Mo-Fe-B硬面堆焊材料的制备及堆焊层组织与性能的研究

摘要

鉴于Mo2FeB2基金属陶瓷优异的综合力学性能，制备成本低，以及与钢相近的热膨胀系数、热导率和密度，特适合做覆层材料。在此基础之上，研究采用堆焊的方法在钢基表面原位合成Mo2FeB2基金属陶瓷堆焊涂层材料，以期提高材料表面的耐磨性能和使用寿命。
　　以钼粉、还原铁粉、硼铁粉以及碳化钨粉等为基础原料，自制成堆焊用Mo-Fe-B系管状焊丝，在45钢表面采用氧-乙炔焰及氩弧进行堆焊制备堆焊涂层。通过焊接冶金原理、吉布斯自由能判据和Mo-Fe-B相图分析推断堆焊的冶金过程及堆焊层的物相组成，然后以堆焊层硬度、耐磨性以及堆焊界面硬度梯度等作为性能指标，采用金相显微镜、扫描电子显微镜及XRD衍射仪作为显微组织的分析方法，研究WC在不同的堆焊工艺下对堆焊层组织与性能的影响，研究Mo/B以及堆焊电流在氩弧堆焊条件下对堆焊层组织与性能的影响。并对比了Mo-Fe-B与市售铸造碳化钨管状焊丝在氧-乙炔焰堆焊条件下堆焊层及界面的组织与性能。
　　结果表明:堆焊制备Mo2FeB2基金属陶瓷涂层是切实可行的，堆焊层组织较均匀，致密度高;组织中硬质相主要包括Mo2FeB2、MoB、Fe2B、CrB、(Fe，Cr)7C3等，Mo2FeB2相能显著的提高钢表面的硬度及耐磨性;在氧-乙炔焰堆焊时，WC烧损少，能抑制熔池凝固时树枝晶的析出，有利于Mo2FeB2相的生成，对堆焊层组织影响较大。在WC添加量为25％时，堆焊层组织由细小均匀的Mo2FeB2颗粒、共晶硼化物硬质相、块状WC和Fe基固溶体构成，堆焊层硬度最高，耐磨性最好;氩弧堆焊电流为110A时，Mo/B原子比和WC添加量对堆焊层组织与性能影响不大，组织主要由胞状或者胞状树枝晶及共晶的Fe基固溶体和共晶的硼化物、碳化物或硼碳化物硬质相构成。在堆焊电流为80A时，堆焊层表面组织中出现块状和细小的颗粒状Mo2FeB2相，但在界面处没有发现Mo2FeB2相。堆焊层硬度及耐磨性显著提高;Mo-Fe-B氧-乙炔焰及氩弧试样堆焊层界面处都存在一个宽度小于100μm的硬度过渡区，呈冶金结合，无缺陷。铸造碳化钨的氧-乙炔焰试样堆焊层组织由球形、颗粒状的WC以及Fe基体构成，且在堆焊层及其界面处都存有裂纹缺陷。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 多元硼化物基金属陶瓷的研究进展

1．1．1 多元硼化物基金属陶瓷的概述

1．1．2 Mo2FeB2基金属陶瓷的性能

1．1．3 Mo2FeB2基金属陶瓷的液相烧结机理

1．1．4 合金元素对Mo2FeB2基金属陶瓷的影响

1．1．5 Mo2FeB2基金属陶瓷的覆层应用研究

1．3 堆焊技术的研究进展

1．3．1 堆焊的概述

1．3．2 堆焊材料

1．3．3 堆焊材料过渡形式

1．3．4 常用的堆焊方法

1．4 本文研究的内容、目的及意义

第2章 Mo-Fe-B硬面材料堆焊过程分析

2．1 堆焊的冶金过程

2．1．1 化学冶金

2．1．2 熔化金属的结晶

2．2 堆焊过程热力学分析

2．2．1 经典热力学计算方法

2．2．2 物质吉布斯自由能函数法(Φ函数)

2．2．3 热力学分析

2．3 Mo-Fe-B相图分析

3．1 引言

3．2 试验材料

3．2．1 试验用基体材料

3．2．2 钼粉的选择

3．2．3 硼铁粉的选择

3．2．4 铁粉的选择

3．2．4 WC粉的选择

3．2．5 试验用管材

3．3 Mo-Fe-B系管丝的制备

3．3．1 球磨

3．3．2 干燥过筛与造粒

3．3．3 粉料填充

3．4 堆焊工艺

3．4．1 堆焊参数

3．4．2 堆焊前准备及堆焊

3．5 性能检测

3．5．1 金相组织观察

3．5．2 硬度

3．5．3 耐磨性

3．5．4 物相分析

3．5．5 微区成分分析

第4章 Mo-Fe-B系管丝氧-乙炔焰硬面堆焊的研究

4．1 试验配方设计及管丝的填充率

4．2 结果与分析

4．4．1 堆焊层金相组织

4．4．2 堆焊层能谱及物相分析

4．4．3 结合界面显微组织

4．4．4 硬度及耐磨性

4．3 本章小结

第5章 Mo-Fe-B系管丝氩弧硬面堆焊的研究

5．1 试验配方及管丝填充率

5．2 Mo／B比对堆焊层的组织与性能的影响

5．2．1 堆焊层金相组织

5．2．2 堆焊层能谱及物相分析

5．2．3 结合界面显微组织

5．2．4 硬度及耐磨性

5．3 堆焊电流对堆焊层组织性能的影响

5．3．1 堆焊层金相组织

5．3．2 堆焊层能谱及物相分析

5．3．2 结合界面显微组织

5．3．3 硬度及耐磨性

5．4 WC对堆焊层组织与性能的影响

5．4．1 堆焊层金相组织

5．4．2 堆焊层能谱及物相分析

5．4．3 结合界面显微组织

5．4．4 硬度及耐磨性

5．5 本章小结

第6章 Mo-Fe-B管丝与铸造碳化钨管丝的堆焊组织性能

6．1 金相组织观察与对比

6．2 扫描电镜形貌分析

6．3 堆焊层界面处的硬度梯度

6．4 本章小结

第7章 结论

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文