高铬铸铁高频堆焊工艺及性能的研究杨麒.doc

郑州大学毕业设计（论文）题 目：高铬铸铁高频堆焊工艺及性能的研究 Research on Property of High Chromium Cast Iron Produced with High-frequency Compounding 指导教师： 吴振卿 职称： 教授 学生姓名： 杨麒 学号： 20040850226 专 业： 材料成型及控制工程 院（系）： 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23mm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 AbstractIn the mechanical parts wearing, Abrasion has been a large proportion. Wearing-resisting lay of high chromium cast iron was compounded on the low carbon steel plate with High-frequency compounding methods. At the same time that can have the advantage of two materials, meet the requirements of toughness and Wearability of parts. This article process metallographic analysis of the high chromium cast iron with different composition, and measure the hardness of surfacing, analysis the relations between different composition of high chromium cast iron and Wearability. The results show that the Hyper-ectectic high chromium cast iron have Excellent Wearability compare with thehypoeutectic and Eutectic high chromium cast iron.Keywords: High-frequency compounding ; high chromium cast iron ; wear-resist目录摘 要iAbstractii1 概述11.1 研究的目的及意义11.2 各种堆焊方法的比较11.2.1 手工电弧堆焊21.2.2 氧-乙炔焰堆焊21.2.3 自动埋弧堆焊21.2.4 气体保护电弧堆焊31.2.5 等离子弧堆焊31.2.6 高频感应堆焊41.3 堆焊的应用现状及前景41.4 研究目标和研究内容52 实验过程72.1 实验材料的选取72.1.1 实验材料的选取依据72.1.2 母材的选取72.1.3 高铬铸铁成分的选取72.1.4 焊剂的选用82.2 试验目的、方法及步骤92.2.1 试验目的及方法92.2.2 实验设备及材料92.2.3 实验步骤93. 实验结果与讨论113.1 母材组织分析113.2 复合层化学成分和硬度关系的分析124 结论17参考文献18附件119附件220附件321附件422附件523外文翻译24外文原文36致谢431 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23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（30503100），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1600032000K。