高铬铸铁高频堆焊工艺及性能的研究--杨麒Word文档格式.doc
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材料科学与工程学院
完成时间：
2008年5月30日
摘要
在机械零件磨损中，磨料磨损占了很大比重。
采用高频感应堆焊工艺在普通碳素结构钢母材上堆焊一层2～3mm厚的高铬铸铁耐磨层，可以同时具备两种材料的优点，满足零件对韧性和耐磨性的要求。
本文主要对亚共晶、共晶、过共晶高铬铸铁组织进行金相分析，并测量堆焊层的硬度，研究分析了不同的高铬铸铁组织与耐磨性的关系。
实验得出，与亚共晶、共晶组织的高铬铸铁相比，过共晶高铬铸铁具有更好的抗磨料磨损性能。
关键词：
高频堆焊；
高铬铸铁；
耐磨
43
Abstract
Inthemechanicalpartswearing,Abrasionhasbeenalargeproportion.Wearing-resistinglayofhighchromiumcastironwascompoundedonthelowcarbonsteelplatewithHigh-frequencycompoundingmethods.Atthesametimethatcanhavetheadvantageoftwomaterials,meettherequirementsoftoughnessandWearabilityofparts.Thisarticleprocessmetallographicanalysisofthehighchromiumcastironwithdifferentcomposition,andmeasurethehardnessofsurfacing,analysistherelationsbetweendifferentcompositionofhighchromiumcastironandWearability.TheresultsshowthattheHyper-ectectichighchromiumcastironhaveExcellentWearabilitycomparewiththehypoeutecticandEutectichighchromiumcastiron.
Keywords:
High-frequencycompounding;
highchromiumcastiron;
wear-resist
目录
摘要 i
Abstract ii
1概述 1
1.1研究的目的及意义 1
1.2各种堆焊方法的比较 1
1.2.1手工电弧堆焊 2
1.2.2氧-乙炔焰堆焊 2
1.2.3自动埋弧堆焊 2
1.2.4气体保护电弧堆焊 3
1.2.5等离子弧堆焊 3
1.2.6高频感应堆焊 4
1.3堆焊的应用现状及前景 4
1.4研究目标和研究内容 5
2实验过程 7
2.1实验材料的选取 7
2.1.1实验材料的选取依据 7
2.1.2母材的选取 7
2.1.3高铬铸铁成分的选取 7
2.1.4焊剂的选用 8
2.2试验目的、方法及步骤 9
2.2.1试验目的及方法 9
2.2.2实验设备及材料 9
2.2.3实验步骤 9
3.实验结果与讨论 11
3.1母材组织分析 11
3.2复合层化学成分和硬度关系的分析 12
4结论 17
参考文献 18
附件1 19
附件2 20
附件3 21
附件4 22
附件5 23
外文翻译 24
外文原文 36
致谢 43
1概述
1.1研究的目的及意义
