（材料加工工程專業(yè)論文）高硬度高抗裂性耐磨堆焊合金的研制.pdf

高硬度高抗裂性耐磨堆焊合金的研制 摘要 目前，國內(nèi)外主要通過添加釩鐵、鎢鐵、鉬鐵、鉻鐵等多元合金獲得性能 優(yōu)良的堆焊材料，但是由于合金價格較高，不利于降低堆焊生產(chǎn)成本；當采用 簡單的高碳f e c r 鑄鐵合金系，雖能獲得硬度較高的堆焊合金，但因其含有較 高的碳，導致其抗裂性能惡化。因此，開發(fā)新的硬度高、抗裂性能好、耐磨性 優(yōu)且成本低廉的堆焊合金具有重要的工程應用價值。本文基于降低堆焊合金成 本和使用簡單合金系的原則，采用焊條電弧堆焊方法，擬通過引入微量稀土元 素及添加兩種主要合金鉻鐵和硼鐵，研制一種新型的高硬度高抗裂性的f e c r b 系耐磨堆焊合金。 首先，通過正交試驗法對堆焊焊條藥皮礦物成分進行優(yōu)化配置，試驗研究 了不同礦物成分對堆焊焊條的脫渣性、覆蓋率及堆焊合金的抗裂性能的影響， 獲得了綜合性能優(yōu)良的藥皮配方。 采用洛氏硬度計、顯微硬度計、光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、e d s 能譜 儀、直讀光譜儀、x 射線衍射儀等對堆焊合金進行了測試與分析。研究表明： 石墨對堆焊層硬度影響小，反而惡化其抗裂性能；添加適量的稀土鎂可以使堆 焊組織由柱狀晶和樹枝晶變?yōu)榫鶆蚍植嫉牡容S晶，細化堆焊層組織、提高抗裂 性。隨著硼含量的增加，堆焊合金硬度與耐磨性先增大后下降。堆焊合金的基 體組織主要為馬氏體與殘余奧氏體，硬質(zhì)相主要由顯微硬度較高的f e c r 相、 m 2 3 ( c ，b ) 6 、b o 7 f e 3 c o 3 、f e 3 c 以及m 7 c 3 相等組成，其中m 2 3 ( c ，b ) 6 等硼化物呈 菊花狀或魚骨狀包裹著f e c r 相等生長。 采用m m 2 0 0 型磨損試驗機和掃描電子顯微鏡對堆焊合金的磨損機理進行 了探討，菊花狀的硼化物在磨損過程中對硬質(zhì)顆粒的壓入和顯微切削運動有較 好的阻礙作用。磨損后期硼化物受磨粒沖擊載荷作用發(fā)生斷裂后，下層材料將 進入磨損階段。 本文所研制的堆焊合金硬度可達6 5 h r c 且無裂紋，具有較高的抗裂性和 耐磨性，能適用于高應力磨粒磨損場合，可以廣泛應用于礦山、水泥、煤礦機 械等行、止。 關(guān)鍵詞：高硬度；抗裂性；堆焊合金；稀土鎂 r e a e r a c hf o rw e a r h a r d f a c i n ga l l o yo fh i g hh a r d n e s sa n d h i g hc r a c k r e s i s t a n c e a b s t r a c t a tt h em o m e n t ，i to b t a i n sf i n ep e r f o r m a n c eh a r d f a c i n g a l l o y sm a i n l yb y a d d i n gc o m p l e xa l l o y s s u c ha sf e r r o v a n a d i u m ，f e r r o t u n g s t e n ，f e r r o m o l y b d e n u m ， f e r r o c h r o m i u me t c ，b u ti t st h ed i s a d v a n t a g eo fr e d u c i n gt h ec o s tp r a c t i c ef o rt h e a l l o y s h i g hp r i c e s ；o ru s i n gt h es i m p l ef e - c r ca l l o ys y s t e mw h i c hc a nh a v ea h i g hh a r d n e s sh a r d f a c i n ga l l o y ，b u ti th a sb a dc r a c kr e s i s t a n c eb e c a u s eo fl o t so f c a r b o n s oi t s i m p o r t a n tt od e v e l o pan e wh a r d f a c i n ga l l o y f o r e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o nw i t hh i g hh a r d n e s s ，h i g hc r a c kr e s i s i t a n c ea n dh i g hw e a rr e s i s i t a n c e b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fr e d u c i n gt h ec o s ta n du s i n gs i m p l ea l l o ys y s t e m ，a d o p t i n g s h i e l d e dm e t a la r cw e l d i n gp l a nt or e s e a r c han e wf e - c r - - bs y s t e mw e a rh a r d f a c i n g a l l o yo fh i g