（材料加工工程專業(yè)論文）石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條的研究.pdf

一 原創(chuàng)性聲明 f i l ff l fi i iir l i rfi lli if 17 9 3 3 8 8 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨(dú)立進(jìn) 行研究所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文不包含任何 其他個(gè)人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的科研成果 對(duì)本文的研究作出重要貢 獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均已在文中以明確方式標(biāo)明 本聲明的法律責(zé)任由本人 承擔(dān) 論文作者簽名 邃 勉絲日期 竺 里 幺一 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人同意學(xué)校保留或向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的印刷件和電子 版 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部 或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或其他復(fù)制手 段保存論文和匯編本學(xué)位論文 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 論文作者簽名 之魚(yú)拯勰師簽名 目錄 摘要 v i i 第一章緒論 1 1 1 引 言 1 1 2 雙熔敷極焊條電弧焊 2 1 3 課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1 3 1 耐磨堆焊焊條 3 1 3 2 雙熔敷極焊條電弧焊研究現(xiàn)狀 6 1 4 熔敷層增強(qiáng)相的選擇 7 1 4 1 概述 7 1 4 2 碳化鈦和碳化釩 8 1 4 3 碳化鈮 1 0 1 5 課題研究的目的及主要內(nèi)容 1 2 1 5 1 課題的研究目的 1 2 1 5 2 課題研究?jī)?nèi)容 1 2 第二章試驗(yàn)材料 設(shè)備及內(nèi)容 1 4 2 1 試驗(yàn)材料 1 4 2 1 1 母材金屬 1 4 2 1 2 焊芯及藥皮組成 1 4 2 2 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條的制作 1 6 2 3 試驗(yàn)設(shè)備與方法 1 9 2 3 12 5 噸雙熔敷極焊條涂壓機(jī) 1 9 2 3 2 焊接及擊穿試驗(yàn)設(shè)備與方法 2 0 2 3 3 組織 性能測(cè)試設(shè)備及方法 2 0 第三章石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條絕緣性的研究 2 2 日錄 3 1 概述 2 2 3 2 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條絕緣性的影響因素 2 3 3 2 1 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條藥皮中導(dǎo)電顆粒粒度的確定 2 3 3 2 2 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條焊芯間距的確定 2 4 3 2 3 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條水玻璃種類及用量的確定 2 5 3 3 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條的擊穿機(jī)制 2 6 3 4 導(dǎo)電顆粒粒度 焊芯間距 水玻璃種類對(duì)焊條質(zhì)量影響的綜合分析2 8 3 5 本章小結(jié) 2 9 第四章t i c v c 石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層制備 3 0 4 1 熔敷層碳化物的熱力學(xué)形成分析 3 0 4 2 焊條配方的選定 3 1 4 2 1 石墨加入量的質(zhì)量百分比的影響 3 2 4 2 2 鈦鐵 f e t i 加入量的質(zhì)量百分比的影響 3 3 4 2 3 鈦鐵 f e t i 與釩鐵 f e v 加入量的質(zhì)量百分比的影響 3 4 4 3 焊接工藝參數(shù)的選定 3 7 4 3 1 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條電弧電壓 3 7 4 3 2 石墨型雙熔敷極堆焊焊條焊接電流的確定 3 7 4 4 本章小結(jié) 3 9 第五章石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層組織性能分析 4 0 5 1 單一t i c 顆粒增強(qiáng)石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層 4 0 5 1 1 熔敷層的組織形貌 4 0 5 1 2 結(jié)果分析 4 2 5 2 低藥皮重量系數(shù)的t i c v c 顆粒增強(qiáng)石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層 4 3 5 2 1 熔敷層的組織形貌 4 3 5 2 2 熔敷層中碳化物形核機(jī)制的分析 4 5 5 3 高藥皮重量系數(shù)的t i c v c 顆粒增強(qiáng)石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層 4 8 5 3 1 熔敷層的組織形貌 4 8 5 3 2 熔敷層的基體組織 5 1 l l i 東人學(xué)碩卜學(xué)化論史 5 3 3 熔敷層的表層硬度 5 2 5 4t i n b v 