（材料加工工程專業(yè)論文）石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條的研究.pdf

一 原創(chuàng)性聲明 f i l ff l fi i iir l i rfi lli if 17 9 3 3 8 8 本人鄭重聲明 所呈交的學位論文 是本人在導師的指導下 獨立進 行研究所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文不包含任何 其他個人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果 對本文的研究作出重要貢 獻的個人和集體 均已在文中以明確方式標明 本聲明的法律責任由本人 承擔 論文作者簽名 邃 勉絲日期 竺 里 幺一 關于學位論文使用授權的聲明 本人同意學校保留或向國家有關部門或機構送交論文的印刷件和電子 版 允許論文被查閱和借閱 本人授權山東大學可以將本學位論文的全部 或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用影印 縮印或其他復制手 段保存論文和匯編本學位論文 保密論文在解密后應遵守此規(guī)定 論文作者簽名 之魚拯勰師簽名 目錄 摘要 v i i 第一章緒論 1 1 1 引 言 1 1 2 雙熔敷極焊條電弧焊 2 1 3 課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1 3 1 耐磨堆焊焊條 3 1 3 2 雙熔敷極焊條電弧焊研究現(xiàn)狀 6 1 4 熔敷層增強相的選擇 7 1 4 1 概述 7 1 4 2 碳化鈦和碳化釩 8 1 4 3 碳化鈮 1 0 1 5 課題研究的目的及主要內(nèi)容 1 2 1 5 1 課題的研究目的 1 2 1 5 2 課題研究內(nèi)容 1 2 第二章試驗材料 設備及內(nèi)容 1 4 2 1 試驗材料 1 4 2 1 1 母材金屬 1 4 2 1 2 焊芯及藥皮組成 1 4 2 2 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條的制作 1 6 2 3 試驗設備與方法 1 9 2 3 12 5 噸雙熔敷極焊條涂壓機 1 9 2 3 2 焊接及擊穿試驗設備與方法 2 0 2 3 3 組織 性能測試設備及方法 2 0 第三章石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條絕緣性的研究 2 2 日錄 3 1 概述 2 2 3 2 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條絕緣性的影響因素 2 3 3 2 1 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條藥皮中導電顆粒粒度的確定 2 3 3 2 2 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條焊芯間距的確定 2 4 3 2 3 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條水玻璃種類及用量的確定 2 5 3 3 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條的擊穿機制 2 6 3 4 導電顆粒粒度 焊芯間距 水玻璃種類對焊條質(zhì)量影響的綜合分析2 8 3 5 本章小結 2 9 第四章t i c v c 石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層制備 3 0 4 1 熔敷層碳化物的熱力學形成分析 3 0 4 2 焊條配方的選定 3 1 4 2 1 石墨加入量的質(zhì)量百分比的影響 3 2 4 2 2 鈦鐵 f e t i 加入量的質(zhì)量百分比的影響 3 3 4 2 3 鈦鐵 f e t i 與釩鐵 f e v 加入量的質(zhì)量百分比的影響 3 4 4 3 焊接工藝參數(shù)的選定 3 7 4 3 1 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條電弧電壓 3 7 4 3 2 石墨型雙熔敷極堆焊焊條焊接電流的確定 3 7 4 4 本章小結 3 9 第五章石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層組織性能分析 4 0 5 1 單一t i c 顆粒增強石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層 4 0 5 1 1 熔敷層的組織形貌 4 0 5 1 2 結果分析 4 2 5 2 低藥皮重量系數(shù)的t i c v c 顆粒增強石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層 4 3 5 2 1 熔敷層的組織形貌 4 3 5 2 2 熔敷層中碳化物形核機制的分析 4 5 5 3 高藥皮重量系數(shù)的t i c v c 顆粒增強石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層 4 8 5 3 1 熔敷層的組織形貌 4 8 5 3 2 熔敷層的基體組織 5 1 l l i 東人學碩卜學化論史 5 3 3 熔敷層的表層硬度 5 2 5 4t i n b v 系石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層組織和性能 5 2 5 4 1t i n