碳含量對高鉻堆焊合金性能影響

1、碳含量對Fe-Cr-V-B高鉻堆焊合金性能的影響摘 要以Fe-Cr-V-B高鉻合金系為研究對象，通過改變碳的含量，得到一種抗裂性好、耐磨性優(yōu)良的高鉻堆焊合金，對其進行硬度測試、耐磨粒磨損試驗及金相試樣顯微組織和性能分析。結果表明，隨著碳含量的增加，碳化物的數量和體積分數都增加，形態(tài)呈現(xiàn)桿狀片狀網狀的轉變。硬度也在碳含量的一定范圍內先增加，后減少。當碳含量為2.17%時，抗裂性好，耐磨性好，硬度也較高。關鍵詞：碳化物；堆焊；耐磨；硬度；顯微組織The effect of carbon content on theproperty of high-chromium surfacing alloys

2、 Fe-Cr-V-B AbstractIn the subject of high-chromium alloys Fe-Cr-V-B investigated,carbon content is changed, in order to get a good crack resistance, abrasion resistance surfacing high-chromium alloy. In this experiment, the hardness is measured, grain-abrasion resistance is tested, and the macroscop

3、ic structure of metallographic sample is observed and mechanical property is analyzed .The results show that the number of carbide and volume of that also increase, and the shape displays rod-shaped，flake, mesh changes respectively, when the carbon content increases. In the mean time，hardness increa

4、ses at the beginning, and then decreases in a certain scope of the carbon content. Not only the crack resistance and wear resistance are good, but also hardness is higher in the carbon content of 2.17%.Key Words: carbide; surfacing; abrasion resistance; hardness; macroscopic structure目 錄文獻綜述11 焊接材料1

5、2 堆焊的意義13 堆焊藥芯焊絲14 本文耐磨材料研究的最基本的原理2第一章 實驗材料、設備及成分設計51.1 試驗材料51.2 試驗設備51.3 實驗的目的51.4 藥芯焊絲配方設計5第二章 實驗方法82.1 藥粉稱取82.2 焊絲軋制成型82.3試板表面堆焊92.4硬度測試92.5試樣切割92.6金相試樣制備及觀察92.7耐磨實驗10第三章 實驗結果及分析113.1藥芯焊絲包粉量113.2工藝性能比較113.3配方化學成分123.4堆焊合金的宏觀硬度123.5金相圖及分析133.5.1 碳化物形態(tài)變化及其作用153.5.2合金元素對堆焊合金的顯微組織的影響163.6金屬磨損實驗結果及分析1

6、7第四章 總結和展望194.1總結194.2 展望19參考文獻20致 謝211文獻綜述 文獻綜述1 焊接材料焊接材料是決定焊接接頭質量的關鍵因素之一，焊接材料從光焊條到薄藥皮焊條，厚藥皮焊條，埋弧焊絲，氣體保護焊絲直到今天的藥芯焊絲，經過長期的發(fā)展，每種新材料的出現(xiàn)都使得焊接的發(fā)展產生一個新的飛躍。尤其是如今焊接材料的發(fā)展進入藥芯焊絲時代，用藥芯焊絲進行焊接自動化程度高，生產率高，因為焊接本來在熔合區(qū)進行的就是小型化的冶金反應，所以焊縫能夠獲得廣泛的合金元素，可以獲得各種優(yōu)質的焊接接頭，可滿足各種使用性能，推動整個焊接事業(yè)的發(fā)展。 另外眾所周知，機械零件大多數是用金屬材料制造的，在使用過程中會

7、發(fā)生磨損，據估計，工業(yè)化國家能源的約30%消耗于摩擦。對于一個高度工業(yè)化的國家，每年因摩擦和磨損所造成的經濟損失差不多占其國民經濟產值的12%。在我國，由于磨損在汽車、拖拉機以及電力、采礦、建筑等行業(yè)造成的材料損耗，其數量也是很大的。 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，這種因磨損帶來的損失更加明顯。同時，各個產業(yè)和企業(yè)都在尋求資源的可重復利用以節(jié)減成本，這就要求在研制和改進耐磨材料配方，以更適應耐磨需要，且充分考慮到成本。而堆焊是提高機械零件表面性能的重要途徑之一1。2 堆焊的意義堆焊是在設備零件上熔焊上耐磨、耐蝕等特殊性能的金屬層的一種焊接工藝方法。為了提高機械零部件的耐磨性能，可以采用堆焊層金屬的滲合金

8、方法。這種方法不僅能提高生產效率，節(jié)約大量貴重鋼材，而且對易損零部件的基體和工作表面可以采用不同性能的金屬材料，以分別滿足設計對零部件的基體和工作表面的不同的技術要求。如果堆焊材料及加入的合金元素含量選擇得適當，則堆焊后的零部件的使用壽命，一般比整體的零部件成倍地提高。不僅如此，現(xiàn)在許多制造部門，在設計上愈來愈多地采用堆焊層金屬滲合金的方法來制造一些具有特殊要求的零部件。所以堆焊金屬層滲合金的方法不限于修復已磨損的機械零部件，它還能用于制作新的耐磨損零件。在現(xiàn)代工業(yè)中，用堆焊方法將高耐磨材料堆焊用在廉價材料上，修復外形不合格的金屬零部件及產品或制造雙金屬零部件，既提高耐磨性，延長零件使用壽命，