熔化极氩弧焊为1000014000K，钨极氩弧焊为900010000K。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，没有自由电弧易飘动的缺点。（3）等离子弧具有可控性51.2.6 高频感应堆焊高频感应堆焊是靠高频电流加热熔化堆焊材料而形成堆焊层的方法。高频堆焊时，加热温度略高于堆焊材料的熔化温度，略低于基体金属的熔化温度。这样既可以使零件的受热小，变形小，又能使堆焊合金与基体金属获得良好的冶金结合。高频感应堆焊层的厚度为0.13mm，并且具有操作简单、熔深浅，生产率高等优点，因此在机械零件的耐磨场合得到广泛的应用。高频感应堆焊是靠高频感应电流加热工件与堆焊材料，堆焊材料的熔化温度要比被堆焊零件的熔化温度低150200。高频感应堆焊设备与一般高频淬火设备一样由高频发生器和感应器组成。堆焊时，零件的堆焊部位覆盖一层粉状合金材料，并放入感应器内加热，使合金层与基体发生良好的冶金结合。合金粉末中的熔剂造渣并覆盖在平静的熔池上，最后形成一层薄而均匀的合金焊层。高频感应堆焊以其显著的工艺特点引起国内外的普遍重视与发展：（1）熔深浅、稀释率低，以满足零件对特殊性能的要求.（2）加热快，效率高，易实现机械化生产。高频感应堆焊加热集中，生产效率高，每小时可堆焊金属6kg以上，并可实现一次堆焊单道、双道、多道焊层，这是其他堆焊工艺所不可能相比的。（3）堆焊合金粉末成本低，经济效益显著。当前，高频感应堆焊合金粉末多为硬度高、耐磨性好的高铬铸铁型抗磨材料，既可以采用国产定型堆焊粉末，也可以自行生产机械粉碎混合型堆焊合金粉末。我国近年来研究的高铬铸铁型机械粉碎混合型合金粉末，其价格只有定型堆焊粉末合金的1/51/6，而两者的耐磨性相仿。采用这种合金粉末堆焊的零件，增加的成本不超过原工艺的2025%，但使用寿命可以提高一倍以上。通过对以上各种堆焊方法的比较，可以得出高频感应堆焊是最适合耐磨层堆焊的焊接方法。因其具有很多优点如熔深浅、稀释率低、生产效率高、易实现机械化、经济效益显著等是其他堆焊方法难以相比的5,14。1.3 堆焊的应用现状及前景堆焊技术作为焊接领域中的一个重要分支，就其应用范围而言，它广泛应用于汽车、拖拉机、冶金机械、矿山机械、煤矿机械、动力机械、石油化工设备、建筑设备、电力设备、运输设备以及工具模具及金属工件的制造与维修领域。目前，轧辊堆焊在堆焊领域中已占有很大比重，几乎所有的大、中型钢厂都有轧辊堆焊能力。许多科研单位、焊接材料公司等都在致力于研究生产有关轧辊堆焊的材料、设备和工艺。仅现有的用于轧辊堆焊的材料就有几十种。例如，30CrMnSi、40CrMn等低合金钢，由于合金含量低，所以具有良好的塑性、韧性和抗裂性，在恢复轧辊尺寸和打底层方面具有重要的作用；3Cr2W8、3Cr5Mn2MoSi等热作模具钢，具有良好的耐磨性和耐热疲劳性能，已广泛应用于轧机、板带及各种类型轧机的开环轧辊的堆焊；Cr18Ni8Mn6、Cr16Ni8Mn6、Cr20Ni10Mn6等奥氏体加工硬化不锈钢，由于加工硬化效果显著，在使用过程中硬度大大增加，加之它的热稳定性和抗氧化性均较高，因此，在深孔轧辊的孔型堆焊中取得了很好的效果。模具作为机械制造业的重要装备，采用堆焊技术进行模具修复及预保护在国内外取得了显著的经济效益。模具钢具有较高的碳和合金元素含量，堆焊时往往需要先堆焊过渡层。目前常用的过渡层材料有00Cr24Ni13,该材料适用于400以下作业的淬火敏感性钢种。同时，国外开发的具有这种功能的过渡层材料有瑞士的ToTIG690、英国的METROD309S92以及日本的DW-309L等。