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堆焊硬麵合金中碳氮化物質點對其組織和性能的影響

現廣泛使用的硬麵藥芯焊絲主要是利用碳與鉻、鈦、鋁、釩、铌等形成碳化物硬質點,來提高硬麵合金的硬度和耐磨性。由於藥芯焊絲中含碳量較高、合金元素較多,導致堆焊層的碳當量較高,使其產生裂紋的趨勢明顯升高,再加上高碳硬麵藥芯焊絲堆焊層中的碳化物常呈板條狀,這些板條狀碳化物容易在晶界聚集,造成其成分的分布不均勻,使堆焊層硬麵合金的塑性降低,使用過程中容易剝落,使得與其本應該起的作用背道而馳。本課題針對傳統硬麵合金的不足,結合堆焊工藝,以Cr13馬氏體不鏽鋼為研究對象,提出用氮代替部分碳進行氮合金化,獲得足夠多數量彌散分布的碳氮化物硬質相質點。利用這些彌散分布的碳氮化物硬質相來提高機械零件耐磨粒磨損性能和耐高溫磨損性能。通過優化焊接工藝規範,在Q235鋼板上堆焊5道4層。用化學成分分析儀分析堆焊層熔敷金屬成分及含量,用高溫攝影儀觀察熔敷金屬在加熱和冷卻過程中組織變化規律,對截取試樣在450℃~600℃不同溫度下回火熱處理,用洛氏硬度計測量硬度,用金相顯微鏡觀察顯微組織,用自製磨粒磨損試驗機測量磨損失重,用高溫磨損試驗機測量試樣在500℃高溫下磨損失重,用掃描電鏡觀察堆焊層微觀組織和磨損形貌,用電子探針對第二相粒子和磨屑進行能譜點分析,研究結果如下:(1)所研製的硬麵藥芯焊絲堆焊層組織為馬氏體+殘餘奧氏體,同時在基體和晶界分布著均勻細小的碳氮化物(Nb、V、Cr)x(C、N)y,且硬麵合金組織隨著氮化鉻和氮化物形成元素釩、铌的加入而細化,當氮化鉻添加量超過一定值時,堆焊層將形成氮氣孔。(2)藥芯焊絲中僅添加氮化鉻,堆焊層硬度變化不大,當添加釩、铌後,焊態下堆焊層硬度隨著氮化鉻含量的增加而增加。對堆焊層金屬進行回火熱處理時,當回火溫度在450℃以下時,堆焊層硬度幾乎沒有變化;當回火溫度為480℃時,堆焊層硬度略有下降;繼續提高回火溫度,堆焊層硬度先回升後降低。(3)在藥芯焊絲中添加2%铌鐵、2%釩鐵和5%氮化鉻,焊態下堆焊層耐磨粒磨損性能比碳合金化硬麵合金提高約30%。采用合適的熱處理方案,氮合金化硬麵合金堆焊層耐磨粒磨損性能比未熱處理時提高約15%,比碳合金化硬麵合金堆焊層的耐磨粒磨損性能提高約35%。(4)高溫磨損的主要失效形式為高溫氧化皮的剝落、摩擦磨損和磨粒磨損,藥芯焊絲中添加釩鐵、铌鐵和氮化鉻可有效提高堆焊層焊態下的耐高溫磨損性能。在磨損環境溫度為500℃時,500℃以下回火熱處理對堆焊層耐高溫磨損性能影響不大,500℃以上回火熱處理,碳合金化硬麵合金堆焊層耐高溫磨損性能不斷下降,而氮合金化硬麵合金堆焊層耐高溫磨損性能先提高後降低。

硬麵合金堆焊