9、減少更換磨損件的時間，又節(jié)省貴重材料，降低成本，改進產品設計，符合現(xiàn)代提出的建設節(jié)約型社會2。3 堆焊藥芯焊絲近年來，隨著焊接機械化、自動化程度的不斷提高，焊接材料的產品結構和品種也發(fā)生了很大的變化。從整體上來說，手工電弧焊用焊條占整個焊接材料產量的比重正不斷的下降。在日本、歐美等工業(yè)化國家，焊條所占比例已從原來的80%以下降到不足50%，日本則降到20%以下。與其相對應，焊絲的比重在不斷上升，有力地推進了機械化、自動化焊接工藝的發(fā)展。特別是藥芯焊絲的開發(fā)和生產，有了長足的進步，同時因為它具有生產效率高，焊接質量好，綜合生產成本低等特點，成為當今焊接材料研究開發(fā)的主流，并將延續(xù)很長一段時間。自

10、20世紀80年代以來，藥芯焊絲在日本、美國、歐洲得到了很快的發(fā)展，尤其是日本，從80年代初的年產幾千噸，占焊材總量的1%左右，增至1995年的年產8.61萬噸，占焊材總量的24%以上，15年猛增了20多倍，早已超過了焊條產量，并有直追實芯焊絲的趨勢。國外藥芯焊絲主要應用在造船業(yè)、石油、化工工業(yè)、建筑、橋梁工程及機械制造等，針對各類鋼材和各種使用性能要求的起保護和自保護藥芯焊絲的品種越來越多。在歐、美、日發(fā)展都很快，產品樣本品種已超過50多種。目前國際上藥芯焊絲產業(yè)已發(fā)展到一定規(guī)模，尤其事耐磨類藥芯焊絲，約占藥芯焊絲總量的6%15%，國內許多進口的大型破綻設備都隨機帶有焊機及相關保養(yǎng)用耐磨藥芯焊

11、絲，以供設備備件維修用。我國藥芯焊絲產品品種主要有鈦型氣保護、堿性氣保護和耐磨堆焊三大系列。其中耐磨堆焊藥芯焊絲是指為增加堆焊焊層耐磨性或使金屬表面獲得某些特殊性能而添加一些合金元素到藥芯中制成的焊絲。現(xiàn)在國內耐磨藥芯焊絲發(fā)展前景很好，主要是耐磨堆焊藥芯焊絲對設備件進行預保護堆焊、再生性修復堆焊有以下好處：(1)節(jié)約設備維護成本，提高設備維護質量。(2)延長設備件使用壽命。(3)極大地減少設備故障時間及停機維修時間。現(xiàn)在國產藥芯焊絲品種較少，較單一，專用性強，而且近幾年許多金屬特別是鈮、鎳、鉬等價格逐年提高，使得藥芯焊絲價格也隨之逐年增加。研制低成本且性能較好的耐磨藥芯焊絲成為一種趨勢。國內的

12、藥芯焊絲制造廠已有29家，共有生產線48條，其中從國外引進了24條生產線和部分配方，現(xiàn)有設備的生產能力預計可達2萬余噸。但是無論在數量上還是在質量上，與國外相比還存在一定差距，不能滿足市場需求。藥芯焊絲大批量生產中涉及的諸多問題沒有得到解決，因而一時還不能形成大批量生產能力。大部分企業(yè)尚處于年產1 000 噸以下的水平，并且各自的技術力量有限，形成了這種品種少、產量小、質量差、整體水平低的局面。近年來我國藥芯焊絲市場的消費量每年以30的速度增長，目前消費量達1.2萬噸左右，國產藥芯焊絲的市場占有率只有35，大部分藥芯焊絲仍然需要進口。這就迫切需要我們自己努力，加強研究開發(fā)，力爭擺脫這種局面。這

13、為完善我國的焊材體系，全面發(fā)展我國的藥芯焊絲產業(yè)，研究開發(fā)新品種焊絲具有重要意義，尤其是高效金屬芯焊絲的研制。國內進行這方面研究的單位已有一些，比如國內專業(yè)生產耐磨堆焊藥芯焊絲的企業(yè)主要有上海司太立焊業(yè)有限公司、漯河京漯焊業(yè)有限公司、鄭州機械研究所。但真正將成果轉化為產品，進行大面積推廣應用的卻1很少。同時由于生產制造技術的不完善及原材料方面原因，一些焊條品種還無法轉化為焊絲品種進行使用3。4 本文耐磨材料研究的最基本的原理磨損機制中磨粒磨損占50%，大部分耐磨材料都是為了克服或減少磨粒磨損而制作的。本文的磨損機理也是講磨粒磨損機理。研究磨損的目的在于控制磨損，使它的不利影響減至最小。磨損并不

14、是材料本身固有的特性，而是受整個系統(tǒng)影響的，它與設計參數及運轉條件有關。從磨損機制，磨損與材料性能關系中可看出，組織因素對給定條件材料的磨損特性有重要影響。對于金屬材料來說，組織因素包括夾雜物，第二相（包括碳化物）、晶粒間距、基體組織及內部缺口等。本文就是利用加入一些合金元素形成第二相，增加耐磨性。第二相的機理包括兩個方面：（1） 對裂紋形核的影響 第二相質點越細小越分散，裂紋形核越困難，這對提高材料耐磨性是有利的。其中板狀和長條狀質點比等軸質點斷裂所需應變更低。（2） 裂紋擴展影響在韌性基體上分布一些硬質點，間距越小越易擴展裂紋；第二相分布不均勻，裂紋就沿著一定路徑進行，如第二相為不連續(xù)分布

