al堆焊合金组织性能分析

4.6本章小结

第5章 正火热处理对堆焊层组织和耐磨性的影响

5.1正火热处理的作用

5.2正火热处理工艺对Fe-Cr-C-V堆焊合金组织性能的影响

5.3正火热处理工艺对Fe-Cr-C-Zr堆焊合金组织性能的影响

5.4正火热处理工艺对Fe-Cr-C-Ti堆焊合金组织性能的影响

5.5正火热处理工艺对Fe-Cr-C-Al堆焊合金组织性能的影响

5.6本章小结

第6章 Fe-Cr-C-Ti-Zr-V多元合金堆焊层的研究

6.1多元合金系统的确定

6.2 Fe-Cr-C-Ti-Zr-V多元合金堆焊组织性能分析

6.3 DH621高碳合金药芯焊丝堆焊层组织

6.4相对耐磨性

6.5磨损形貌分析

6.6本章小结

第7章 结 论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果