系石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層組織和性能 5 2 5 4 1t i n b v 系石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層組織及形核機(jī)制的分析5 3 5 4 2t i n b v 系石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層的表層硬度 5 6 5 5 本章小結(jié) 5 7 第六章結(jié)論 5 8 參考文獻(xiàn) 6 0 致謝 6 5 攻讀碩士期間發(fā)表的論文 6 6 l l l 東人學(xué)碩 f 學(xué)位論文 c o n t e n t a b s r a c t inc h i n e s e v i i a b s t r a c t i ne n g lis h i x c h a p t e r1 p r e f a c e 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2t w i ne l e c t r o d ea r cw e l d i n g 2 1 3t h eo v e r v ie wo fh o m ea n da b r o a d 3 1 3 1h a r d f a c in ge l e c t r o d e 3 1 3 2s i t u a t i o no fs t u d yo nt w i ne l e c t r o d e 6 1 4r e i n f o r c e dp h a s ei nc o a t i n g 6 1 4 1o v e r v i e w 8 1 4 1t i ca n dv c 8 1 4 2n b c 1 1 5p u r p o s ea n dc o n t e n to ft h isp r o j e c t 1 2 1 5 1p u r p o s eo ft h isp r o j e c t 1 2 1 5 2c o n t e n to ft h i sp r o j e c t 1 2 c h a p t e r2m a t e r i a lsa n dm e t h o d su s e di ne x p e r i m e n t 1 4 2 1 e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s 1 4 2 1 1p a r e n tm e t a l 1 4 2 1 2c o r ew i r ea n dc o a t i n go ft w i ne l e c t r o d e 1 4 2 2f a b r i c a t i o no fh i g h c a r b o nh a r d f a c i n gt w i ne l e c t r o d e 1 6 2 3m e t h o d sa n de q u i p m e n t su s e di ne x p e r i m e n t 1 9 2 3 12 5t o nt w i ne l e c t r o d eb e p o w d e r e dm a c h i n e 1 9 2 3 2m e t h o d sa n de q u i p m e n t su s e di nb r e a k d o w nt e s t 2 0 2 3 3m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t ye x p e r i m e n t s 2 0 c h a p t e r3i n s u l a ti v it yo fh i g h c a r b o nh a r d f a c i n gt w i ne l e c t r o d e 2 2 3 1o v e r v i e w 2 2 i v c o n t e n t 3 2e f f e c tf a c t o r so fi n s u l a t i v i t y 2 3 3 2 1g r a n u l a r i t yo fc o n d u c t i n gp a r t i c l e s 2 3 3 2 2s p a c eb e t w e e nt h et w oc o r ew i r e s 2 4 3 2 3t y p e sa n da m o u n to fs o l u b l eg l a s s 2 5 3 3a n a l y s i so fb r e a k d o w nt e s t 2 6 3 4p r i n c i p l eo fe f f e c tf a c t o r s 2 8 3 5s u m m a r y 1 9 c h a p t e r4f a b r i c a t i o no ft i c v ch a r d f a c i n gl a y e r 3 0 4 1t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i so nt i c v ch a r d f a c i n gl a y e r 3 0 4 2i n g r e d i e n t so fe l e c t r o d e 7 sc o a t i n g 3 1 4 2 1g r a p h it ec o n t e n to fc o a t i n g 3 2 4 2 2f e t ic o n t e n to fc o a t i n g 3 3 4 2 3f e t ia n df e vc o n t e n t so fc o a t i n g 3 4 4 3w e l d i n gp a r a m e t e r s 3 7 4 3 1a r cv 0 1 t a g eo fw e l d i n g 3 7 4 3 2w e l d i n gc u r r e n t 3 7 4 4s u m m a r y 3 9 c h a p t e r5t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo fh a r d f a c i n gl a y e r 4 0 5 1s i n g l