高硼铁基堆焊合金组织结构形成机理及耐磨性研究

发布时间：2018-03-08 16:34

本文选题：粉/丝复合堆焊技术　切入点：高硼Fe-B-C堆焊合金　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：堆焊是减缓工程部件磨料磨损的一种有效手段,高性能的堆焊材料是实现这一手段的必要保证。高硼铁基合金成本相对较低、耐磨性能优异,已在磨料磨损领域显示出明显的优越性。然而,高硼铁基合金用于堆焊的研究报道较少,因此,开发一种包含少量合金元素、价位低廉、具有良好堆焊工艺性能、耐磨性和抗裂性的高硼铁基耐磨堆焊合金材料就显得尤为重要。研究中发现高硼铁基合金堆焊存在的问题一是硼量过高易引发裂纹,减少裂纹往往要牺牲耐磨性;二是高硼铁基堆焊合金组织如何实现优胜劣汰;三是耐磨相Fe_2B生长取向不同耐磨性存在差异。针对上述问题本文采用粉/丝复合堆焊技术,探讨少量合金元素对Fe-B-C系堆焊合金组织结构、初生Fe_2B相生长取向、裂纹产生及耐磨性的影响与相互关系,期望获得一种具有良好抗裂性能、耐磨性能的高硼铁基堆焊合金材料。本文从不含贵重合金元素的Fe-B-C系堆焊合金出发,系统研究了粉/丝复合堆焊工艺条件下,硼化物硬质相的类型、形态、体积分数与不同基体的配合对堆焊合金磨料耐磨性能的影响。结果显示,Fe-B-C系堆焊合金典型的显微组织有树枝晶状Fe、棒状Fe_2B、鱼骨状Fe_2B以及菊花状Fe_3(C,B),调整硼、碳的含量与配比可控制堆焊合金中各显微组织的体积分数。不同组织结构堆焊合金的磨料耐磨性不同,过共晶成分合金以粗大的棒状Fe_2B为硬质相,以共晶组织为基体,棒状Fe_2B硬质相可有效保护共晶基体免受磨粒的损伤,阻断磨粒的切削路径,高显微硬度的共晶组织基体可避免因其过度磨损而引起硬质相脱落,两者良好的配合可表现出优异的磨料耐磨性。硬质相的类型与体积分数是影响堆焊合金磨料耐磨性的主要因素之一,根据热力学计算结果,论证了合金元素Ti控制Fe-B-C系堆焊合金各硬质相体积分数的可能性,验证了Ti对Fe-B-C系堆焊合金组织结构及耐磨性的影响规律。结果表明,与Fe_3(C,B)相比,Ti与C形成的Ti C相具有更低的反应吉布斯自由能,Ti可控制堆焊合金中Fe_3(C,B)相的体积分数。Ti与B形成的Ti B2相比Fe_2B具有更低的反应吉布斯自由能,并能控制堆焊合金中Fe_2B相的体积分数。通过调整Ti、B、C的含量与配比,可控制堆焊合金层中各硬质相的类型、体积分数,最终达到控制堆焊合金耐磨性的目的。磨损试验显示,含Ti 0.71 wt.%、B5.9wt.%、C 0.9 wt.%、的Fe-B-C-Ti系堆焊合金可获得以Fe_2B、Ti B2、Ti C为硬质相、共晶组织为基体的组合,堆焊合金的磨料耐磨性是同等硼、碳含量堆焊合金的1.35倍。根据棒状Fe_2B横截面硬度明显高于纵截面硬度的试验事实,提出调整堆焊工艺并结合微合金化的方式控制棒状Fe_2B生长取向的设计思想,以此提高堆焊合金的耐磨性能。首先依据Gibbs-Curie-Wulff理论及AE理论构造了初晶Fe_2B的理论生长形态,印证了其最快生长方向为[001]晶相。基于最快生长方向平行于温度梯度的择优生长理论,提出采用大宽度“Z”字形堆焊工艺控制温度梯度方向的方法,结合微量合金元素Ti改变溶质再分配进而减小成分过冷度,最终达到控制棒状Fe_2B的生长取向的目的。试验结果显示,上述方式可获得垂直堆焊层表面生长的棒状Fe_2B相,耐磨性提高20%~35%。从提高堆焊层抗裂性角度出发,探讨了棒状Fe_2B内部显微裂纹及堆焊层宏观裂纹的危害性,分析了Fe-B-C系堆焊合金裂纹产生的本质原因,提出了抑制裂纹产生的新方法,实现耐磨性与抗裂性的统筹兼顾。以EET理论计算了Fe_2B晶体的价电子结构及键能,提出棒状Fe_2B内部垂直[001]晶向显微裂纹产生的本质原因是片状Fe_3(C,B)夹杂引发断裂的新观点,理论及试验验证了Cr、V可抑制显微裂纹的产生。当堆焊合金中Cr的含量达到一定数值时,显微裂纹消失,耐磨性也相应提高。宏观裂纹产生的本质原因是粗大的棒状Fe_2B相及过高的C含量。鉴于此,提出采用氮气保护下Ti、N细化晶粒抑制堆焊层裂纹的方法。结果显示,含B 5.8 wt.%、Cr 2.3wt.%、Ti 1.6 wt.%、C 1.0 wt.%、N 0.085 wt.%的高硼铁基堆焊合金无宏观裂纹与显微裂纹,耐磨性是同等B、C含量堆焊合金的1.63倍。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG455

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