【摘要】：高鉻鑄鐵耐磨損性能優(yōu)異,但韌性較差。低合金鋼強(qiáng)韌性較好,但耐磨損性能低。將高鉻鑄鐵與低合金鋼復(fù)合,制得的零部件既有較好韌性和止裂性能,又有良好的耐磨性,可以有效提高設(shè)備的使用壽命,在礦山、冶金、石油開(kāi)采等磨損嚴(yán)重的工況場(chǎng)合有廣泛的應(yīng)用前景。高鉻鑄鐵與低合金鋼雙金屬?gòu)?fù)合主要有軋制、鑄造和堆焊三種方法。軋制法復(fù)合高鉻鑄鐵和低合金鋼結(jié)合界面存在很大應(yīng)力,界面結(jié)合強(qiáng)度低。鑄造法復(fù)合高鉻鑄鐵和低合金鋼容易熔合不良,鑄態(tài)組織性能難以符合使用要求。采用手工電弧焊、埋弧焊等方法堆焊高鉻鑄鐵硬面層復(fù)合高鉻鑄鐵和低合金鋼時(shí)非常容易產(chǎn)生裂紋。電渣堆焊的方法熱輸入大,用電渣堆焊的方法在低合金鋼表面堆焊高鉻鑄鐵硬面層,可避免硬面層產(chǎn)生裂紋,是復(fù)合高質(zhì)量高鉻鑄鐵與低合金鋼雙金屬的有效新方法。本研究用電渣堆焊的方法在低合金D32鋼表面堆焊高鉻鑄鐵硬面層,復(fù)合高質(zhì)量高鉻鑄鐵與低合金鋼雙金屬。系統(tǒng)研究了在低合金鋼表面電渣堆焊高鉻鑄鐵硬面層的工藝參數(shù);研制了高鉻鑄鐵電渣堆焊專(zhuān)用焊劑;探討了電渣堆焊高鉻鑄鐵硬面層的組織與性能;優(yōu)化了電渣堆焊高鉻鑄鐵硬面層的熱處理工藝。主要研究成果如下:電渣堆焊30-45mm厚的高鉻鑄鐵硬面層時(shí),堆焊電壓在35-42V,堆焊電流在260-340A,渣池深度在35-40mm內(nèi)選取。當(dāng)堆焊層厚度較小時(shí),堆焊電壓和堆焊電流在參數(shù)范圍內(nèi)取下限;當(dāng)堆焊層厚度較大時(shí),堆焊電壓和堆焊電流在參數(shù)范圍內(nèi)取上限,保證渣池的平均能量密度閾值為8.5~9.5W/mm~2,此時(shí)熔合線均勻穩(wěn)定,可以在低合金鋼上有效熔覆大厚度的高鉻鑄鐵硬面層。CaF_2-CaO-Al_2O_3-SiO_2-MgO系高鉻鑄鐵電渣堆焊燒結(jié)焊劑成分為40%CaF_2、20~30%Al_2O_3、17~25%CaO、5~15%SiO_2、2~6%MgO時(shí),液態(tài)渣池電導(dǎo)率為3.3045Ω~(-1)·cm~(-1),黏度為0.083Pa·s,表面張力338.456N/m,電渣堆焊過(guò)程穩(wěn)定,堆焊層無(wú)缺陷,脫渣性好,工藝性能最優(yōu)。與高鉻鑄鐵焊絲匹配進(jìn)行電渣堆焊,焊絲中C、Cr等合金元素的過(guò)渡系數(shù)分別為83%和91%,合金元素?zé)龘p率低,適用于高鉻鑄鐵電渣堆焊。電渣堆焊時(shí),低合金鋼熱影響區(qū)較寬。電渣堆焊時(shí)粗晶熱影響區(qū)的T_(800-500)時(shí)間大于200s,可避免脆硬的馬氏體組織產(chǎn)生;在高鉻鑄鐵硬面層和低合金鋼界面存在奧氏體帶狀區(qū),亞共晶高鉻鑄鐵硬面層界面處奧氏體帶寬約40μm,過(guò)共晶高鉻鑄鐵硬面層界面處奧氏體帶寬約20μm。電渣堆焊高鉻鑄鐵與低合金鋼雙金屬試樣界面結(jié)合力測(cè)試時(shí),斷裂發(fā)生在熔合界面附近高鉻鑄鐵硬面層一側(cè),亞共晶高鉻鑄鐵硬面層試樣的斷裂強(qiáng)度為104MPa,過(guò)共晶高鉻鑄鐵硬面層試樣的斷裂強(qiáng)度為78MPa。電渣堆焊高鉻鑄鐵硬面層組織穩(wěn)定,硬度分布均勻,具有良好的耐磨損性能。電渣堆焊3.6C-20Cr-Fe過(guò)共晶高鉻鑄鐵硬面層組織由共晶組織和粗大的初晶碳化物組成。隨著硬面層中添加0.83wt.