b v 系石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層組織及形核機制的分析5 3 5 4 2t i n b v 系石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層的表層硬度 5 6 5 5 本章小結 5 7 第六章結論 5 8 參考文獻 6 0 致謝 6 5 攻讀碩士期間發(fā)表的論文 6 6 l l l 東人學碩 f 學位論文 c o n t e n t a b s r a c t inc h i n e s e v i i a b s t r a c t i ne n g lis h i x c h a p t e r1 p r e f a c e 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2t w i ne l e c t r o d ea r cw e l d i n g 2 1 3t h eo v e r v ie wo fh o m ea n da b r o a d 3 1 3 1h a r d f a c in ge l e c t r o d e 3 1 3 2s i t u a t i o no fs t u d yo nt w i ne l e c t r o d e 6 1 4r e i n f o r c e dp h a s ei nc o a t i n g 6 1 4 1o v e r v i e w 8 1 4 1t i ca n dv c 8 1 4 2n b c 1 1 5p u r p o s ea n dc o n t e n to ft h isp r o j e c t 1 2 1 5 1p u r p o s eo ft h isp r o j e c t 1 2 1 5 2c o n t e n to ft h i sp r o j e c t 1 2 c h a p t e r2m a t e r i a lsa n dm e t h o d su s e di ne x p e r i m e n t 1 4 2 1 e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s 1 4 2 1 1p a r e n tm e t a l 1 4 2 1 2c o r ew i r ea n dc o a t i n go ft w i ne l e c t r o d e 1 4 2 2f a b r i c a t i o no fh i g h c a r b o nh a r d f a c i n gt w i ne l e c t r o d e 1 6 2 3m e t h o d sa n de q u i p m e n t su s e di ne x p e r i m e n t 1 9 2 3 12 5t o nt w i ne l e c t r o d eb e p o w d e r e dm a c h i n e 1 9 2 3 2m e t h o d sa n de q u i p m e n t su s e di nb r e a k d o w nt e s t 2 0 2 3 3m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t ye x p e r i m e n t s 2 0 c h a p t e r3i n s u l a ti v it yo fh i g h c a r b o nh a r d f a c i n gt w i ne l e c t r o d e 2 2 3 1o v e r v i e w 2 2 i v c o n t e n t 3 2e f f e c tf a c t o r so fi n s u l a t i v i t y 2 3 3 2 1g r a n u l a r i t yo fc o n d u c t i n gp a r t i c l e s 2 3 3 2 2s p a c eb e t w e e nt h et w oc o r ew i r e s 2 4 3 2 3t y p e sa n da m o u n to fs o l u b l eg l a s s 2 5 3 3a n a l y s i so fb r e a k d o w nt e s t 2 6 3 4p r i n c i p l eo fe f f e c tf a c t o r s 2 8 3 5s u m m a r y 1 9 c h a p t e r4f a b r i c a t i o no ft i c v ch a r d f a c i n gl a y e r 3 0 4 1t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i so nt i c v ch a r d f a c i n gl a y e r 3 0 4 2i n g r e d i e n t so fe l e c t r o d e 7 sc o a t i n g 3 1 4 2 1g r a p h it ec o n t e n to fc o a t i n g 3 2 4 2 2f e t ic o n t e n to fc o a t i n g 3 3 4 2 3f e t ia n df e vc o n t e n t so fc o a t i n g 3 4 4 3w e l d i n gp a r a m e t e r s 3 7 4 3 1a