Si、Mg、Sr与Ce对4043铝合金焊丝修复性能的影响

摘要

本文主要研究调整主元素Si含量、添加微量的Mg及变质剂Sr，Ce对4043铝合金焊丝修复性能的影响，通过对焊接显微组织、力学性能及焊后堆焊层耐磨性的研究确定最佳焊丝成分，并通过对最佳焊丝进行热处理工艺的研究，对比不同时效温度下堆焊层的耐磨性能，确定最优的时效工艺制度。
　　本课题在东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室进行焊丝生产。采用手工交流氩弧焊进行对焊与堆焊实验，对比不同焊丝成分的焊接接头的显微组织、硬度及拉伸性能，以及不同成分堆焊金属的显微组织，硬度以及耐磨性能。将最佳成分堆焊金属在540℃下固溶4h，水淬，分别在140℃，170℃和210℃下时效12h，对比热处理前后以及不同时效温度下的堆焊金属的耐磨性能。
　　结果表明:焊接接头的抗拉强度和屈服强度均随着Si含量的增加而增大。添加变质剂Sr后焊缝处的柱状晶变窄且取向更加明显，抗拉强度和屈服强度分别提高了12.3％和15.7％。添加微量的Mg元素后，焊接接头的抗拉强度和屈服强度均得到了明显的提升，当Mg含量为0.3％时焊接接头的抗拉强度和屈服强度最高。添加变质剂Ce后焊缝处的柱状晶变窄，抗拉强度和屈服强度也均有小幅度提升。进行硬度对比之后发现不同成分的焊丝焊后在热影响区，熔合区和焊缝处的硬度分布大体相同，均呈现为“W”型。焊接接头的硬度值随着Si含量的增加而增大，添加变质剂Sr后硬度值也有所增加。添加Mg后，焊接接头的硬度值得到了明显的提升，且当Mg含量为0.3％时其硬度值最高。添加变质剂Ce后发现其硬度没有发生明显的增大。综上可知，成分为5.9％Si+0.3％Mg+0.06％Sr的焊丝焊接后焊接接头的强度和硬度最高。
　　堆焊层的硬度随着Si含量的增加而增大，摩擦系数和磨损量随着Si含量的增加而减小。添加变质剂Sr后，堆焊层的共晶硅形貌由粗大的针状变为了细小的纤维状，硬度值增大，摩擦系数和磨损量减小。添加Mg后，堆焊层的硬度值得到了明显提高，摩擦系数和磨损量明显减小，且含有0.3％Mg的堆焊层硬度最高，摩擦系数和磨损量最小。在Si，Mg含量相同的情况下添加0.8％Ce的摩擦系数和磨损量要大于添加0.06％Sr的堆焊层。综上，成分为5.9％Si+0.3％Mg+0.06％Sr的堆焊金属的耐磨性能最好。
　　将最优成分的堆焊金属进行热处理后，堆焊金属中的共晶硅颗粒发生球化。时效温度为140℃时堆焊层的硬度与未热处理相比发生了明显的增大，摩擦系数和磨损量明显减小。时效温度为170℃时堆焊层的硬度值最大，达到了111.1HV，摩擦系数和磨损量最小，分别为0.346和0.0045g。时效温度为210℃时发生了过时效，其硬度值甚至小于未经热处理的堆焊层，摩擦系数和磨损量也发生了明显的增大。综上，具有最好耐磨性能的热处理工艺为540℃/4h+水淬+170℃/12h。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 铝合金的发展与应用

1．1．1 铝合金的发展

1．1．2 铝合金的应用

1．2 铝合金的焊接性分析

1．2．1 铝合金的种类、性能和用途

1．2．2 铝合金焊接的主要问题

1．3 铝合金焊丝

1．3．1 铝合金焊丝国内外的发展现状

1．3．2 铝合金焊丝的化学成分

1．3．3 铝合金焊丝中合金元素及作用

1．3．4 铝合金焊丝生产工艺

1．4 铝硅合金变质的研究现状

1．4．1 稀土元素(Ce)变质共晶硅

1．4．2 碱土金属(Sr)变质共晶硅

1．5 堆焊金属耐磨性能影响因素分析

1．5．1 硬度对耐磨性能的影响

1．5．2 显微组织对耐磨性的影响

1．6 本论文研究的主要内容和目的

第2章 实验方法与设备

2．1 实验工艺流程

2．2 实验材料

2．2．1 焊丝成分

2．2．2 焊接铝合金板材

2．3 实验设备

2．3．1 熔炼浇注设备

2．3．2 挤压设备

2．3．3 拉拔设备

2．3．4 焊接设备

2．4 检测与分析方法

2．4．1 显微组织分析

2．4．2 力学性能检测

第3章 焊丝制备及焊接试验

3．1 铸态组织分析

3．2 挤压

3．2．1 热挤压参数的选定

3．2．2 挤压试验过程

3．2．3 挤压态组织分析

3．2．4 挤压态拉伸试验

3．3 铝合金焊丝的拉拔

3．3．1 铝合金焊丝的拉拔工艺

3．3．2 中间退火

3．4 铝合金焊丝的表面处理

3．5 铝合金焊丝的焊接实验

3．5．1 焊接工艺

3．5．2 焊接试验过程

3．6 本章小结

第4章 焊后性能检验

4．1 焊接接头的宏观组织

4．2 焊接接头显微组织分析

4．2．1 4043焊丝焊后的显微组织分析

4．2．2 Al-Si-Mg系焊丝焊后的显微组织分析

4．2．3 添加变质剂Sr，Ce的Al-Si-Mg系焊丝焊后的显微组织分析

4．3 焊接接头的力学性能检测

4．3．1 常温拉伸性能

4．3．2 硬度试验

4．4 本章小结

第5章 堆焊层耐磨性能检验

5．1 堆焊金属耐磨性能分析

5．1．1 显微组织分析

5．1．2 合金元素对堆焊层硬度的影响

5．1．3 合金元素对堆焊层摩擦磨损的影响

5．2 热处理工艺研究

5．2．1 显微组织分析

5．2．2 热处理工艺对堆焊层硬度的影响

5．2．3 热处理对堆焊层摩擦磨损的影响

5．3 本章小结

第6章 全文总结

参考文献

致谢