本文選題：粉/絲復合堆焊技術(shù)　切入點：高硼Fe-B-C堆焊合金　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：堆焊是減緩工程部件磨料磨損的一種有效手段,高性能的堆焊材料是實現(xiàn)這一手段的必要保證。高硼鐵基合金成本相對較低、耐磨性能優(yōu)異,已在磨料磨損領(lǐng)域顯示出明顯的優(yōu)越性。然而,高硼鐵基合金用于堆焊的研究報道較少,因此,開發(fā)一種包含少量合金元素、價位低廉、具有良好堆焊工藝性能、耐磨性和抗裂性的高硼鐵基耐磨堆焊合金材料就顯得尤為重要。研究中發(fā)現(xiàn)高硼鐵基合金堆焊存在的問題一是硼量過高易引發(fā)裂紋,減少裂紋往往要犧牲耐磨性;二是高硼鐵基堆焊合金組織如何實現(xiàn)優(yōu)勝劣汰;三是耐磨相Fe_2B生長取向不同耐磨性存在差異。針對上述問題本文采用粉/絲復合堆焊技術(shù),探討少量合金元素對Fe-B-C系堆焊合金組織結(jié)構(gòu)、初生Fe_2B相生長取向、裂紋產(chǎn)生及耐磨性的影響與相互關(guān)系,期望獲得一種具有良好抗裂性能、耐磨性能的高硼鐵基堆焊合金材料。本文從不含貴重合金元素的Fe-B-C系堆焊合金出發(fā),系統(tǒng)研究了粉/絲復合堆焊工藝條件下,硼化物硬質(zhì)相的類型、形態(tài)、體積分數(shù)與不同基體的配合對堆焊合金磨料耐磨性能的影響。結(jié)果顯示,Fe-B-C系堆焊合金典型的顯微組織有樹枝晶狀Fe、棒狀Fe_2B、魚骨狀Fe_2B以及菊花狀Fe_3(C,B),調(diào)整硼、碳的含量與配比可控制堆焊合金中各顯微組織的體積分數(shù)。不同組織結(jié)構(gòu)堆焊合金的磨料耐磨性不同,過共晶成分合金以粗大的棒狀Fe_2B為硬質(zhì)相,以共晶組織為基體,棒狀Fe_2B硬質(zhì)相可有效保護共晶基體免受磨粒的損傷,阻斷磨粒的切削路徑,高顯微硬度的共晶組織基體可避免因其過度磨損而引起硬質(zhì)相脫落,兩者良好的配合可表現(xiàn)出優(yōu)異的磨料耐磨性。硬質(zhì)相的類型與體積分數(shù)是影響堆焊合金磨料耐磨性的主要因素之一,根據(jù)熱力學計算結(jié)果,論證了合金元素Ti控制Fe-B-C系堆焊合金各硬質(zhì)相體積分數(shù)的可能性,驗證了Ti對Fe-B-C系堆焊合金組織結(jié)構(gòu)及耐磨性的影響規(guī)律。結(jié)果表明,與Fe_3(C,B)相比,Ti與C形成的Ti C相具有更低的反應(yīng)吉布斯自由能,Ti可控制堆焊合金中Fe_3(C,B)相的體積分數(shù)。Ti與B形成的Ti B2相比Fe_2B具有更低的反應(yīng)吉布斯自由能,并能控制堆焊合金中Fe_2B相的體積分數(shù)。通過調(diào)整Ti、B、C的含量與配比,可控制堆焊合金層中各硬質(zhì)相的類型、體積分數(shù),最終達到控制堆焊合金耐磨性的目的。磨損試驗顯示,含Ti 0.71 wt.%、B5.9wt.%、C 0.9 wt.%、的Fe-B-C-Ti系堆焊合金可獲得以Fe_2B、Ti B2、Ti C為硬質(zhì)相、共晶組織為基體的組合,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。根據(jù)棒狀Fe_2B橫截面硬度明顯高于縱截面硬度的試驗事實,提出調(diào)整堆焊工藝并結(jié)合微合金化的方式控制棒狀Fe_2B生長取向的設(shè)計思想,以此提高堆焊合金的耐磨性能。首先依據(jù)Gibbs-Curie-Wulff理論及AE理論構(gòu)造了初晶Fe_2B的理論生長形態(tài),印證了其最快生長方向為[001]晶相�；谧羁焐L方向平行于溫度梯度的擇優(yōu)生長理論,提出采用大寬度“Z”字形堆焊工藝控制溫度梯度方向的方法,結(jié)合微量合金元素Ti改變?nèi)苜|(zhì)再分配進而減小成分過冷度,最終達到控制棒狀Fe_2B的生長取向的目的。試驗結(jié)果顯示,上述方式可獲得垂直堆焊層表面生長的棒狀Fe_2B相,耐磨性提高20%~35%。從提高堆焊層抗裂性角度出發(fā),探討了棒狀Fe_2B內(nèi)部顯微裂紋及堆焊層宏觀裂紋的危害性,分析了Fe-B-C系堆焊合金裂紋產(chǎn)生的本質(zhì)原因,提出了抑制裂紋產(chǎn)生的新方法,實現(xiàn)耐磨性與抗裂性的統(tǒng)籌兼顧。以EET理論計算了Fe_2B晶體的價電子結(jié)構(gòu)及鍵能,提出棒狀Fe_2B內(nèi)部垂直[001]晶向顯微裂紋產(chǎn)生的本質(zhì)原因是片狀Fe_3(C,B)夾雜引發(fā)斷裂的新觀點,理論及試驗驗證了Cr、V可抑制顯微裂紋的產(chǎn)生。當堆焊合金中Cr的含量達到一定數(shù)值時,顯微裂紋消失,耐磨性也相應(yīng)提高。宏觀裂紋產(chǎn)生的本質(zhì)原因是粗大的棒狀Fe_2B相及過高的C含量。鑒于此,提出采用氮氣保護下Ti、N細化晶粒抑制堆焊層裂紋的方法。結(jié)果顯示,含B 5.8 wt.%、Cr 2.3wt.%、Ti 1.6 wt.%、C 1.0 wt.%、N 0.085 wt.%的高硼鐵基堆焊合金無宏觀裂紋與顯微裂紋,耐磨性是同等B、C含量堆焊合金的1.63倍。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TG455

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本文編號：1584702