hh a r d n e s s a n dh i g hc r a c kr e s i s t a n c e o n l yb y t h ea d d i t i o no f f e r r o c h r o m i u ma n df e r r o b o r o n f i r s t ，u s i n go r t h o g o n a lt e s tm e t h o dt oo p t i m i z ec o a t i n gm i n e r a lc o m p o s i t i o n s ， t h r o u g he x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s f i n dt h e i m p a c t o fd i f f e r e n tm i n e r a l c o m p o s i t i o n st o t h es u r f a c i n ge l e c t r o d e ss l a g h a r d f a c i n ga l l o y s c r a c kr e s i s t a n c e i to b t a i n s c o m b i n a t i o np r o p e r t y d e t a c h a b i l i t y ，s l a gc o v e r a g ea n d a ne x c e l l e n tc o a t i n gf o r m u l aw i t h t e s t e da n d a n a l y s e dh a r d f a c i n ga l l o y w i t hr o c k w e l lh a r d n e s st e s t e r ， m i c r o h a r d n e s st e s t e r ，o p t i c a lm i c r o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ， e n e r yd i s p e r s es p e c t r o s c o p y ( e d s ) ，d i r e c t r e a d i n gs p e c t r o m e t e r ，x - r a yd i f f r a c t o m e r e t c t h er e s u l t ss h o wt h a tg r a p h i t eh a sl i t t l ea f f e c to fh a r d f a c i n gl a y e rh a r d n e s s ，b u t i tw o r s et h ec r a c kr e s i s i t a n c e ；w i t ht h ea d d i t i o no fr i g h ta m o u n tr e m gc a nr e f i n e h a r d f a c i n gl a y e r ss t r u c t u r ea n di n c r e a s et h ec r a c kr e s i s t a n c e ，t h eh a r d f a c i n ga l l o y m o r p h o l o g yc h a n gf r o mc o l u m n a rc r y s t a l s a n dd e n d r i t et oe q u a l l yd i s t r i b u t e d i s o m e t r i cc r y s t a l w i t ht h ei n c r e a s eo fb o r o n ，t h eh a r d n e s sa n da b r a s i v er e s i s t a n c e f i r s ti n c r e a s et h e nd e c r e a s e t h em i c r o s t r u c t u r eo fh a r d f a c i n ga l l o yi sm a jo ro f f e - c rp h r a s e ，m 2 3 ( c ，b ) 6 ，b 0 7 f e 3 c 03 ，f e 3 ca n dm 7 c 3p h r a s e ，i nw h i c ht h eb o r i d e w i t hc h r y s a n t h e m u mo rh e r r i n g b o n es h a p ew r a p p e du pf e c rp h r a s e a n dh a v ea m a t r i xo fm a r t e n s i t ea n da u s t e n i t e u s i n gm m - 2 0 0t y p ef r a c t i o na b r a s i o nt e s t i n gm a c h i n ea n ds e m d i s c u s s e dt h e a b r a s i o nm e c h a n i s mo ft h eh a r d f a c i n ga l l o y i nt h ew e a rp r o c e s s e