明弧堆焊高硼合金的显微组织及耐磨性

摘要

高硼合金具有自熔性，即自脱氧性，熔体流动性较好，焊缝成形美观。硼相对资源丰富，可减少W，Mo、Nb和Cr等消耗，显著降低药芯焊丝材料成本。硼合金所含Fe2B主耐磨相热稳定性好、显微硬度高达至1400~1500HV0.1，其耐磨粒磨损性能良好。鉴于以上优点，本文在Fe-Cr-B-C基础上通过优化合金系制备了高硼合金。
　　采用金属粉型药芯焊丝在Q235A上明弧堆焊三层Fe-C-B-Cr系合金，以洛氏、显微硬度计和耐磨粒磨损试验机分别测试合金宏观、显微硬度及其磨损失重；以光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射观察研究合金的显微组织、组织形貌以及相成分。
　　首先，研究了电流对Cr12B4SiMn高硼堆焊合金显微组织及耐磨性的影响。背散射扫描电镜下显示，高硼合金的主耐磨相M2B内置于团状M23(C,B)6中间。电流增大，其四边形 M2B数量及其显微硬度的明显提升，而γ-Fe基体消失，M23(C,B)6和α-Fe(M)等相数量减少；Cr12B4SiMn合金随电流增加其宏观硬度先升后降，耐磨性先变好后小幅度波动。耐磨性改善的主要原因是内置式块状M2B的显微硬度和数量显著提升的结果所致，该合金主要磨损机制表现为显微断裂。
　　接着，采用单一组分变量法分别研究了Fe-B、B4C、Mn、Si等组分对高硼明弧合金组织及性能影响。试验表明，含硼组分对焊缝成型、残留熔渣量影响较为明显。Fe-B组分增加时，初生M2B增多，初生硼碳化物M23(C,B)6也增多，合金硬度增大，裂纹敏感倾向加大。B4C升高时，合金晶粒先细化，接着初生相M23(C，B)6变粗，磨粒磨损测试时，硬质相呈块状剥落，致使耐磨性降低。Mn/Si常用于联合脱氧，其中Si是缩小奥氏体区元素，改善熔体流动性，减小飞溅；当硅含量上升时，高硼合金硬度提升，主要因为Si固溶于γ-Fe和α-Fe基体，促进碳原子聚集，致使其硼碳化物集中分布，而初生硼碳化物 M23(C,B)6的形态、尺寸和数量对合金硬度影响显著。Mn是奥氏体稳定化合金元素，降低 Ms点，适量 Mn可增加γ-Fe，对合金韧性有利，试验显示Mn对合金宏观硬度影响不大，对耐磨性影响却较为明显。
　　作为外加强化相，WC/W2C对高硼药芯焊丝的工艺性能及其合金性能都有较大影响。WC/W2C量合适时，焊接过程中飞溅小且少，颗粒过渡较快，堆焊层表面成型好，光亮近于无渣，无孔洞、夹渣等缺陷。WC/W2C促进了高硼合金中M7C3的形成；钨具有固溶强化作用，致使马氏体减少，奥氏体微升，其合金组织呈定向生长。Ti对碳原子亲和力强，生成 TiC颗粒（其显微组织硬度为3200~3800HV0.1），弥散分布；TiC相先期形成消耗合金的碳含量，减少了M23(C,B)6中硼含量而使其相韧性得到改善，并以 TiC颗粒为非均质形核核心，从而使组织得到细化，提高了合金的耐磨性。但Ti过量，会使焊接气氛还原性太强，对碳化物合成反应起到抑制作用，反而降低合金耐磨性，不宜加入过量。

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第1章 绪论

1.1 硼的来源

1.2硼合金研究现状

1.3 研究内容及目标

第2章 合金设计及实验流程

2.1合金系选择与配方设计

2.2实验材料及设备

2.3实验流程

第3章 明弧高硼堆焊合金组织及性能的研究

3.1电流对高硼堆焊合金组织及性能的影响

3.2 硼对明弧高硼合金组织及性能的影响

3.3 B4C对高硼堆焊合金的影响

3.4 小结

第4章 Mn、Si、Mo对高硼堆焊合金组织及性能影响研究

4.1 Fe-Si对高硼堆焊合金组织及性能影响分析

4.2 Fe-Mn对堆焊合金组织及性能影响分析

4.3 Fe-Mo对高硼合金组织及性能的影响

4.4 小结

第5章 WC颗粒、Ti对高硼明弧堆焊合金组织和性能影响

5.1 WC颗粒对高硼堆焊合金组织及性能影响分析

5.2 Fe-Ti对高硼合金的显微组织及耐磨性的影响

5.3 小结

第6章 结论与展望

6.1 高硼明弧堆焊合金组织及性能

6.2 课题展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已公开发表的论文