15、的硬質點時，沿脆性相界面進行；第二相連續(xù)分布時，裂紋變得遲鈍，不易擴展，當然基體為韌質相效果最好。碳化物是耐磨鋼或鑄鐵中的主要第二相。為了提高這些材料的耐磨損能力，需從下面三個方向努力改進材料。一是提高碳化物的體積分數，焊層中含碳量越多，確切地說藥粉配方中，碳化物的體積分數就會越大，硬度也會相應提高，同時耐磨性也會增加。需要說明的是，這個規(guī)律有一個范圍，也就是說碳化物的體積分數達到一定程度時，耐磨性不會再隨它的增加而增加，反而下降。例如以奧氏體為基體的組織在碳化物體積分數達到30%時就已達到峰值，盡管此時硬度還在增加。這也說明硬度和耐磨性沒有必然的聯(lián)系4。二是碳化物類型的影響。碳化物的形態(tài)包括

16、確定相的量，形狀，大小和分布。一般立方結構的鉻碳化物的耐磨性要強于三角晶系鉻碳化物。高溫合金中可能出現(xiàn)的碳化物類型有：MC(MCN)、M7C3、M23C6、M6C。就其出現(xiàn)的條件來說，可分為初生碳化物和次生碳化物，即合金凝固時形成的和固態(tài)析出的兩種。初生MC型碳化物呈質點狀、條狀和骨架狀三種形態(tài)存在。凝固條件和合金元素都可以改變它的形態(tài)。次生碳化物一般呈小質點或小方塊形態(tài)。M23C6是在較高含鉻量的合金里形成的。它具有復雜的面心立方結構。次生形態(tài)在晶內可為小方塊狀，雪花狀或者顆粒針狀片狀，晶界析出可為連續(xù)或不連續(xù)的M23C6膜，條狀或不連續(xù)的條狀。初生為骨架狀和條狀形。M6C比較穩(wěn)定，也為復雜

17、面心立方結構。M7C3形態(tài)與M23C6類似，為斜方結構，它只出現(xiàn)在鉻含量和碳含量之間比較低的合金或者有強烈形成碳化物元素少的合金中。它不是很穩(wěn)定，高溫有可能析出穩(wěn)定M23C6碳化物。它的形態(tài)與M23C6相同，一般呈顆粒狀5。3三是指碳化物的平均間距及相對硬度。由公式f1/2=c(d/)（f是指碳化物的體積分數，c為統(tǒng)計常數，d為硬質點的直徑，指平均間距）可知，硬的碳化物質點分布在軟基體上時，體積分數一定時，硬質點直徑減少時，碳化物的平均間距也會隨之減小，而耐磨性會提高。再據公式ACEB(其中A表示組織耐磨性，C為碳化物尺寸，E表示碳化物的體積分數，B為碳化物硬度)，隨著碳化物尺寸或者碳化物體積

18、分數或者碳化物硬度增加，組織的耐磨性都會增加?？梢赃@么解釋，大片的碳化物尺寸相對磨粒較大，磨損劃痕需許多次，而尺寸相對較小的，在磨粒磨擦時，易松動，幾乎一次性就可磨損到基體4。此外，硼化物的作用也很大。雖然硼化物的類型很多，但是在高溫合金中的硼化物主要是M3B2型。M3B2為四方晶體結構。初生硼化物一般呈骨架狀或大塊狀形態(tài)，尺寸范圍在幾微米到十幾微米。加工變形后它分布在晶界和晶內呈小顆粒狀，具有強化晶界的作用。硼化物（Fe2B）與含硼碳化物（Fe3（C，B）、Fe23（C，B）6）的硬度與穩(wěn)定性均普遍高于碳化物（Fe3C），因此在堆焊合金中添加一定的的硼形成硼化物大利于提高硬度和耐磨性5。 4

19、5第一章 實驗材料、設備及成分設計第一章 實驗材料、設備及成分設計1.1 試驗材料本藥芯焊絲的研制，外皮采用H08A鋼帶，所用的藥粉主要由石墨、高碳鉻鐵、碳化鎢、鈦鐵、釩鐵、碳化硼、鋁鎂粉、鐵粉，鎢粉，還原鈦鐵，中碳錳鐵，鎳粉等組成，焊劑HJ260及A3鋼試板等。1.2 試驗設備主要有天津三英焊業(yè)有限公司生產的YHZ-1型藥芯焊絲成型機、HR-150型洛氏硬度計、角磨平機、MZ-100埋弧焊機、MLS-23型濕砂橡膠輪式磨損試驗機、DT150型光學天平、砂紙若干、M2型預磨機、P2型拋光機、普通藥物天平、HFXA型金相顯微鏡。1.3 實驗的目的經過一系列的實驗，找到一個配方達到技術指標：硬度H

20、RC60；預熱；表面無裂紋，氣孔等缺陷，脫渣性良好。1.4 藥芯焊絲配方設計從國內外已開發(fā)應用的合金系統(tǒng)有Cr-B-W-Mo-Nb-V、Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-W-V、Cr-Mo-W-V、Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Mn、Cr-W-Mo-Nb、Cr-Ni-W-Nb、Ni-Mo-Si-Mn-Ti、Cr-Mn-Ni-W-Mo-V、Cr-W-Ni-Mn-Si、Fe-Cr-Mo-B、Ni-Cr-Mo-W、Cr-B-W-V、Ni-Cr-B-Si、Cr-Mo-V-B、Cr-Mo-V-Ti-B和Cr-Ni-Mo-W-Co 等610?？紤]到價格成本，實驗室材料備用以及材料成分組織等問題，選擇Cr-