s ，t h eb o r i d ew i t h c h r y s a n t h e m u m o rh e r r i n g b o n es h a p eb l o c kt h ep r e s s - i no fh a r dp a r t i c l ea n d m i c r o s c o p i cc u t t i n gm o v e m e n t a tt h el a t e rs t a g eo fw e a r ，t h eb o r i d ef r a c t u r e da t i m p a c tl o a do fa b r a s i v ep a r t i c l ea n di tg o e st ot h el o w e rm a t e r i a l t h ep a p e rd e v e l o p e dah a r d f a c i n ga l l o yw h i c hh a sn oc r a c kw i t hah a r d n e s so f 6 5 h r c ，a n di t a l s oh a sh i g hw e a rr e s i s t a n c e ，c a nb ea p p l i c a b l et oh i g hs t r e s so f a b r a s i v ew e a ro c c a s i o n s ，s oi tc a nb ew i d e l yu s e di nm i n i n gm a c h i n e ，c e m e n t i n d u s t r y ，c o a lm a c h i n ee t c k e y w o r d ：h i g hh a r d n e s s ；c r a c kr e s i s t a n c e ；h a r d f a c i n ga l l o y ；r e a l l o y 致謝 本文是在導師王國平副教授的親切關(guān)懷和悉心指導下完成的。在攻讀碩士 學位期間，王老師從選題、試驗設(shè)計、試驗操作以及論文撰寫和生活等方面都 給予了極大關(guān)心與支持。從師兩余載，導師淵博的學科知識、高深的學術(shù)造詣、 嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度以及實事求是的科研作風，使作者終身受益，在此論文完成之 際，謹向?qū)熤乱陨钌畹木匆夂妥钪孕牡母兄x。 本論文在開題和試驗過程中，得到了焊接教研室的李萌盛、徐道榮、薛國 憲、李先芬等老師的諸多指點與教誨，在試驗材料的準備和試驗操作過程中得 到了實驗室的秦琳、汪冬梅等老師的指導和幫助，在此表示由衷的感謝。感謝 同實驗室的蔣志金、左小濤、何志誠、孫永功、李偉、范振以及班上的同學在 生活和學習上的給予的幫助，感謝其他所有支持、關(guān)心和幫助過我的學長、同 學和朋友們。 最后，感謝父親、母親、姐姐等親人，感謝他們的支持以及為我所付出的 辛勞。 作者：張建 2 0 1 2 年3 月l6 日 圖 圖 圖 圖 插圖清單 中國近年水泥產(chǎn)量2 磨損基本分類與具體類型3 焊條制作工藝流程圖1 3 堆焊尺寸圖1 4 脫渣性試驗裝置圖。1 5 對磨環(huán)尺寸1 6 磨損原理圖1 7 部分焊條焊縫宏觀照片2 0 第十組焊條熔渣x r d 圖譜2 1 焊后熔渣形貌2 1 脫渣性試驗裂紋2 1 硼含量對堆焊層硬度的影響2 5 石墨含量對堆焊層硬度的影響2 6 石墨含量為2 宏觀焊縫形貌2 7 石墨含量為2 時渣系x r d 圖2 7 裂紋變化圖示2 8 不含稀土鎂對堆焊合金裂紋圖2 9 圖4 - 6 不同稀土鎂含量的堆焊層金相組織3 l 圖4 7 稀土鎂對堆焊層硬度的影響3 2 圖4 8 稀土鎂對堆焊合金夾雜物的影響3 3 圖4 9 硼過渡系數(shù)回歸直線3 6 圖4 1 0 擬合直線求解值3 6 圖4 1 12 0 硼含量堆焊焊條堆焊層金相組織3 8 圖4 1 21 8 硼含量堆焊層x 射線衍射圖譜3 8 圖4 1 31 8 硼含量堆焊層s e m 形貌3 9 圖4 1 41 8 硼含量堆焊層硬質(zhì)相e d s 譜圖3 9 圖4 1 5 堆焊四層裂紋情況4 1 圖4 1 6 堆焊2 0 0 m m 長裂紋情況一4 1 圖4 1 7 硼鐵含量對堆焊合金耐磨性與硬度的影響4 4 圖4 1 8 稀土鎂對堆焊合金耐磨性與硬度的影響4 5 圖4 1 9 不同硼含量堆焊合金的宏觀磨損形貌4 6 圖4 2 0 不同硼含量堆焊合金磨損s e m 圖4 7 圖4 2 1 堆焊合金磨損過程示意圖4 8 圖4 2 2 氣孔對耐磨性影響圖4 9 圖4 2 3 不同稀土鎂含量堆焊合金s e m 圖一5 0 1 2 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1卜卜二厶二二二孓弘孓孓孓舡 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖 表格清單 表1 1 煤礦機械部分零部件失效類型及壽命2 表2 1h 0 8 a 焊芯主要化學成分( ) 1 2 表2 2q 2 3 5 a 試板主要化學成分( ) 1 2 表2 3 焊接工藝參數(shù)1 4 表2 4y w 2 對磨環(huán)主要成分1 6 表3 1 藥皮成分因素水平2 0 