目前,机械零件大多数是用金属材料制造的,在使用过程中会发生磨损.随着现代工业的发展,机械零件经常在异常复杂和苛刻的条件下工作,大量的机械零件往往因磨损,腐蚀或磨蚀而报废.这就要求在高温高压、承受较大载荷以及氧化、磨蚀等工作条件下的机械装备表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温和抗氧化等性能。
统计资料表明:
在失效的机械零件中,大约有75%～80%是属于磨损。
供给机器的能量大约30%～50%消耗于摩擦和磨损过程中。
仅对我国冶金、煤炭、电力、建筑材料、农机等5个部门的不完全统计,金属件在与砂土、矿石、水泥相接触过程中被磨损的钢材量就在100万吨以上,再考虑因更换设备而降低的生产效率,1年所浪费的资金估计可高达30亿元。
目前，由磨料磨损所造成的经济损失占全部磨损的50%以上。
各种机械及零部件几乎都存在磨料磨损。
磨损可导致设备构件的寿命下降，严重的，还会引起机械设备的事故，降低劳动生产率，进而造成社会资源的浪费，限制了工业向现代化和自动化的发展。
因此，研究高性能的抗磨材料堆焊于机械及零部件表面，提高设备的使用寿命，对减少停机和维修，充分发挥材料性能节约用材，提高产量，增加效益，都有重大意义。
另外，对于筛板、衬板、鄂板等这些采用高硬度材料制造的耐磨件，不仅生产成本高，而且脆性大，因而在强烈冲击载荷条件下使用时受到限制。
在矿山、水泥等工业领域中，有许多抵抗磨粒磨损的工件都采用高硬度的铬系合金白口铸铁，然而其中部分易损件要求与设备的某些部位装配一起，需要对其非工作面进行机械加工，在这些情况下整体用高硬度材质就难以满足要求。
还有一些易损件只要求特定的部位磨损到一定的尺寸后就失效报废，整体采用高硬度的耐磨材料就显得极不经济。
所以，如果采用工作表面硬度高而非工作表面具有一定韧性或加工性能的双金属耐磨材料制造这类易损件，则是既经济又安全合理的设计。
而堆焊正是解决这些问题提高机械零部件表面性能的一种重要方法[5],[12]。
1.2各种堆焊方法的比较
堆焊是熔焊的一个分支是金属晶内结合的一种熔化焊接方法。
因此凡是属于熔焊的方法都可以用与堆焊。
生产中采用的堆焊方法很多，有手工电弧堆焊、氧-乙炔焰堆焊、自动埋弧堆焊、气体保护堆焊、等离子弧堆焊、电渣堆焊、高频感应堆焊等。
目前应用最为广泛的是手工电弧堆焊和氧-乙炔焰堆焊。
1.2.1手工电弧堆焊
手工电弧堆焊与一般手工电弧焊的特点基本相同，设备简单、使用可靠、操作方便灵活、成本低适宜于现场堆焊，可以在任何位置焊接，特别是能通过堆焊焊条获得满意的堆焊合金。
因此手工电弧堆焊是目前主要的堆焊方法之一。
手工电弧堆焊的缺点是生产效率低、劳动条件差、稀释率高。
当工艺参数不稳定时，易造成堆焊层合金的化学成分和性能波动，同时不易获得薄而均匀的堆焊层。
手工电弧堆焊主要用于堆焊形状不规则或机械化堆焊可达性能差的工件。
由于手工电弧堆焊熔深较大，稀释率较高，堆焊层硬度和耐磨性下降，所以一般需堆焊2～3层。
但堆焊层数较多时，易导致开裂和剥离，为此常对工件采取预热和缓冷措施，预热温度由堆焊部位的刚性等因素确定。
1.2.2氧-乙炔焰堆焊
氧-乙炔火焰是一种多用途的堆焊热源，火焰温度较低（3050～3100℃），而且可以调整火焰能率，能获得非常小的稀释率（1%～10%）。
堆焊时熔深浅、母材熔化量少。
获得的堆焊层薄，表面平滑美观、质量良好。
氧-乙炔焰堆焊所用的设备简单，可以随时移动，操作工艺简单、灵活、成本低，所以得到较为广泛的应用，尤其是堆焊需要较少热容量的中、小零件时，具有明显的优越性[5]。
1.2.3自动埋弧堆焊
自动埋弧堆焊是利用埋弧焊的方法在零件表面堆敷一层有特殊性能的金属材料的工艺过程。