21、B-W-V型的鐵基金屬粉末。鉻是以高碳鉻鐵形式存在的，在焊縫中的作用：（1）滲合金.（2）氧化性強形成碳化鉻鐵等.（3）對脫渣和成型有良好的影響。同時也是鋼獲得不銹性和耐腐蝕性的重要元素。鉻含量的增加，鐵素體含量增多，有利于限制粗大奧氏體的長大，使奧氏體晶粒得到細化。另外，鉻是CrB和Cr7C3的形成元素，隨著硼的含量的增加，CrB和Cr7C3的數量增加，從而導致晶界的覆蓋面積增大，這對提高硬度有利；再者，由于鉻有固溶強化作用。因此適量的鉻對堆焊層硬度和耐磨性的提高有利。再加以適量的釩，它是一種強碳化物形成元素，以釩鐵形式存在，可以滲合金，脫氧，脫碳。其碳化物（VC）是堆焊層金屬較為理想的強化

22、相，尤其是高溫穩(wěn)定性。釩能以細小彌散碳化物析出，有效的阻止奧氏體晶粒的長大，降低過熱的敏感性，釩的含量改變也會引起焊態(tài)的硬度的變化，它可以提高焊縫密度，使晶粒細化，提高機械強度。釩的含量在小范圍內增加時，會引起焊態(tài)硬度增加，試驗中還發(fā)現(xiàn)，釩含量增加到一定程度，又會使焊態(tài)的硬度下降。硼主要是以硼化物的形式在組織中起作用，雖然它能使硬度增加，但也是易造成開裂的元素，故還可加入鈦，即鈦鐵。Ti和V一起作用，形成TiC-VC彌散分布，與基體結合力強而不易破碎，并能阻礙基體中微裂紋的擴展，從而使堆焊層金屬具有良好的抗裂性能11。焊縫的抗裂性能與C當量有很大的關系，一般來講，C當量越高，其淬硬傾向增大，冷

23、裂紋敏感性加大。同時，由于基體和堆焊層之間的成分差異較大，因而堆焊層對熱裂紋的傾向也很大。C含量的多少直接影響顯微組織的形態(tài)和體積分數，尤其是對碳化物，這也就影響到宏觀硬度和耐磨性。本文著重這點，通過對石墨的量加入的把握，來尋找規(guī)律，找到耐磨性優(yōu)良的藥芯焊絲配方。查閱有關的文獻資料12,13 得： 表1堆焊合金焊縫熔敷金屬目標化學成分合金元素CMnCrWMoVTi其他含量1.5%8.0%15%8.0%4.5%2.0%適量余量加入金屬粉芯配方中的合金元素的百分含量可用下述公式進行初略估算15： M粉（M焊M帶）（KbKC ）式中：M粉為配方粉末中加入某純金屬粉末或鐵合金粉末的百分含量；M焊為堆焊

24、焊道中該合金元素要求的百分含量；M帶為鋼帶中該合金元素的百分含量；為合金元素過渡系數（見表2）； Kb為藥芯焊絲的包粉量即粉芯占整個焊絲重量百分比；KC為某合金元素在該鐵合金中的百分含量，如果元素是純金屬粉末則kC為100。合金過渡系數是指焊接材料中的合金元素過渡到焊縫金屬中的數量與原始含量的百分比。合金元素在堆焊過程中不是全部都過渡到堆焊金屬中而是有一部分損失。表2 合金元素的過渡系數合金元素CCrVBWTi過渡系數0.320.650.730.820.550.650.150.450.8 0.90.220.406表3 鋼帶化學成分(%)合金元素CMnSiSP百分比0.0120.220.110.

25、0110.008碳含量的計算：14為了滿足合金元素與碳結合成合金化合物分子式中的定比關系，使韌性好的基體組織上彌散分布大量的合金碳化物，擬采用“平衡碳”原則對含碳量進行適當控制。由于本焊絲研制的另一個特點是沒有專門的高溫回火處理，只是利用焊后自然冷卻，自由消除應力過程，而這個工藝制度已經基本確定（550580X10h），在這個溫度范圍內得到的碳化物具有良好的性能。其公式如下： C0.033W+0.063Mo+0.200V+0.036Cr+0.250Ti+0.112Nb+0.2% C0.033W+0.063Mo+0.200V+0.060Cr+0.250Ti+0.112Nb+0.2% 式適用于Cr

26、23C6型碳化物,而式適用于Cr7C3型碳化物。假設Cr含量為14%，Ti含量為0.36%，W含量為1.4%，V含量為2.4%。代入上面兩式中，可得， C0.0331.4%+0.2002.4%+0.03614%+0.2500.36%+0.2%=1.3002%C0.0331.4%+0.2002.4%+0.06014%+0.2500.36%+0.2%=1.4362%熔敷金屬中碳含量來源于焊劑以及藥粉中的石墨和含碳合金粉或鐵合金。含碳鐵合金或合金粉末加入后使飛濺增大，本配方將石墨作為碳含量的主要來源。石墨變化的范圍也基本確定。為了改善焊接工藝性能，再加了一些鋁鎂粉（鋁鎂粉的作用是易與氧結合，可還原碳

27、，使碳更多地與其它有用的合金元素結合形成碳化物，另一方面改善脫渣性）。并在定好主要元素的時候，進行實驗，鋁鎂粉分別取2%和3%，看它的脫渣性；為了初步定好硼的量，稱取2.5%，3.5%，2%的碳化硼，看它的開裂情況。 表4 實驗配方工藝情況編號石墨（%）碳化硼（%）鋁鎂粉（%）開裂是否脫渣性122.52是一般223.52是一般3223不較好422.53是較好 由上表可知，選鋁鎂粉為3%，碳化硼為2%時，抗裂性好，脫渣性也較好。78第二章 試驗方法第二章 實驗方法2.1 藥粉稱取 取總量為200克，用研缽磨細，拌勻。其中，高碳鉻鐵，釩鐵，鈦鐵，碳化硼，碳化鎢，鋁鎂粉不變，石墨分別取0%，0.5%