表3 2 正交試驗表及其結(jié)果2 2 表3 3 初步試驗水平( w t ) 2 4 表4 1 石墨含量對裂紋的影響( w t ) 2 8 表4 2 堆焊熔池中稀土化合物生成自由能g o ( 1 8 7 3 k ) 3 3 表4 3 堆焊合金主要化學成分3 4 表4 4 硼鐵化學成分( w t ) 3 5 表4 5 各組堆焊焊條中硼含量( w t ) 3 5 表4 6 高碳鉻鐵化學成分( w t ) 3 6 表4 7 堆焊層硬質(zhì)相能譜分析結(jié)果4 0 表4 8 堆焊合金顯微硬度值( h v ) 4 2 表4 - 9 耐磨性試樣編號( w t ) 4 3 表4 1 0 磨損試驗結(jié)果4 4 1 1選題背景及意義 第一章緒論 1 1 1磨損造成的損失 鋼鐵行業(yè)直接影響著國民經(jīng)濟的發(fā)展與運行，是一個國家工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ) 行業(yè)。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國已經(jīng)成為一個鋼鐵大國。2 0 1 0 年我國粗鋼產(chǎn) 量達到了6 2 6 6 5 萬噸，同比0 9 年增長了9 2 6 ，鋼材產(chǎn)量己達到7 9 6 2 7 萬噸， 同比增長1 4 6 8 附1 | 。磨損是材料失效的主要形式之一，材料失效導致設(shè)備的損 壞不僅會造成嚴重的經(jīng)濟損失，還有可能導致災難性的后果【2 ，3j 。資料顯示，磨 損造成了世界一次能源損失達三分之一，我國盡管說是個鋼鐵大國，但是消耗 世界鋼材量超過3 0 ，僅磨料磨損每年消耗的金屬耐磨材料就達到了三百多萬 噸【4 j ；僅摩擦磨損，美國每年就造成10 0 0 億美元的損失，而我國也達到了國民 生產(chǎn)總值的1 8 【5j 。因此，采用一定的措施減小材料的磨損有著重要的工程應 用價值。 磨損作為機械設(shè)備的主要失效形式之一，在礦山、煤礦以及水泥行業(yè)中尤 為突出。煤炭是我國的主要能源，其開采形式主要為地下作業(yè)為主，從事地下 開采的煤礦機械設(shè)備相對于一般的機械設(shè)備主要具有如下幾個特點【6 ，7 】：( 1 ) 3 1 作條件與環(huán)境惡劣，主要表現(xiàn)為長期工作在空氣濕度大( 一般在8 0 9 0 ) 、 酸堿度較高( p h 值在6 5 9 5 之間) 、空氣中含有大量的有害氣體和煤巖粉塵、 通風較差以及散雜電流大，機械設(shè)備長期處在重載、沖擊、摩擦、腐蝕的環(huán)境 下；( 2 ) 工作時間長，大部分設(shè)備處在連續(xù)生產(chǎn)狀態(tài)，停機時間短或者幾乎不停 機；( 3 ) 潤滑條件差，由于煤礦機械設(shè)備的前兩個特點，使得設(shè)備得不到足夠的 潤滑和維修。針對煤礦機械各部件的特點，表1 1 列出了部分部件的磨損失效 類型以及壽命或耗量。 我國作為一個水泥生產(chǎn)大國，水泥行業(yè)一直保持著快速發(fā)展的趨勢，2 0 0 8 年就已經(jīng)承建國際生產(chǎn)線超過3 0 ，相關(guān)技術(shù)及設(shè)備大量出i s l ，到2 0 1 0 年水 泥產(chǎn)量達到1 8 8 億噸( 見圖1 一1 ) 2 3 - 2 5 】。而在水泥的生產(chǎn)過程中，機械設(shè)備的 損壞與消耗是不可避免的，機械設(shè)備的磨損消耗量占水泥行業(yè)消耗鋼材的9 0 以上，因此隨著水泥產(chǎn)量的增加，機械設(shè)各的磨損就越多【26 1 。鄭州機械研究所 魏建軍研究員對水泥機械中的擠壓輥、立磨磨輥、球磨機、錘頭及風機葉輪等 做了一些總結(jié)，認為水泥機械中的主要失效形式為磨粒磨損、沖擊磨損、腐蝕 磨損以及裂紋等，提高材料的耐磨性的同時必須要兼顧抗裂性這項重要指標 2 7 , 2 8 。張傳行曾統(tǒng)計，年產(chǎn)量為3 0 0 萬噸的水泥企業(yè)，每年各磨機所消耗的鋼 材就達到10 5 0 噸，折合人民幣約3 0 0 萬元【2 引。可見，提高機械設(shè)備材料的耐 磨性可以大大的降低水泥行業(yè)的生產(chǎn)成本。 售? 8 一 址 廿 熙 * 年份 圖1 1中國近年水泥產(chǎn)量 表l 一1 煤礦機械部分零部件失效類型及壽命1 6 - 2 2 1 零件主要失效形式壽命或耗量 煤礦機刀頭脫落、碎裂、崩刃，磨損，齒體折 國內(nèi)1 0 0 l5 0 把，萬t ；國外1 0 把，萬t 械截齒斷，刀體彎曲變形、丟失 煤礦機 焊縫開裂，槽孔磨損，側(cè)面磨損，斷裂國內(nèi)一般為7 萬m 12 萬i t i 械滾筒 刮板輸 送機中 過度磨損( 磨粒磨損、腐蝕磨損與黏著磨國內(nèi)每年耗費3 0 4 0 萬節(jié)左右，壽命 部槽 損1 ，斷裂，焊縫開裂，槽體變形約6 1 2 個月；國外壽命約2 3 年 鏈輪組 件 磨損，疲勞破壞，壓饋和斷齒國內(nèi)壽命約三個月；國外大于半年 提升機 外部損傷，磨損，疲勞，咬繩國內(nèi)每年投入1 4 億元 鋼絲繩 提升機 沖擊磨損，滑動磨損，腐蝕磨損國內(nèi)年限約為4 年 箕斗 膠帶輸國內(nèi)一般為一年：德國在轉(zhuǎn)速不超過 送機托磨損5 5 0 r m i n 時，為2 萬小時或3 年；蘇 輥聯(lián)在未修理前使用期不少于3 年 礦車車輪磨損，車軸疲勞斷裂，裂紋 全國2 0 0 0 3 0 0 0 萬元年 國內(nèi)壽命在2 - 3 年；國外一般在5 年 振動篩磨損失效 以上 挖掘機 高應力、高沖擊磨料磨損我國每年至少造成3 0 0 0 萬的損失 斗齒 2 侶 侶 似 侄 們 8 6 4 在機械行業(yè)的其他零件中，由于各自的工況特點，磨損是導致設(shè)備失效的 因素之一。