对使用温度高、堆焊难度更大的模具，常采用镍基过渡材料。国内在堆焊基体为5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8的锻模时，常采用10Mn2和08Mn2Si等材料作为过渡层。随着堆焊技术的进步和堆焊材料的开发应用，采用马氏体钢堆焊丝材、CrNiWMoNb 堆焊合金作为表面工作层，修复压铸模，可以大大提高其耐热疲劳性，使用寿命延长；修复断裂模具，可保证足够的力学性能；在塑料成型模具上进行堆焊，可以获得具有良好耐蚀、耐磨和优异的镜面加工性能。堆焊不仅可以修复旧的金属零件，而且可以在金属工件表面形成复合层，使其具有特殊的性能，从而达到延长工件使用寿命、降低成本和改进工作设计的效果。据统计，用于修复旧零件的堆焊合金占堆焊合金总量的72.2%。例如，堆焊旧轧辊的费用仅是新轧辊的30%左右，而使用寿命却比新轧辊高。因此，广泛采用堆焊工艺修复旧零件，对节约材料、节省资金、弥补配件短缺、缩短制造周期等具有重要的意义。采用堆焊技术制造机械零件时，不仅可以发挥零件的综合技术性能和金属材料的工作潜力，还能节约大量的贵重金属。例如，一般热锻模采用5CrMnMo或5CrNiMo等合金钢整体模制造，而我国有的单位已成功应用45Mn2铸钢作为热锻模基体、采用电渣堆焊合金材料来制造，从而大量节约了贵重的Ni、Mo等合金元素。又如，我国成功采用了高频堆焊农机犁铧，从而使农机具的生产迈进了一大步。因此，合理的采用并推广堆焊技术具有重大的经济意义。另外，随着计算机技术的不断发展，为了提高及稳定堆焊质量，国外已开始建立堆焊专家系统，如德国建立的堆焊专家系统，可根据零件磨损程度和磨损形式及母材成分来确定母材是否适宜堆焊、是否需要过渡层，并能够选择堆焊材料和确定堆焊工艺。这有利于指导操作人员制定较佳的堆焊工艺参数，促进堆焊技术的继续发展与堆焊质量的不断提高，进而扩大堆焊工艺的应用范围12,14。1.4 研究目标和研究内容本文主要研究高频堆焊情况下高铬铸铁/Q235复合中的亚共晶、共晶、过共晶组织高铬铸铁的耐磨性能。为了上述目标的完成，本课题将进行如下的研究内容：本文系统研究了高铬铸铁高频堆焊下不同组织、成分的高铬铸铁堆焊层的耐磨性能。考察堆焊层性能主要是测试其硬度，通过不同的组织状态:亚共晶、共晶和过共晶的耐磨性比较，分析化学成分，组织状态，机械性能(主要指硬度、耐磨性)之间的关系。2 实验过程高频堆焊工艺的选择是制备出良好试样的关键，在某种程度上直接对试验的准确性产生重要的影响。本章介绍了高铬铸铁和碳钢不同质量比的实验过程。试样制备后将通过金相显微镜观察界面组织，并通过硬度测试实验的研究来检测复合层耐磨性。2.1 实验材料的选取2.1.1 实验材料的选取依据任何双金属复合材料，只有当它和单一材料结构相比成本显得更低，某些性能或者综合性能有所改进时才是有用的。选用金属复合时需要考虑的性能包括弹性、强度、延展性和断裂韧性等机械性能，以及抗磨损性、抗腐蚀性或者抗高温等物化性能。另外，制作的双金属复合材料不仅要其整体具有良好的综合性能，同时还需要保持两种金属自身的特点。目前，双金属复合材料一般在磨损严重或者腐蚀性的条件下工作以及在一些承受高周疲劳的齿轮和轴类的零件中使用34。因此，为了保证双金属复合材料具有良好的工作状态，理想的复合材料表面应具备高的耐磨损、耐腐蚀性能，而基体材料必须具有良好的韧性和塑性。此外，复合材料整体需要有优良的焊接、铆接及冲压等工艺性能，并有不易被氧化、腐蚀和难以生成有害表面膜等特点。2.1.2 母材的选取本文中所研究的是高铬铸铁的高频堆焊（筛板），高铬铸铁为耐磨材料，脆性高，广泛应用与矿山机械等很多场合，因此母材不仅要能与高铬铸铁有良好的冶金结合，而且能降低复合后工件的脆性，避免零件在工作过程中的脆性断裂。