28、，1.0%，2%，2.5%，3%。余下用鐵粉補足。2.2 焊絲軋制成型藥芯焊絲從制造方法上可以分為有縫藥芯焊絲和無縫藥芯焊絲兩種。其中，有縫藥芯焊絲因為制造成本低而獲得了廣泛應用，它的制造方法是有薄鋼帶通過成型軋棍加工成U型槽，填入藥粉軋成管狀，最終尺寸是由拔絲加工而成。目前藥芯焊絲的截面其形狀有很多種，其中管狀焊絲（即O形焊絲）由于形狀簡單，易于加工生產，且具有價格低的優(yōu)勢，是藥芯焊絲采用的主要截面形狀，因此我們所軋制的焊絲截面全部為O形截面。本藥芯焊絲全部是在YHZ-1焊絲成型機上軋制而成。本設備采用軋-拔法生產工藝生產，藥芯焊絲的成型、上粉和合口工序在軋絲機上完成，而將減徑工序全部或大部

29、分移至拉絲機上來完成。首先用藥物天平稱取藥粉配方，充分均勻混和、烘干，然后將粉末倒入軋絲機的料斗中，進行軋制。鋼帶采用規(guī)格為14mm0.3mm的H08A鋼帶。為保證軋絲的順利進行，對材料、設備和工藝有一定的要求以免影響粉的均勻及焊接質量。藥粉要充分研磨混合均勻，顆粒太粗容易使焊絲拉斷，且焊接時易引起大的飛濺，影響電弧的穩(wěn)定。成型軋棍機有3個主要參數，拉絲速度，成型速度，先將拉絲速度調節(jié)到300，然后再將成型速度調節(jié)到225，即可軋制成型。另外一個重要的參數就是料斗出料口的大小，若口大粉層就厚單位時間內送粉就多，焊絲包粉量大；若口小粉層就薄，單位時間內送粉就少，焊絲包粉量就小。因此可以先少許拉一

30、段，然后用天平稱其重量計算包粉量，然后調節(jié)參數使其穩(wěn)定，這樣便于以后做試驗進行對比。軋絲機的軋輥應盡量處于同一條直線，成型軋輥側面應處于豎直面上，以免焊絲扭轉影響焊絲的平穩(wěn)順利的軋制及藥粉的均勻性甚至焊絲裂開以至漏粉。焊絲軋制完后， 應逐步減徑拉拔，達到所需要的直徑，本焊絲全部拉拔為直徑3.6mm。拉拔過程不能太快，應該避免出現(xiàn)拉斷、漏粉等問題。焊絲軋拉后，應保證焊絲表面應光潔，成型規(guī)則，無毛刺、凹坑、劃痕、銹皮和油垢，也不應有其他對焊接性能或操作性能有不良影響的夾雜物1。另外焊絲的兩端要封口，避免漏粉。焊絲的包粉量（即單位長度焊絲藥粉占總重量的比例）是藥芯焊絲性能的一個重要的指標，它不僅影響

31、焊縫的的化學成分，而且對焊絲的軋制和焊接性能都有很大的影響。本焊絲的包粉量一般在51%左右。在焊絲的軋拉過程中，包粉量過高焊絲容易爆粉，使軋制不成功；包粉量過低，藥粉容易流動，粉末不均勻，藥粉中含有空氣，焊接時易壓扁焊絲，不利于送絲，易漏粉，焊絲中的氣體有可能增大飛濺，增加裂紋氣孔的傾向。2.3試板表面堆焊這里我們選擇A3鋼作為試驗用的焊接試板，規(guī)格為150mm80mm16mm。焊劑選用熔煉型低錳高硅中氟焊劑HJ260。表5 焊劑HJ260的主要化學成分（%）SiO2MgOCaF2Al2O3MnOCaO2832151720251924244首先將焊接試板的兩表面在砂輪機上打磨平整光亮，除掉表面

32、油污和氧化膜。試板兩端用手工點焊規(guī)格為50mm50mm16mm的引弧板和熄弧板（也需要打磨，拋光）。按照表4所示的焊接工藝參數用埋弧焊沿著試板的中線連續(xù)縱向堆焊兩層（第一層母材稀釋率比較大），如果要取耐磨試樣，要焊三道以上。表6 藥芯焊絲埋弧堆焊焊接工藝參數焊接部位焊接電流（A）電弧電壓（V）焊絲干伸長（mm）焊接速度（m/h）層間溫度（）焊后狀態(tài)底層450480283525302530100200空冷面層4304602530253025302.4硬度測試待焊接試樣空冷至室溫后，將焊接試板的兩表面在砂輪機上打磨平整，光亮，除掉表面油污和氧化膜。在洛氏硬度計HR-150測硬度時, 試板必須放平整

33、，操作時試板不能有跳動。一般取焊縫的中間部位打間隔均勻的七點，取其平均值,如果碰到硬度特殊高點或低點都不計。2.5試樣切割金相試樣為焊道表面為1210 mm2的方柱，耐磨試樣為5722.56mm3立方體。92.6金相試樣制備及觀察（1）首先在砂輪機上磨平焊道表面，最好四周倒角。（2）用砂紙磨平，要按100，200，400，500，W(50), W(40), W(28), W(14), W(10), W(5)順序，并且每一道砂紙只磨一個方向，要平磨，直到磨掉上道砂紙磨留下來的印痕，每換一道砂紙必須旋轉90度。（3）用拋光機拋光，直到表面沒有劃痕。（4）腐蝕表面，如果不是立即在拋光后腐蝕試樣，就必