如發(fā)動機氣缸長期工作在高壓、高溫以及腐蝕性環(huán)境中，會造成其 發(fā)生磨損，導致發(fā)動機耗油量增加、輸出功下降等故障【3 0 , 3 1j ；齒輪在工作過程 中的主要作用是傳遞動力，處在沖擊、重載與腐蝕的工作環(huán)境中，因此工作一 定時間后必然會產(chǎn)生缺陷，從而使得其傳遞不平穩(wěn)甚至產(chǎn)生更嚴重的后果 3 2 , 3 3 】。可見，磨損對機械設(shè)備造成了大量的損失，提高材料的耐磨性可以大大 的降低工業(yè)生產(chǎn)成本，太高機械設(shè)備的使用壽命，節(jié)約資源，對耐磨材料的研 究具有重要實際與理論意義。 1 1 2磨損分類與減磨措施 磨損是工作中的零件表面材料發(fā)生流失或轉(zhuǎn)移的一個過程，解決任何磨損 問題首先必須要了解和區(qū)分其磨損失效的類型，根據(jù)其機理的不同可以分為不 同種類，目前國內(nèi)外對磨損的分類主要有兩種。清華大學溫詩鑄教授【j 4 j 將磨損 分為機械類、分子一機械類以及腐蝕機械類三類，機械類主要是由于機械作用在 摩擦過程中表面發(fā)生的磨損現(xiàn)象，其主要形式為磨粒磨損；分子一機械類是由于 接觸表面的分子力作用發(fā)生黏著，隨后在機械作用過程中結(jié)點被剪切而發(fā)生的 磨損，其主要形式為黏著磨損；腐蝕機械類是由于腐蝕介質(zhì)的作用發(fā)生腐蝕， 機械作用提高了材料的腐蝕速率，其主要形式為化學腐蝕磨損。k e n n e t hg b u d i n s k i 等【”】將磨損分為磨粒磨損、腐蝕磨損、黏著磨損以及表面失效四類， 圖1 2 列出了材料失效的四種主要類型以及17 種具體的磨損方式。 圖1 2磨損基本分類與具體類型 3 分析零件工作時的磨損機理，針對其失效類型采用適當?shù)拇胧┛梢源蟠蟮?減少材料的磨損，延長設(shè)備的使用壽命。減小材料的磨損主要包括兩個方面： 一是根據(jù)零件的工況選擇最佳的耐磨材料，并將零件制成能更換的結(jié)構(gòu)；二是 根據(jù)設(shè)備的服役條件和工藝參數(shù)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化達到所需的要求【36 | 。此外，在條 件許可的情況下，對機械設(shè)備進行足夠的潤滑，可以大大減小機械設(shè)備的磨損。 機械設(shè)備發(fā)生磨損往往不是一個單一的因素所決定的，是由多種因素交互 作用而導致，因此在考慮機械設(shè)備的減磨措施時要綜合考慮各個因素，分析其 決定性因素設(shè)計減小磨損的最佳方案。以下分別介紹幾種磨損的機理以及減小 的方式。 磨粒磨損：磨粒磨損是材料表面有硬質(zhì)顆粒的存在或者材料表面有硬質(zhì)突 起物而導致的材料表面流失的現(xiàn)象。磨粒磨損的形式主要有低應力磨粒磨損、 高應力磨粒磨損、犁溝以及劃痕。其磨損機理主要包括微切削、犁溝和脫落p 7 1 。 微切削是硬質(zhì)顆粒在受力的情況下壓入材料表面，隨著運動的發(fā)生而導致材料 表面被切削的現(xiàn)象；犁溝是硬質(zhì)顆粒在受力時首先壓入材料表層，在運動過程 中受力的作用形成一條犁溝狀的劃痕；脫落是工件表面材料由于硬質(zhì)顆粒的作 用而發(fā)生材料局部丟失現(xiàn)象。減小磨粒磨損的發(fā)生，應該從磨粒磨損發(fā)生的根 源找對策，即首先盡可能的凈化工件的工作環(huán)境，降低硬質(zhì)顆粒的含量，其次 針對磨粒磨損的機理，選擇合適的耐磨材料，提高材料的硬度減小磨損量。 黏著磨損：黏著磨損( 粘著磨損) 是摩擦副中的兩基體材料表面在相對滑 動時由于凸起峰局部高壓，發(fā)生塑性變形和溫度升高而焊合，在剪切力的作用 下發(fā)生材料流失的現(xiàn)象【3 8 , 3 9 , 4 0 1 。粘著磨損的主要形式有輕微磨損、涂抹、擦傷、 咬合以及劃傷。對于黏著磨損造成的零部件的損害，目前主要采用保證零部件 的充分潤滑以及合理的選擇耐磨材料兩種方法來減小。潤滑可以使發(fā)生磨損的 表面上的凸起不會發(fā)生直接接觸，避免了節(jié)點的繼續(xù)發(fā)展，從而達到減小磨損 的作用。 腐蝕磨損：腐蝕磨損是指相對運動的摩擦副表面材料由于與周圍環(huán)境中介 質(zhì)發(fā)生電化學或者化學反應，并且在運動過程引起的材料流失的現(xiàn)象【4 1 | 。根據(jù) 腐蝕磨損的定義可知，其主要是由于化學反應或電化學反應而導致的磨損，因 此要減小腐蝕磨損的發(fā)生，最佳途徑便是合理的選在耐腐蝕磨損材料，提高材 料的抗腐蝕性能。 針對不同的磨損類型以及不同工況條件下使用的耐磨工件的磨損，設(shè)計具 體的抗磨措施對提高材料的使用壽命和降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本有較大的實際意 義。