et i cr e i n f o r c e dh a r d f a c i n gl a y e r 4 0 5 1 1m i c r o s t r u c t u r eo fh a r d f a c i n gl a y e r 4 0 5 1 2o u t c o m ea n a l y s i s 4 5 2l o wt i c v cg r a v i t yc o e f f i c i e n to fc o a t i n g 4 3 5 2 1m i c r o s t r u c t u r eo fh a r d f a c i n gl a y e r 4 3 5 2 2n u c l e a t i o nm e c h a n is m so fc a r b i d e s 4 5 5 3h i g ht i c v cg r a v i t yc o e f f i c i e n t o fc o a t i n g 4 8 5 3 1m i c r o s t r u c t u r eo fh a r d f a c i n g1 a y e r 4 8 5 3 2m i c r o s t r u c t u r eo fb a s e dm e t a l 5 1 5 3 3h a r d n e s so fh a r d f a c i n gl a y e r 5 2 v 山東人學(xué)碩l j 學(xué)位論文 5 4t h em ic r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo ft i n b vh a r d f a cin g1a y e r5 2 5 4 1t h es t r u c t u r ea n dn u c le a t i o nm e c h a n i s m s 5 3 5 4 2h a r d n e s so fh a r d f a c in g1 a y e r 5 6 5 5 s u m m a r y 5 7 c h a p t e r6s u m m a r y 5 8 r e f e r e n c e 6 t h a n k s 5 p r e s s e da r t i c l el i s ti np e r i o do fs t u d yf o rm a s t e r 6 6 v l i l i 東人學(xué)碩i 學(xué)化論文 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條的研究 摘要 雙熔敷極焊條電弧焊是一種新型焊接方法 焊接時(shí)兩個(gè)焊芯分別接電源的 兩極 工件不接電源 電弧在焊條相互平行絕緣的兩焊芯端部形成 利用熔滴攜 帶的熱量熔化母材 因此這種新型的焊接方法具有熔敷效率高 稀釋率低 工件 變形量較小和能源消耗少等優(yōu)點(diǎn) 如果能把雙熔敷極焊接技術(shù)應(yīng)用于耐磨堆焊 中 將具有很大的現(xiàn)實(shí)意義 本文運(yùn)用雙熔敷極電弧焊原理 丌發(fā)了石墨型雙熔 敷極耐磨堆焊焊條 利用石墨和鐵合會(huì)在高溫電弧中發(fā)生反應(yīng) 在普通碳鋼表面 上堆焊出具有t i c v c 增強(qiáng)相的耐磨熔敷層 通過(guò)對(duì)其微觀組織的分析 研究了 這種新穎焊接方法的增強(qiáng)相形成特點(diǎn)及其合金元素對(duì)熔敷層的影響 同時(shí)對(duì)焊條 絕緣性 焊條藥皮配方 藥皮重量系數(shù)和堆焊參數(shù)等方面進(jìn)行了研究 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條的絕緣性好壞是其能否運(yùn)用到耐磨堆焊中的 基本條件 本文首先研究了影響石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條絕緣性的主要因 素 試驗(yàn)研究表明 導(dǎo)電顆粒的粒度 兩焊芯間距和水玻璃的種類及其質(zhì)量是影 響石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條絕緣性的主要因素 在保證焊條焊接工藝的基礎(chǔ) 上 當(dāng)采用粒度為6 0 8 0 目導(dǎo)電顆粒 石墨采用電極石墨 1 6 m m 焊芯問(wèn)距 藥皮干粉同鈉水玻璃質(zhì)量配比適中所制成的雙熔敷極焊條絕緣性較好 適當(dāng)?shù)乃幤ぶ亓肯禂?shù) 4 5 5 0 條件下 石墨型雙熔敷極焊條藥皮中的石 墨 鈦鐵和釩鐵的質(zhì)量百分比在1 0 5 1 5 1 5 2 5 和1 8 2 0 焊芯間距為 1 6 m m 所制成的焊條 在焊接電流為1 8 0 一2 0 0 a 以及對(duì)應(yīng)電弧電壓為4 1 4 5 v 堆 焊時(shí) 可獲得硬度較高 成形良好的熔敷層 文中在雙熔敷極焊條藥皮中加入石墨 鈦鐵和釩鐵等作為焊接冶盒反應(yīng)物 并對(duì)石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層中的增強(qiáng)相進(jìn)行了分析 結(jié)果證明 石墨型雙熔 敷極耐磨堆焊焊條的特殊結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響到t i 元素的過(guò)渡系數(shù) 當(dāng)藥皮重量系數(shù)較 少 k b 為4 5 5 0 時(shí) 熔敷層中形成的t i c 很少 這主要是由于雙熔敷極焊條 焊接過(guò)程中兩焊芯之問(wèn)的藥皮在燃燒的電弧之中 而這部分藥皮中又能夠產(chǎn)生較 v i i 摘要 多的氧化性氣體 增加弧柱區(qū)的氧化勢(shì) 因此 藥皮中的鈦鐵更容易參與氧化反 應(yīng) 使大量的鈦鐵在堆焊過(guò)程中起到了脫氧作用而被氧化 在熔渣中生成了大量 的鈦氧化物 以條狀分布在熔渣中 少量的參與原位反應(yīng)形成t i c 伴隨著藥皮 重量系數(shù)的增加 熔敷層中的t i c 數(shù)量增多 釩鐵的加入 可以在熔敷層中促進(jìn)v c 類碳化物粒子的形成 碳化物 主要 是v c 沿晶界分布 主要以塊狀 短棒狀存在 且不同熔敷層中碳化物的數(shù)量 尺寸不同 