r cv 0 1 t a g eo fw e l d i n g 3 7 4 3 2w e l d i n gc u r r e n t 3 7 4 4s u m m a r y 3 9 c h a p t e r5t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo fh a r d f a c i n gl a y e r 4 0 5 1s i n g l et i cr e i n f o r c e dh a r d f a c i n gl a y e r 4 0 5 1 1m i c r o s t r u c t u r eo fh a r d f a c i n gl a y e r 4 0 5 1 2o u t c o m ea n a l y s i s 4 5 2l o wt i c v cg r a v i t yc o e f f i c i e n to fc o a t i n g 4 3 5 2 1m i c r o s t r u c t u r eo fh a r d f a c i n gl a y e r 4 3 5 2 2n u c l e a t i o nm e c h a n is m so fc a r b i d e s 4 5 5 3h i g ht i c v cg r a v i t yc o e f f i c i e n t o fc o a t i n g 4 8 5 3 1m i c r o s t r u c t u r eo fh a r d f a c i n g1 a y e r 4 8 5 3 2m i c r o s t r u c t u r eo fb a s e dm e t a l 5 1 5 3 3h a r d n e s so fh a r d f a c i n gl a y e r 5 2 v 山東人學碩l j 學位論文 5 4t h em ic r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo ft i n b vh a r d f a cin g1a y e r5 2 5 4 1t h es t r u c t u r ea n dn u c le a t i o nm e c h a n i s m s 5 3 5 4 2h a r d n e s so fh a r d f a c in g1 a y e r 5 6 5 5 s u m m a r y 5 7 c h a p t e r6s u m m a r y 5 8 r e f e r e n c e 6 t h a n k s 5 p r e s s e da r t i c l el i s ti np e r i o do fs t u d yf o rm a s t e r 6 6 v l i l i 東人學碩i 學化論文 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條的研究 摘要 雙熔敷極焊條電弧焊是一種新型焊接方法 焊接時兩個焊芯分別接電源的 兩極 工件不接電源 電弧在焊條相互平行絕緣的兩焊芯端部形成 利用熔滴攜 帶的熱量熔化母材 因此這種新型的焊接方法具有熔敷效率高 稀釋率低 工件 變形量較小和能源消耗少等優(yōu)點 如果能把雙熔敷極焊接技術應用于耐磨堆焊 中 將具有很大的現(xiàn)實意義 本文運用雙熔敷極電弧焊原理 丌發(fā)了石墨型雙熔 敷極耐磨堆焊焊條 利用石墨和鐵合會在高溫電弧中發(fā)生反應 在普通碳鋼表面 上堆焊出具有t i c v c 增強相的耐磨熔敷層 通過對其微觀組織的分析 研究了 這種新穎焊接方法的增強相形成特點及其合金元素對熔敷層的影響 同時對焊條 絕緣性 焊條藥皮配方 藥皮重量系數(shù)和堆焊參數(shù)等方面進行了研究 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條的絕緣性好壞是其能否運用到耐磨堆焊中的 基本條件 本文首先研究了影響石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條絕緣性的主要因 素 試驗研究表明 導電顆粒的粒度 兩焊芯間距和水玻璃的種類及其質(zhì)量是影 響石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條絕緣性的主要因素 在保證焊條焊接工藝的基礎 上 當采用粒度為6 0 8 0 目導電顆粒 石墨采用電極石墨 1 6 m m 焊芯問距 藥皮干粉同鈉水玻璃質(zhì)量配比適中所制成的雙熔敷極焊條絕緣性較好 適當?shù)乃幤ぶ亓肯禂?shù) 4 5 5 0 條件下 石墨型雙熔敷極焊條藥皮中的石 墨 鈦鐵和釩鐵的質(zhì)量百分比在1 0 5 1 5 1 5 2 5 和1 8 2 0 焊芯間距為 1 6 m m 所制成的焊條 在焊接電流為1 8 0 一2 0 0 a 以及對應電弧電壓為4 1 4 5 v 堆 焊時 可獲得硬度較高 成形良好的熔敷層 文中在雙熔敷極焊條藥皮中加入石墨 鈦鐵和釩鐵等作為焊接冶盒反應物 并對石墨型雙熔敷極耐磨熔敷層中的增強相進行了分析 結果證明 石墨型雙熔 敷極耐磨堆焊焊條的特殊結構嚴重影響到t i 元素的過渡系數(shù) 當藥皮重量系數(shù)較 少 k b 為4 5 5 0 時 熔敷層中形成的t i c 很少 這主要是由于雙熔敷極焊條 焊接過程中兩焊芯之問的藥皮在燃燒的電弧之中 而這部分藥皮中又能夠產(chǎn)生較 v i i 摘要 多的氧化性氣體 增加弧柱區(qū)的氧化勢 因此 藥皮中的鈦鐵更容易參與氧化反 應 使大量的鈦鐵在堆焊過程中起到了脫氧作用而被氧化 