在實際的設(shè)備中，發(fā)生單一磨損的情況一般很少，大部分都是有多種磨損 互相交互作用，因此在設(shè)計抗磨措施時，要具體分析設(shè)備的磨損情況，兼顧磨 損的每一個影響因素，綜合解決材料的磨損問題，設(shè)計出一套適合服役條件的 減磨措施。 4 1 1 3耐磨材料簡介 耐磨材料分為金屬耐磨材料與非金屬耐磨材料兩類。耐磨材料的研制到目 前為止已有1 2 0 多年的歷史，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對磨損造成的損失已 經(jīng)越來越重視，對耐磨材料的研制越來越多。在金屬耐磨材料的發(fā)展史中，先 后經(jīng)歷了三個關(guān)鍵的里程碑，即白口鑄鐵的應用一高錳鋼的發(fā)明一高鉻鑄鐵的 成功研制4 2 1 。 白口鑄鐵：白口鑄鐵的起源可以追溯到2 5 0 0 多年前人類進入鐵器時代初 期鑄出的錛和鏟【4 引。國內(nèi)外對白1 5 1 鑄鐵的研究主要分為普通白口鑄鐵、低合金 白口鑄鐵、高合金白口鑄鐵等。普通白口鑄鐵的組織主要為滲碳體組織和珠光 體與鐵素體的基體組織，由于滲碳體的顯微硬度較高( h v 9 0 0 1 1 0 0 ) ，提高了 鑄件的宏觀硬度起到提高耐磨性的作用。在普通白口鑄鐵中添加合金元素促進 了鑄態(tài)組織中石墨的析出以及可以形成合金與碳的化合物，石墨可以作為潤滑 劑在鑄件工作過程中降低摩擦系數(shù)減小磨損；合金碳化物的顯微硬度相對滲碳 體較高，提高了宏觀硬度 4 4 。46 1 。目前國內(nèi)外使用較多的白e l 鑄鐵為鉻系白e l 鑄 鐵 4 ”。 高錳鋼：自英國科學家h a d f i e l d 于18 8 2 年發(fā)明高錳鋼以來，由于其有較 好的加工硬化性，國內(nèi)外學者對高錳鋼的研究與改進就從未停止過。高錳鋼的 合金元素主要為錳與碳，含碳量一般在1 1 4 ，含錳量一般在1 0 1 4 ， 當碳含量低于1 3 時，隨著碳含量的增加，耐磨性提高【4 引。高錳鋼分為低碳高 錳無磁鋼、中碳高錳無磁鋼、高碳高猛無磁鋼和高錳耐熱鋼四類【4 圳。高錳鋼顯 微組織主要為奧氏體組織，其在工作過程中通過發(fā)生加工硬化，提高了零件表 面層的硬度而不影響底層材料的韌性起到耐磨的作用，目前，對高錳鋼的研究 主要是通過合金化以及熱處理等手段進一步提高其性能，使其獲得奧氏體組織 的同時，表面彌散分布一些小顆粒的碳化物；同時開發(fā)了一些超高猛鋼等等 5 0 - 5 3 】。高錳鋼是主要的耐磨材料，曾經(jīng)被我國列為萬能耐磨材料。 高鉻鑄鐵：高鉻鑄鐵是在普通白口鑄鐵中加入含量較高的c r ，通過適當?shù)?熱處理方法可以獲得顯微硬度較高的m 7 c 3 型碳化物( h v l 3 0 0 - 1 8 0 0 ) 彌散分 布于回火馬氏體基體上，具有較好的耐磨性與抗氧化能力【5 4 ，5 引。高鉻鑄鐵的抗 耐磨組織主要是m 7 c 3 型碳化物，提高其鉻的含量，硬度增大但是韌性降低， 當超過一定值時硬度開始下降，工業(yè)上鉻含量一般在1 1 2 5 之間 5 6 , 57 | 。對高 鉻鑄鐵進一步的研究方向主要是通過添加微量合金元素( 如t i 等) 和通過熱處 理改變碳化物的大小與分布來提高耐磨性1 5 8 拶j 。 非金屬耐磨材料主要包括有：耐磨陶瓷、鑄石、高分子材料以及碳化硅等 【60 1 。耐磨陶瓷具有較高的硬度和耐磨性，鑄石不但耐磨性好，而且耐腐蝕以及 較好的絕緣性，但是這兩類材料脆性高，容易碎裂。碳化硅具有優(yōu)異的耐磨性， 成本高，高分子材料的耐磨性較好，不足之處為其硬度較低故承受載荷較小。 磨損對材料造成了巨大的損失，采用合適的耐磨材料是降低設(shè)備磨損率的 一個重要途徑，對耐磨材料的研制具有重要的實用與經(jīng)濟價值。 1 2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 機械設(shè)備中采用耐磨材料可以大大減小磨損，降低成本與提高零部件的使 用壽命。而零件整體采用耐磨材料成本太高，因此根據(jù)零件的服役條件可以采 用局部耐磨設(shè)計，即在零件磨損區(qū)域采用耐磨材料從而達到減磨的目的。此類 方法主要就是對工件進行表面處理，常用的表面處理技術(shù)有：堆焊、電鍍、熱 噴涂、滲碳或者滲氮等。其中堆焊技術(shù)不但可以用于零件的生產(chǎn)，同時也用于 零件的修復與再制造。對堆焊焊條的研制是堆焊材料的一個重要分支，具有很 重要的實際應用價值。 1 2 1 耐磨堆焊焊條藥皮渣系的研究現(xiàn)狀 焊條的工藝性能評定主要包括有電弧穩(wěn)定性、焊縫脫渣性、再引弧性能、 焊接飛濺率以及熔化系數(shù)等等。 在工業(yè)生產(chǎn)中較為重視的是焊縫脫渣性，脫渣性好的焊條清渣容易，生產(chǎn) 率高。熔渣中t i 0 2 的含量是影響主要因素之一，國內(nèi)學者對此做了大量的研究。 孟慶森等人【6 l j 曾對鈦鐵礦型焊條的脫渣性進行了研究，指出合適的t i 0 2 f e o 比值可以提高焊縫的脫渣性。栗卓新【62 j 等人研究了熔渣中t i 0 2 s i 0 2 含量對脫 渣性的影響，控制t i 0 2 s i 0 2 在6 0 左右時其脫渣性最好。李平，孟工戈等人認 為 6 3 - 6 5j ，提高焊條藥皮中的金紅石與鈦a 粉的含量，可以在熔渣中形成 c a o t i 0 2 、f e t i 0 5 等呈樹枝狀分布的易于脫渣的大顆粒氧化物，促進脫渣。 