Fe-C-Cr-Nb-B系明弧堆焊合金的显微组织及耐磨性

摘要

磨粒磨损理论认为，当材料硬度Hm和磨粒硬度Ha之比大于0.5～0.8时，增加材料硬度，可大幅度提高材料的耐磨性，如在石英磨粒条件下，合金硬度60HRC以上易于满足该条件。鉴于上述理论，本文在高硬度Fe-C-Cr-B系堆焊合金的基础上加入适量的含铌组份-铌铁，使之原位析出强化硬质相NbC来提高其宏观硬度，从而改善耐磨性，成功制备了一种宏观硬度高达67～68HRC的超高硬度Fe-C-Cr-Nb-B系耐磨堆焊合金，以使该类工件在矿山、冶金等严重磨粒磨损工况下可靠持久运行。
　　采用药芯焊丝自保护明弧焊方法在Q235A基材上熔敷制备Fe-C-Cr-Nb-B系合金，采用光学显微镜、X射线衍射仪、洛氏和显微硬度计、扫描电子显微镜以及其电子能谱仪，研究了该若干系列堆焊合金的显微组织、微区成分及其性能，并考察了其耐磨性及其磨损机理。
　　首先，研究了Fe-Nb对Fe-C-Cr-B系明弧堆焊合金显微组织和耐磨性的影响。结果表明，随着外加Fe-Nb含量增加，该合金组织由共晶转变为含原位析出NbC颗粒的亚共晶结构，宏观硬度从64HRC增加到69HRC。原位析出的NbC相从界面熔合线到堆焊合金表层依次呈点状、条状、块状、树枝状等形态，NbC相显微硬度逐渐增加至2290HV0.1。耐磨失重ΔM数据和表面磨痕显示，原位析出一定数量的NbC颗粒显著改善了其耐磨性，合金耐磨性与NbC颗粒尺寸、分布和数量有关。试验以Fe-V代替部分Fe-Nb，结果显示NbC颗粒稍有减小但分布更为弥散，ΔM先减小然后增加，ΔM后增加的原因在于过量的V使基体“贫碳”、硬度降低而优先磨损。
　　接着，保持Fe-Nb含量不变，考察了B4C和Fe-B等含硼组分对Fe-C-Cr-Nb系明弧合金堆焊工艺、显微组织以及耐磨性的影响。结果表明，B4C和Fe-B均可增强药芯焊丝的自保护性能，改善焊缝成型。随含硼组分数量增加，Fe-C-Cr-Nb堆焊合金宏观硬度从45.5HRC增加到68HRC。基体由γ-Fe转变α-Fe马氏体，晶界碳硼化物M23(C,B)6数量逐渐增加是磨损失重ΔM逐渐递减的主要原因，其磨损机制由磨粒微切削转变为微观断裂和微切削两种机制并存，其中微观断裂逐渐占主导地位。
　　最后，保持Fe-Nb和含硼组分不变，研究了Fe-Mo和Fe-Cr对Fe-C-Cr-Nb-B明弧堆焊合金显微组织及耐磨性的影响。结果表明，随着Fe-Mo含量增加，堆焊合金所含(α-Fe+M3(B,C))共析组织数量减少，尺寸减小，而沿晶碳化物M23(C,B)6数量增多，磨损失重ΔM减小，但由于Mo主要起固溶强化作用，过量Mo增加合金所含γ-Fe，致使堆焊合金宏观硬度和磨损失重随着Fe-Mo含量增加基本不变，但表面趋于均匀磨损。这表明，只有少量Fe-Mo可有效提高堆焊合金耐磨性。另外，随着Fe-Cr加入量提高，胞状基体尺寸逐渐减小，沿晶树枝状或者网状碳化物M7C3、M23(C,B)6随着减小，NbC颗粒更趋均匀，这使沿晶耐磨硬质相所形成骨架网逐渐密集，对磨粒锲入的阻碍作用增强，因而合金宏观硬度上升，磨损失重ΔM减小。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究内容及目标

第2章 合金设计及实验流程

2.1合金设计

2.2实验材料及设备

2.3实验流程

第3章 含NbC颗粒的明弧堆焊合金组织及性能研究

3.1 Fe-Nb对堆焊合金组织及性能的影响

3.2 钒铁对高铌合金组织及性能的影响

3.3小结

第4章 硼对明弧堆焊合金组织及性能影响的研究

4.1 硼对自保护药芯焊丝工艺性能的影响

4.2 B4C对堆焊合金组织及性能影响分析

4.3 Fe-B对堆焊合金组织及性能影响分析

4.4 小结

第5章 钼、铬对明弧堆焊合金组织及性能影响的研究

5.1 钼对低Nb堆焊合金组织及性能影响分析

5.2 钼对高Nb堆焊合金组织及性能影响分析

5.3 铬对堆焊合金组织及性能影响分析

5.4 小结

第6章 结论与展望

6.1 自保护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