在熔渣中生成了大量 的鈦氧化物 以條狀分布在熔渣中 少量的參與原位反應形成t i c 伴隨著藥皮 重量系數(shù)的增加 熔敷層中的t i c 數(shù)量增多 釩鐵的加入 可以在熔敷層中促進v c 類碳化物粒子的形成 碳化物 主要 是v c 沿晶界分布 主要以塊狀 短棒狀存在 且不同熔敷層中碳化物的數(shù)量 尺寸不同 藥皮重量系數(shù)也是影響熔覆層中碳化物數(shù)量的重要因素 隨藥皮重量 系數(shù)的增加 t i c v c 等碳化物數(shù)量明顯增多 熔敷層基體組織為低碳馬氏體和 殘余奧氏體 表層硬度超過h r c 5 5 遠遠大于基體硬度 但過高的藥皮重量系數(shù) 使得焊條的焊接工藝性變差 較佳的石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條的藥皮重量系 數(shù)應控制在7 0 為宜 鈮鐵加入的熔敷層中發(fā)現(xiàn) 碳化物主要是以塊狀存在 由于t i c n b c v c 的 形成溫度 晶格結構以及n b t i v 原子的擴散能力和過渡系數(shù)的不同 導致了 n b c t i c 易先形核生成 而v c 更傾向于在共生晶粒的邊緣生長 關鍵詞 石墨型雙熔敷極耐磨堆焊焊條 耐磨堆焊 絕緣性 微觀組織 藥 皮重量系數(shù) v i i a b s t r a c t t w i ne l e c t r o d ea r cw e l d i n gi sa ni n n o v a t i v ew e l d i n gt e c h n o l o g y d u r i n g w e l d i n g 卅i l lc o r ew e l d i n g w i r e sl i n kd i f f e r e n tp o w e rp o l e sr e s p e c t i v e l y w h i c h m e a n st h a ti ti su n n e c e s s a r yf o rt h ew o r k p i e c et oc o n n e c tp o w e r i nt h i sc a s e e l e c t r i ca r cc a nb ef o r m e db e t w e e nt h et w op a r a l l e li n s u l a t e de n d so fc o r ew i r e s a n dt h ep a r e n tm a t e r i a li sm e l tb yf u s e dd r o p s t h i sn e ww e l d i n gm e t h o dh a s m a n yo b v i o u sa d v a n t a g e si n c l u d i n gh i g hc l a d d i n ge f f i c i e n c y l o wd i l u t i o nr a t e s e n e r g ys a v i n g a n ds m a l l e rd e f o r m a t i o nt ot h e w o r k p i e c e b a s e d o n a f o r e m e n t i o n e da d v a n t a g e so ft w i ne l e c t r o d ea r cw e l d i n g i ti so fg r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oa p p l y i to nh a r d f a c i n gw e l d i n g i nt h i sp a p e r i ti st h ef i r s tt i m et o s y n t h e s i z et i c v ch a r d f a c i n gc o a t i n go nq 2 3 5 s t e e l t h r o u g hm e t a l l u r g y i n t e r a c t i o ni ni n n o v a t i v et w i ne l e c t r o d ew e l d i n ga r c 1 n s u l a t i v i t yo ft w i n e l e c t r o d eh a db e e ni n v e s t i g a t e da n dt h em i c r o s t r u c t u r e so fh a r d f a c i n gc o a t i n g w a sa l s oc h a r a c t e r i z e di no r d e rt os t u d yt h ea p p l i c a t i o no ft j i i le l e c t r o d eo nt h e h a r d f a c i n gw e l d i n g t h ei n s u l a f i v i t yo fh i g h c a r b o nh a r d f a c i n gw e l d i n gt w i ne l e c t r o d er e l a t e dt o t h ea p p l i c a t i o no ft i l le l e c t r o d e so nt h eh a r d f a c i n gw e l d i n g t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h em a j