如果为了保证零件的韧性而采用低碳钢，则由于其强度、硬度太低而使得其使用寿命非常短，但其韧性特别好，用作母材是完全合适的，且价格便宜。综上所述，利用高铬铸铁的优异抗磨能力和碳钢的优良韧性的特点，采用高铬铸铁/碳钢复合的办法制造筛板。2.1.3 高铬铸铁成分的选取高铬铸铁的优良抗磨能力主要决定于其特有的组织，由于含有较多的铬和其它的合金元素，可获得抗磨能力优良的组织。为了制备具有优良抗磨能力的筛板，首先需要了解高铬铸铁中各种元素的作用和组织的形成条件。高铬铸铁是一种以铁碳铬为基本成分的多元合金，其碳化物主要是M7C3型，这种碳化物的硬度高,并呈不连续的条块状、颗粒状。高铬铸铁中碳、铬是决定组织中碳化物数量和形态的最主要因素，同时其含量对基体组织也有相当的影响。应用的高铬铸铁含碳量一般为2% 4%，含铬量为15% 40%，如此高的含铬量是因为碳、铬原子间键结合强度高于碳、铁原子键结合强度。随着铬溶入量增加，碳化物的硬度相应提高，抗磨性能也提高。凝固后组织中高硬度碳化物基本上是以孤立的条块状形态存在，使得基体的连续性增加，因而整体材料的韧性显著提高。高铬铸铁堆焊合金中含碳质量分数越高,碳化物越多,硬度越高,抗磨性越好。但碳质量分数过剩时使其脆化,易出现裂纹。随合金中铬含量的增加，碳化物的形式由型型型（即）,一般型碳化物为连续网状或板状形貌，而和型碳化物为条状或条块状形貌，即和型碳化物较型碳化物的连续性低，故含有和型碳化物白口铸铁的韧性比含有型碳化物白口铸铁的要好。在， 型碳化物中型碳化物的硬度最高，这对提高铸铁的耐磨性是有利的【型硬度为10001230HV, 为13001800HV, 约为1140HV】随着铬元素的增加，硬质相, 的数量也逐渐增加，所以堆焊层的硬度也就随着增加，堆焊层耐磨性也随之迅速提高。但Cr元素的加入量不是越多越好，它应与C元素有适当的比例关系才能明显地改善堆焊层的耐磨性，而超过适当的范围性能不会明显提高，有时反而下降。铬与碳的比值Cr/C，影响铸铁中型碳化物的相对数量。一般Cr/C大于5就能获得大部分的型碳化物；同时铬碳比越高，铸铁的淬透性也增加。高硬度的碳化物要与硬的基体相配合才能表现出高的耐磨性.软基体不能给碳化物提供支撑,碳化物在磨损时易受剪力而折断,难以发挥抵抗磨损的作用.高铬白口铸铁中各基体的显微硬度为:铁素体70200HV ，珠光体300460HV，奥氏体300600HV,马氏体5001000HV.在磨料磨损条件下，基体不同时的磨损情况不同，马氏体的硬度最高，其磨料磨损抗力也最好，所以一般希望得到马氏体基体4,7,8。 综上所述，为更好的研究亚共晶、共晶和过共晶高铬铸铁的性能，因此确定高铬铸铁C、Cr含量如下：C：2.0%4.5%，Cr：16%41%。2.1.4 焊剂的选用熔剂的主要作用是清除合金粉末和基体表面的氧化膜，并起造渣作用，保护液态金属不被氧化 。当不加焊剂或只加少量低活性焊剂时，粉末层的熔化是从粉末层/基体的界面开始逐渐向两侧推进的。当加入一定量高活性焊剂，合金层粉末未完全熔化时，首先发生的是粉末颗粒间的局部“搭桥”导通，然后整个粉末层几乎同时熔化。可见、焊剂对合金粉末层的熔化过程有着显著的影响。在焊剂加入量相同的情况下，焊剂活性温度越低，强活性组分含量越高，则堆焊速度越快，稀释度越低。焊剂性质对熔焊过程的这种影响，主要是由其脱氧能力决定的。焊剂活性温度越低，则粉末层导通越早，加热和升温速度也越高，因此开始熔化的时间越短。另外，由于粉末层较早导通，使最高温度区较快的移到粉末层中，因而堆焊层界面和基体处的温度也就相应低一些，加上加热时间短，因而基体熔化的程度也就较低。高频堆焊时采用硼化物为主的熔剂，其主要成分为：硼酐、脱水硼砂、硅钙、氟化钙。硼酐的熔点为580，能与铁、铜等的氧化物形成易熔的硼酸盐。