藥皮重量系數(shù)也是影響熔覆層中碳化物數(shù)量的重要因素 隨藥皮重量 系數(shù)的增加 t i c v c 等碳化物數(shù)量明顯增多 熔敷層基體組織為低碳馬氏體和 殘余奧氏體 表層硬度超過(guò)h r c 5 5 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基體硬度 但過(guò)高的藥皮重量系數(shù) 使得焊條的焊接工藝性變差 較佳的石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條的藥皮重量系 數(shù)應(yīng)控制在7 0 為宜 鈮鐵加入的熔敷層中發(fā)現(xiàn) 碳化物主要是以塊狀存在 由于t i c n b c v c 的 形成溫度 晶格結(jié)構(gòu)以及n b t i v 原子的擴(kuò)散能力和過(guò)渡系數(shù)的不同 導(dǎo)致了 n b c t i c 易先形核生成 而v c 更傾向于在共生晶粒的邊緣生長(zhǎng) 關(guān)鍵詞 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條 耐磨堆焊 絕緣性 微觀組織 藥 皮重量系數(shù) v i i a b s t r a c t t w i ne l e c t r o d ea r cw e l d i n gi sa ni n n o v a t i v ew e l d i n gt e c h n o l o g y d u r i n g w e l d i n g 卅i l lc o r ew e l d i n g w i r e sl i n kd i f f e r e n tp o w e rp o l e sr e s p e c t i v e l y w h i c h m e a n st h a ti ti su n n e c e s s a r yf o rt h ew o r k p i e c et oc o n n e c tp o w e r i nt h i sc a s e e l e c t r i ca r cc a nb ef o r m e db e t w e e nt h et w op a r a l l e li n s u l a t e de n d so fc o r ew i r e s a n dt h ep a r e n tm a t e r i a li sm e l tb yf u s e dd r o p s t h i sn e ww e l d i n gm e t h o dh a s m a n yo b v i o u sa d v a n t a g e si n c l u d i n gh i g hc l a d d i n ge f f i c i e n c y l o wd i l u t i o nr a t e s e n e r g ys a v i n g a n ds m a l l e rd e f o r m a t i o nt ot h e w o r k p i e c e b a s e d o n a f o r e m e n t i o n e da d v a n t a g e so ft w i ne l e c t r o d ea r cw e l d i n g i ti so fg r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oa p p l y i to nh a r d f a c i n gw e l d i n g i nt h i sp a p e r i ti st h ef i r s tt i m et o s y n t h e s i z et i c v ch a r d f a c i n gc o a t i n go nq 2 3 5 s t e e l t h r o u g hm e t a l l u r g y i n t e r a c t i o ni ni n n o v a t i v et w i ne l e c t r o d ew e l d i n ga r c 1 n s u l a t i v i t yo ft w i n e l e c t r o d eh a db e e ni n v e s t i g a t e da n dt h em i c r o s t r u c t u r e so fh a r d f a c i n gc o a t i n g w a sa l s oc h a r a c t e r i z e di no r d e rt os t u d yt h ea p p l i c a t i o no ft j i i le l e c t r o d eo nt h e h a r d f a c i n gw e l d i n g t h ei n s u l a f i v i t yo fh i g h c a r b o nh a r d f a c i n gw e l d i n gt w i ne l e c t r o d er e l a t e dt o t h ea p p l i c a t i o no ft i l le l e c t r o d e so nt h eh a r d f a c i n gw e l d i n g t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h em a j o rf a c t o r sw h i c ha f f e c t e dt h ei n s u l a t i v i t yo fh i g h c a r b o nh a r d f a c i n g w e l d i n g 卅i l ie l e c t r o d ew e r et h es i z e so fc o n d u c t i n gp a r t i c l e s t h es p a c eb e t w e e n t h et w ow i r ec o r e s t h et y p e sa n dm a s so fw a t e rg l a s s a n dt h eg o o di n s u l a t i n g p a