o rf a c t o r sw h i c ha f f e c t e dt h ei n s u l a t i v i t yo fh i g h c a r b o nh a r d f a c i n g w e l d i n g 卅i l ie l e c t r o d ew e r et h es i z e so fc o n d u c t i n gp a r t i c l e s t h es p a c eb e t w e e n t h et w ow i r ec o r e s t h et y p e sa n dm a s so fw a t e rg l a s s a n dt h eg o o di n s u l a t i n g p a r a m e t e r sw e r et h a tt h es i z e so fe l e c t r o d eg r a p h i t ea n do t h e rc o n d u c t i n g p a r t i c l e sw e r e6 0 8 0m e s h t h es p a c eb e t w e e nt h et w ow i r ec o r e sw a s1 6m m t h er i g h tm a s sr a t i oo fe l e c t r o d ec o v e r i n ga n ds o d i u ms i l i c a t e w h e nt h ec o n t e n t so fg r a p h i t e f e r r o v a n a d i u ma n df e r r o t i t a n i u mw e r e 1 0 1 5 1 5 2 5 a n d1 8 2 0 i nt w i ne l e c t r o d ec o a t i n gu n d e r4 5 i x a b s t r a t 5 0 g r a v i t yc o e f f i c i e n to fc o a t i n g t h ew e l d i n gc u r r e n ta n da r cv o l t a g ew e r e 1 8 0 2 0 0 aa n d4 1 4 5 v t h ew e l d i n gl i n ee x h i b i t e dg o o da p p e a r a n c e t h em i c r o s t r u c t u r e sa n da b r a s i o nr e s i s t a n c e so fh a r d f a c i n gc o a t i n gw e r e a l s oa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a td u et ot h eu n i q u es t r u c t u r eo ft h et w i n e l e c t r o d e s t h ef e r r o t i t a n i u mi nc o a t i n g st e n d e dt oo x i d a t i o n w h i c hi m p a c t e d s e r i o u s l yo nt h et r a n s i t i o no ft ie l e m e n tt oh a r d f a c i n gc o a t i n g b e c a u s et h e c o a t i n gb e t w e e nt h et w ow e l d i n gc o r ew i r eg e n e r a t e dg a sw h i c hd e c r e a s e dt h e t r a n s f e rc o e f f i c i e n to fs o m ea c t i v ee l e m e n ts u c ha st id u et oi t ss t r o n go x i d a t i o n a c t i v i t y a sar e s u l t m o r et i t a n i u mo x i d ec o u l db ef o u n di nt h es l a g i na d d i t i o n t h ea m o u n to ft i ci n c r e a s e d w h e nt h ec o e f f i c i e n to f c o a t i n g si n c l i n e d s o m ev cp a r t i c l e sw e r ef o r m e dw i t ht h ea d d i t i o no ff e r r o v a n a d i u m a n d t h e r eb u l ka n dr o d l i k ev cp a r t i c l e sd i s t r i b u t e da l o n gt h eg r a i nb o u n d a r i e s t h e q u a n t i t yo rs i z eo fc a r b i d e sc h a n g e di nd i f f e r e n tl a y e r s g r a v i t yc o e f f i c i e n to f c o a t i n ga f f e c t e dt h ef o r m a t i o no fc a b i d e s t r a n s f e re f f i