生成的硼酸盐以渣的形式浮在覆层表面，既能达到除去氧化膜的目的，又能起到机械保护作用。硼砂在741熔化，在液态下分解成硼酐和偏硼酸钠。硼砂去除氧化膜的作用仍是基于硼酐与金属氧化物形成易熔的硼酸盐，但分解形成的偏硼酸钠 能与硼酸盐形成熔点更低的复合化合物，从而能更有效地清除氧化膜。因此硼砂 除去氧化膜的能力比硼酐强，但硼砂的熔点比较高，且在800以下粘度较大，流动性不好。为了解决这个矛盾，采用硼砂和硼酐的混合物的熔剂。熔剂中硼酐含量多时，可以降低熔剂的熔点，另外硼酐能减小硼砂的表面张力，改善其流动性，促进硼砂熔剂的铺展。硼砂和硼酐熔剂有一个缺点：不能除去铬、硅、钛等的氧化物，因此在熔剂中加人氟化钙。氟化钙能够有效去除铬、硅等的氧化物，但氟化钙熔点很高(1403)，对降低熔剂熔点不起作用，故只加少量。氟化钙不但能起到除去合金颗粒表面氧化膜及改善合金粉末与铁液浸润性的作用，它还是造渣剂，能溶解并吸收高熔点氧化物，同时又是一种表面活性剂，能减小铁液的表面张力，而且造渣后上浮，改善覆层质量。熔剂中加人少量硅钙的目的是进一步增加脱氧效果2,6。2.2 试验目的、方法及步骤2.2.1 试验目的及方法本实验主要是采用高频堆焊的方法，在Q235普通碳素结构钢母材上堆焊不同成分的合金粉末，对焊后形成的亚共晶、共晶、过共晶组织进行金相分析，并测量堆焊层的硬度，由于硬度与耐磨性成正比，故可用其硬度来评价不同组织高铬铸铁堆焊层的耐磨性能。 本实验过程需要7种试样，分别堆焊7种不同成分的合金粉末，堆焊试验在Q235基体上进行，焊前清理试件，去除基体表面的铁锈、油脂等污染物。用于堆焊层合金化的合金粉末有铬铁粉、铁粉，焊后对试样组织进行分析。2.2.2 实验设备及材料GP100-C3高频感应加热炉，OLYMPUS BH-2金相显微镜采集系统，HR-150型洛氏硬度计，砂轮打磨机，砂纸（100#、200#、400#、600#、800#、1000#），抛光机，Q235钢板，合金粉末。2.2.3 实验步骤（1）母材与合金粉末的准备以Q235普通碳素结构钢为母材，准备7个尺寸为20mm10mm6mm试样，同时准备好7份合金粉末，成分质量分数如表2.1：表2.2.1 试样成分 (wt%)Tab.2.2.1 Chemical composition of the experiment material(wt%)试样1234567C2.02.22.83.23.84.24.5Cr16.020.025.030.034.038.041.0Fe82.077.872.266.862.257.854.5其它将7种合金粉末分别最大限度铺在7个试样表面。（2）高频堆焊启动GP100-C3高频感应加热炉，待运行稳定后，将试样以0.4cm/s左右的速度平稳通过高频感应线圈进行复合，堆焊完成后，空冷至室温。（3）打磨试样分别将试样的堆焊表面和含复合层的面在砂轮机上打磨较小平面，打磨平为止，再依次在100#、200#、400#、600#、800#、1000#砂纸上打磨，磨好后（以产生镜面为准），在抛光机上抛光，而后用盐酸苦味酸酒精溶液腐蚀，用酒精洗净，烘干。（4）观察金相和硬度测试试样烘干后，在OLYMPUS BH-2金相显微镜采集系统上，分别以100倍、200倍、500倍分别对试样母材、复合界面和堆焊表面进行观察并拍照。用洛氏硬度计测试堆焊层硬度，每个试样打5次，读数，去掉差别大的数据后，取平均值。3. 实验结果与讨论3.1 母材组织分析从图3.1.1中可以看到，常用普通碳素结构钢Q235（含碳量为0.140.17%）母材在高频感应加热后空冷情况下，母材中出现魏氏组织。因为母材加热温度高，热影响区奥氏体晶粒粗大，且焊后空冷、冷却速度大，所以容易出现魏氏组织。