r a m e t e r sw e r et h a tt h es i z e so fe l e c t r o d eg r a p h i t ea n do t h e rc o n d u c t i n g p a r t i c l e sw e r e6 0 8 0m e s h t h es p a c eb e t w e e nt h et w ow i r ec o r e sw a s1 6m m t h er i g h tm a s sr a t i oo fe l e c t r o d ec o v e r i n ga n ds o d i u ms i l i c a t e w h e nt h ec o n t e n t so fg r a p h i t e f e r r o v a n a d i u ma n df e r r o t i t a n i u mw e r e 1 0 1 5 1 5 2 5 a n d1 8 2 0 i nt w i ne l e c t r o d ec o a t i n gu n d e r4 5 i x a b s t r a t 5 0 g r a v i t yc o e f f i c i e n to fc o a t i n g t h ew e l d i n gc u r r e n ta n da r cv o l t a g ew e r e 1 8 0 2 0 0 aa n d4 1 4 5 v t h ew e l d i n gl i n ee x h i b i t e dg o o da p p e a r a n c e t h em i c r o s t r u c t u r e sa n da b r a s i o nr e s i s t a n c e so fh a r d f a c i n gc o a t i n gw e r e a l s oa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a td u et ot h eu n i q u es t r u c t u r eo ft h et w i n e l e c t r o d e s t h ef e r r o t i t a n i u mi nc o a t i n g st e n d e dt oo x i d a t i o n w h i c hi m p a c t e d s e r i o u s l yo nt h et r a n s i t i o no ft ie l e m e n tt oh a r d f a c i n gc o a t i n g b e c a u s et h e c o a t i n gb e t w e e nt h et w ow e l d i n gc o r ew i r eg e n e r a t e dg a sw h i c hd e c r e a s e dt h e t r a n s f e rc o e f f i c i e n to fs o m ea c t i v ee l e m e n ts u c ha st id u et oi t ss t r o n go x i d a t i o n a c t i v i t y a sar e s u l t m o r et i t a n i u mo x i d ec o u l db ef o u n di nt h es l a g i na d d i t i o n t h ea m o u n to ft i ci n c r e a s e d w h e nt h ec o e f f i c i e n to f c o a t i n g si n c l i n e d s o m ev cp a r t i c l e sw e r ef o r m e dw i t ht h ea d d i t i o no ff e r r o v a n a d i u m a n d t h e r eb u l ka n dr o d l i k ev cp a r t i c l e sd i s t r i b u t e da l o n gt h eg r a i nb o u n d a r i e s t h e q u a n t i t yo rs i z eo fc a r b i d e sc h a n g e di nd i f f e r e n tl a y e r s g r a v i t yc o e f f i c i e n to f c o a t i n ga f f e c t e dt h ef o r m a t i o no fc a b i d e s t r a n s f e re f f i c i e n c yo ff e r r o a i l o ya n d q u a n t i t yo fc a r b i d e si n c r e a s e di nh i g hg r a v i t yc o e f f i c i e n to fc o a t i n go ft v i i l e l e c t r o d e t h em i c r o s t r u c t u r eo fm a t i xw a sl o wc a r b o nm a r t e n s i t ea n d r e s i d u a l a u s t e n i t e a n dt h eh a r d n e s so fl a y e rw a so v e rh r c 5 5 m o r e o v e r w e l d i n g t e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e sw e n tb a di nt o om u c hh i g hg r a v i t yc o e f f i c i e n to fc o a t i n g o ft w i ne l e c t r o d e t h er e s u l ts h o w e dt h a t7 0 w a st h ep r o p e rg r a v i t yc o e f f i c i e n t o fc o