孫威等人表明 6 6 , 6 7j ，焊條脫渣性是各種氧化物交叉反應的結(jié)果，顯微組織為粗 大的相的熔渣脫渣容易。 豆志河等人【6 8 , 6 9 】通過內(nèi)旋轉(zhuǎn)圓柱法對渣系的黏度進行了測量，指出熔渣的 堿度不變時，c a f 2 降低熔渣的黏度，含量較高的c a o 會與t i 0 2 反應生成高熔 點的c a t i 0 3 、c a 4 t i 3 0 l o 等相，提高渣的黏度，同時溫度也是改變?nèi)墼ざ鹊囊?個重要因素。渣系的黏度對覆蓋率有很大的影響，渣系黏度太大或者太小都將 不利于熔渣的覆蓋。張平，吳健等人指出，堿性渣系中m g o 增大渣的黏度而 s i 0 2 則降低渣的黏度【70 1 。史成斌，郭漢杰【7 l j 等人通過分子與離子共存理論建立 熱力學模型分析了熔渣的脫硫能力，自由c a o 對脫硫具有較大的作用，自由 m g o 對脫硫也有一定的貢獻。 焊接過程中由于局部溫度很高，會產(chǎn)生固態(tài)分散性和凝聚性氣溶膠，即焊 接煙塵，焊接煙塵主要是小顆粒的金屬蒸汽以及其氧、氮等化合物，其顆粒直 徑一般在2 u m 以下，當這些煙塵的濃度達到一定的值時，會引起塵肺等職業(yè)疾 病 7 2 , 7 3 1 。孟工戈等人【7 4 1 采用均勻設(shè)計方法，對堿性焊條中的藥皮輔料進行了研 究，結(jié)果表明，對焊接煙塵的影響是各個藥皮輔料之間交互作用的結(jié)果，金紅 6 石與鈦白粉降低焊接煙塵，而氟化鋇與螢石、金紅石與螢石等會提高焊接煙塵。 在焊接過程中，為了工人的健康應該降低焊接煙塵，因此對在進行焊條的研制 時，對焊接煙塵是一項非常重要的指標，研制焊接煙塵小的焊條具有重要的意 義。 1 2 2 稀土在金屬堆焊中的研究現(xiàn)狀 稀土資源是我國的豐富資源，在上世紀5 0 年代就開始生產(chǎn)各種稀土以及 稀土氧化物【75 1 ，我國對稀土的研究從未停止。稀土以其獨特的特點在鋼鐵行業(yè) 及其其他相關(guān)行業(yè)中具有廣泛的應用價值。稀土在堆焊中的應用主要包括：改 變堆焊層的組織和性能、減少堆焊層中的夾雜物和減少裂紋等作用。 研究表明【76 l ，稀土在焊縫金屬中具有較強的脫氧能力，可以凈化焊縫并且 具有較強的變質(zhì)作用。楊慶祥等人【7 7 9 】通過對6 0 c r m n m o 鋼和中高碳鋼中稀土 進行脫氧及脫硫過程進行了熱力學計算，結(jié)果表明，稀土在液態(tài)熔池中被碳還 原與液態(tài)金屬中的氧和硫反應生成穩(wěn)定的稀土氧化物和硫化物，對焊縫金屬起 到脫氧和脫硫的作用并且減少了錳、鋁、鈦等復合夾雜物的含量。此外，稀土 氧化物還可以改變夾雜物的形狀以及大小，文獻 8 0 】指出稀土鈰可以使16 m n 鋼中夾雜物變得細小彌散；文獻 8 1 指出，稀土鈰在2 0 2 不銹鋼中使夾雜物形 態(tài)由不規(guī)則長條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉那驙?；文獻 8 2 ，8 3 也指出稀土元素可以減小焊 縫中夾雜物的大小及數(shù)量，改變形狀。李達4 j 測量了稀土對含有c r 、m n 、m o 、 n i 合金元素的堆焊合金變質(zhì)處理后的夾雜物的大小，其尺寸均小于6 u m 。稀土 可以減小堆焊層中夾雜物的數(shù)量與尺寸，起到了凈化焊縫組織的作用。 稀土元素在降低堆焊層中夾雜物的同時，對堆焊基體組織也有較大的影 響。文獻8 5 表明，稀土元素不僅凈化了堆焊層消除了堆焊層中s 等有害元素， 并且細化了堆焊層中的組織，提高了堆焊層的相關(guān)性能。王新洪，鄒增大等人 研究了l a 2 0 3 對w c t i c t a c c o c u z n n i 復合堆焊耐磨材料的作用6 | ，表明 l a 2 0 3 細化基體組織，堆焊層上的硬質(zhì)合金相與界面的結(jié)合強度提高進而提高 了堆焊層的耐磨性。王新洪等人還指出，稀土可以消除t i c 基金屬陶瓷耐磨堆 焊材料中胎體金屬的缺陷，細化胎體金屬【8 。文獻 8 8 】指出，稀土鎂變質(zhì)劑可 以細化晶粒組織，改變碳化物的形貌與分布，提高機械性能。文獻【8 9 研究了 c e 0 2 對埋弧焊焊縫組織的影響，加入稀土后組織轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铊F素體，大大細化 了焊縫組織從而改善了焊縫的沖擊韌性。田永君等人【9 0 j 認為在f e c 合金中稀 土氧化物是初生奧氏體的非均勻形核的核心，而稀土脫硫后的生成物不是非均 勻形核的核心。根據(jù)冶金凝固原理可知，稀土的這種能夠作為非均勻形核核心 的作用，促進了晶粒細化，凝固后的金屬具有較好的工藝性能。 稀土元素對堆焊合金的組織與形態(tài)具有較大的作用，主要包括細化晶粒、 降低夾雜物等作用。對于組織細小的晶粒，其裂紋傾向相對粗大的晶粒要小。 文獻f 9 1 認為堆焊裂紋首先發(fā)生在粗大的樹枝晶晶粒邊界，稀土氧化物可以細 化堆焊層組織中的樹枝晶和柱狀晶，從而控制了裂紋的起源起到減小裂紋的作 用。研究表明 9 2 - 9 5 】，堆焊金屬中的裂紋形式為淬硬裂紋和結(jié)晶裂紋，稀土氧化 物降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，降低堆焊殘余應力，因此在堆焊焊條中加入稀土氧化 物，可以提高堆焊層金屬的抗裂性。