在实际生产中，含碳量小于0.6%的亚共析钢和含碳量大于1.2%的过共析钢在铸造、热扎、锻造后的空冷，焊缝或热影响区的空冷，或当加热温度过高并以较快速度冷却时，先共析铁素体或先共析渗碳体从奥氏体晶界沿奥氏体一定晶面往晶内生长并呈针片状析出。在金相显微镜下可以观察到从奥氏体晶界生长出来的近于平行的或其它规则排列的针状铁素体或渗碳体加珠光体组织，这种组织称为魏氏组织。针状铁素体可以从奥氏体中直接析出，也可以沿奥氏体晶界首先析出网状铁素体，然后再从网状铁素体平行的向晶内生长。当魏氏组织中的铁素体形成时，铁素体中的碳扩散到两侧母材奥氏体中，从而使铁素体中的奥氏体碳浓度不断增加，最终转变为珠光体。魏氏组织的形成与钢中含碳量、奥氏体晶粒大小、及冷却速度有关。只有在较快冷却速度和一定碳的质量分数范围内才能形成魏氏组织。对于亚共析钢，碳的质量分数越高，奥氏体晶粒越细，形成魏氏组织的上限温度越低，即在较大过冷度下才能形成魏氏组织。当亚共析钢中碳的质量分数超过0.6%时，由于碳含量高，形成微碳区的几率很小，故魏氏组织难以形成。研究表明，对于亚共析钢，当奥氏体晶粒细小时，只有含碳量在0.150.35%的狭窄范围内，冷却速度较快时才能形成魏氏组织。奥氏体晶粒越细小，越容易形成网状铁素体，而不容易形成魏氏组织。奥氏体晶粒越粗大，越容易形成魏氏组织，形成魏氏组织的含碳量范围变宽。因此魏氏组织通常伴有粗晶组织。魏氏组织是钢的一种过热缺陷组织。它使钢的机械性能，特别是冲击韧性和塑性有显著降低，并提高钢的脆性转折温度，因而容易使钢发生脆性断裂。 图3.1.1 魏氏组织Fig.3.1.1 widmanstaten structure3.2 复合层化学成分和硬度关系的分析测量17号试样的硬度，结果如表3.2.1所示表3.2.1 试样硬度值Tab.3.2.1 Hardness of samples试样序号1234567化学成分（wc%）C2.02.22.83.23.84.24.5Cr16.020.025.030.034.038.041.0硬度（HRC）49.251.853.559.560.461.261.5针对表1中复合层的化学成分和硬度，进行如下的分析:1号试样合金复合层碳当量CE=w(C)+005w(Cr)=2.0%+0.05*16%=2.8%，为亚共晶高铬铸铁，组织为亚共晶组织。由于Cr/C为8大于7且含铬量大于15%，因此大部分共晶碳化物形态为断续网状的型共晶碳化物。碳化物含量（%）=12.33（%C）+0.55（%Cr）-15.2=18.26%,由于试样在高频堆焊后直接空冷，因此其基体组织主要为奥氏体。由于碳化物的数量较少且基体为奥氏体组织。因此试样的硬度较底，HRC为49.2,耐磨性相对较差1。 图3.2.1 1号试样的金相组织Fig.3.2.1 Metallographic structure of No.1 sample2号试样合金复合层碳当量CE=w(C)+005w(Cr)=2.2%+0.05*20.0%=3.2%，为亚共晶高铬铸铁，组织为亚共晶组织。Cr/C约为9，大部分共晶碳化物形态为断续网状的型共晶碳化物，碳化物含量（%）为22.93%，与1号试样相比，由于共晶碳化物数量增加，因此硬度提高，HRC为51.8左右，碳化物数量增加后，高硬抗磨骨架相增多，所以2号试样的耐磨性较1号试样有所提高1,3。 图3.2.2 2号试样的金相组织Fig.3.2.2 Metallographic structure of No.2 sample3号试样复合层碳当量CE约为4.3%，为共晶高铬铸铁，组织为共晶组织。碳化物含量约为33.07%，Cr/C约为9，淬透性较大，基体组织为少量马氏体十奥氏体。由于碳化物数量增加后，高硬抗磨骨架相增多，基体软相奥氏体相的数量减少，且基体中有一定数量的马氏体。因此，硬度提高,HRC约为53.5，与亚共晶高铬铸铁相比，抗磨性能有所提高。 