c i e n c yo ff e r r o a i l o ya n d q u a n t i t yo fc a r b i d e si n c r e a s e di nh i g hg r a v i t yc o e f f i c i e n to fc o a t i n go ft v i i l e l e c t r o d e t h em i c r o s t r u c t u r eo fm a t i xw a sl o wc a r b o nm a r t e n s i t ea n d r e s i d u a l a u s t e n i t e a n dt h eh a r d n e s so fl a y e rw a so v e rh r c 5 5 m o r e o v e r w e l d i n g t e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e sw e n tb a di nt o om u c hh i g hg r a v i t yc o e f f i c i e n to fc o a t i n g o ft w i ne l e c t r o d e t h er e s u l ts h o w e dt h a t7 0 w a st h ep r o p e rg r a v i t yc o e f f i c i e n t o fc o a t i n gf o rt i ne l e c t r o d e w h e nf e r r o n i o b i u mw a sa d d e di nt h ee l e c t r o d ec o a t i n g t h eh a r d f a c i n g c o a t i n gc o n s i s t e do fc a r b i d e s a n dt h ec e n t e ro fc a r b i d ep a r t i c l e sm a i n l y c o n t a i n e dn b t ia n dce l e m e n t sw h i l em o s to fve l e m e n te x i t e do nt h ee d g eo f c a r b i d e p a r t i c l e s k e yw o r d s h i g h c a r b o nh a r d f a c i n gw e l d i n gt w i ne l e c t r o d e h a r d f a c i n gw e l d i n g x i n s u l a t i v i t y m i c r o s t r u c t u r e s g r a v i t yc o e f f i c i e n to fc o a t i n g 1 1 引言 第一章緒論 隨著工業(yè)技術的迅速發(fā)展和機械化 自動化程度的不斷提高 機械設備和零 件磨損引起的危害越來越被人們重視 提高機械零件耐磨性具有很大的經(jīng)濟意 義 德國v o g e l p o h l 教授和英國h p j o s t 教授 1 2 1 指出 全世界生產(chǎn)能源的3 0 4 0 以至更多消耗在磨損上 在各種磨損類型中 磨料磨損占據(jù)了最大的比例 據(jù)統(tǒng)計 磨料磨損所造成的經(jīng)濟損失占磨損造成總損失的5 0 以上 各種機械 及零部件的使用幾乎都存在磨料磨損 特別是礦山機械 農(nóng)業(yè)機械 建筑機械 工程機械 冶會機械和鑄造機械等磨損更為嚴重 設備的磨損失效給企業(yè)帶來了 重大的經(jīng)濟損失 所以目前對磨損與耐磨材料的研究 特別在工業(yè)發(fā)達國家 越 來越引起人們的注意 因此 研究提高零部件表面耐磨性是當前表面工程重要研 究課題之一p j 目前 用于提高材料耐磨性的表面改性方法主要有以下幾種 4 習l 1 表面 化學熱處理 它主要包括滲碳 滲氮 滲硼等表面硬化技術 滲硫 氧化 磷化 等表面潤化技術 以及這兩種技術有機結合的復合化學熱處理工藝 2 鍍層技 術 電鍍 電刷鍍 復合鍍和化學鍍 3 堆焊 熱噴涂 火焰噴涂及等離子噴 涂等 4 激光表面處理 激光相變硬化 激光表面熔凝 激光合金化 激光表 面熔敷等 5 氣相沉積技術 化學氣相沉積 物理氣相沉積等 在上述表面改 性方法中 堆焊技術是最傳統(tǒng)也是應用較普遍的方法之一 它主要是用焊接的方 法在零件表面堆敷一層具有特定性能材料的工藝過程 其目的不是為了連接零 件 而是在于使零件表面獲得具有耐磨 耐熱 耐蝕等性能的熔敷金屬 1 0 1 堆焊 技術的主要機理就是熔敷層的合金化 通過具有特殊組分的焊接材料如焊芯 藥 皮 寬帶極等在電弧堆焊熔化過程中焊接材料中的合金元素過渡到熔敷金屬中 使熔敷層的性能得到明顯的改善 許多焊接方法可用于堆焊 如焊條電弧堆焊 氧一乙炔焰堆焊 埋弧堆焊 氣體保護和自保護明弧堆焊 等離子堆焊 電渣堆 焊 釬焊等 在眾多的堆焊方法中 焊條電弧堆焊技術因其工藝簡單 使用靈活 適應多種現(xiàn)場操作的場合等優(yōu)點 在零部件修復 軋輥焊補 耐磨部件堆焊強化 第一辛緒論 等方面得到廣泛應用 1 1 1 2 1 但迄今為止所用的焊條電弧堆焊技術 都是焊條接電 源一極 工件接電源另一極 焊接時 電弧在焊條與工件之問燃燒 如圖1 1 所 示 被焊工件從電弧中吸收能量熔化局部母材 與熔敷極熔化金屬共同形成熔池 由于工件作為電源的一極 工件上必然存在活性斑點區(qū) 熱量集中 局部溫度很 高 使工件局部熔化形成熔池 這樣母材局部熔化不僅量大而且過熱度高 