稀土元素可以改善堆焊層碳化物組織形貌， 細化晶粒，提高了堆焊層的耐磨性和硬度【9 6 , 9 7 j 。 稀土對金屬的作用遠遠不止這些，如文獻 9 8 表明，鈰通過降低不銹鋼表 面氧化物的生長速率，使氧化膜致密，提高了0 0 c r l7 不銹鋼的抗氧化能力；文 獻 9 9 表明，增加稀土y 的質(zhì)量分數(shù)還可以影響c r b 的價電子結(jié)構(gòu)，可以提高 ( c r 卜x ，y 。) b 的韌性。 稀土在堆焊焊條的研制中，具有不可替代的作用。合理的利用稀土的作用 性能，對焊條的研制具有重要的作用，如稀土提高堆焊合金的抗裂性可以減少 堆焊前對鋼材的預熱和堆焊后避免了焊后熱處理，稀土對組織和性能的影響進 一步提高了堆焊合金的使用性能?？梢姸押负笚l中加入稀土具有重要的意義。 1 2 3 堆焊合金系的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外對耐磨堆焊合金的研制較多，對合金系的優(yōu)化與選擇也是層出不 窮，選擇適合工程應用價值較高的合金系以及合理的堆焊技術(shù)具有重要較大的 意義。對堆焊合金的研制主要是在合金中添加一些合金元素( 如v 、w 、m o 、 c r 、b 等) 能夠與碳形成顯微硬度較高的合金碳化物，進而提高堆焊層的硬度 與耐磨性。 目前，國內(nèi)外學者對f e c 卜c 耐磨堆焊合金系做了較多的研究。文獻 1 0 0 通過改變石墨的含量對f e c r c 堆焊合金進行了研究，指出采用鎢極氬弧焊堆 焊時在室溫下可以獲得( c r ，f e ) 2 3 c 6 組織，改變石墨的含量可以在堆焊層中獲得 亞共晶、共晶和過共晶組織，過共晶組織主要為f e c r 固溶體、( c r ，f e ) 2 3 c 6 和 少量的( c r ，f e ) 7 c 3 組織，中央含有( c r ，f e ) 7 c 3 相的大量( c r ，f e ) 2 3 c 6 相提高了堆焊 層的硬度，可以達到7 0 h r c ，并且被共晶組織大量包裹的( c r ，f e ) 2 3 c 6 相阻礙了 裂紋的產(chǎn)生。文獻 1 0 1 1 0 3 指出，提高堆焊層堆焊層中石墨的含量，過共晶中 先析( c r ，f e ) 7 c 3 碳化物相含量增加并且尺寸減小，并且隨著先析碳化物含量的增 加硬度增大耐磨性提高，含碳量為4 0 5 w t 的堆焊層硬度大約是1 3 5 w t 的三 倍，含4 8 5 w t c 的耐腐蝕性是3 7 3 w t 的2 0 倍左右。文獻 1 0 4 研究了焊條電 弧焊堆焊f e c r c 合金的過共晶與亞共晶組織性能的差別，指出堆焊層中過共 晶硬度明顯高于亞共晶組織，高載荷下對磨損性能沒有太大的影響。文獻 1 0 5 對制糖工業(yè)中采用焊條電弧焊堆焊的f e c r c 合金與電弧噴涂堆焊的f e c 卜b 合金進行了對比，指出焊條電弧焊堆焊合金的耐磨性比電弧噴涂的f e c 卜b 耐 磨性差，電弧堆焊中含有先析m 7 c 3 的f e c 卜c 堆焊合金的耐磨性主要取決于先 析碳化物的尺寸和母材的強度，先析碳化物的尺寸越大就避免了尺寸小而窄的 碳化物棒的斷裂，從而提高耐磨性。文獻 1 0 6 指出，堆焊層的耐磨性不僅與基 體的微觀組織有關(guān)，而且與碳化物的形狀、尺寸、分布以及化學成分有關(guān)系， f e c 卜c 系堆焊層的磨損機理主要是微切削和碳化物斷裂。王智慧、王清寶等 人【1 0 7 , 1 0 8 1 認為，隨著碳含量的增加，堆焊層硬度提高，當含碳量增加到一定程 度時耐磨性開始降低，堆焊層的磨損機理主要是由于碳化物斷裂造成的剝落。 魏建軍，楊威等人【1 0 9 ，1 1o j 對f e c r c 合金中的c r c 比進行了研究，指出c r c 比 在5 o 7 0 之間時堆焊層組織較佳，碳元素的增加降低初生碳化物微區(qū)內(nèi)的c r 含量。文獻 1 1 1 ，1 1 2 研究了f e c 卜c 堆焊合金的高溫腐蝕磨損性能，表明添加 n b 、m o 、b 可以提高堆焊合金的耐高溫腐蝕磨損性能，并且堆焊合金的腐蝕磨 損速率隨著溫度和接觸角的增大而增大，相對于奧氏體不銹鋼，堆焊合金的磨 損機理主要是粗大碳化物的斷裂?；w組織對磨損的影響也比較大，通過焊后 熱處理可以獲得組織為鐵素體，馬氏體和回火馬氏體的堆焊層組織，鐵素體基 體的耐磨性最差【1 13 1 。王智慧等人認為【1 14 1 ，對f e c r c 堆焊合金進行熱處理后 基體中的馬氏體發(fā)生回火軟化會降低堆焊層的耐磨性和宏觀硬度，而對碳化物 的形貌沒有影響。此外王智慧，王清寶【l 1 5j 還對堆焊合金中初生碳化物的生長方 向進行了研究，指出冷卻條件和含碳量可以控制初生碳化物的方向，有效的控 制含碳量和冷卻條件可以獲得垂直于堆焊表面生長的初生碳化物。研究表明 【1 1 n l l9 1 ，在f e c r - c 合金中添加少量其他合金元素可以進一步提高堆焊層的性 能，如添加少量n b 、v 后堆焊層具有提高了堆焊層l 的耐磨性和塑性；添加s i 可以提高堆焊層中c r 7 c 3 的體積分數(shù)，粉末中含有6 s i 堆焊層的顯微硬度和耐 磨性可以進一步提高；n i 的加入提高會提高共晶組織的顯微硬度，m o 的加入 還會提高堆焊層的韌性。蔣曼等人認為【l2 0 j ，提高釩含量可以使基體發(fā)生馬氏 體轉(zhuǎn)變，超過4 時組織