a t i n gf o rt i ne l e c t r o d e w h e nf e r r o n i o b i u mw a sa d d e di nt h ee l e c t r o d ec o a t i n g t h eh a r d f a c i n g c o a t i n gc o n s i s t e do fc a r b i d e s a n dt h ec e n t e ro fc a r b i d ep a r t i c l e sm a i n l y c o n t a i n e dn b t ia n dce l e m e n t sw h i l em o s to fve l e m e n te x i t e do nt h ee d g eo f c a r b i d e p a r t i c l e s k e yw o r d s h i g h c a r b o nh a r d f a c i n gw e l d i n gt w i ne l e c t r o d e h a r d f a c i n gw e l d i n g x i n s u l a t i v i t y m i c r o s t r u c t u r e s g r a v i t yc o e f f i c i e n to fc o a t i n g 1 1 引言 第一章緒論 隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械化 自動(dòng)化程度的不斷提高 機(jī)械設(shè)備和零 件磨損引起的危害越來(lái)越被人們重視 提高機(jī)械零件耐磨性具有很大的經(jīng)濟(jì)意 義 德國(guó)v o g e l p o h l 教授和英國(guó)h p j o s t 教授 1 2 1 指出 全世界生產(chǎn)能源的3 0 4 0 以至更多消耗在磨損上 在各種磨損類型中 磨料磨損占據(jù)了最大的比例 據(jù)統(tǒng)計(jì) 磨料磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失占磨損造成總損失的5 0 以上 各種機(jī)械 及零部件的使用幾乎都存在磨料磨損 特別是礦山機(jī)械 農(nóng)業(yè)機(jī)械 建筑機(jī)械 工程機(jī)械 冶會(huì)機(jī)械和鑄造機(jī)械等磨損更為嚴(yán)重 設(shè)備的磨損失效給企業(yè)帶來(lái)了 重大的經(jīng)濟(jì)損失 所以目前對(duì)磨損與耐磨材料的研究 特別在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家 越 來(lái)越引起人們的注意 因此 研究提高零部件表面耐磨性是當(dāng)前表面工程重要研 究課題之一p j 目前 用于提高材料耐磨性的表面改性方法主要有以下幾種 4 習(xí)l 1 表面 化學(xué)熱處理 它主要包括滲碳 滲氮 滲硼等表面硬化技術(shù) 滲硫 氧化 磷化 等表面潤(rùn)化技術(shù) 以及這兩種技術(shù)有機(jī)結(jié)合的復(fù)合化學(xué)熱處理工藝 2 鍍層技 術(shù) 電鍍 電刷鍍 復(fù)合鍍和化學(xué)鍍 3 堆焊 熱噴涂 火焰噴涂及等離子噴 涂等 4 激光表面處理 激光相變硬化 激光表面熔凝 激光合金化 激光表 面熔敷等 5 氣相沉積技術(shù) 化學(xué)氣相沉積 物理氣相沉積等 在上述表面改 性方法中 堆焊技術(shù)是最傳統(tǒng)也是應(yīng)用較普遍的方法之一 它主要是用焊接的方 法在零件表面堆敷一層具有特定性能材料的工藝過(guò)程 其目的不是為了連接零 件 而是在于使零件表面獲得具有耐磨 耐熱 耐蝕等性能的熔敷金屬 1 0 1 堆焊 技術(shù)的主要機(jī)理就是熔敷層的合金化 通過(guò)具有特殊組分的焊接材料如焊芯 藥 皮 寬帶極等在電弧堆焊熔化過(guò)程中焊接材料中的合金元素過(guò)渡到熔敷金屬中 使熔敷層的性能得到明顯的改善 許多焊接方法可用于堆焊 如焊條電弧堆焊 氧一乙炔焰堆焊 埋弧堆焊 氣體保護(hù)和自保護(hù)明弧堆焊 等離子堆焊 電渣堆 焊 釬焊等 在眾多的堆焊方法中 焊條電弧堆焊技術(shù)因其工藝簡(jiǎn)單 使用靈活 適應(yīng)多種現(xiàn)場(chǎng)操作的場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn) 在零部件修復(fù) 軋輥焊補(bǔ) 耐磨部件堆焊強(qiáng)化 第一辛緒論 等方面得到廣泛應(yīng)用 1 1 1 2 1 但迄今為止所用的焊條電弧堆焊技術(shù) 都是焊條接電 源一極 工件接電源另一極 焊接時(shí) 電弧在焊條與工件之問(wèn)燃燒 如圖1 1 所 示 被焊工件從電弧中吸收能量熔化局部母材 與熔敷極熔化金屬共同形成熔池 由于工件作為電源的一極 工件上必然存在活性斑點(diǎn)區(qū) 熱量集中 局部溫度很 高 使工件局部熔化形成熔池 這樣母材局部熔化不僅量大而且過(guò)熱度高 不但 熔敷系數(shù)低 堆焊熔敷層稀釋率高 消耗電能多 而且冷卻后接頭中形成焊接應(yīng) 力大 變形大 晶粒易粗化 焊接接頭性能降低 使得大幅度提高堆焊生產(chǎn)效率 受到制約 長(zhǎng)期以來(lái) 人們從嚴(yán)格控制焊接參數(shù) 改變坡口形式及焊后熱處理等 工藝措施來(lái)減少應(yīng)力和變形以提高焊接質(zhì)量 但由于工件接電源 難以從根本上 減少工件的輸入熱 而在雙熔敷極焊條電弧堆焊中 堆焊工件不接電源 陰 陽(yáng) 極活性斑點(diǎn)區(qū)移至雙焊芯端部 從而提高了焊條的熔敷系數(shù) 降低了堆焊熔敷層 稀釋率 比較適合應(yīng)用于堆焊之中 圖1 1 單熔敷極焊條電弧焊示意圖 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i n g l ee l e c t r o d ea r cw e l d i n g 1 2 雙熔敷極焊條電弧焊 雙熔敷極焊條電弧焊也是一種新型焊接方法 焊接時(shí) 用特制的焊鉗央持雙 電極焊條的尾部 使兩個(gè)焊芯分別接電源的兩極 工件不接電源 