不但 熔敷系數(shù)低 堆焊熔敷層稀釋率高 消耗電能多 而且冷卻后接頭中形成焊接應 力大 變形大 晶粒易粗化 焊接接頭性能降低 使得大幅度提高堆焊生產(chǎn)效率 受到制約 長期以來 人們從嚴格控制焊接參數(shù) 改變坡口形式及焊后熱處理等 工藝措施來減少應力和變形以提高焊接質(zhì)量 但由于工件接電源 難以從根本上 減少工件的輸入熱 而在雙熔敷極焊條電弧堆焊中 堆焊工件不接電源 陰 陽 極活性斑點區(qū)移至雙焊芯端部 從而提高了焊條的熔敷系數(shù) 降低了堆焊熔敷層 稀釋率 比較適合應用于堆焊之中 圖1 1 單熔敷極焊條電弧焊示意圖 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i n g l ee l e c t r o d ea r cw e l d i n g 1 2 雙熔敷極焊條電弧焊 雙熔敷極焊條電弧焊也是一種新型焊接方法 焊接時 用特制的焊鉗央持雙 電極焊條的尾部 使兩個焊芯分別接電源的兩極 工件不接電源 電弧在焊條相 互平行絕緣的兩焊芯端部形成 電弧可在離工件不同距離的空間引弧和燃燒 兩 極性斑點分別在兩焊芯端部 主要利用熔滴攜帶的熱量熔化母材 改變了被焊工 件的熱循環(huán) 1 3 基于其能夠提高熔敷效率 節(jié)省能源 稀釋率較低和工件變形量 2 藥皮 焊芯 電弧 焊件 圖1 2 艤熔敷極焊條電弧焊i 藝示意圖 f i g 1 2s c h e m a t i co ft w i ne l e c t r o d e sa r cw e l d i n g 雙熔敷極焊條與傳統(tǒng)的單芯焊條在很多方面有所不同 1 4 6 1 1 雙熔敷極焊 條的一根焊條中有兩根焊芯 引燃和焊接時雙焊芯為電弧的兩極 被焊工件不接 電源 2 引燃電弧要首先使雙焊芯端部短路 斷弧時要關斷電源 3 電弧電 壓 弧長 由雙焊芯的間距而定 雙熔敷極焊條與工件之問的距離對電弧電壓的 影響很小 隨焊接電流增大 電弧電壓略有升高 4 電弧靜特性 雙熔敷極電 弧焊具有上升的電弧靜特性 并隨兩焊芯間距的增大而上移 5 熔化特性 在 兩焊芯間距合適的情況下 雙熔敷極焊條可以保持陰 陽極熔化速度一致 在同 一焊接電流下 雙熔敷極焊條的熔化速度比單芯焊條的熔化速度大 并隨焊接電 流和兩焊芯間距的增大而增大 6 焊條熔滴過渡特點及形式 雙熔敷極電弧焊 熔滴過渡方向與焊接電流方向不同 在兩焊芯問電弧作用下 熔滴一般從電弧兩 邊沿滯熔藥皮過渡 有利于熔滴形成渣壁過渡 1 3 課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 3 1 耐磨堆焊焊條 耐磨堆焊可以分為焊條電弧堆焊 埋弧堆焊 藥芯焊絲堆焊等 耐磨焊條堆焊國內(nèi)外焊接工作者已進行過大量的研究 其主要是通過在焊條 藥皮中直接加入高硬度質(zhì)點 女n c r c w c 等 或在藥皮中添加合會元素c 與c r t i v 等 通過電弧冶金反應生成c r c t i c v c 等硬質(zhì)點來強化鐵基熔敷層 使得熔敷層具有較高的硬度和耐磨性 利用上述原理 國內(nèi)外已有大量的高碳耐 磨堆焊產(chǎn)品 如表1 1 所示 值得注意的是 在所有的利用c 與其他合金元素反應 來提高耐磨性的高碳堆焊焊條中 c 主要是以石墨的形式加入的 而石墨的作用 除了為生成碳化物提供必要的c 元素之外 還可以促使基體形成馬氏體 增加熔 敷層硬度 表1 1 國內(nèi)及國外主要高碳耐磨堆焊焊材的類型 t a b l e 1 1d i f f e r e n tt y p e so fh i g h c a r b o nh a r d f a c i n gw e l d i n ge l e c t r o d e sa th o m ea n da b r o a d 4 山東人學碩i 學位論文 1 w c 增強耐磨堆焊 w c 具有高的硬度 強度和韌性而成為制備高耐磨熔敷層重要的增強相 w c 硬度高達h v 2 0 8 0 特別是高溫硬度高 w c 能很好的被c o f e n i 等金屬 熔體澗濕 尤其c o 對w c 的潤濕性最好 這些優(yōu)異的性能 使它能用c o 和n i 等金屬作粘結相會屬 形成耐磨性很高的硬質(zhì)耐磨劇1 9 但w c 致命的缺點是 抗高溫氧化能力差 鈷基碳化鎢在5 0 0 8 0 0 空氣中遭受嚴重氧化 在氧化氣 氛中分解為w 2 c w 和脆性相c o w c 2 0 武宏等人采用堆焊工藝在高錳鋼的 基體表面復合上一層w c 硬質(zhì)合會材料 獲得了一種具有高耐磨性和高韌性的復 合材料 對w c m n l 3 堆焊復合材料的微觀組織 力學性能以及耐磨料磨損性能 進行了研究分析 結果表明 高錳鋼堆焊復合材料與傳統(tǒng)耐磨材料相比表現(xiàn)出了 優(yōu)越的耐磨料磨損性能 并保持了高錳鋼高韌性的特點 綜合性能得到極大的提 高1 2 索進平等人研究了w c n i 3 a 1 表面強化功能復合材料的制備及w c 顆粒在 堆焊過程中溶解機理 認為當w c 含量較高時 溶解碳可保護其他元素不被氧化 冷卻過程中析出w 2 c 當w c 含量低時 溶解碳只有部分保護作用 形成碳化 物包裹氧化物的復合析出物 2 2 1 2 f e c r c 系耐磨堆焊 f e c r c 系耐磨堆焊合金由于硬度高 綜合性能好 價格低廉而被廣泛應用 于耐低應力磨料磨損的工作環(huán)境 目前 國內(nèi)鐵基耐磨堆焊焊條o t l d 6 4 2 d 6 4 6 d 6 6 7 屬于高鉻鑄鐵堆焊焊條 熔敷會屬的含碳量為1 5 5 o 鉻含量為2 2 一 3 2 近年來又研制了f e c c r w 系耐磨堆焊焊條 c c r w 