Ti对明弧堆焊高碳型高硼合金显微组织及耐磨性的影响

摘要

铁硼合金广泛用作耐磨损零件材料，主要因其较为优异的耐磨粒磨损性能，且其主耐磨相Fe2B易形成，比同类高铬铸铁更为经济。在低碳钢基体上以堆焊增材制造硼合金，其熔敷层所受拘束度小，可获得更高厚度的耐磨合金层，提高零件在恶劣磨损条件下的服役寿命。然而，由于药芯焊丝需加入银片石墨来改善拉拔塑性，使堆焊熔敷硼合金以中高碳型为主，导致其变态脆性共晶α-Fe+Fe3(B,C)体积分数过高。极易萌生裂纹，致使熔敷合金易在外加载荷作用下剥落，妨碍其应用推广，因而中高碳型硼合金均面临“增韧”难题。
　　鉴于此，本文采用“控碳增韧”原理，添加大量 Ti组分，熔体首先原位析出高熔点高硬度的TiC相，固定大量的自由碳原子减少其形成变态共晶的概率，实现对中高碳型硼合金的增韧。本文在课题组已有研究结果的基础上，在药芯中添加Cr、Si等组分，改变初生硼化物形态并增加M2B相韧性。制备出一种耐磨性能良好的高硼耐磨合金，使之满足严苛工况条件下零部件的使用要求。
　　用药芯焊丝明弧焊方法在低碳钢母板上熔敷三层Fe-C-Cr-Ti-B系硼合金，借助金相显微境、X-射线衍射仪、扫描电子显微镜以及其附带的能谱仪，配合硬度和耐磨性测试，探讨了不同B组分下Ti对中高碳型熔敷合金的显微组织和耐磨性的影响机理，并研究了V替代Ti组分对其合金组织及耐磨性的作用效果。
　　首先，以碳化硼和硼铁组分联合加硼，研究了Ti对其明弧焊熔敷Fe-C-Cr-B系合金的显微组织和性能影响。结果显示，先析出TiC相可充当初生M2B相的非均匀成核核心，使之细化且弥散分布，随后包裹M2B相形成的相为M23(C,B)6而非M3(C,B）。由于先于M3(C,B）形成的M23(C,B)6相消耗了堆焊熔体大量的碳、硼自由原子，使剩余熔体无法满足形成变态共晶α-Fe+M3(B,C)的成分要求，从而有效规避脆性共晶的形成而使合金增韧。但TiC相大量析出，熔体析出M2B相所需的硼原子扩散供给阻力减小而使之尺寸增大。同时，内置于M2B相的TiC不断吸收M2B相生长所排挤出来的碳原子而长大，致使M2B相胀裂。随着Ti含量增加，高硼堆焊熔体晶体生长方式逐渐由非小平面型转变为小平面型。
　　接着，研究了Ti对只加B4C组分的高硼堆焊合金的显微组织和性能的影响。当药芯组分加入1.3％的银片石墨，XRD谱显示堆焊合金出现了氧化物FeO，这表明其自保护性能明显不足。结果显示，Ti促进碳化硼分解，使初生M2B的析出变易；但当 Ti铁组分加入量超过16.7%时，其合金组织发生显著改变，作为主耐磨相的初生M2B相消失而使合金耐磨性受到严重影响。Ti铁组分加入量超过30%时，堆焊熔敷硼合金的耐磨性提高至最佳。石墨加入量3.3%时，堆焊合金未出现初生M2B，只有当Ti铁组分量增加一定量时才析出。适宜的Ti量可形成α-Fe基体以及TiC、M2B和M23(C,B)6等的多种相组成的强韧性配合良好组织。但石墨添加过量，碳化硼的分解受到抑制，不利于M2B等硬质相的形成。
　　最后，探讨Ti对只添加FeB18组分高硼堆焊合金的显微组织和性能的影响。当石墨添加量为1.3%时，初生 M2B大量析出，但因碳原子供给不足，M2B无M23(C,B)6包裹。随着Ti含量升高，其组织从过共晶型转向亚晶或共晶型，硬度和抗磨损性能显著下降；石墨添加量为3.3%时，Ti可改变M2B析出形式和晶粒取向。Ti含量增加，合金主耐磨相由不规则的团状变为规则四方，再转为条状，并逐渐减小直至消失，致使其组织形态由过共晶转向共晶。Ti能使初生耐磨相的显微硬度增加。在钛含量不变和碳含量增加的条件下，初生相形态由长条状、方块状变为团状，由M2B相变为M23(C,B)6+M2B复合相，合金硬度提高脆性增大耐磨性下降。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 堆焊修复与再制造技术

1.3 高硼合金的发展概述

1.4 高硼堆焊合金加钛的研究概述

1.5 研究内容

第2章 合金设计及实验流程

2.1 堆焊合金系选择与配方设计

2.2 制丝材料与堆焊设备

2.3 材料分析

2.4 性能测试

第3章 Ti对FeB18与B4C硼组分药芯焊丝堆焊高硼合金组织及性能的影响

3.1 试样成分

3.2 组织和相分析

3.3 耐磨性分析

3.4 本章小结

第4章 Ti对B4C硼组分药芯焊丝堆焊高硼合金组织及性能的影响

4.1 Ti对1.3%石墨组分药芯焊丝堆焊高硼合金组织及性能的影响

4.2 Ti对3.3%石墨组分药芯焊丝堆焊高硼合金组织及性能的影响

4.3 石墨组分添加量对含Ti堆焊高硼合金组织及性能的影响

第5章 Ti对FeB18硼组分药芯焊丝堆焊高硼合金组织及性能的影响

5.1 Ti对1.3%石墨组分药芯焊丝堆焊高硼合金组织及性能的影响

5.2 Ti对3.3%石墨组分药芯焊丝堆焊高硼合金组织及性能的影响

5.3 石墨组分添加量对含Ti堆焊高硼合金组织及性能的影响

第6章 V/Ti对药芯焊丝堆焊高硼合金组织及性能的影响

6.1 V/Ti对B4C组分药芯焊丝堆焊高硼合金组织及性能的影响

6.2 V/Ti对FeB18组分药芯焊丝堆焊高硼合金组织及性能的影响

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及专利