关键词:
Fe-Cr-C堆焊合金
异质形核
耐磨性
锆元素
镧元素
摘要:
Fe-Cr-C系堆焊合金是以高铬铸铁(HCCIs)的成分为基础,采用堆焊技术制成的一种耐磨堆焊合金,微观组织由大量的碳化物和奥氏体组成,因其优异的耐磨性而得到广泛应用。然而在该系堆焊合金组织中存在的大量M7C3、M23C6硬质相,其尺寸较大且同基体的结合程度差,易出现基体二次切削的问题。同时,硬质相在基体中的不均匀分布,也会使堆焊合金磨损情况不一致,从而使表面尺寸发生变化,减少使用寿命。
为改善Fe-Cr-C系堆焊合金中硬质相的尺寸形态,使其细化韧化,更好地与基体的结合,同时改善分布均匀度,本文自主制备了分析Fe-Cr-C-Zr、Fe-Cr-C-Zr-La耐磨药芯焊丝。通过数值模拟选定最优焊接工艺参数;采用GMAW的方法,以Q235为母材制备了堆焊合金。采用XRD、OM、SEM、EDS、EBSD等表征手段分析了不同Zr、La元素的含量对堆焊合金组织演变规律;通过硬度试验、磨料磨损实验研究了不同Zr、La元素的含量对堆焊合金性能的影响;确定了堆焊合金中最佳Zr、La元素含量。研究结果如下:
(1)建立了平板堆焊模型以及焊接热源模型,将实测热循环曲线与模拟热循环曲线进行对比发现曲线吻合良好。模拟了16组热循环曲线,在保证熔池充分熔化的前提下,选择热输入最小的工艺参数。确定最佳工艺参数为:I=300 A,U=20 V,v=18 m/h。
(2)Fe-Cr-C-Zr堆焊合金的显微组织为奥氏体、马氏体、M7C3、M23C6、Zr C、Zr O2。Zr O2、Zr C可作为M7C3、M23C6的异质形核核心。当Zr元素含量小于0.016 wt.%时,强化机制以固溶强化为主;当Zr元素含量大于0.016 wt.%时,强化机制以细晶强化为主。当Zr元素含量为0.021 wt.%时,堆焊合金硬度达到最大为62.8 HRC,较未添加时增加了4.3 HRC。随着Zr元素含量的增加,堆焊合金的耐磨性能先增强后减弱,当堆焊合金中Zr元素含量为0.016 wt.%时,硬度为61.3 HRC,耐磨性能达到最佳,较未添加时提升了26.93%,磨损机制为磨粒磨损,磨损失重最少,为0.483 g。
(3)Fe-Cr-C-Zr-La堆焊合金的显微组织为奥氏体、马氏体、M7C3、M23C6、Zr C、La2O3。La2O3可作为M7C3、Zr C的异质形核核心。堆焊合金的硬度和耐磨性能均随着La元素含量增加而增加,当堆焊合金中La元素含量为0.079 wt.%时,堆焊合金硬度达到最大为63.6 HRC,较未添加时增加了2.3 HRC,同时堆焊合金的耐磨性能达到最佳,较未添加时提升了38.30%,磨损机制为磨粒磨损,磨损失重最少,磨损量为0.298 g。该含量下堆焊合金表面犁沟深度最小且不连续。