系耐磨堆焊焊條等 這些耐磨堆焊焊條中基本上都含c r c r 在熔敷盒屬中的作用是固溶強化及形成合 金碳化物 c r f e 7 c 3 2 3 甜l 但c r 的碳化物易形成網(wǎng)狀分布于基體晶界上 降低 了熔敷層的抗裂性斛2 5 1 楊威等人研究了c 元素含量為6 o 左右時改變c r 元素含 量和c r 元素含量4 0 左右時改變c 元素含量二種情況下c r 及c 元素各自對f e c r c 合金熔敷層組織的影響 結果表明 c 和c r 元素增加時 初生碳化物的量增加 初生碳化物隨著c 元素和c r 元素的增加 形態(tài)越來越規(guī)則 分布越來越密集 初 生碳化物顆粒的單個尺寸增大 c 元素含量6 0 左右 隨著c r 元素含量增大 初 生碳化物微區(qū)c r 元素含量增加 而當c r 元素含量4 0 左右 隨著c 元素含量增加 初生碳化物微區(qū)c r 元素含量反而降低 2 6 5 第一帝緒論 3 t i c 增強耐磨堆焊 t i c 在基體組織中呈彌散分御的特點 使其在耐磨損和高溫應用方面引人注 目 此外 世界上鈦鐵礦的儲量極為豐富 我國的鈦鐵礦儲量又居世界前列 所 以原料價格較為低廉 可以使生產(chǎn)成本大幅降低 具有廣泛的應用前景 a r i k a n 等人研究發(fā)現(xiàn)當在1 5 c r 3 m o 白口鑄鐵中加入0 3 8 的t i 時 基體的磨損性能增加 3 0 2 7 1 而j o h n j c o r o n d o 等人利用自保護藥芯焊絲電弧焊對不同t i 含量的藥芯焊 絲進行堆焊 研究發(fā)現(xiàn) t i 含量高的熔敷層的顯微組織中 t i c 量多且分布在馬 氏體基體上 具有更高的耐磨性 2 8 1 宋思利等人采用廉價的鈦鐵 石墨 人造金 紅石作為堆焊材料的組分 通過電弧冶金反應形成t i c 顆粒增強體 彌散分布在 低碳馬氏體的基體上 鈦鐵和石墨的加入量對熔敷層的組織性能影響很大 當鈦 鐵和石墨加入量分別為2 5 3 0 8 1 2 時 所制得的熔敷層具有良好的 綜合性能 2 9 此外 還利用氬弧熔敷技術制備了原位形成t i c 顆粒增強f e 基合金 復合層 并發(fā)現(xiàn)原位形成的t i c 顆粒尺寸細小 并彌散分布在f e 基體中 t i c 顆粒 在熔敷層呈密度梯度分制3 0 鐘定銘等人對堆焊金屬中t i 的過渡效率進行了試驗 研究 發(fā)現(xiàn)當含c 量一定時 堆焊金屬中t i 的過渡效率系數(shù)可提高4 0 5 0 如果利用稀土作脫氧劑 當含c 量滿足合金元素形成碳化物的前提下 則堆焊金 屬中t i 的過渡效率系數(shù)可提高6 0 7 0 3 1 1 可見 在結晶過程中形成的t i c 提 高了堆焊會屬的硬度 耐磨性 耐熱性和高溫強度 可大大地降低堆焊焊條的成 本 1 3 2 雙熔敷極焊條電弧焊研究現(xiàn)狀 目前 鄒增大教授領導的課題組已對鈦鈣型雙熔敷極焊條電弧焊進行了研 究 與傳統(tǒng)的單芯焊條相比 雙熔敷極焊條除在電弧靜特性 熔化特性 焊條熔 滴過渡特點及電弧電壓方面有所不同之外 在電弧形態(tài)及穩(wěn)定性上也有特點 鈦 鈣型雙熔敷極焊條電弧焊電弧具有不同的形態(tài) 且電弧集中與分散程度隨時間發(fā) 生周期性變化 相應的電弧電壓也發(fā)生周期性變化 電弧形態(tài)主要受兩芯間距 焊接電流和焊條類型影響 隨兩芯間距的增大 電弧趨向分散 隨焊接電流的增 大 電弧挺度增大 電弧集中明亮 電弧形態(tài)周期性變化的頻率變快 另外 雙 熔敷極焊條電弧焊電弧穩(wěn)定性與單熔敷極焊條電弧焊明顯不同 在雙熔敷極焊條 電弧焊中 電弧電壓雖然存在波動 但波動主要是在某一電壓值的上方波動 且 6 山東人學頌h 學位論文 電弧燃燒過程中不存在短路現(xiàn)象 即雙熔敷極焊條電弧焊比單熔敷極焊條電弧焊 的電弧更穩(wěn)定 1 4 1 5 1 6 3 2 1 4 熔敷層增強相的選擇 1 4 1 概述 用于會屬基復合材料熔敷層的增強相 通常都選擇具有高強度 高熔點 高 抗磨損 耐高溫 耐腐蝕性能的增強顆粒 并在性能上與基體金屬能夠形成良好 的冶會結合 獲得優(yōu)異的綜合力學性能 因此 理想增強相的選擇原則有三條 1 剛性 強度 硬度等物理力學性能優(yōu)良 2 工作條件下增強相不溶于基體 內(nèi) 不發(fā)生增強相的溶解或潰散 組織形態(tài)不發(fā)生變化 3 與基體金屬的熱膨 脹系數(shù)差別小 不會由于工作溫度或苛刻的工作條件而產(chǎn)生裂紋或形成較大的應 力集中 3 3 川 根據(jù)上述原則 目前可應用的增強相主要有碳化物 硼化物 氧化物 氮化 物等以及會屬問化合物 目前常用的增強相有s i c t i b t i b 2 t i c a 1 2 0 3 v c n b c 以及w c 掣3 5 3 6 1 碳化物顆粒增強f e 基耐磨熔敷層的指導思想是抑制基體的 過度固溶強化 避免高碳馬氏體的形成 通過冶金處理獲得強而韌的基體組織及 彌散的高硬度第二相 合會系統(tǒng)的選擇必須有利于實現(xiàn)這一目標 碳化物的形成 對于控制熔敷會屬的組織轉變至關重型3 7 碳化物屬于間隙相 是過渡族金屬與 碳作用而生成的 過渡族金屬按其與碳的親和力以及形成的碳化物的穩(wěn)定性由高 到低掃 列h f z r t i t a n b v w m o c r m n f e 弼 v 族金屬 按其與碳的親和力以及形成的碳化物的穩(wěn)定性由高到低排列 h f z r t i t a n b 形成的碳化物具有n a c l 型的面心立方點陣 金屬原子 以面心立方結構的方式排列 較小的c 原子占據(jù)所有可以利用的八面體間隙位 置 這種結構的特殊性在于不是所有的