34、須再磨一次，去掉表面的氧化膜。把試樣浸入硝酸濃度為4%的酒精溶液10分鐘左右，再放到復合試劑中大約1分鐘（復合試劑由硫酸5ml，鹽酸15 ml，重鉻酸鉀23g，酒精30 ml，苦味酸1 g組成）。用水沖洗干凈后，酒精腐蝕表面并用吹風機吹干。（5）觀察金相并拍照。2.7耐磨實驗（1）預磨，先將試樣放入實驗機放入試驗機MLS23的專用夾具中，一定要裝緊。裝上試驗機的底蓋和外罩，旋緊螺絲。用臺秤稱量1.5Kg的石英砂放入罩內，用量筒盛1000 ml水放入罩鎳。蓋上玻璃罩，接通電源，將自控儀表中的預置開關撥到100的位置，啟動電機，試驗機旋轉100轉后將自動停下來，這個過程主要是將石英砂和水攪拌均勻。

35、然后裝上選用的砝碼，放下砝碼，將預置開關撥到1000的位置，啟動電機。實驗機轉1000轉后電機自動停下來。先打開試驗機的底蓋，將石英砂和水放出，取出外罩，清洗工作空間，取出試樣。（2）用酒精清洗試樣，再用電吹風吹干，在天平上稱量其初始質量：E1（3） 重復步驟（1），在天平上稱量其最終質量：E2 得出磨損量為E= E1 -E2 （4）重復上述3個步驟，得出E1，E2，En （5）取E的平均值，即E=（E1+E2+En）/n表7 磨損實驗技術參數施加正壓力（N）24.5橡膠輪轉速（r/min）240橡膠輪直徑（mm）170橡膠輪轉向逆時針橡膠輪硬度（邵爾硬度）80砂、水重量（Kg）石英砂1.5、

36、水1石英砂粒度（目）6040 10第三章 試驗結果及分析第三章 實驗結果及分析3.1藥芯焊絲包粉量表8 藥芯焊絲包粉量 編號 總 重(g )凈 重(g )粉 重(g )包粉量1 #10.045.644.4043.82%2 #11.96.566.3444.87%3 #9.835.644.1942.62%4 #13.057.145.9145.29%5 #7.644.183.4645.29%5 #169.36.741.9%6 #10.395.724.5744.94%本實驗中幾乎所有的配方的包粉量都很小，沒有達到50%的要求，這除了與機器本身有關外，就是配粉末時研細和研勻工作未做好。這樣，包粉量低，可

37、能增大飛濺，同時增加裂紋和氣孔的傾向。所以后面的焊接工藝受它的影響。除此以外，堆焊合金最終的化學成分含量也變小了，近而影響組織的形態(tài)，宏觀的硬度和耐磨性。3.2工藝性能比較 表9 各個配方的工藝性能 工藝性能編號成型裂紋飛濺穩(wěn)定性脫渣性1 #一般開裂較少一般良好2 #開裂較少一般較差較差3 #開裂較少一般一般較差4 #不開裂較少一般良好良好5 #開裂較少一般良好較差5#開裂較少一般一般較差6 #開裂較少一般良好較差11有氣孔的原因是HJ260受潮，還有就是包粉量過低，另一種可能是試板表面未清理干凈，表面還有銹和氧化膜15。開裂主要與顯微組織形態(tài)和數量有關，下面金相分析中會做解釋。其次拘束應力的

38、影響很大，在試板上的兩道中間焊時，開裂較容易（也稱為焊后冷卻過程中出現(xiàn)的應力釋放裂紋）。1 #，5 #，都是焊第二層才開裂。還有可能就是焊接工藝的影響，確切地說是焊接線能量的影響：線能量過大，會引起晶粒粗大，降低抗裂性能，過小，又會使堆焊層淬硬，不利于氫的逸出，故而也增大冷裂紋傾向。如5 #，在電流減小的情況下，不但成型差，出現(xiàn)很明顯的裂紋16。穩(wěn)定性和飛濺都可以，這主要因為焊接工藝參數選用得當（包括焊接電流，焊接電壓，焊接速度）。脫渣性不好有氣孔的原因。在此次實驗中一般脫渣性都優(yōu)良。本焊劑為HJ260焊劑，為熔煉型低錳高硅中氟焊劑，可以使焊縫金屬的低溫韌性有一定提高，焊劑過程中合金元素燒損較

39、少，具有良好的脫渣性（另外要注意2點；（1）在使用前一個將焊劑進行烘干，通常在250300攝氏度焙燒2小時；（2）當反復使用焊劑時，焊劑中可能混入氧化鐵皮和粉塵，焊劑的粒度分布也會改變，為保持焊劑的良好特性，應隨時補加新的焊劑，且注意清楚焊劑者的混入的渣殼等雜物），除此之外，還因為在藥粉中加了鋁鎂粉，它與氧的結合力強于其它的金屬元素，就可以避免其它的金屬元素V，Cr的氧化物與渣中的CaO等結合形成體心立方晶格的尖晶石型MeO，Me2O3 使脫渣性惡化17。3.3配方化學成分表10 各元素在堆焊層中所占的百分比合金元素CCrVTiBWFe百分含量1.58%2.4%14.2%14.8%2.0%2.

40、4%0.2%0.4%0.180.23%1.0%1.5%余量注：其中由于石墨的量在變化，故碳含量是一個范圍，具體對應關系后面會列出來。由表格中成分并查閱資料可知27，本實驗得到的堆焊合金為20Cr15V2W Ti B。3.4堆焊合金的宏觀硬度影響焊縫的硬度的主要因素是碳含量，由表11可知隨著碳含量的增加，硬度也隨著上升，到達一定的時候，硬度達到一個最大值，碳再增加時，硬度反而下降。圖1可清晰地看出它們的關系，此外，其它合金元素的影響也不可忽略，具體的金相分析時會做解釋。12表11 宏觀硬度測定 硬度（HRC）編號和含碳量1234567平均1 # (1.58%C)58.559586160.558.