電弧在焊條相 互平行絕緣的兩焊芯端部形成 電弧可在離工件不同距離的空間引弧和燃燒 兩 極性斑點(diǎn)分別在兩焊芯端部 主要利用熔滴攜帶的熱量熔化母材 改變了被焊工 件的熱循環(huán) 1 3 基于其能夠提高熔敷效率 節(jié)省能源 稀釋率較低和工件變形量 2 藥皮 焊芯 電弧 焊件 圖1 2 艤熔敷極焊條電弧焊i 藝示意圖 f i g 1 2s c h e m a t i co ft w i ne l e c t r o d e sa r cw e l d i n g 雙熔敷極焊條與傳統(tǒng)的單芯焊條在很多方面有所不同 1 4 6 1 1 雙熔敷極焊 條的一根焊條中有兩根焊芯 引燃和焊接時(shí)雙焊芯為電弧的兩極 被焊工件不接 電源 2 引燃電弧要首先使雙焊芯端部短路 斷弧時(shí)要關(guān)斷電源 3 電弧電 壓 弧長(zhǎng) 由雙焊芯的間距而定 雙熔敷極焊條與工件之問(wèn)的距離對(duì)電弧電壓的 影響很小 隨焊接電流增大 電弧電壓略有升高 4 電弧靜特性 雙熔敷極電 弧焊具有上升的電弧靜特性 并隨兩焊芯間距的增大而上移 5 熔化特性 在 兩焊芯間距合適的情況下 雙熔敷極焊條可以保持陰 陽(yáng)極熔化速度一致 在同 一焊接電流下 雙熔敷極焊條的熔化速度比單芯焊條的熔化速度大 并隨焊接電 流和兩焊芯間距的增大而增大 6 焊條熔滴過(guò)渡特點(diǎn)及形式 雙熔敷極電弧焊 熔滴過(guò)渡方向與焊接電流方向不同 在兩焊芯問(wèn)電弧作用下 熔滴一般從電弧兩 邊沿滯熔藥皮過(guò)渡 有利于熔滴形成渣壁過(guò)渡 1 3 課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 3 1 耐磨堆焊焊條 耐磨堆焊可以分為焊條電弧堆焊 埋弧堆焊 藥芯焊絲堆焊等 耐磨焊條堆焊國(guó)內(nèi)外焊接工作者已進(jìn)行過(guò)大量的研究 其主要是通過(guò)在焊條 藥皮中直接加入高硬度質(zhì)點(diǎn) 女n c r c w c 等 或在藥皮中添加合會(huì)元素c 與c r t i v 等 通過(guò)電弧冶金反應(yīng)生成c r c t i c v c 等硬質(zhì)點(diǎn)來(lái)強(qiáng)化鐵基熔敷層 使得熔敷層具有較高的硬度和耐磨性 利用上述原理 國(guó)內(nèi)外已有大量的高碳耐 磨堆焊產(chǎn)品 如表1 1 所示 值得注意的是 在所有的利用c 與其他合金元素反應(yīng) 來(lái)提高耐磨性的高碳堆焊焊條中 c 主要是以石墨的形式加入的 而石墨的作用 除了為生成碳化物提供必要的c 元素之外 還可以促使基體形成馬氏體 增加熔 敷層硬度 表1 1 國(guó)內(nèi)及國(guó)外主要高碳耐磨堆焊焊材的類型 t a b l e 1 1d i f f e r e n tt y p e so fh i g h c a r b o nh a r d f a c i n gw e l d i n ge l e c t r o d e sa th o m ea n da b r o a d 4 山東人學(xué)碩i 學(xué)位論文 1 w c 增強(qiáng)耐磨堆焊 w c 具有高的硬度 強(qiáng)度和韌性而成為制備高耐磨熔敷層重要的增強(qiáng)相 w c 硬度高達(dá)h v 2 0 8 0 特別是高溫硬度高 w c 能很好的被c o f e n i 等金屬 熔體澗濕 尤其c o 對(duì)w c 的潤(rùn)濕性最好 這些優(yōu)異的性能 使它能用c o 和n i 等金屬作粘結(jié)相會(huì)屬 形成耐磨性很高的硬質(zhì)耐磨劇1 9 但w c 致命的缺點(diǎn)是 抗高溫氧化能力差 鈷基碳化鎢在5 0 0 8 0 0 空氣中遭受嚴(yán)重氧化 在氧化氣 氛中分解為w 2 c w 和脆性相c o w c 2 0 武宏等人采用堆焊工藝在高錳鋼的 基體表面復(fù)合上一層w c 硬質(zhì)合會(huì)材料 獲得了一種具有高耐磨性和高韌性的復(fù) 合材料 對(duì)w c m n l 3 堆焊復(fù)合材料的微觀組織 力學(xué)性能以及耐磨料磨損性能 進(jìn)行了研究分析 結(jié)果表明 高錳鋼堆焊復(fù)合材料與傳統(tǒng)耐磨材料相比表現(xiàn)出了 優(yōu)越的耐磨料磨損性能 并保持了高錳鋼高韌性的特點(diǎn) 綜合性能得到極大的提 高1 2 索進(jìn)平等人研究了w c n i 3 a 1 表面強(qiáng)化功能復(fù)合材料的制備及w c 顆粒在 堆焊過(guò)程中溶解機(jī)理 認(rèn)為當(dāng)w c 含量較高時(shí) 溶解碳可保護(hù)其他元素不被氧化 冷卻過(guò)程中析出w 2 c 當(dāng)w c 含量低時(shí) 溶解碳只有部分保護(hù)作用 形成碳化 物包裹氧化物的復(fù)合析出物 2 2 1 2 f e c r c 系耐磨堆焊 f e c r c 系耐磨堆焊合金由于硬度高 綜合性能好 價(jià)格低廉而被廣泛應(yīng)用 于耐低應(yīng)力磨料磨損的工作環(huán)境 目前 國(guó)內(nèi)鐵基耐磨堆焊焊條o t l d 6 4 2 d 6 4 6 d 6 6 7 屬于高鉻鑄鐵堆焊焊條 熔敷會(huì)屬的含碳量為1 5 5 o 鉻含量為2 2 一 3 2 近年來(lái)又研制了f e c c r w 系耐磨堆焊焊條 c c r w 系耐磨堆焊焊條等 這些耐磨堆焊焊條中基本上都含c r c r 在熔敷盒屬中的作用是固溶強(qiáng)化及形成合 金碳化物 c r f e 7 c 3 2 3 甜l 但c r 的碳化物易形成網(wǎng)狀分布于基體晶界上 降低 了熔敷層的抗裂性斛2 5 1 楊威等人研究了c 元素含量為6 o 左右時(shí)改變c r 元素含 量和c r 元素含量4 0 左右時(shí)改變c 元素含量二種情況下c r 及c 元素各自對(duì)f e c r c 合金熔敷層組織的影響 結(jié)果表明 c 和c r 元素增加時(shí) 初生碳化物的量增加 初生碳化物隨著c 元素和c r 元素的增加 形態(tài)越來(lái)越規(guī)則 分布越來(lái)越密集 初 生碳化物顆粒的單個(gè)尺寸增大 c 元素含量6 0 左右 隨著c r 元素含量增大 初 生碳化物微區(qū)c r 元素含量增加 