其目的是为了增强材料表面的耐磨、耐腐蚀等性能。
埋弧堆焊的实质与一般埋弧焊接没有本质的区别，自动埋弧堆焊与一般的自动埋弧焊大致相同，所采用的设备完全是自动埋弧焊的设备。
但为了增加熔敷率，降低母材稀释率，二者之间也存在差别，即自动埋弧堆焊希望在不降低生产率的条件下获得最小的溶深。
在自动埋弧堆焊过程中，堆焊工件和焊丝在堆焊电弧的高温作用下被局部和全部熔化。
为了保护熔融金属免受周围空气的影响、保存堆焊电弧的热量和防止金属飞溅，一般采用细颗粒状焊剂覆盖在堆焊区上。
堆焊电弧使颗粒状焊剂部分熔化，维持堆焊电弧在熔融焊剂所形成的弹性外壳的空间中燃烧。
这个弹性外壳可靠地将堆焊熔池隔绝于空气。
自动埋弧堆焊比手工电弧堆焊能更有效地保护熔融金属不受空气影响，提高堆焊金属的质量，并且生产率比手工电弧堆焊高得多。
自动埋弧堆焊的电弧在焊剂层下进行，无飞溅和电弧辐射，劳动条件好，焊丝熔化形成的堆焊层平整光滑，易于实现机械化和自动化，生产率高，堆焊层成分稳定。
但自动埋弧堆焊的热量输入较大，堆焊熔池大，稀释率比其他电弧堆焊方法高。
埋弧堆焊需焊剂覆盖，只能在水平位置堆焊，适用于形状规则且堆焊面积大的焊接件[5]。
1.2.4气体保护电弧堆焊
气体保护电弧堆焊可分为很多种，主要包括钨极氩弧堆焊、熔化极气体保护电弧堆焊和自保护电弧堆焊。
钨极氩弧堆焊与钨极氩弧焊实质相同。
采用惰性气体氩气作为保护气体，焊接过程中基体金属与填充金属中的合金元素不易氧化烧损。
氩气不溶于金属，避免了堆焊层中出现气孔等缺陷。
非熔化极（钨极）惰性气体保护氩弧堆焊的特点是保护效果好、可见度好、电弧稳定、飞溅少。
氩弧焊除了被广泛用于一些有色金属、特殊合金钢的焊接外，还被应用于一些特殊材料的堆焊。
由于是惰性气体保护，堆焊层质量优良，适用于不锈钢和有色金属的堆焊。
熔化极气体保护电弧堆焊用的气体有CO、Ar及混合气体，和一般熔化极气体保护焊工艺没有实质的区别。
CO气体保护电弧堆焊成本低，但堆焊质量差，只适合对堆焊性能要求不高的零件。
CO气体保护电弧堆焊的主要优点是：
堆焊时对工件表面的油锈不敏感，堆焊层质量稳定，堆焊层硬度高，生产效率高且成本低，不需要清渣，CO气体容易供应等。
缺点是：
堆焊时飞溅大、合金元素烧损严重。
自保护电弧堆焊采用专用药芯焊丝，堆焊时，不需外加保护气体。
设备简单、操作方便，并可以获得多种成分的堆焊合金[5]。
1.2.5等离子弧堆焊
等离子弧是由特殊结构的等离子体发生器产生的，用于堆焊的等离子弧是由特制的等离子枪体产生的。
等离子弧与一般电弧的最大区别是，等离子弧在喷嘴内受到“压缩”，而一般电弧是自由电弧。
等离子弧具有热压缩效应、机械压缩效应、和电磁压缩效应的特点。
这三种压缩效应对电弧的作用，使电弧受到强制压缩而产生等离子弧。
不同应用条件下对等离子弧的性能有不同的要求，可以通过喷嘴结构、离子气种类和流量的选择以及电能的输入条件加以控制。
等离子弧堆焊具有以下几方面的优点：
（1）等离子弧温度高、热量集中
等离子弧具有压缩作用，中心温度可达16000～32000K。
熔化极氩弧焊为10000～14000K，钨极氩弧焊为9000～10000K。
由于等离子弧温度高、热量集中，被加工材料不受其熔点高低的限制。
（2）等离子弧热稳定性好
等离子弧中的气体是充分电离的，所以电弧更稳定。
等离子弧堆焊电流和电弧电压相对于弧长在一定范围内的变化不敏感，即使在弧柱较长时仍能保持稳定燃烧
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