41、558592 # (1.74%C)5960.560606059.56560.573 # (1.80%C)64.259636161.5606061.24 # (2.10%C)6158616262616661.575# (2.20%C)6362626164636362.66 # (2.44%C)5959626162606060.4注：硬度的最高和最低值在測定時已排除，5#的硬度值沒有測出。 圖1 碳含量和硬度的關系3.5金相圖及分析 由圖13可知，白色組織為鐵素體和奧氏體，灰色為碳化物、硼化物，少量黑色部分為馬氏體組織。根據碳化物的一些特征，根據文獻18以及堆焊合金的化學成分，可知本堆焊合金的硬質

42、相主要有（Cr，F(xiàn)e）23C6、碳化硼、碳化鎢和碳化釩，還有少量的（Cr，F(xiàn)e）7C3。13圖2 1 # 堆焊合金的顯微組織（1.58%C） 圖3 4 # 堆焊合金的顯微組織（2.10%C） 圖4 6 # 堆焊合金的顯微組織（2.44%C）143.5.1 碳化物形態(tài)變化及其作用 當C含量從1.58%增加到2.10%時，可見圖24中的碳化物數量隨之增多，單個碳化物的體積也增大。C含量為1.58%時，鐵素體長大呈樹枝狀，樹枝晶內和晶間合金元素偏析大，所以易開裂，-Fe基體集中分布，故硬度較低。碳含量增加為2.10%時，二次碳化物從晶界或晶內析出（Cr富于晶界，F(xiàn)e富于晶內）21，彌散分布在鐵素體上

43、，強化晶界，強度提高，硬度也增加。碳化物體積增大，數量也增多了。碳化物的間距變小，磨粒很少或無法對基體進行切削磨損，此時鐵素體基體就能為碳化物提供有效的支撐。這種碳化物形態(tài)，使得組織開裂可能性很小23。石墨再增加，到碳含量為2.44%時，組織中可能含有少量的馬氏體。碳化物的數量和體積進一步增多和增大。相對來說鐵素體減少，且不均勻。在磨粒的損壓和剝蝕作用下，碳化物易發(fā)生破碎，甚至剝離。此時，碳化物呈網狀分布，消弱了金屬間的結合力，使韌性下降，脆性增加，它易引起沿晶界的開裂26，并降低合金的耐磨性。碳化物細化不夠，分布不均勻，硬度和強度也降低。碳化物及其它相晶體結構顯微硬度（50g）(kg/mm2

44、)熔點（）密度（g/mm2）類型點陣常數(A)-Fe體心立方a=2.8664-Fe面心立方a=3.6468Fe3C正交a=4.524 b=5.089c=6.743134016507.67Cr7C3斜方a=4.523 b=6.99 c=12.10714501680(分解)Cr23C6復雜面心立方a=10.63813001500(分解)6.75W2C密排六方a=2.96 b=4.713200275017.2WC簡單六方a=2.9 b=2.83117302600(分解)15.5315.7VC面心立方a=4.182209428305.36TiC面心立方a=4.3132850320032004.39表1

45、2 碳化物及其相的性能 19, 2015碳化物體積分數高，裂紋擴展速率相對就快，這也是高碳堆焊合金裂紋易出現(xiàn)，易擴展的原因。在C含量為2.20%，2.44%時，基體中除了鐵素體，還有殘余奧氏體（很少量的），一部分馬氏體。因為碳含量增加，Ms點、Mf點降低，C曲線左移，馬氏體轉變更容易，更徹底，故奧氏體殘余很少，甚至不存在。基體有一部分為馬氏體時，基體硬度增加，所以在碳含量為2.20%時，硬度可達到一個巔峰。但是它抗裂性差，隨著碳含量增加，變得更差。3.5.2合金元素對堆焊合金的顯微組織的影響1 碳在耐磨堆焊金屬中成分中，碳是最主要的元素。本試驗中碳主要是以片狀石墨和高碳鉻鐵中的碳形式存在的。碳

46、是強烈脫氧劑，用量過多因熔點很高，故使焊接速度減慢，另外有可能嚴重開裂。傳統(tǒng)觀念中，堆焊金屬中不能有太多的碳，否則脆性極大。但是試驗證明，硬度要上一個臺階，碳和合金元素必須上個臺階。但是碳和合金元素上了臺階并不見得硬度一定會提高，有的甚至會降低，也不見得堆焊金屬的脆性就增加了多少。本文研究的焊絲加入一定的石墨，保證碳的供應，它是提高硬度和耐磨性的關鍵元素，它與Cr、W、V、Ti、B 結合，使堆焊金屬生成特殊的碳化物，則耐磨性提高很多。但是同時一定要保證裂紋不能夠過大，要滿足韌性要求。2 鉻鉻是以高碳鉻鐵形式存在的，在焊縫中的作用：（1）對脫渣和成型有良好的影響；（2）鉻也是形成（Cr，F(xiàn)e）7

47、C3，（Cr，F(xiàn)e）23C6的主要元素因此適量的鉻對堆焊層硬度和耐磨性的提高有利22；（3）鉻含量的增加，鐵素體含量增多，有利于限制粗大奧氏體的發(fā)展，使奧氏體晶粒得到細化；（4）另外，鉻有固溶強化作用。3 釩釩是一種強碳化物形成元素，以釩鐵形式存在。與C形成VC, 細小彌散析出，阻止晶粒的長大，增大強度，提高機械性能。4 硼硼是提高堆焊層硬度的有效元素，這是由于其與碳相比，在堆焊合金中硼與鐵更容易形成化合物，而且硼化物（Fe2B）與含硼碳化物（Fe3（C，B）、Fe23（C，B）6）的硬度與穩(wěn)定性均普遍高于碳化物（Fe3C）14，因此在堆焊合金中添加一定的的硼大利于提高硬度和耐磨性，減少Cr、