而當(dāng)c r 元素含量4 0 左右 隨著c 元素含量增加 初生碳化物微區(qū)c r 元素含量反而降低 2 6 5 第一帝緒論 3 t i c 增強(qiáng)耐磨堆焊 t i c 在基體組織中呈彌散分御的特點(diǎn) 使其在耐磨損和高溫應(yīng)用方面引人注 目 此外 世界上鈦鐵礦的儲(chǔ)量極為豐富 我國(guó)的鈦鐵礦儲(chǔ)量又居世界前列 所 以原料價(jià)格較為低廉 可以使生產(chǎn)成本大幅降低 具有廣泛的應(yīng)用前景 a r i k a n 等人研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)在1 5 c r 3 m o 白口鑄鐵中加入0 3 8 的t i 時(shí) 基體的磨損性能增加 3 0 2 7 1 而j o h n j c o r o n d o 等人利用自保護(hù)藥芯焊絲電弧焊對(duì)不同t i 含量的藥芯焊 絲進(jìn)行堆焊 研究發(fā)現(xiàn) t i 含量高的熔敷層的顯微組織中 t i c 量多且分布在馬 氏體基體上 具有更高的耐磨性 2 8 1 宋思利等人采用廉價(jià)的鈦鐵 石墨 人造金 紅石作為堆焊材料的組分 通過(guò)電弧冶金反應(yīng)形成t i c 顆粒增強(qiáng)體 彌散分布在 低碳馬氏體的基體上 鈦鐵和石墨的加入量對(duì)熔敷層的組織性能影響很大 當(dāng)鈦 鐵和石墨加入量分別為2 5 3 0 8 1 2 時(shí) 所制得的熔敷層具有良好的 綜合性能 2 9 此外 還利用氬弧熔敷技術(shù)制備了原位形成t i c 顆粒增強(qiáng)f e 基合金 復(fù)合層 并發(fā)現(xiàn)原位形成的t i c 顆粒尺寸細(xì)小 并彌散分布在f e 基體中 t i c 顆粒 在熔敷層呈密度梯度分制3 0 鐘定銘等人對(duì)堆焊金屬中t i 的過(guò)渡效率進(jìn)行了試驗(yàn) 研究 發(fā)現(xiàn)當(dāng)含c 量一定時(shí) 堆焊金屬中t i 的過(guò)渡效率系數(shù)可提高4 0 5 0 如果利用稀土作脫氧劑 當(dāng)含c 量滿足合金元素形成碳化物的前提下 則堆焊金 屬中t i 的過(guò)渡效率系數(shù)可提高6 0 7 0 3 1 1 可見(jiàn) 在結(jié)晶過(guò)程中形成的t i c 提 高了堆焊會(huì)屬的硬度 耐磨性 耐熱性和高溫強(qiáng)度 可大大地降低堆焊焊條的成 本 1 3 2 雙熔敷極焊條電弧焊研究現(xiàn)狀 目前 鄒增大教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組已對(duì)鈦鈣型雙熔敷極焊條電弧焊進(jìn)行了研 究 與傳統(tǒng)的單芯焊條相比 雙熔敷極焊條除在電弧靜特性 熔化特性 焊條熔 滴過(guò)渡特點(diǎn)及電弧電壓方面有所不同之外 在電弧形態(tài)及穩(wěn)定性上也有特點(diǎn) 鈦 鈣型雙熔敷極焊條電弧焊電弧具有不同的形態(tài) 且電弧集中與分散程度隨時(shí)間發(fā) 生周期性變化 相應(yīng)的電弧電壓也發(fā)生周期性變化 電弧形態(tài)主要受兩芯間距 焊接電流和焊條類型影響 隨兩芯間距的增大 電弧趨向分散 隨焊接電流的增 大 電弧挺度增大 電弧集中明亮 電弧形態(tài)周期性變化的頻率變快 另外 雙 熔敷極焊條電弧焊電弧穩(wěn)定性與單熔敷極焊條電弧焊明顯不同 在雙熔敷極焊條 電弧焊中 電弧電壓雖然存在波動(dòng) 但波動(dòng)主要是在某一電壓值的上方波動(dòng) 且 6 山東人學(xué)頌h 學(xué)位論文 電弧燃燒過(guò)程中不存在短路現(xiàn)象 即雙熔敷極焊條電弧焊比單熔敷極焊條電弧焊 的電弧更穩(wěn)定 1 4 1 5 1 6 3 2 1 4 熔敷層增強(qiáng)相的選擇 1 4 1 概述 用于會(huì)屬基復(fù)合材料熔敷層的增強(qiáng)相 通常都選擇具有高強(qiáng)度 高熔點(diǎn) 高 抗磨損 耐高溫 耐腐蝕性能的增強(qiáng)顆粒 并在性能上與基體金屬能夠形成良好 的冶會(huì)結(jié)合 獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能 因此 理想增強(qiáng)相的選擇原則有三條 1 剛性 強(qiáng)度 硬度等物理力學(xué)性能優(yōu)良 2 工作條件下增強(qiáng)相不溶于基體 內(nèi) 不發(fā)生增強(qiáng)相的溶解或潰散 組織形態(tài)不發(fā)生變化 3 與基體金屬的熱膨 脹系數(shù)差別小 不會(huì)由于工作溫度或苛刻的工作條件而產(chǎn)生裂紋或形成較大的應(yīng) 力集中 3 3 川 根據(jù)上述原則 目前可應(yīng)用的增強(qiáng)相主要有碳化物 硼化物 氧化物 氮化 物等以及會(huì)屬問(wèn)化合物 目前常用的增強(qiáng)相有s i c t i b t i b 2 t i c a 1 2 0 3 v c n b c 以及w c 掣3 5 3 6 1 碳化物顆粒增強(qiáng)f e 基耐磨熔敷層的指導(dǎo)思想是抑制基體的 過(guò)度固溶強(qiáng)化 避免高碳馬氏體的形成 通過(guò)冶金處理獲得強(qiáng)而韌的基體組織及 彌散的高硬度第二相 合會(huì)系統(tǒng)的選擇必須有利于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo) 碳化物的形成 對(duì)于控制熔敷會(huì)屬的組織轉(zhuǎn)變至關(guān)重型3 7 碳化物屬于間隙相 是過(guò)渡族金屬與 碳作用而生成的 過(guò)渡族金屬按其與碳的親和力以及形成的碳化物的穩(wěn)定性由高 到低掃 列h f z r t i t a n b v w m o c r m n f e 弼 v 族金屬 按其與碳的親和力以及形成的碳化物的穩(wěn)定性由高到低排列 h f z r t i t a n b 形成的碳化物具有n a c l 型的面心立方點(diǎn)陣 金屬原子 以面心立方結(jié)構(gòu)的方式排列 較小的c 原子占據(jù)所有可以利用的八面體間隙位 置 這種結(jié)構(gòu)的特殊性在于不是所有的