图3.2.3 3号试样的金相组织Fig.3.2.3 Metallographic structure of No.3 sample4号试样复合层碳当量CE约为4.7%，为过共晶高铬铸铁，组织为过共晶组织。碳化物含量（%）为40.76%，其组织为初生柱状碳化物+共晶碳化物+(马氏体+奥氏体)基体。由于除共晶组织外，组织中出现了部分粗大六方柱状初生型碳化物，因此复合层硬度大大提高，达到HRC59.5左右。粗大六方柱状抗磨相的出现，使试样的抵抗低应力磨料磨损性能大大提高9,10。 图3.2.4 4号试样的金相组织Fig.3.2.4 Metallographic structure of No.4 sample5号试样复合层碳当量CE约为5.5%，为过共晶高铬铸铁，组织为过共晶组织。碳化物含量（%）为50.35%，其组织为初生柱状碳化物+共晶碳化物+(马氏体+奥氏体)基体。与4号试样相比，其初生柱状型碳化物增加。因此，其硬度有所提高约为HRC60.4，耐磨性增强。 图3.2.5 5号试样的金相组织Fig.3.2.5 Metallographic structure of No.5 sample6号试样合金复合层碳当量CE约为6.1%，为过共晶高铬铸铁，组织为过共晶组织。碳化物含量（%）为57.49%，其组织中的碳化物主要为六方柱状，并出现部分型碳化物。由于其六方柱状型碳化物增加，提高了组织的致密度，使硬度增加，试样的耐磨性能有所提高约为HRC61.2。 图3.2.6 6号试样的金相组织Fig.3.2.6 Metallographic structure of No.6 sample7号试样合金复合层碳当量CE为6.55%，为过共晶高铬铸铁，组织为过共晶组织。碳化物含量（%）约为62.84%，一方面，由于其Cr含量较高，降低了马氏体转变温度，Ms点较低，增加了组织中的残余奥氏体量。另一方面，由于碳化物含量增加，提高了组织的致密度，使硬度增加。因此从宏观上提高复合层的韧性，降低复合层的硬度。两者综合作用的结果，使复合层硬度基本维持不变HRC61.5左右，耐磨性能基本维持不变11,13。 图3.2.7 7号试样的金相组织Fig.3.2.7 Metallographic structure of No.7 sample4 结论（1）用高频堆焊工艺在Q235普通碳素结构钢钢板上复合一层高铬铸铁耐磨层，由这种工艺获得的复合材料具有基体的强韧性和表层的耐磨性，焊层与基体间熔合良好，熔深浅、稀释率低，高频堆焊工艺加热快，效率高，易实现机械化生产。堆焊金属性能稳定，复合工艺简单实用。（2）与亚共晶和共晶成分的高铬铸铁相比，过共晶高铬铸铁耐磨复合层具有较好的耐磨料磨损和较好的工艺性能。（3）过共晶高铬铸铁具有很好的抗磨料磨损性能，与共晶高铬铸铁相比其硬度有显著提高。在过共晶成分的高铬铸铁中，持续增加其C、Cr含量时硬度有所提高，但变化不大。（4）堆焊层中，马氏体、奥氏体基体上分布有大量的碳化物硬质相，其组织构成具有优异的耐磨损性与抗裂性。高铬铸铁中的硬质相是碳化物( Cr.Fe) 7C3 ,其晶体呈粗大六角长棒状立体形态,碳化物晶体存在不同生长缺陷而不能结晶成规则的六角晶体外形。（5）（Cr.Fe) 7C3硬质相主要起抗磨损的骨架作用,韧性好的基体在提高抗裂纹形成和扩展能力的同时,对硬质相还起到可靠的支撑作用。因此,硬质相和基体的良好匹配能够有效地抵抗磨料磨损,从而获得很好的耐磨性能。参考文献1 吴振卿, 张治青. 高铬铸铁复合耐磨层耐磨性能的研究. 铸造设备研究, (02) (2000), 53-562 沙成斌, 汤文博, 孙玉福, 刘荣, 崔金鹤. 熔剂对高频熔覆耐磨覆层工艺性能的影响. 热加工工艺, 35(15)( 2006), 108-1113 子澍郭海波. 亚共晶高铬白口铸铁不抗磨的原因. 现代铸铁, 5 (20