48、W、Mo、V、等稀缺貴重元素的加入量，對降低成本有重要意義。但是硼在焊接時容易產生裂紋，導致抗裂性能下降，我們在試驗中也發(fā)現(xiàn)了硼含量的變化引起的裂紋問題。我們在試驗中發(fā)現(xiàn)，在藥粉中加入適量的鈦鐵，一方面鈦保護硼不在電弧中氧化，同時也防止硼形成氮化物，因為B只有固溶在奧氏體中才能夠提高奧氏體的淬透性，過多的硼致使硼化物的形成，對韌性不利。但是這也只能夠減小裂紋，并不能夠防止裂紋的產生。165 鎢鎢的影響類似于鉬，鎢的含量增加可提高焊縫的硬度，與碳形成堅固穩(wěn)定的碳化物，其硬度僅次于金剛石，但是過量容易是焊縫抗裂性能下降，容易產生裂紋。6 鈦鈦是一種強碳化物形成元素，與碳的親和力大，生成熱穩(wěn)定性好的

49、間隙相TiC，它具有很高的熔點且硬度是在MC系碳化物中為最高的，是耐磨堆焊材料中極為理想的強化相。細小的彌散分布的TiC相對阻礙晶粒的長大起到良好的作用。同時，鈦可以與溶解于焊接熔池中的氮形成TiN或Ti(NC)，這類氮化物具有高熔點高硬度和易于彌散分布的特點，可以在堆焊層中起著耐磨質點的作用，且由于鈦和氮的親和力比鐵和氮的大，可抑制Fe4N的生成。Fe4N是一種硬脆的化合物，從過飽和的固溶體中析出，并以針狀分布在晶粒上或貫穿晶界，盡管使焊縫的硬度升高，但使堆焊層金屬的塑性和韌性急劇下降，因而，鈦可在一定程度上增強焊縫熔敷金屬的韌性。由于鈦和氧的親和力很大，氧化損失大，其過渡系數小。本實驗中采

50、用鈦鐵作為主脫氧劑并充分利用其碳化物來提高堆焊合金的耐磨性。3.6金屬磨損實驗結果及分析 金屬材料的硬度、強韌性及耐磨性等與其微觀組織有密切的關系。就堆焊而言，材料的耐磨性是磨損條件和材料性能的綜合反映，其耐磨性主要取決于硬質相的形態(tài)、分布、數量、大小、基體的性質、以及基體與硬質相的匹配關系。盡管如此，材料的耐磨性和硬度之間的關系并非一一對應，高硬度的堆焊金屬并不一定具有優(yōu)良的耐磨性。此外，磨料的硬度和性能也決定了硬度和耐磨的對應關系。一般，軟磨料時，隨碳化物的增加和硬度的提高，耐磨性增加；硬磨料時，碳化物的存在和增加只是限制了擦痕的溝槽寬度，碳化物增加，對耐磨性影響不大，碳化物再增加，還有可

51、能耐磨性出現(xiàn)下降的現(xiàn)象23。此實驗的標準試樣為H25Cr3Mo2MnV堆焊金屬試樣（堆焊工藝參數在表13中），試樣尺寸和實驗條件均相同。表13實心焊絲H25Cr3Mo2MnV埋弧堆焊工藝參數焊接電流I電弧電壓V焊絲干伸長mm焊接速度m/h層溫焊后狀態(tài)420460303440502225100150空冷相對耐磨性是指標準試樣的磨損量和實驗試樣磨損量的比值。=標準試樣磨損量/實驗試樣磨損量2417表14 堆焊合金的耐磨練磨損性能試樣磨損前重量（g）磨損后重量（g）絕對失重量（g） 平均絕對失重量（g）相對磨損系數硬度（HRC） H25Cr3Mo2MnV66.343265.29311.05011.0

52、50214365.293164.24291.05032# 試樣64.638464.56660.07180.07214.5962.664.566664.49450.072164.494564.42260.071964.422664.35040.0722本實驗的試樣的硬度高，耐磨性也很好。焊絲的耐磨性能的提高重要依賴于配方中的合金元素的影響，C，B，Cr的存在使其堆焊層亞共晶組織中的晶界覆蓋面積增加，晶粒變得細小，耐磨性隨之提高，它們之間生成的硼化物和碳化物具有較高的硬度，在磨損過程中起骨架作用，使得堆焊層耐磨性較高。W的存在對提高耐磨性也有好處。18第四章 總結和展望第四章 總結和展望4.1總結 本文通過大量的試驗，研究碳含量對組織硬度和耐磨性的影響，分析討論了合金元素CCrBTiWV對顯微組織碳化物形成和形態(tài)的影響。 1）碳含量改變直接影響顯微組織碳化物的形態(tài)和數量。碳化物M23C6在晶界和晶內析出對合金性能有強烈的影響。2）當碳化物對基體能夠提供保護時，碳化物的數量，體積分數和基本狀態(tài)對耐磨性有顯著影響；但當碳化物對基體不能提供保護時，耐磨性會下降許多。在一定范圍內，碳化物體積分數越大，碳化物在基體上分布越彌散，硬度越高且改善韌性，耐磨性增強。3）在Fe-Cr-V-B合金系中，釩和鈦是必不可少的元素，碳化釩析出可細化晶粒，且促使得