电渣堆焊高铬铸铁硬面层工艺及组织与性能研究

发布时间：2020-05-11 19:48

【摘要】：高铬铸铁耐磨损性能优异,但韧性较差。低合金钢强韧性较好,但耐磨损性能低。将高铬铸铁与低合金钢复合,制得的零部件既有较好韧性和止裂性能,又有良好的耐磨性,可以有效提高设备的使用寿命,在矿山、冶金、石油开采等磨损严重的工况场合有广泛的应用前景。高铬铸铁与低合金钢双金属复合主要有轧制、铸造和堆焊三种方法。轧制法复合高铬铸铁和低合金钢结合界面存在很大应力,界面结合强度低。铸造法复合高铬铸铁和低合金钢容易熔合不良,铸态组织性能难以符合使用要求。采用手工电弧焊、埋弧焊等方法堆焊高铬铸铁硬面层复合高铬铸铁和低合金钢时非常容易产生裂纹。电渣堆焊的方法热输入大,用电渣堆焊的方法在低合金钢表面堆焊高铬铸铁硬面层,可避免硬面层产生裂纹,是复合高质量高铬铸铁与低合金钢双金属的有效新方法。本研究用电渣堆焊的方法在低合金D32钢表面堆焊高铬铸铁硬面层,复合高质量高铬铸铁与低合金钢双金属。系统研究了在低合金钢表面电渣堆焊高铬铸铁硬面层的工艺参数;研制了高铬铸铁电渣堆焊专用焊剂;探讨了电渣堆焊高铬铸铁硬面层的组织与性能;优化了电渣堆焊高铬铸铁硬面层的热处理工艺。主要研究成果如下:电渣堆焊30-45mm厚的高铬铸铁硬面层时,堆焊电压在35-42V,堆焊电流在260-340A,渣池深度在35-40mm内选取。当堆焊层厚度较小时,堆焊电压和堆焊电流在参数范围内取下限;当堆焊层厚度较大时,堆焊电压和堆焊电流在参数范围内取上限,保证渣池的平均能量密度阈值为8.5~9.5W/mm~2,此时熔合线均匀稳定,可以在低合金钢上有效熔覆大厚度的高铬铸铁硬面层。CaF_2-CaO-Al_2O_3-SiO_2-MgO系高铬铸铁电渣堆焊烧结焊剂成分为40%CaF_2、20~30%Al_2O_3、17~25%CaO、5~15%SiO_2、2~6%MgO时,液态渣池电导率为3.3045Ω~(-1)·cm~(-1),黏度为0.083Pa·s,表面张力338.456N/m,电渣堆焊过程稳定,堆焊层无缺陷,脱渣性好,工艺性能最优。与高铬铸铁焊丝匹配进行电渣堆焊,焊丝中C、Cr等合金元素的过渡系数分别为83%和91%,合金元素烧损率低,适用于高铬铸铁电渣堆焊。电渣堆焊时,低合金钢热影响区较宽。电渣堆焊时粗晶热影响区的T_(800-500)时间大于200s,可避免脆硬的马氏体组织产生;在高铬铸铁硬面层和低合金钢界面存在奥氏体带状区,亚共晶高铬铸铁硬面层界面处奥氏体带宽约40μm,过共晶高铬铸铁硬面层界面处奥氏体带宽约20μm。电渣堆焊高铬铸铁与低合金钢双金属试样界面结合力测试时,断裂发生在熔合界面附近高铬铸铁硬面层一侧,亚共晶高铬铸铁硬面层试样的断裂强度为104MPa,过共晶高铬铸铁硬面层试样的断裂强度为78MPa。电渣堆焊高铬铸铁硬面层组织稳定,硬度分布均匀,具有良好的耐磨损性能。电渣堆焊3.6C-20Cr-Fe过共晶高铬铸铁硬面层组织由共晶组织和粗大的初晶碳化物组成。随着硬面层中添加0.83wt.%V,组织中初晶碳化物细化,含量减少,同时共晶碳化物含量增加,还出现了少量马氏体组织。当硬面层中V含量为1.50wt.%时,硬面层中没有初晶碳化物,只含有细小的共晶组织和少量的马氏体。当硬面层中V含量增加到2.32wt.%时,硬面层出现了初晶奥氏体,此时硬面层由初晶奥氏体、共晶组织和马氏体组成。在V合金化的电渣堆焊高铬铸铁硬面层中,V对C的亲和力比Cr对C的亲和力强,因此V可以取代M_7C_3型碳化物中的部分Cr,且随着V含量增加,M_7C_3型碳化物中V含量随之增多。当硬面层中V含量为2.32wt.%时,V在M_7C_3型碳化物和奥氏体中达到饱和,硬面层中出现MC型碳化物,其化学式为(Cr_(0.23)V_(0.77))C。随着电渣堆焊高铬铸铁硬面层中V含量从0增加到1.50wt.%,硬面层的硬度和耐磨性不断增加,当V含量为2.32wt.%时,硬面层中出现较软的初晶奥氏体,硬度和耐磨损性能降低。电渣堆焊亚共晶高铬铸铁硬面层时,440℃热处理后没有组织转变,高铬铸铁硬面层硬度与焊态相比变化不大;在480-520℃进行热处理后初晶奥氏体和共晶奥氏体发生分解,析出M_(23)C_6型二次碳化物并转变成马氏体,高铬铸铁硬面层硬度明显上升;560℃热处理后奥氏体不仅析出M_(23)C_6型二次碳化物并转变成马氏体,还有M_3C型碳化物的析出和细小珠光体组织形成,高铬铸铁硬面层硬度迅速下降;600℃热处理后高铬铸铁硬面层显微组织中珠光体含量进一步上升,高铬铸铁硬面层硬度继续降低,其硬度低于焊态下硬面层硬度。磨损过程中,高铬铸铁在摩擦力作用下产生微裂纹并不断扩展,新形成的微裂纹界面由于磨损导致温度升高发生氧化,微裂纹的扩展与裂纹面的氧化交替进行,使金属剥离基体,导致堆焊高铬铸铁不断磨损。硬面层金属的硬度越高,磨损率越低,520℃热处理后的高铬铸铁硬面层显微组织中马氏体和碳化物含量较高,硬面层硬度最高,具有更大的摩擦系数和较小的磨损率。
【图文】：

形貌,高铬铸铁,显微组织

华中科技大学博士学位论文最终组织由初晶碳化物和共晶组织组成，其形貌如图 1.1（c）所示。亚共晶高铬铸铁中奥氏体含量较高，硬度相对较低，冲击韧性相对较好，因此，适用于冲击载荷较大的磨损场合；过共晶高铬铸铁碳化物含量较高，硬度较高，，但冲击韧性相对较低。因此，适用于冲击载荷较小的磨损场合。在选择堆焊高铬铸铁硬面层时，应根据磨损条件不同选择不同类型的高铬铸铁。

晶格结构,碳化物,细化组织,高铬铸铁

科技大学博士学 olla-Jacuinde[77]研究 Nb、Ti、V 添加对高C 的形式存在，可以细化组织晶粒，V 存在铸铁中共晶碳化物的含量。向高铬铸铁硬Nb 和 Ti 几乎全部以 NbC 和 TiC 碳化物的如图 1.2 所示。在凝固过程中 MC 型碳化，从而细化晶粒[78,79]。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG455

【参考文献】