%V,組織中初晶碳化物細(xì)化,含量減少,同時(shí)共晶碳化物含量增加,還出現(xiàn)了少量馬氏體組織。當(dāng)硬面層中V含量為1.50wt.%時(shí),硬面層中沒(méi)有初晶碳化物,只含有細(xì)小的共晶組織和少量的馬氏體。當(dāng)硬面層中V含量增加到2.32wt.%時(shí),硬面層出現(xiàn)了初晶奧氏體,此時(shí)硬面層由初晶奧氏體、共晶組織和馬氏體組成。在V合金化的電渣堆焊高鉻鑄鐵硬面層中,V對(duì)C的親和力比Cr對(duì)C的親和力強(qiáng),因此V可以取代M_7C_3型碳化物中的部分Cr,且隨著V含量增加,M_7C_3型碳化物中V含量隨之增多。當(dāng)硬面層中V含量為2.32wt.%時(shí),V在M_7C_3型碳化物和奧氏體中達(dá)到飽和,硬面層中出現(xiàn)MC型碳化物,其化學(xué)式為(Cr_(0.23)V_(0.77))C。隨著電渣堆焊高鉻鑄鐵硬面層中V含量從0增加到1.50wt.%,硬面層的硬度和耐磨性不斷增加,當(dāng)V含量為2.32wt.%時(shí),硬面層中出現(xiàn)較軟的初晶奧氏體,硬度和耐磨損性能降低。電渣堆焊亞共晶高鉻鑄鐵硬面層時(shí),440℃熱處理后沒(méi)有組織轉(zhuǎn)變,高鉻鑄鐵硬面層硬度與焊態(tài)相比變化不大;在480-520℃進(jìn)行熱處理后初晶奧氏體和共晶奧氏體發(fā)生分解,析出M_(23)C_6型二次碳化物并轉(zhuǎn)變成馬氏體,高鉻鑄鐵硬面層硬度明顯上升;560℃熱處理后奧氏體不僅析出M_(23)C_6型二次碳化物并轉(zhuǎn)變成馬氏體,還有M_3C型碳化物的析出和細(xì)小珠光體組織形成,高鉻鑄鐵硬面層硬度迅速下降;600℃熱處理后高鉻鑄鐵硬面層顯微組織中珠光體含量進(jìn)一步上升,高鉻鑄鐵硬面層硬度繼續(xù)降低,其硬度低于焊態(tài)下硬面層硬度。磨損過(guò)程中,高鉻鑄鐵在摩擦力作用下產(chǎn)生微裂紋并不斷擴(kuò)展,新形成的微裂紋界面由于磨損導(dǎo)致溫度升高發(fā)生氧化,微裂紋的擴(kuò)展與裂紋面的氧化交替進(jìn)行,使金屬剝離基體,導(dǎo)致堆焊高鉻鑄鐵不斷磨損。硬面層金屬的硬度越高,磨損率越低,520℃熱處理后的高鉻鑄鐵硬面層顯微組織中馬氏體和碳化物含量較高,硬面層硬度最高,具有更大的摩擦系數(shù)和較小的磨損率。
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文最終組織由初晶碳化物和共晶組織組成，其形貌如圖 1.1（c）所示。亞共晶高鉻鑄鐵中奧氏體含量較高，硬度相對(duì)較低，沖擊韌性相對(duì)較好，因此，適用于沖擊載荷較大的磨損場(chǎng)合；過(guò)共晶高鉻鑄鐵碳化物含量較高，硬度較高，，但沖擊韌性相對(duì)較低。因此，適用于沖擊載荷較小的磨損場(chǎng)合。在選擇堆焊高鉻鑄鐵硬面層時(shí)，應(yīng)根據(jù)磨損條件不同選擇不同類(lèi)型的高鉻鑄鐵。

科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) olla-Jacuinde[77]研究 Nb、Ti、V 添加對(duì)高C 的形式存在，可以細(xì)化組織晶粒，V 存在鑄鐵中共晶碳化物的含量。向高鉻鑄鐵硬Nb 和 Ti 幾乎全部以 NbC 和 TiC 碳化物的如圖 1.2 所示。在凝固過(guò)程中 MC 型碳化，從而細(xì)化晶粒[78,79]。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TG455

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2658967